Введение в физику кристализации металлов - Вайнгард У.
Скачать (прямая ссылка):
Расстояние, лілі
Фиг. 47. Экспериментальная и расчетная кривые распределения примеси при обратной ликвации в сплаве системы алюминий — медь [19].
1 — расчет; 2 — эксперимент.
к образованию нормальной ликвации. Сплавы с малым значением коэффициента k0 обычно обладают большим температурным интервалом кристаллизации; температурный интервал довольно часто используется в качестве параметра при обсуждении этой проблемы, хотя более правильно в качестве параметра использовать ftg. Сегрегация (ликвация) в сплавах
101
Однако при образовании выделений, связанных с обратной сегреггцией, весьма существенное значение имеет температурный интервал или низкая температура кристаллизации обогащенной примесью жидкости. Если в междендритных каналах находится сплав с низкой температурой кристаллизации и если на поверхностной корке слитка образовались трещины или при вытаскивании из изложницы она перегрелась, то находящийся в междеидритных каналах сплав может расплавиться, если он уже не был в расплавленном состоянии, и вытечь наружу на поверхность. В результате этого образуется «выпотевание», часто наблюдаемое при затвердевании слитков некоторых сплавов.
Предложенный механизм возникновения обратной ликвации подтверждается согласием экспериментальных данных и количественных оценок, сделанных на основе рассмотренной теории"; на фиг. 47 приведены расчетные и экспериментальные данные распределения примеси в сплаве алюминия с медью [19].
Обратной ликвацией можно управлять, вызывая образование мелкой равноосной структуры, препятствующей потоку жидкости в обратном направлении, но ликвидировать ее полностью нельзя. Даже в последнем случае междендритные каналы могут существовать и концентрация примеси в некоторых из них, доходящих до поверхности слитка, может быть достаточно высокой для образования выделений, несмотря на то что макроскопическое распределение примеси по сечению слитка может быть весьма однородным.
Ликвация по удельному весу. Если жидкая или твердая фаза разделяются вследствие различия в плотности, то это называется ликвацией по удельному весу. Сплавы системы сурьма—свинец с большим содержанием сурьмы являются хорошим примером сплавов, склонных к ликвации этого типа. Образующиеся первичные кристаллы сурьмы поднимаются на верх расплава, так как они значительно легче, чем оставшаяся жидкость. Так как изменить плотности фаз нельзя, то подавить развитие ликвации можно лишь увеличением скорости кристаллизации всей отливки для того, чтобы составляющие 102
Г лава 10
не имели времени всплыть или опуститься в нижнюю часть отливки.
Можно привести много примеров ликвации по удельному весу, наблюдаемой в различных сплавах, возможное развитие этого типа ликвации может быть легко предсказано из анализа состава сплава и плотности его составляющих. Несмотря на то что обычно ликвация по удельному весу является весьма нежелательной, она дает эффективный путь разделения материалов и может быть использована в практических целях.
Слоистая ликвация. Одной из наиболее часто встречаемых при кристаллизации форм ликвации является изменение состава сплава в слоях, параллельных фронту кристаллизации. На фото 13 приведена авторадиограмма образца сплава системы свинец — полоний с развитой слоистой ликвацией; более темные участки на фотографии представляют собой области, обогащенные полонием [21]. Изменения в составе при возникновении слоистой ликвации могут быть связаны с изменением условий роста, механическими нарушениями или структурными изменениями на фронте кристаллизации.
Если процесс затвердевания происходит с постоянной скоростью, то перед движущимся фронтом кристаллизации скапливается примесь; состав образующейся твердой фазы определяется составом жидкости. Если скорость кристаллизации неожиданно увеличится, то эта обогащенная примесью жидкость закристаллизуется, образовав слой твердой фазы с высоким содержанием примеси. Образование обогащенного примесью слоя происходит потому, что процессы, определяющие вынос примеси от фронта кристаллизации в объем расплава (диффузия и конвекция), не успевают пройти и, таким образом, примесь остается в этом слое. Такое же явление, но только связанное с уменьшением количества примеси в слое, может произойти, если механическая вибрация или перемешивание уменьшат количество примеси у фронта кристаллизации. В этом случае начало вибрации будет определять начало образования слоя, обедненного примесью. Сегрегация (ликвация) в сплавах
103
Как следует из ряда экспериментов, образование слоев может происходить в отсутствие внешнего влияния на скорость кристаллизации и механической вибрации. В этих случаях возникновение ликвационных слоев, возможно, связано с возникновением концентрационного переохлаждения или со структурными изменениями на фронте кристаллизации. Предположим, что при кристаллизации сплава образуется плоский фронт кристаллизации и перед ним возникает слой жидкости, обогащенной примесью. Как показано в гл. 7, плоский фронт кристаллизации является устойчивым при определенных условиях роста, но при некотором уменьшении отношения GJR или при увеличении концентрации примеси в жидкости перед фронтом кристаллизации на нем образуется ячеистая структура. В случаях образования ячеек количество примеси г твердой фазе возрастает, что приводит к уменьшению концентрации примеси в жидкости. Это уменьшение концентрации примеси в жидкости перед фронтом кристаллизации может быть достаточным, чтобы вызвать обратный переход к плоскому фронту кристаллизации, если условия роста будут близкими к тем, которые необходимы для такого перехода. Однако изменения в концентрации примеси в твердой фазе, вызываемые этим процессом, наблюдаются весьма редко, так как только случайно условия кристаллизации могут оказаться такими, что переход от плоского к ячеистому фронту кристаллизации может быть реализован.
