» » Ликвация в отливках
22.04.2015

Ликвацией называют разницу в составе макро- и микрообъемов металла. Разница в составе, появляющаяся в микрообъемах, есть внутрикристаллическая ликвация; наиболее частый вид ее — дендритная ликвация. Неоднородность макрообъемов отливки проявляется как разница состава глубинных и наружных слоев в горизонтальном сечении и как разница верхних и нижних участков в вертикальном сечении. Первопричина любого вида ликвации лежит в избирательности и неравновесности процесса кристаллизации. Выпадающие кристаллы и остающаяся жидкость приобретают разные составы. Из-за неполноты диффузии эта разница сохраняется и в твердом металле.
Ликвация по плотности, или гравитационная, встречается в отливках, затвердевающих с образованием обширных двухфазных областей. Непременным условием является также заметная разница плотностей жидкой и твердой фаз. Медленное охлаждение благоприятствует этому виду ликвации. Ликвация по плотности в значительной мере усугубляется, если сплав еще до начала кристаллизации распадается на две жидкости, а также при монотектическом превращении. Уменьшить ликвацию по плотности можно перемешиванием расплава перед заливкой в форму и быстрым охлаждением. Затвердевание отливок в условиях больших ускорений, чем земное, может усилить ликвацию по плотности. С подобным явлением приходится считаться при центробежном литье.
Наиболее типичное проявление зональной ликвации состоит в том, что в горизонтальном сечении отливки наблюдается разница в составе центральных слоев и слоев, расположеннных ближе к поверхности. Различают два вида зональной ликвации — прямую (нормальную) и обратную. При прямой ликвации центральные слои отливки богаче теми примесями и компонентами сплава, которые понижают его температуру плавления, а в слоях, лежащих ближе к поверхности, этих элементов содержится несколько меньше. При обратной ликвации наблюдается пониженное содержание легкоплавких компонентов сплава в центральных слоях и повышенное в периферийных (рис. 27).
Ликвация в отливках

Отклонение от среднего состава при зональной ликвации составляет 5—15 % (отн). В отливках из алюминиевых сплавов наиболее заметно ликвируют медь и магний. В стальных отливках и слитках — углерод и сера.
Особенность зональной ликвации состоит в том, что ее невозможно устранить, поскольку из-за диффузии невозможно выравнить состав на расстояниях, измеряемых десятками и сотнями миллиметров. Поэтому отжиги, заметно выравнивающие дендритную ликвацию, абсолютно не влияют на зональную ликвацию, даже если они продолжаются десятками суток.
Возникновение зональной ликвации связано с ходом затвердевания отливки и условиями питания усадочной пористости. При затвердевании отливки из сплава с интервалом кристаллизации в металлической форме происходят следующие явления. Поверхностный слой затвердевает в условиях очень быстрого и почти одновременного охлаждения. Из-за очень малой толщины этого слоя пополнение усадки в межосных промежутках дендритов происходит расплавом исходного среднего состава. Поэтому верхностный слой отливки приобретает средний состав. Далее в процессе затвердевания образуется двухфазная переходная область. В этой области вырастает каркас из дендритов. Между дендритами находится жидкость, обогащенная легкоплавкими составляющими. Затвердевание этой жидкости сопровождается уменьшением объема, которое восполняется в результате непрерывного перетекания жидкости от передней границы двухфазной области к задней. В ходе такого перетекания жидкость непрерывно обогащается легкоплавкими составляющими. Так как восполнение усадки в микрообъемах осуществляется этой обогащенной жидкостью, в затвердевающих слоях оказывается повышенное содержание легкоплавких составляющих сплава. Степень обогащения определяется величиной объемной усадки при кристаллизации сплава и повышением содержания этих составляющих в межосных промежутках дендритов. Изменение хода процесса наступает, когда двухфазные области, растущие от противоположных сторон, сходятся в центре, и исчезает жидкая часть с расплавом начального состава. Некоторое время крайние слои двухфазной области питаются жидкостью, перетекающей из глубинных слоев, и поэтому эти крайние слои также оказываются обогащенными. Ho как только в данном слое усадка не восполняется и образуются усадочные поры, состав оказывается обедненным легкоплавкими составляющими, так как ими обеднены оси и ветви дендритов, а легкоплавкая жидкость ушла на питание периферийных слоев.
