Гомогенное и гетерогенное зарождение центров кристаллизации. Объемная и последвательная кристаллизация.

Различают два способа образования зародышей: гомогенный и гетерогенный.

С повышением температуры число и размеры кластеров уменьшаются. По мере приближения температуры расплава к точке кристаллизации устойчивость и продолжительность «жизни» их повышается, а при определенной температуре они приобретают полную устойчивость и становятся центрами кристаллизации. Происходит спонтанная кристаллизация, и кристаллы начинают расти на кластерах. Такой тип зарождения кристаллов называется гомогенным.

При гетерогенном образовании зародышей кристаллы растут на инородных зародышах (различных включениях в расплаве).

Для начала кристаллизации необходимо уменьшить свободную энергию, то есть переохладить расплав, отвести некоторое количество теплоты, чтобы на имеющихся зародышах начался рост кристалла.

При затвердевании и охлаждении отливки в системе от­ливка-форма происходят следующие нестационарные тепловые процес­сы: переход тепла через жидкий металл; переход тепла через твердый металл; передача тепла от расплава в форму; передача тепла от твердого металла в форму; передача тепла от твердого металла в форму через за­зор между затвердевшей корочкой металла и формой; переход тепла че­рез форму; излучение тепла открытыми прибылями.

Условия теплопередачи от металла в форму постоянно меняются -температура отдельных точек системы отливка-форма изменяется во времени.

Распределение темпе­ратур по сечению отливки в период за­твердевания (4.1).

Центральная зона(tл < t ≤ tц), имеющая температуру выше ликвидуса tл, является жидкой.

Наружная зона (tп ≤ t < tc) с температурой ниже солидуса tc образована твердым метал­лом.

 В промежутке между этими зонами (tc < t < tc) расположена зона затвердевания шириной ψ, протяженность которой зависит от величины температурного интервала затвердевания ∆t_инт= ta - tc и характера распределения температур по сечению отливки.

Величина ∆t_инт зависит от вида диаграммы состояния сплава и его положения на ней.

При сочетании высокой интенсивности теплоотвода (водоохлаждаемые формы) и узкоинтер­вального сплава (расположены вблизи чистого компонента на д-р состояния) ширина зоны затвердевания ψ сужается до величины, намного меньшей г, то есть ψ /r «1, Узкая зона затвердева­ния у, разделяющая области жидкого и твердого металла, последова­тельно перемещается от поверхности к центру отливки. Процесс затвер д евания начинается с образования твердой корки у поверхности и за­вершается в центре, когда толщина корки достигает г. Такой процесс называется последовательным затвердеванием. В этих условиях обыч­но образуются преимущественно столбчатые (вытянутые в направлении теплоотвода) кристаллиты, формируется концентрированная усадочная раковина, из-за понижения уровня расплава вследствие усадки при за­твердевании и последующего охлаждения возникают значительные тер­мические деформации и напряжения.

При малой интенсивности (для неметаллических форм) в широкоинтервальных, сплавах зона затвердевания ψ распространяется на все сечение от­ливки.. ψ /r»1 В период за­твердевания отливки длительное время отсутствуют зона жидкого ме­талла и твердая корка и по всему сечению жидкая и твердая фаза сосу­ществуют, различаясь по размеру кристаллитов и доле выделившейся твердой фазы. Процесс затвердевания почти одновременно начинается и заканчивается во всем объеме отливки. Такой процесс называют объем­ным затвердеванием. В этих условиях образуются преимущественно равновесные кристаллиты, выделение растворенных газов и усадка в междуосных промежутках кристаллитов приводят к образованию рассе­янной газоусадочной пористости, ликвация сосредотачивается в мас­штабе дендритной ячейки, деформации и напряжения не достигают су­щественных значений.

Сравнение затвердевания разных сплавов при разной интенсивности теплоотвода (см. рис. 4.2) показывает, что узкоинтервальные сплавы - затвердевают последовательно, а в широкоинтервальных сплавах в зависимости от теплоот­вода характер затвердевания изменяется от последовательного до объ­емного

При повышении начальной температуры формы t_п и заливке лег­коплавких сплавов, перепад темпера­тур по сечению отливки уменьшается и соответственно возрастает склонность к объемному характеру затвердевания. Влияние других тех­нологических факторов (температура заливки металла, нанесение крас­ки на поверхность формы и т.д.) на характер затвердевания оценивается по тому, как под влиянием этих факторов изменяется перепад темпера­тур по сечению отливки.