3.2. Гетерогенное образование зародышей

Самопроизвольное образование зародышей может происходить только в высокочистом жидком металле при больших степенях переохлаждения. Чаще источником образования зародышей являются всевозможные твердые частицы, например, неметаллические включения и т.п., которые всегда присутствуют в расплаве. Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче будет зерно. Такое образование зародышей называется гетерогенным.

Модифицирование – использование специально вводимых в жидкий металл примесей (модификаторов) для получения мелкого зерна. Эти примеси, практически не изменяя химического состава сплава, вызывают при кристаллизации измельчение зерна и в итоге улучшение механических свойств. При литье слитков в фасонных отливках модифицирование чаще проводят введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения, такие как нитриды и оксиды, кристаллизующиеся в первую очередь. Выделяясь в виде мельчайших частиц, эти соединения служат зародышами при затвердевании кристаллов – модификаторы I рода. В качестве модификаторов при модифицировании стали применяют алюминий, ванадий, титан; алюминиевых сплавов - ванадий, титан, цирконий. Иногда используют растворимые в жидком металле модификаторы II рода: для стали используют редкоземельные элементы; для алюминиевых сплавов – литий, натрий, калий. Данные модификаторы, адсорбирующиеся на кристаллическом зародыше, снимают межфазовое поверхностное натяжение и затрудняют рост зерен.

3.3. Форма кристаллических образований

Реально протекающий процесс кристаллизации усложняется действием различных факторов, в столь сильной степени влияющих на процесс, что роль степени переохлаждения может оказаться второстепенной. При кристаллизации из жидкого состояния для скорости течения процесса и для формы образующихся кристаллов первостепенное значение приобретают такие факторы, как скорость и направление отвода тепла, наличие нерастворившихся частиц и др. В направлении отвода тепла кристалл растет быстрее, чем в другом направлении.

Кристалл может расти и в боковом направлении. В результате такого роста образуется древовидный кристалл, который называют дендритом (рис.9).

Рис.9. Схема древовидного кристалла (Д.К. Чернов)

3.4. Строение литого слитка

Структура литого слитка состоит из трех основных зон. Наружная мелкозернистая корка (зона мелкозернистых кристаллов 1) состоит из дезориентированных мелких кристаллов – дендритов. При соприкосновении жидкого металла со стенками формы в результате резкого перепада температуры и явления переохлаждения происходит образование большого количества центров кристаллизации, в результате зона имеет мелкозернистое строение.

Рис.10. Строение литого слитка:

1 – зона мелкозернистых кристаллов,

2 – зона столбчатых кристаллов,

3 – зона равноосных кристаллов.

После образования корки условия теплоотвода меняются. В направлении обратном направлению отвода тепла нормально к поверхности образуется зона столбчатых кристаллов 2. Данная зона является более плотной и содержит меньше раковин и пузырей. Однако места стыка таких кристаллов имеют низкую прочность.

Зона равноосных кристаллов 3 образуется в центре слитка при отсутствии определенной направленности отвода тепла.