Таким образом, области в отливках, пораженные усадочной пористостью или рыхлотой, всегда недостаточно богаты легкоплавкими составляющими, и в отливке появляется четко выраженная обратная зональная ликвация. Однако обратная ликвация возможна и при отсутствии пористости в месте окончания затвердевания. Если отливка имеет хорошо работающую прибыль, то центральные слои питаются уже из прибыли жидким металлом исходного состава. В итоге центральная зона отливки оказывается беспористой, но содержание в ней легкоплавких составляющих понижено, так как жидкость, обогащенная легкоплавкими составляющими и образовавшаяся в этих участках в ходе кристаллизации, ушла на питание периферийных слоев, а вместо нее из прибыли пришел расплав исходного состава. В этом случае обеднение имеет несколько меньшую величину, чем при образовании усадочной пористости.
Развитию обратной зональной ликвации благоприятствуют такие условия охлаждения отливки, при которых образуется четко выраженная двухфазная область. Если охлаждение замедленное, двухфазная область распространяется на всю толщину отливки. Затвердевание идет по всей толщине отливки, отсутствует направленное перемещение жидкости из-за объемной усадки, и обратная ликвация выражена слабо. Такие условия наблюдаются при охлаждении отливки в песчаной форме. Охлаждение в металлической форме вызывает образование четко ограниченных двухфазных областей, и это обусловливает значительную обратную ликвацию. Усиление охлаждения приводит к сокращению ширины двухфазных областей и уменьшению обратной ликвации.
Обратная ликвация часто сопровождается появлением на поверхности отливок наплывов, так называемого выпота. По составу эти наплывы сильно отличаются от исходного сплава повышенным содержанием легкоплавких составляющих. Появление их объясняется вытеканием жидкости по межосным промежуткам дендритов под действием статического давления, создаваемого расплавом внутри отливки. Пока отливка плотно прилегает к стенке формы, истечение невозможно. Ho при отходе отливки от стенки формы из-за линейной усадки жидкость может начать вытекать. Возможно частичное оплавление уже полностью затвердевших поверхностных слоев и усиленное образование наплывов. Наплывов оказывается тем больше, чем медленнее затвердевание отливки, чем больше зазор между отливкой и формой.
Развитие прямой зональной ликвации связано с обогащением внутренних слоев отливки легкоплавкими составляющими. Это возможно при усилении взаимодействия между жидкой частью и двухфазной областью. Жидкость, окружающая каркас дендритов в передней части двухфазной области, имеет не только повышенное содержание легкоплавких составляющих, но и более низкую температуру по сравнению с расплавом в центральной части. Из-за этого происходит интенсивное движение расплава в вертикальном направлении вниз в передней части двухфазной области. В результате может происходить частичное замещение обогащенной жидкости расплавом исходного состава. Следовательно, наружные слои отливки, затвердевающие при достаточно интенсивном конвекционном перемешивании центральной жидкой части, будут приобретать состав, обедненный легкоплавкими составляющими. Центральная же часть отливки окажется по этой причине обогащенной легкоплавкими составляющими. Именно такое распределение легкоплавких составляющих характерно для прямой зональной ликвации.
Возникновение незакономерных изменений состава в глубинных слоях отливки (ликвационные «усы», пятна, А- и V-образная ликвация и пр.) объясняется оседанием кристаллов, не образовавших скелета, появлением местных надрывов в двухфазной области в виде трещин, куда затекает обогащенная легкоплавкая жидкость.
Зональная ликвация очень сильно усложняется в случае выделения газов при кристаллизации сплава. Газы, выделяющиеся в двухфазной области, могут выдавить обогащенную жидкость внутрь отливки, и тогда вместо обратной ликвации получается прямая. Если же газы выделяются на последних стадиях затвердевания, когда кристаллизация захватила центр, возможно перемещение жидкости к периферии и возникновение или резкое усиление обратной ликвации. Газы могут быть причиной появления поверхностных наплывов.