Введение в физику кристализации металлов - Вайнгард У.
Скачать (прямая ссылка):
97
Трудно дать какие-либо конкретные рекомендации относительно условий кристаллизации, при которых в жидкости имеет место интенсивная естественная конвекция, так как используемые на практике системы обладают существенными различиями. Однако можно ожидать, что в бинарном сплаве двух металлов с мало отличающимися плотностями конвекция будет менее интенсивной, чем в случае кристаллизации сплава металлов с существенным различием в их плотностях. В качестве рабочего правила можно указать, что если скорость роста кристаллов больше или равна ~20 см/час, то концентрационные кривые близки к кривой а, при меньшей скорости они приближаются к кривой б.
Следует еще раз подчеркнуть, что рассмотренные выше кривые относятся к случаю направленной кристаллизации с плоским фронтом.
В случае образования ячеистой или дендритной структуры концентрация примеси в твердой фазе выше, чем рассчитанная для плоского фронта кристаллизации, и концентрационные кривые приближаются к кривой а. Общая сегрегация в этом случае зависит не только от скорости роста, но и от величины концентрационного переохлаждения. Прежде чем кончить обсуждение вопросов, связанных с нормальной ликвацией, следует отметить, что концентрационные различия в макромасштабе могут быть почти полностью ликвидированы, если слиток будет кристаллизоваться с образованием равноосной структуры.
Обратная ликвация. Как указывалось в гл. 2, изменение объема іу)и кристаллизации может иметь важные практические последствия. Одним из этих последствий является развитие ликвационных явлений, известных как обратная ликвация-, при этом концентрация примеси в поверхностных зонах слитка оказывается выше, чем в центральной, даже при k0<l. Этот тип ликвации может проявляться в одной или сразу двух формах: в первом случае распределение примеси является противоположным наблюдаемому при нормальной ликвации; во втором случае это обратное распределение примеси сопровождается появлением выделений на поверхности
7 У. Вайнгард 8
Г лава 10
отливки. Эти выделения имеют очень высокое содержание примеси и носят название «наплывы», или «выпоте-вание»; последнее название связано с «выпотеванием» олова, т. е. образованием выделений с высоким содержанием олова в наружной части слитков сплавов меди с оловом.
Прежде чем пытаться объяснить образование ликвации этого типа, полезно рассмотреть условия, способствующие ее образованию. Обратная ликвация наблюдается только в сплавах, склонных к усадке, и при увеличении скорости кристаллизации ликвационные явления проявляются в большей степени. Чаще всего ликвация этого типа наблюдается при столбчатом росте кристаллов в сплавах с широким температурным интервалом кристаллизации, т. е. большим расстоянием между линиями ликвидус и солидус и при наличии в жидкости растворенного газа. Несколько труднее установить точную связь между пористостью в центре слитка и обратной ликвацией, но часто одно явление сопровождается другим. Примером развития обратной ликвации может служить приведенная на фото 12 [18] авторадиограмма образца сплава меди с 10% олова, затвердевавшего в направлении от наружных слоев к внутренним; темные области на фотографии представляют собой зоны повышенного содержания олова.
Все вышеизложенные факты могут быть объяснены возникновением при усадке междендритного потока обогащенной примесью жидкости. При кристаллизации сплава с образованием дендритной структуры междендритные каналы содержат жидкость с высокой концентрацией примеси, возникающей в результате действия бокового диффузионного потока. При усадке во время кристаллизации обогащенная примесью жидкость устремляется по направлению к основаниям дендритов А на фронте кристаллизации (области А показаны на фиг. 46 [4]) и заполняет любые имеющиеся полости. Этот обратный поток будет пронизывать слой за слоем, пока жидкость не израсходуется или пока весь слиток не закристаллизуется. В результате этого процесса наружная часть слитка будет содержать большее количество примеси, чем это можно было ожидать, так как объемная Сегрегация (ликвация) в сплавах
99
усадка, происходящая при кристаллизации, способствовала проникновению жидкости с высоким содержанием примеси в наружные слои. Столбчатый рост кристаллов обеспечивает наиболее сильное развитие ликвации этого
Фиг. 46. Схема, иллюстрирующая образование обратной ликвации [4].
типа, так как длинные междендритные каналы, образующиеся в процессе роста, способствуют проникновению обогащенной примесями жидкости к наружным слоям отливки.
В результате возникновения обратного потока образуется обратная ликвация и следует еще раз подчеркнуть, что этот тип ликвации является следствием объемных изменений, выталкивания примеси границей раздела и бокового потока примеси к междендритным каналам. Так как эти явления характерны для нормального процесса сегрегации, то полезно еще раз рассмотреть особенности сплавов, склонных к обратной ликвации. Во-первых, эти сплавы должны обладать усадкой при
7* 100
Г лава 10
кристаллизации; в металлах, расширяющихся при затвердевании, обратная ликвация не наблюдается. Во-вторых, коэффициент распределения примеси в сплаве должен быть мал, что означает, что этот сплав склонен
