Кристаллизация металлов: механизмы, скорости и литейные процессы

Содержание

1. Механизм кристаллизации
2. Скорость кристаллизации
3. Кристаллизация крупной отливки в изолирующей форме
4. Кристаллизация с преобладающим интерфейсным сопротивлением
5. Кристаллизация при постоянной температуре поверхности отливки
6. Кристаллизация с преобладающим сопротивлением в форме и застывшем металле

1. Механизм кристаллизации

Чистые металлы

Жидкости необходимо переохладить ниже температуры замерзания, чтобы начать кристаллизацию — энергия нужна для образования поверхностей новых кристаллов. Наличие посторонних поверхностей (частиц) снижает степень переохлаждения, слуя центрами кристаллизации.

При заливке в форму (момент t₀ на рис. 2.14) температура везде θ₀. Лицо формы выступает ядром кристаллизации. При высокой теплопроводности формы у границы растут мелкие хаотично ориентированные кристаллы.

Затем образуется температурный градиент (рис. 2.14 для t₁, t₂). По мере продвижения фронта застывания внутрь растут длинные столбистость кристаллы с осями, перпендикулярными лицу формы. Такая ориентация желательна для прочности отливки.

Сплавы

В отличие от чистых металлов, сплавы застывают в интервале температур. Выделяющиеся твердые фазы при разных температурах имеют разный состав.

Направление роста кристаллов в сплаве зависит от:

1. Градиента состава в отливке;
2. Зависимости твердусной температуры от состава;
3. Теплового градиента в форме.

Разберём на примере твердого раствора с диаграммой фаз (рис. 2.15). Жидкий сплав состава C₀ (В в А). θ_f — замерзание чистого А, θ₀ и θ'₀ — ликвидус и твердус для состава C₀.

При охлаждении до θ₀ начинают выделяться твердые фазы с концентрацией C₁ < C₀. Концентрация В в жидкости у фронта растёт выше C₀ (рис. 2.16, фронт ушёл на расстояние d).

Рассмотрим точки P (у фронта) и Q (в жидкости дальше). Твердусные температуры для их составов — θ'_P и θ'_Q. Реальные температуры θ_P и θ_Q (θ_Q > θ_P из-за градиента). Если обе реальные температуры лежат между θ'_P и θ'_Q, то в точке Q жидкость переохлаждена сильнее, чем в P. Кристаллизация начнётся в Q раньше. Если разница велика, столбистый рост с поверхности формы нарушается — образуется дендритная структура (рис. 2.17).

Если кристаллизация в Q завершится до начала в P (малый тепловой градиент, большой разброс концентраций, крутой твердус), внутри могут появиться хаотично ориентированные кристаллы. Твердые кристаллы перед фронтом затрудняют питание расплава — риск центральной усадочной пористости (centre-line shrinkage).

Способ борьбы: создать большой тепловой градиент с помощью хилла (охлаждаемый металлический блок с высокой теплопроводностью) на конце формы. Если θ_P существенно ниже θ_Q, переохлаждение в P и Q сравнивается, фронт продвигается равномерно. Проблема менее остра для сплавов с узким интервалом ликвидус-твердус.

Рис. 2.18: а) обычное литье — застывание начинается по центру до завершения у лица; б) с хиллом — узкая зона жидкое-твердое быстро метет расплав.

Сложность питания сплава выражается через сопротивление центрального питания (CFR).

2. Скорость кристаллизации

Питатель (ризер) компенсирует усадку от температуры заливки до застывания. Интересное исключение — серый чугун: застывание в две стадии, усадка первой компенсируется расширением второй, питатель может быть не нужен. Чтобы питатель не застыл раньше отливки, нужно знать время застывания отливки. Также размещение питателя выбирают, зная время застывания до определённого расстояния от лица формы.

Тепло уходит через стенку формы. Температурное поле в слоях (жидкость, застывший металл, границу, форма, воздух) показано на рис. 2.19. Пять зон теплового сопротивления (1–5). Процесс сложен при сложной геометрии, застывании сплавов, температурной зависимости свойств.

Далее рассматриваем застывание чистых металлов в практически важных случаях, упрощая за счёт пренебрежения сопротивлением некоторых зон.

3. Кристаллизация крупной отливки в изолирующей форме

В песчаной или керамической форме основное тепловое сопротивление даёт сама форма (зона 2, рис. 2.19). Считаем время застывания только по сопротивлению формы.

Лицо формы AB (рис. 2.20), полубесконечная форма, нач. температура θ₀. В t=0 вливают металл θ_p. Металл у границы застывает мгновенно — температура границы поднимается до θ_f и держится до конца застывания. Температурное поле в форме (1D теплопроводность по x) в момент t:

[уравнение распределения температуры]

Анализ предполагает плоское границу металл-форма, на практике контуры сложные. Для оценки влияния формы границы (рис. 2.21): (i) выпуклая — теплопоток расходится, застывание быстрее, анализ завышает время; (ii) плоская — базовый случай; (iii) вогнутая — теплопоток сходится, застывание медленнее, анализ занижает время.

Количественные результаты для базовых форм через два безразмерных параметра.

4. Кристаллизация с преобладающим интерфейсным сопротивлением

В кокильном литье и литье под давлением (die casting) теплопоток сильно ограничен контактным сопротивлением металл-форма. Идеальный контакт (нулевое сопротивление) — только при идеальном смачивании (припайке отливки к форме). Температурное поле без перегрева — рис. 2.23. Уравнение (2.44) для оценки времени застывания мелких тонкостенных деталей в тяжелых металлических кокиллях.

Важные отличия застывания в металлической кокилле от песчаной:

1. Теплопроводность застывшего металла (зона 4, рис. 2.19) даёт существенное сопротивление — температура поверхности отливки θ_s становится ниже θ_f.
2. Из-за подохлаждения застывшего металла нужно убрать больше тепла — теплоёмкость твердеющего металла влияет на скорость.

5. Кристаллизация при постоянной температуре поверхности отливки

Крупная плитовидная отливка (сталь) в тонкой водяноохлаждаемой медной кокилле (теплопроводность меди >> стали). Преобладает сопротивление застывающего металла (зона 4). Температура границы θ_S постоянна = θ₀, θ_f = температура заливки. Глубина застывания δ(t). Время застывания t_s из δ(t_s) = h/2 (h — толщина плиты). Температурный профиль 0 < x < δ(t):

[уравнение профиля]

Анализ верен после начальной стадии (0,5–1 см). Результаты для других форм в литературе.

6. Кристаллизация с преобладающим сопротивлением в форме и застывшем металле

Медная кокилль толстая, не водяноохлаждаемая. θ_S больше не равна θ₀, её значение задают свойства кокилли и застывшего металла. После начальной стадии контактное сопротивление пренебрежимо. Значимы зоны 2 и 4 (рис. 2.19), поле — рис. 2.25. Форма — полубесконечная среда в отрицательном x. Температура в форме:

[уравнение]

Левая часть и φ в уравн. (2.62) известны; ζ находится графически или методом проб. Строят график ζe^ζ2[erf(ζ)+φ] vs ζ для данного φ. Зная ζ, глубину застывания — из (2.47), время — из (2.52). Условие реализуемости: θ_S < температуры плавления металла кокилли.