» » Использование модификаторов
27.01.2015

Введение в расплав модификаторов является одним из наиболее традиционных приемов получения мелкозернистых металлических структур, и в настоящее время имеются соответствующие промышленные измельчители зерна для большинства систем сплавов.
Необходимыми признаками хорошего модификатора являются эпитаксиальность, бездефектность строения и высокое значение поверхностной энергии границы раздела между модификатором и кристаллизующейся фазой. Помимо этого, разница в плотностях между модификатором и жидким металлом должна быть минимальной, чтобы предотвратить выпадение в осадок частиц модификатора, которые к тому же должны оставаться в твердом состоянии при температуре кристаллизации. Поверхность хорошего модификатора должна быть чистой и химически реактивной, поэтому необходимым, но недостаточным условием является выделение из расплава тугоплавкого соединения, сохраняющего стабильность при температуре кристаллизации. Типичным примером могут служить добавки титана и бора в алюминий (в промышленных условиях обычно используется определенная комбинация этих двух элементов в сочетании с агентом-распределителем, быстро разносящим добавки по всему объему расплавленного металла). Эти добавки энергично взаимодействуют с расплавленным алюминием, образуя соответствующие комплексы, очевидно, по перитектической реакции. Рис. 11 иллюстрирует это влияние используемого в промышленности модификатора на структуру слитка чистого алюминия.
Использование модификаторов

Широко исследуются модификаторы другого типа, используемые, например, в системе Fe—С. Для получения высокопрочного вязкого чугуна с шаровидным графитом важно, чтобы графит зарождался сферической, а не хлопьевидной формы; чрезвычайно эффективными здесь оказываются такие хорошо известные добавки, как магний и редкоземельные элементы.
В системе Al—Si для предотвращения роста длинных игольчатых кристаллов кремния в расплав требуется вводить добавки, в качестве которых обычно используют серу и фосфор. Эти элементы высаживаются на движущейся границе раздела фаз и, воздействуя на поверхностную энергию этой границы, поддерживают равновесие кремния в эвтектике, претерпевающей многократное зарождение, приводящее в итоге к очень мелкозернистой структуре. В результате кристаллы кремния получаются глобулярной, а не игольчатой формы. Такая структура показана на рис. 12. Выбор эффективных модификаторов данного типа, так же как и первого, можно сделать только на основе эмпирических данных.
Использование модификаторов

Процесс зарождения центров кристаллизации происходит одновременно с процессом роста твердой фазы за счет движения поверхности раздела. Поэтому максимум эффективности действия модификатора достигается при определенном (критическом) тепловом состоянии окружающей среды, и это является важной особенностью метода модифицирования сплавов. Если размер и число зародышей достаточно велики, то рост столбачтых кристаллов сдерживается и слиток будет состоять из мелких равноосных зерен. Если же времени для действия комплексов в расплаве недостаточно, то поверхность раздела при своем движении будет поглощать мелкие зародыши зерен. Пример такой структуры приведен на рис. 13. Алюминий, модифицированный промышленным измельчителем зерна, разливался в слитки при разной степени перегрева и отсутствии внешнего воздействия [содержание модификатора 0,35% (по массе)]:
Использование модификаторов

Из приведенных данных видно, что максимальное измельчение наблюдается только при достаточно низких значениях градиента температур и скорости кристаллизации (т. е. при больших степенях перегрева). Из табл. 1 видно, что степень измельчения зерна и доля мелких зерен возрастают с увеличением содержания модификатора.
Использование модификаторов

В немодифицированном алюминии снижение степени перегрева приводит к уменьшению величины зерна.
Наконец, необходимо сказать о наилучшем способе введения модификаторов в сплав. Частицы модификатора могут не успеть самостоятельно распределиться по всему объему расплавленного металла до начала затвердевания.
Использование модификаторов

Поэтому модификаторы можно вводить в расплав совместно с распределяющим агентом-носителем, переходящим в газообразное состояние при контакте с расплавленным металлом. Активные ингредиенты часто вводят в расплав с помощью нанесения тонкого слоя или покрытия на внутреннюю поверхность тигля-кристаллизатора: турбулентный поток разливаемого металла срывает часть покрытия, которая и взаимодействует с расплавленным металлом.