Кристаллизация происходит с образованием теплового эффекта. От его величины зависит размер зерна.
Rk = [ 4 * σ * Ts / Q] / ΔT.
где Q - тепловой эффект затвердевания на единицу объема; Ts - температура затвердевания. Выражение справедливо для гомогенной кристаллизации. Теоретическое число центров кристаллизации значительно ниже числа реально образующихся зародышей. Это связано с присутствием примесей в расплавах. На примесях происходит гетерогенная кристаллизация. Схема кристаллизации на примеси показана на рис. 10.
Рис. 10. Схема кристаллизации на примеси. б1 - поверхностное натяжение примеси; б2 - поверхностное натяжение затвердевшего металла; б3 - поверхностное натяжение металла расплава.
Рост кристалла происходит послойным присоединением атомов к зародышу. Обычно б1 больше б2 и - б1+б2 меньше нуля, т.е. с точки зрения энергетики процесса, кристаллизация на примесях более выгодна, чем спонтанная кристаллизация. В реальных процессах примеси являются основными центрами кристаллизации. При перегреве расплавленного металла одна часть примесей расплавляется, другая дезактивируется.
|
|
Изменить число центров и размер зерна можно четырьмя методами:
- изменить скорость охлаждения и тем самым величину переохлаждения;
- увеличить или уменьшить перегрев металла перед разливкой;
- ввести в жидкий металл мельчайшие нерастворимые примеси;
- уменьшить путем добавки активных растворимых примесей поверхностное натяжение.
Последние два метода осуществляются при модификации, соответственно гетерогенной и гомогенной. Модифицирование осуществляют введением специальных добавок, образующих тугоплавкие соединения (карбиды, нитриды и оксиды).
Процесс кристаллизации начинается от стенок формы, которые играют туже роль, что и нерастворимые примеси. На поверхности слитков образуется труднообрабатываемый слой из мелких кристаллов, который удаляют в металлургическом переделе.