Материал: Теория литейных процессов.

Лап °о (9.42). При большой разнице между cos0| и cos02 капиллярное давление вызывает перемещение жидкости маточного состава в поры и каналы капиллярно-пористого тела и приводит к вытеснению из этого тела жидкости, плохо смачивающей поверхности растущих кристаллов. Такое перемещение жидкости маточного состава к периферии отливки и вытеснение жидкости, содержащейся в межзеренных пространствах, тем интенсивнее, чем больше различие составов этих жидкостей, разность величин межфазных натяжений на границе каждой из жидкостей с кристаллом и тоньше канал.

На рис. 9.22 даны две диаграммы состояния с различными канодами (различными размерами горизонтальных секущих отрезков а' - Ь' и а” - Ь"). Очевидно, что разница составов жидкостей, имеющих соответственно концентрации В, равные Cf и Cf, больше, чем разница составов жидкостей,

соответствующих точкам Cf" и Cf :

Сw ж*

Рис. 9.22. Сплавы, отличающиеся различной степенью ликвации компонента В

И. Разницей величин горизонтальных секущих, построенных для разных диаграмм состояния, и разницей в степени изменения межфазного натяжения поверхности растущего кристалла можно объяснить тот факт, что одни элементы, содержащиеся в сплаве, ликвируют в большей мере, чем другие. Например, в стали ликвация углерода, серы и фосфора выражена очень сильно,

тогда как ликвации кремния и марганца почти не происходит. Это соответствует большим размерам горизонтально секущих отрезков на диаграмме состояния Fe-P, Fe-S и Fe-C и малым размерам этих отрезков на диаграммах Fe-Si и Fe-Mn.

Впитывание в двухфазную зону маточного расплава и вытеснение из нее жидкости с повышенным количеством ликвирующих элементов может происходить двумя путями. В макрокапиллярах возможно пристеночное движение хорошо смачивающей жидкости в глубь двухфазной зоны, постепенное вытеснение хуже смачивающей жидкости в центр канала и последующее выталкивание ее в более крупные поры в направлении к центру отливки. Возможно также втягивание маточного расплава в узкие капиллярные каналы, где капиллярное давление сказывается наиболее сильно, и вытеснение жидкости с повышенным количеством ликвирующих элементов сначала в соседние поры больших размеров, а затем - через более крупные расширяющиеся каналы - в центральную часть отливки. Важно, что в связи с существованием обратной связи между Ркап и г циркуляционное движение жидкой фазы должно охватить самые узкие и самые малые пространства между растущими кристаллами, если, разумеется, эти узкие пространства не замкнуты и не связаны между собой.

9.11.Неравновесная кристаллизация и ликвационные явления в сплавах

Ликвацией называется неоднородность химического состава, возникающая в результате отклонений условий кристаллизации сплава от равновесных. Следовательно, она характеризует процесс формирования неравновесных неоднородностей химического состава, включая образование неравновесных выделений фаз (В. М. Воздвиженский, В. А. Грачев).

При затвердевании в сплавах устанавливается различная концентрация компонентов в твердой (Ст) и жидкой (Сж) фазах, что определяется положением каноды в двухфазной области диаграммы состояния (рис. 9.23). С понижением температуры концентрации Ст и Сж изменяются по солидусу и ликвидусу путем диффузионных процессов взаимодействия между фазами и в самих фазах.

При реальных скоростях затвердевания отливок диффузия не успевает произойти в полной мере и поэтому не достигается состояние фазового равновесия в сплаве. Такая кристаллизация называется неравновесной, она является физико-химической основой процесса ликвации. В конечном счете все виды ликвации определяются тем, насколько возникшее различие концентраций АС = Сж - Ст сохраняется в твердом состоянии и как будут распределены области неоднородности химического состава по объему сплава. Жидкая фаза, обогащенная ликвирующими элементами, называется ликватом.

Внутрикристаллнческая (дендритная) ликвация - это неоднородность в пределах микрозерна, выросшего из одного центра. Необходимо различать ликвацию элементов, понижающих (#р < 1) и повышающих (#р > 1) температуру плавления сплава (см. рис. 9.23, а, б и в , г). При оценке внутрикристаллической ликвации удобнее использовать относительную разность конечной Ск и начальной С„ концентраций каждого компонента в пределах микрозерна:

В сплавах эвтектического типа Ск и С„ можно заменить соответственно на Стах и С,nin, причем, если в структуре сплава появилась эвтектика, то Стах = Сэ (при общей оценке ликвации) или Стах = Ср (при оценке ликвации по зерну твердого раствора).

Ликвацию в настоящее время изучают главным образом методами микрорентгеноспектрального анализа, который позволяет определить концентрацию компонентов в локальных объемах порядка 1 мкм3

Зональная ликвация - это неоднородность химического состава в макрообъемах с градиентом концентраций в отливке в целом или в отдельных ее частях.

Ликвация по плотности (гравитационная ликвация) - это расслоение фаз сплава в жидком или жидко-твердом состоянии под влиянием сил тяготения.

Зональную ликвацию в определенном локальном микро- и макрообъеме можно оценить отношением АСЛ = Слок / С0, которое подсчитывается для каждого ликвирующего элемента раздельно (Слок - концентрация элемента в точке, а С0средняя концентрация того же элемента в сплаве).

9.11.2. Неравновесная кристаллизация

Во время затвердевания сплавов протекают три диффузионных процесса:

компонентов между обогащенным слоем, прилегающим к поверхности растущего кристалла, и более удаленными слоями;

диффузия в твердой фазе, выравнивающая градиент концентрации внутри кристаллов твердой фазы.

Степень развития ликвации зависит от полноты прохождения указанных трех процессов.

В промышленных условиях затвердевания отливок разделительная диффузия протекает почти беспрепятственно; диффузия в твердой фазе, напротив, сильно тормозится.

Рассмотрим неравновесную кристаллизацию твердого раствора концентрации С0 в условиях ограничения диффузии в твердой фазе и полного выравнивания состава в жидкой фазе. При температуре t\ начинается кристаллизация сплава концентрации Со (рис. 9.24, а) и выделяется некоторое количество Ат кристаллов состава С\ = С„. С понижением температуры на At при /2выделяются равновесные кристаллы концентрации С2в количестве Ат2, а ранее образовавшиеся кристаллы Ат\ остаются без изменения. Таким образом, средний состав твердой фазы при /2 будет обозначаться точкой С2Т. С понижением температуры до /3, /4, f5... процесс протекает так же, как описано выше, в результате чего средний состав твердой фазы Сзт, С/, Сзт отличается от равновесного (С3 , С4, С5 ...) меньшим содержанием компонента В. Соединив точки С\ С5Т, получим линию изменения среднего состава твердой фазы в неравновесных условиях кристаллизации (штриховая линия на рис. 9.24, а). Положение этой линии определяется степенью подавления диффузии в твердой фазе.

Рис. 9.24. Неравновесная кристаллизация сплавов - неоднородных твердых растворов: а - изменение среднего состава твердого раствора; б - построение неравновесного солидуса

Затвердевание сплава заканчивается в момент равенства среднего состава твердой фазы и С0 (С0 = Спт). Графически это означает пересечение линии среднего состава с ординатой сплава концентрации С0 на рис. 9.24, а. Температура tK является истинной температурой окончания кристаллизации сплава концентрации С0в неравновесных условиях и оказывается температурой неравновесного солидуса. При этом состав «последней порции» твердой фазы определяется точкой Ск на линии солидуса. В целом состав твердой фазы будет