27.01.2015

Капельное охлаждение

При соприкосновении капли расплавленного металла с холодной подложкой скорость охлаждения достигает 10в6 град/сек, жидкость сильно переохлаждается, возникает большое число зародышей и растущие на них кристаллы соприкасаются друг с другом почти сразу же после зарождения. В результате получается мелкозернистая металлическая фольга.
Этот метод интенсивно изучают в последние десять лет в связи с проблемой получения неравновесных и метастабильных фаз во многих системах. Поскольку при капельном охлаждении образцы получаются шероховатыми и тонкими (обычно около 50 мкм толщиной), установить зависимость между механическими свойствами и числом зерен в единице объема (плотностью зерен) весьма трудно. Тодда и Медину удалось измельчить зерно сплавов Cu—Al до десятых долей микрона и показать, что прочность пленочных образцов может в шесть раз превышать прочность массивных (стандартных) образцов. Трудно ожидать в столь тонких и мелкозернистых образцах наличия ликвационных дефектов, но Тодда и Медин на нескольких образцах своих сплавов все же наблюдали выделения эвтектического характера по границам зерен. Это свидетельствует о том, что даже при столь высоких скоростях кристаллизации на границах зерен успевает образоваться слой, обогащенный атомами растворенного вещества.
Быстрое охлаждение больших объемов металла

При охлаждении больших объемов жидкого металла общее количество тепла, которое необходимо удалить из системы, велико и вслед за быстрым зарождением центров кристаллизации может происходить процесс рекалесценции. Поэтому важно так подобрать скорость отвода тепла от кристаллизующейся системы, чтобы не наблюдалось значительного роста кристаллов после их зарождения. Как правило, добиться этого можно лишь в малых слитках. Кроме масштабного фактора, важными параметрами являются теплопроводность и удельная теплоемкость материала тигля. Все эти факторы необходимо учесть перед разливкой металла.
Скорость охлаждения зависит и от теплофизических свойств металла: повышенная удельная теплоемкость и пониженная теплопроводность снижают эффективность охлаждения, поэтому в таких случаях стремятся создать в центральной части слитка полости (например, используя литейные стержни) с тем, чтобы исключить ее из процесса охлаждения.
Кокильное литье

Этот вид литья, вероятно, наиболее широко используется для получения мелкозернистых слитков больших размеров. В месте соприкосновения расплавленного металла со стенками изложницы из него удаляется вся теплота перегрева и расплав локально переохлаждается.
При хорошем тепловом контакте между стенками литейной формы и расплавом зарождение центров кристаллизации происходит по всей поверхности формы. Ho если скорость отвода тепла уменьшается (например, в результате образования пленки на поверхности формы), то зерна зарождаются лишь в отдельных местах и кристаллы растут вдоль поверхности формы. Образование центров кристаллизации возможно в принципе при любой скорости охлаждения. При разливке в кокиль скорость образования зародышей достаточно велика, но, помимо этого, в процессе кристаллизации действует механизм размножения, увеличивающий число зародышей в расплаве. Размножение зерен связано с движением жидкой фазы вследствие турбулентности при разливке металла и наличием температурных градиентов, вызывающих быстрые конвекционные потоки. Ряд исследователей изучал механизм размножения зерен и его вклад в измельчение структуры слитка.
Преимуществом процесса разливки в кокиль является то, что зародившиеся при контакте расплавленного металла с холодными стенками формы мелкие зерна разносятся по всему объему расплава потоками жидкой фазы. Заметное измельчение структуры наблюдается при малой степени перегрева и при наличии очень мелких зерен или зародышей во всем объеме металла, которые, несколько подрастая, образуют мелкозернистую структуру слитка. Если зародыши зерен имеются не во всем объеме жидкого металла, то зародившиеся на стенках формы зерна растут неограниченно в направлении теплового потока и в структуре преобладают большие столбчатые кристаллы.
В некоторых расплавах зародышеобразование протекает не однозначно. Например, в системе Fe—С при одной и той же концентрации углерода вторая фаза может возникать в виде структурно свободного графита, а также в виде карбида Fe3C. Зарождение второй фазы в той или иной форме определяется скоростью кристаллизации; при малых скоростях вторая фаза выделяется преимущественно в виде графита. Следовательно, при охлаждении слитка в нем могут возникать два типа структур: вблизи стенок формы, где скорость кристаллизации велика, образуется структура с карбидной фазой, а вдали от стенок, где скорость затвердевания меньше, — структура со свободным графитом. Это оказывает определенное влияние на величину получаемых зерен.
Литье в постоянные формы под давлением

Этот вид литья широко применяют для получения мелкозернистой структуры изделий. Литье в постоянные формы под давлением выполняют двумя способами: заливкой расплавленного металла в форму под действием собственной массы (веса) и литьем под давлением.
На рис. 5 показано влияние величины давления впуска на структуру поверхности сплава Zn+4%Al. Важными характеристиками процесса литья под давлением являются высокая скорость отвода тепла и турбулентность потока металла при заполнении формы. При высоких скоростях впуска металла турбулентность может оказаться достаточной для захвата пузырьков воздуха и газа находящимся в форме жидким металлом; при малых скоростях металл затвердевает у впускного отверстия формы и в этом случае также возможно снижение качества слитка.
Методы охлаждения

Основной проблемой при литье в постоянные формы является устранение пористости отливок, возникающей вследствие недостаточной подачи жидкого металла в форму. Это обусловлено тем, что у впускного отверстия формы подаваемый под давлением металл охлаждается во много раз быстрее металла внутри формы (например, время полного затвердевания алюминиевого сплава, залитого в форму, составляет всего около 0,2 сек); для дополнительной подачи металла в форму требуется значительное повышение давления.

