образуется легкоплавкий ликват, а затем в результате конкретных особенностей формирования отливки ликват различным образом распределяется по сечению отливки, образуя ликвационные зоны разной конфигурации. Именно поэтому зональная ликвация подробно рассматривается в курсе «Теория формирования отливки».
Перемещение ликвата обычно происходит по трем основным механизмам:
смещение ликвата фронтом растущих кристаллов в осевой части
отливки;
конвективное движение ликвата у фронта кристаллизации за счет градиента температуры и различной плотности;
движение ликвата в капиллярах в области твердожидкого состояния в результате его подсоса или выжимания, обусловленного усадочными процессами.
А. И. Вейник, основатель тепловой теории затвердевания отливки, предполагал, что в капиллярах может осуществляться двухстороннее движение ликвата вследствие градиента концентрации и разности поверхностного натяжения компонентов.
Прямая ликвация. Заключается в повышении концентрации компонентов или примесей в центральных участках отливки. Это происходит вследствие оттеснения ликвата фронтом растущих кристаллов и особенно отчетливо наблюдается при последовательном или однонаправленном затвердевании. В других случаях ликват захватывается осями растущих кристаллов, в результате чего возрастает микрооднородность строения отливки.
При прямой ликвации наружные слои отливки оказываются обедненными компонентами или примесями (рис. 9.29). Характер такого распределения легко можно объяснить, рассмотрев условия охлаждения отливки и движения жидкого сплава в затвердевающей двухфазной зоне (И. Б. Куманин).
Рис. 9 .2 9 . С хем а распределения л и д и р у ю щ е г о эл ем ен та по сеч ен и ю п лоской отливки. Прямая ликвация Сср - средняя концентрация эл ем ен та
Действительно, поверхностные участки соответствуют ширине структурной зоны I, сохранившейся после I и II стадий процесса охлаждения. Мгновенное образование кристаллов в этой зоне не оставляет времени для вытеснения жидкости, окружающей кристалл, в центр отливки. На кривой на рис. 9.29 участок отрицательной ликвации, расположенный ниже Сср, соответствует структурной зоне II отливки и третьей стадии затвердевания. Во время формирования этой структурной зоны двухфазная область щ находилась в контакте с покоящимся и не участвующим в.теплообмене сплавом, у которого «9 = ЛовКак указывалось, под действием капиллярного давления Рктжидкость, содержащаяся между кристаллами, вытеснялась к центру отливки, а основная масса ликватов в течение этой стадии передвигалась к центру отливки, находясь все время между перемещающимися изотермами âC0Jl и ^ 08Одновременно из контактирующей со слоем у/т области подвижного сплава маточный расплав впитывался в двухфазную зону. Условия перемещения жидкости, содержащей ликваты, резко изменяются в момент гш _ iV конца стадии III и начала стадии IV охлаждения.
В этот момент основная масса ликватов находится в той точке отливки, где уже сформировалась непрерывная твердая фаза. Практика и эксперименты показывают, что модель капиллярно-пористого тела применима только к той части двухфазной зоны, в которой оказывалось свыше 35-40 % твердой фазы. Таким образом, можно принять, что ликваты в момент окончания стадии III (Тиму) скапливаются в слое, имеющем температуру #,35.
Поскольку температура в центре отливки в момент гш iv становится ниже »9 = »^)08, обособленная область подвижного сплава в центре исчезает и одновременно прекращается или значительно замедляется движение жидкости. При определенных условиях можно было бы ожидать, что ликваты скапливаются там, где их застал момент гШ- iv, и что между этими скоплениями в центре отливки затвердевает сплав среднего состава. Однако фактически движение жидкости не прекращается, а лишь резко замедляется. Максимальное содержание ликвирующих элементов обнаруживается именно в том месте, где этого можно было ожидать. Вместе с тем даже в отсутствие контакта двухфазной зоны с подвижным сплавом жидкость внутри еще не затвердевшего сплава продолжает медленно перемещаться, так как пространство между кристаллами, имеющими капиллярные размеры, по-прежнему расширяется к центру отливки, где температура выше и удельная доля жидкой фазы больше, чем на границе с твердой коркой. Поэтому весь участок III на рис. 9.27, ô лежит выше Сср и является областью положительной ликвации, хотя концентрация ликвирующих элементов в разных точках этого участка будет, как правило, ниже их концентрации в месте, где они находились при начале замедления скорости перемещения жидкости.
Как было показано, область положительной ликвации будет совпадать со структурной областью III, которая образована относительно крупными равноосными кристаллами.
Ширину двухфазной области в любой конкретный момент времени стадии III процесса обозначаем через у/х и учитываем, что на внешней границе области в этот момент температура составляет |9С0Л. Затем подставляем значения |9СОл и щ в уравнения температурного поля охлаждающегося слоя отливки Хх, находим у/Х9используя соответствующие уравнения температурного поля. В связи с принятым методом расчета ширина двухфазной области у/х определется точкой пересечения температурной кривой с горизонтальной прямой линией, соответствующей 5С0Л-
При наличии в стадии III процесса твердой поверхностной корочки ширина двухфазной зоны у/хдолжна быть меньше Хх (Хх = у/х + рис. 9.30, а). При отсутствии такой корочки температурная кривая должна пересечься с горизонталью & = &соп вне отливки, на некотором расстоянии от нее (рис. 9.30, б).
