Теоретические предпосылки и технологические приемы регулирования кристаллического строения литого сплава.

Основная задача литейщиков – получить отливку с заданным размерами и формой макрозерна, а также с определенной микроструктурой.

Существует множество технологических приемов, позволяющих управлять структурой отливки.

Рассмотрим наиболее эффективные способы.

1. Увеличение скорости охлаждения отливки влечет за собой увеличение скорости затвердевания ν_затв и скорости кристаллизации отдельных структурных составляющих. Первичные дендриты становятся короче, их оси тоньше, измельчается эвтектика и другие составляющие. На рис.1 показана зависимость размеров макрозерна 1, междуосного расстояния дендритов 2 (микрозерна), и межпластинчатого расстояния в эвтектике 3 от скорости затвердевания.

Рис.1. Зависимость размера макрозерна (1), междуосного расстояния дендритов (2) в стали и межпластинчатого расстояния в эвтектике Al+CuAl2 (3) от скорости затвердевания сплава υ_затв

2. Направленное затвердевание и кристаллизация создают в структуре сплава четкую ориентировку по оси теплоотвода. Предельно оптимальным случаем является создание монокристаллического состояния, когда структура всей отливки представляет собой зерно (монодендрит или ячеистый коробчатый дендрит).

Большой интерес представляет также направленная кристаллизация эвтектических сплавов, когда эвтектический пакет растет только в продольном направлении за счет удлинения пластинок и возникает волокнистый материал (литой композиционный материал). Волокна интерметаллидной фазы формируют твердый раствор и обеспечивают высокую жаропрочность сплава.

3. Модифицирование сплавов. Типы модификаторов, особенности, требования к ним были рассмотрены ранее.

Рассмотрим воздействие модификаторов на отдельные структурные составляющие сплава:

в сплавах – твердых растворах происходит измельчение первичного зерна (рис.2). Если в сплаве (1) происходит фазовая перекристаллизация (3), то измельчается также и вторичное зерно. Такая зависимость характерна для углеродистых сталей с ферритно-перлитной структурой;

в сплавах с первичными выделениями и эвтектикой (5) происходит измельчение обеих структурных составляющих (6); вместо крупнопластинчатой эвтектики (7) образуется тонкопластинчатая с очень короткими пластинами (8). Крупные отдельные структурные составляющие могут сильно измельчатся, либо коагулировать и сфероидизироваться.

Рис.2. Влияние модификаторов на структурные составляющие сплавов

Такие структуры характерны для структуры серого и высокопрочного чугуна.

В результате модифицирования улучшаются механические свойства, уменьшается загрязненность газами, возрастает плотность отливки.

Необходимо подчеркнуть три закономерности:

1. За счет измельчения грубых составляющих повышается пластинчатость малопластинчатых сплавов.

2. Эффект модифицирования усиливается при увеличении скорости охлаждения отливки.

3. Модифицирование приводит к выравниванию свойств сплава по сечению отливки и поэтому особенно эффективно для крупногабаритных отливок.

4. Вибрация расплавов позволяет измельчать структуру отливок за счет того, что колебания разрушают покровные оксидные пленки на расплаве у стенок формы, в результате скорость охлаждения увеличивается, то есть облегчается образование кристаллов и в результате измельчается структура наружного слоя отливки. Кроме того, колебания облегчают отделение кристаллов от стенки формы в начальный период затвердевания и осаждаются, формируя равноосную зону. О том, что при вибрации не весь расплав, а только поверхностный слой приходит в движение может свидетельствовать простой опыт.

Если в стакан с водой ввести несколько капель чернил, то при вибрации они распределятся по поверхности, образуя воронку, тоже наблюдается при вибрации расплава (рис.4).

Наиболее эффективна вибрация в начальный период затвердевания. Макроструктура слитка из алюминия чистотой 99,8 %, затвердевающего без вибрации состоит из столбчатых кристаллов.

При вибрировании расплава в течение всего периода затвердевания появляется зона равноосных кристаллов. Если вибрацию осуществляют в начале до тех пор, пока не образуется твердая корочка 5 мм, также появляются равноосные кристаллы. Но если, наоборот, в покое дать сначала образоваться корочке, а затем вибрировать, то структура будет такой же, как при кристаллизации вообще без вибрации.

То есть наложение вибраций наиболее эффективно в начальный период, причем вибрация должна осуществляться до тех пор, пока температура не снизится до определенного уровня, при котором отделившиеся кристаллы могут сохраняться, то есть не расплавляться полностью.

5. Перемешивание расплава в форме, вызывает бурное колебание поверхности расплава, что способствует отделению неустойчивых кристаллов в зоне контакта расплава со стенками формы, и измельчению зерна.

Если перемешивающая рамка с прутком вызывает колебания поверхности, то образуется U-образная зона равноосных кристаллов, если пруток покрыть кожухом вверху, то равноосные кристаллы не появляются.

Видно, что именно вибрация поверхности расплава способствует образованию равноосных кристаллов, которые образуются при перемешивании расплава в форме.

6. Способ заливки тоже может влиять на структуру отливки. Эффекта вибрации поверхности расплава можно добиться выбором способа заливки.

Рассмотрим различные способы заливки.

При заливке металла с нижним подводом образуются в основном столбчатые кристаллы; при верхнем подводе по центру – равноосных кристаллов намного больше; при верхнем подводе близко к стенке формы – площадь равноосных кристаллов значительно увеличивается, зерна измельчаются; при верхнем подводе несколькими струями наблюдается сильное волновое движение поверхности расплава – структура однородная мелкозернистая.

Из примеров видно, что применение разливочного стакана создающего турбулентное движение расплава вблизи стенки формы, способствует отделению кристаллов от стенок формы и измельченного зерна.

7. Ультразвуковая обработка заключается в воздействии на расплав механическими колебаниями с частотой порядка 103-107 Гц. При УЗО возникает кавитация по всему объему, которая приводит к дроблению первичных зерен, более легкому отделению зарождающихся на стыках формы кристаллов, равномерному распределению примесей и твердых частиц. Дробятся и измельчаются первичные выделения металлидов в сплавах или графита в чугунах, изменяется строение и дисперсность эвтектики.

Наиболее эффективным является использование УЗО с модифицированием.

Например, УЗО алюминия, модифицированного 0,25 % титана, приводит к повышению σ_в на 0,25 % и δ – почти вдвое.

Кроме того, УЗО способствует лучшему выделению газов из расплава и предотвращает неоднородность по составу и свойствам.

8. Обработка электрическими и магнитными полями в ряде случаев дает такой же эффект как и УЗО.

Из перечисленных способов механического воздействия наиболее простыми является вибрация и перемешивания, а УЗО и ЭМО требуют применения в технологическом процессе дорогостоящего оборудования и усложнения технологического процесса, поэтому УЗО и ЭМО применяются в исключительных случаях.

9. При суспензионном литье в заливаемый в форму сплав через специальный канал вводится металлический порошок размером частиц 0,1 мм в количестве 3-10 %. Он составляется из раскислителей, легирующих добавок или промежуточного сплава на той же основе.

Порошок дает гетерогенные центры кристаллизации по всему объему и ускоряет охлаждение отливки.

10. Термовременная обработка сплава перед заливкой позволяет регулировать кристаллизационные процессы.

Известно, что при перегреве выше температуры ликвидуса происходит дезактивация примесей, уменьшение количества и размеров кластеров. Однако установлено, что при значительных перегревах сплав приобретает склонность к мелкокристаллическому строению в результате зарождения в процессе охлаждения мелких кластеров и твердых включений равномерно по всему объему расплава.