Размер зерна литого материала

Изменение степени переохлаждения оказывает влияние на кристаллизационные параметры так же как на число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов. Она практически определяет получаемую при кристаллизации структуру литого металла, величину его зерен. С увеличением степени переохлаждения увеличиваются оба кристаллизационных параметра, однако, темп возрастания количества зародышей больше, чем темп возрастания линейной скорости их роста. Кроме того, максимум кривой скорости роста кристаллов с относительно кривой изменения числа центов кристаллизации смещен в сторону меньших степеней переохлаждения. Поэтому с увеличением степени переохлаждения число зерен возрастает, а их размер уменьшается. Таким образом, увеличение степени переохлаждения при кристаллизации способствует мелкозернистости литого металла. Наибольшая степень измельчения структуры может быть получена при тех степенях переохлаждения, когда скорость роста уже уменьшается, а число возникающих зародышей еще продолжает расти.

Изменение размера зерен при кристаллизации можно описать зависимостью, обнаруженной экспериментально:

,

где d- размер зерна; v - скорость охлаждения при кристаллизции; A и n - константы, которые мало отличаются для различных сплавов.

Расчеты, подтвержденные экспериментально, показывают, что для алюминиевых, магниевых, никелевых сплавов при А = 100 мкм, n = 0,4 и высокой скорости скорости кристаллизации 10⁶ °С/с, размер дендритной ячейки, составляет d = 0,4 мкм, что на несколько порядков меньше размера зерна сплавов, кристаллизуемых с малыми скоростями охлаждения (например, 10 °С/с).

При еще больших скоростях охлаждения, например, после оплавления поверхности металла лучом лазера, образующиеся кристаллы могут получить размеры, соизмеримые с несколькими десятками межатомных расстояний, что соответствует формированию рентгеноаморфного состояния закристаллизованного металла.

На кинетику процесса кристаллизации, на количество и размеры кристаллизирующихся зерен, кроме чисто тепловых процессов, оказывают влияние вторичные факторы. К ним относится случайное (из шихтовых материалов) наличие в расплаве жидкости посторонних нерастворимых частиц, их специальное введение модифицированием, возникновение в расплаве флуктуаций свободной энергии под действием дополнительного воздействия, например, при обработке расплава ультразвуком или механической вибрацией.

Кристаллизация без каких-либо посторонних воздействий или без наличия готовых центров кристаллизации называется самопроизвольной, при наличии готовых центров -несамопроизвольной.

Изменяя число активных частиц - катализаторов кристаллизации, можно изменять размер зерна в широких пределах. На этом основан широко применяемый в металлургии способ получения мелкого зерна, называемый модифицированием. Существует несколько способов модифицирования, изучаемые в специальных курсах металлургии металлов и сплавов. Согласно одному из них, в расплав вводят множество дисперсных нерастворимых частиц, которые при последующем охлаждении способствуют интенсивному развитию несамопроизвольной кристаллизации, в результате чего отливка получается мелкозернистой. В другом случае, в жидкий металл вводят небольшое количество растворимых добавок, которые понижают поверхностное натяжение, на границе раздела между жидкой и твердой фазой, снижая флуктуации свободной энергии необходимой для образования зародыша, что, в конечном счете, приводит к образованию большого числа зародышевых центров.

При обработке расплава ультразвуком в процессе кристаллизации возможно несколько механизмов измельчения зерна литого материала. Во-первых, ввод колебаний в расплав осуществляется с помощью металлических инструментов. Ультразвуковая эрозия рабочего торца волновода приводит к попаданию в расплав мельчайших частиц материала волновода, которые модифицируют сплав, изменяя зерно. Во-вторых, ввод ультразвуковых колебаний в расплав приводит к развитию процессов кавитации, при которой в расплаве возникают локальные скачки давления в его микрообъемах достигающие нескольких сот или тысяч атмосфер. Такое локальное выделение энергии в расплаве действует как модифицирование, увеличивая количество центров кристаллизации.

В-третьих, кавитационные процессы, развивающиеся в процессе кристаллизации, могут разрушать, диспергировать уже образовавшиеся сравнительно крупные зародышевые кристаллы, тем самым увеличивая их количество.

Возникновение ультразвукового ветра способствует активному перемешиванию расплава, обеспечивающего равномерное распределение образовавшихся зародышевых центров в объеме расплава.Ультразвуковые колебания измельчают макростроение отливки или слитка и способствуют измельчению микроструктуры металла.

Применение вибрации при кристаллизации вызывает аналогичное действие за исключением специфических особенностей воздействия ультразвука. В процессе вибрационной кристаллизации также изменяется макростроение отливок.