Р ис. 9 .3 0 . С хем а к расчету относительной ш ирины зоны у ! Х
Следовательно, условие, при котором на поверхности отливки отсутствует твердая корка, и одновременно условие, обеспечивающее возможность развития обратной зональной ликвации, может быть записано в
виде неравенств:
g
a r c c o s - ^
!KJ_ =-------(9,49)
х , М„1
и
-àl, |
(9.50) |
И,п
где I9OO8 и I9Q35 - температура равновесия 8 и 35-%-ного твердого и 92 и 65-%- ного жидкого сплава; индекс «п. л» в левой части уравнения указывает на то,
что зона [>1 в отличие от столбчатых кристаллов характеризуется U L
положительной зональной ликвацией, т. е. повышенным содержанием (по
сравнению со средним) в сплаве ликвирующих элементов; индекс «р. к» - зона равновесных кристаллов, где не прорастают столбчатые кристаллы.
Скопление ликватов на некотором расстоянии от центра отливки (на границах участков положительной и отрицательной ликвации, см. рис. 9.29) называют внеосевой ликвацией. Внеосевая ликвация часто проявляется в виде «шнуров» и «усов», легко различимых в сечении отливки невооруженным глазом. Согласно предположению А. А. Рыжикова, форма «шнура» может изменяться в связи с тем, что при охлаждении отливки между ее наружными и внутренними областями возникнут внутренние напряжения, обусловленные неодновременным сокращением объема сплава в этих областях. При этом может возникнуть зона, в которой жидкость двухфазной области будет испытывать напряжения растяжения. Именно в эту зону устремится расплав, обогащенный ликватами. По Б. Б. Гуляеву, ликваты, оттесненные к центру отливки, могут в зависимости от их плотности всплывать или, наоборот, опускаться вниз в той области отливки, где не успел образоваться непрерывный каркас твердых кристаллов. Этим объясняется развитие V- и А-образной ликвации (V- и А-образные усы) (рис. 9.31).
\ / V ' y - L
ГV
Рис. 9.31. Схема расположения ликвационных дефектов в отливке: 1 - ликвационное пятно;
2- осевая V -образная ликвация; 3 - внеосевая
А-образная ликвация
Обратная ликвация. Обратной ликвацией называют процесс развития химической неоднородности слитка или отливки, характеризующийся тем, что элементы, в большей мере растворимые при кристаллизации в жидкой фазе, чем в твердой, концентрируются на внешней поверхности отливки.
Маточный расплав среднего состава, смачивающий поверхность твердых кристаллов лучше, чем жидкость, скапливающаяся между ними, впитывается внутрь двухфазной зоны и вытесняет оттуда жидкость, обогащенную ликватами.
Отсутствие на поверхности отливки корочки приведет к тому, что механическое сопротивление, которое должна преодолеть при движении
вытесняемая жидкость, будет меньше на пути к поверхности, чем на пути к центру отливки. Таким образом, условием возникновения обратной ликвации является отсутствие в стадии III процесса на поверхности отливки полностью затвердевшей корки.
Неравенства (9.49) и (9.50) показывают, что стадия III процесса начинается, когда на внешней поверхности отливки нет твердой корки, и заканчивается в момент, когда весь объем отливки находится в твердожидком и жидкотвердом состояниях (конец III стадии к моменту гш-iv вовлечения в теплообмен всего сечения отливки и начало охлаждения центра отливки ниже температуры ^os)- Температура поверхности «9ПОв до этого момента остается
ПОСТОЯННОЙ ( 5 Пов > *9С0Л).
Как следует из (9.49), обратная ликвация наиболее вероятна при литье
сплавов с большим интервалом кристаллизации |
arccos |
. На |
рис. 9.32 приведена кривая, характеризующая частоту появления в отливках обратной ликвации при литье сплавов с широким интервалом кристаллизации (кривая 1).
Рис. 9.32. Склонность сплавов эвтектической системы к зональной обратной (/) и гравитационной (2) ликвации
Ликвация по плотности (гравитационная ликвация) также является зональной, так как приводит к неравномерности концентрации компонентов в макрообъемах отливки.
В жидком состоянии гравитационная ликвация возникает при образовании двух несмешивающихся (расслаивающихся) жидких фаз - чистых компонентов или их жидких растворов разной плотности (например, в свинцовой бронзе происходит расслоение меди и свинца).
В жидко-твердом состоянии развитие гравитационной плотности зависит от двух факторов: различия плотности твердой и жидкой фаз и возможности свободного перемещения твердой фазы в жидкости. Склонность расплавов к гравитационной ликвации увеличивается с возрастанием разности плотностей первичных кристаллов твердой фазы и расплава. Следовательно, к