Сплавы с мелкозернистой и мелкодендритной структурой, получающиеся при литье под давлением, обладают хорошими механическими свойствами, и, хотя этот метод используется главным образом при литье металлов и сплавов с низкой температурой плавления, его также применяют и при разливке металлов с высокой температурой плавления. Для сплавов на основе железа, например, механические свойства металла, отлитого под давлением, существенно превосходят свойства металла обычной разливки.
Методы переохлаждения

Если процесс зарождения центров кристаллизации начинается в расплаве, охлажденном до температуры ниже равновесной температуры кристаллизации, то от мест, где возникли зародыши, начинается рост дендритов и с тем большей скоростью, чем выше степень переохлаждения; скорость роста может достигать нескольких сотен сантиметров в секунду. Важной особенностью процесса кристаллизации является то, что при быстром увеличении межфазной поверхности выделяющейся теплоты кристаллизации оказывается достаточно для того, чтобы вызвать локальное расплавление тонких мест соединения дендритных ветвей высших порядков. Отделившиеся дендриты или обломки дендритов затем разносятся по всему объему жидкой фазы потоками, обусловленными объемными изменениями при кристаллизации или естественной конвекцией.
Структуру слитков, получаемых переохлаждением расплава и последующим возбуждением процесса зарождения центров кристаллизации, изучали авторы работ. Необходимо учесть, что даже в высоколегированных сплавах одновременно или сразу же после затвердевания может происходить процесс рекристаллизации. Поэтому для установления связи величины зерна со степенью переохлаждения расплава необходим тщательный металлографический анализ образцов.
В работе показано, что величина зерна чистого никеля при малых степенях переохлаждения мало изменялась до тех пор, пока переохлаждение не достигало примерно 175° С, когда величина зерна резко уменьшалась на порядок (с 0,2 до 0,02 см). Такое уменьшение величины зерна чистого никеля при переохлаждении на 175° С можно связать с изменением формы движущейся поверхности раздела фаз от ломаной к сферической.
Чтобы определить, не было ли такое изменение формы поверхности раздела вызвано миграцией границ зерен после кристаллизации, Коллиган и др. добавляли в никель 2% Ag в предположении, что частицы второй фазы, выделяясь по границам зерен из обогащенной серебром жидкости понизят скорость миграции границ. При малых степенях переохлаждения величина зерна сплава составляла 0,01 см по сравнению с 0,08 см в чистом никеле. Как и в чистом никеле, в сплаве при переохлаждении в 175° С также наблюдалось скачкообразное изменение формы поверхности раздела фаз и величины зерна; и хотя это изменение было менее резким, чем в чистом никеле, в конечном счете в сплаве величина зерна оказалась меньшей.
Катамис и Флеммингс наблюдали аналогичные превращения структуры в сплавах на основе железа. При достижении переохлаждения примерно в 160°С величина зерна снижалась с 0,1 до 0,01 см. Было обнаружено и изменение морфологии дендритов; с увеличением степени переохлаждения форма дендритов изменялась от обычной вытянутой (рис. 6, а) до более сферической (рис. 6, в).
Методы охлаждения

Предложен ряд теоретических объяснений причин указанных структурных превращений, приводящих к увеличению числа зерен при кристаллизации; на эти процессы могут оказывать влияние и скорость зарождения центров кристаллизации, и механизм размножения зародышей, увеличивающий число этих центров. Что касается скорости зарождения центров, то некоторые исследователи полагают, что при определенной степени переохлаждения у поверхности раздела твердой и жидкой фаз возникает явление кавитации; связанный с ним перепад давлений может изменить температуру равновесного затвердевания в соответствии с уравнением Клаузиуса — Клапейрона.
В механизме размножения, совершенно отличном от описанного, предполагается, что, когда рост дендритов приостанавливается, происходит внезапное уменьшение скорости потоков жидкой фазы по междендритным каналам, компенсирующих объемные изменения при кристаллизации; это внезапное изменение скорости, вероятно, вызывает разбиение неустойчивых рядов мелких дендритов, повышая разориентацию зерен в слитке. Отделение дендритных отростков вызывается потоками жидкой фазы, которые могут быть очень сильны при определенной степени переохлаждения; такое отделение может быть обусловлено также скачкообразным повышением давления при ускорении процесса кристаллизации. Эти механизмы обсуждены Пауэллом и Хоганом в работе, которые измеряли величину зерна в сплавах кислород — серебро. Они утверждают, что мелкозернистая структура в этих сплавах возникает в результате Превращения, связанного с механизмом рекристаллизации. Высвобождающийся в процессе роста кристаллов кислород оказывает достаточно сильное воздействие, необходимое для возбуждения процесса рекристаллизации, в результате чего зерно измельчается до величины менее 0,002 см.