» » Взаимодействие с внешними полями
27.01.2015

Измельчение структуры слитка внешними воздействиями на кристаллизующийся сплав имеет следующие преимущества по сравнению с внутренними механизмами измельчения: легкость выполнения этих приемов на практике и обеспечение малой степени ликвационности слитка.
Измельчение зерна путем увеличения скорости зарождения центров кристаллизации

Согласно уравнению Клаузиуса—Клапейрона, в условиях кавитации зарождение центров кристаллизации должно усиливаться: при отрицательных давлениях зарождение происходит при температуре, близкой к температуре плавления. Хант и Джексон показали, что зарождение кристаллов в условиях кавитации происходит в момент захлопывания пустот, а не в момент их образования (большие отрицательные давления при захлопывании пустот могут также помогать зарождению центров локальным переохлаждением жидкой фазы).
Облучение жидкого металла ультразвуком вызывает в нем явление кавитации. Этот эффект и его влияние на измельчение структуры слитков подробно исследованы в ряде работ. В этом методе возбудитель ультразвуковых колебаний находится в контакте с кристаллизующейся системой, и ультразвуковые волны различной частоты и амплитуды вызывают импульсы давления в жидком металле. Данный метод малоэффективен, так как он требует большого расхода энергии. Кроме того, ультразвуковые волны быстро затухают, а при слишком большой энергии излучения расплавленный металл может выплескиваться из тигля. К тому же продолжение действия ультразвука после окончания процесса затвердевания может вызвать в центральной части слитка образование крупных трещин. Существуют и другие трудности, связанные со сроком службы возбудителей колебаний и с необходимостью заранее оценить эффективность применения ультразвука в том или ином случае.
Измельчение структуры размножением зерен

На практике легче измельчить структуру слитка, используя механизм размножения зерен, чем повысить скорость зарождения центров кристаллизации. Сущность этого механизма заключается в том, что отделившиеся от поверхности раздела мелкие дендриты и их обломки служат зародышами новых кристаллов. При слишком высокой температуре отделившиеся частицы вновь расплавляются, поэтому необходим тщательный контроль за тепловым режимом окружающей среды для того, чтобы создать и сохранить многочисленные зародыши твердой фазы. При высокой скорости роста твердой фазы отделившимся мелким дендритам не хватает времени для роста до макроскопических размеров и они поглощаются растущей поверхностью раздела фаз.
Взаимодействие с внешними полями

В любой системе в результате действия естественных конвекционных потоков, обусловленных различием в плотностях твердой и жидкой фаз, происходит отделение дендритов от верхней поверхности расплава (или где-либо еще) и их разбиение на фрагменты. Когда эти естественные источники измельчения структуры не действуют, то слиток, как правило, состоит из длинных столбчатых кристаллов (рис. 14). В дополнение к естественным, внутренним силам необходимо каким-либо образом вызвать принудительное движение жидкой фазы. Сделать это можно с помощью механической вибрации, переменных магнитных и электромагнитных полей, методом качаний и воздействием ультразвука. Вообще говоря, все эти методы способствуют отделению мелких дендритов, но максимально мелкое зерно получается в том случае, когда удаленные со своих мест вблизи поверхности раздела фаз твердые частицы разносятся по всему объему жидкости при температуре, близкой к точке плавления. Эти приемы измельчения структуры слитков рассмотрены дальше.
Применение ультразвука, механической вибрации, пропускания пузырьков газа

Ранее было отмечено каталитическое действие ультразвукового облучения на зарождение центров кристаллизации посредством вызываемого им явления кавитации. Ультразвуковое возмущение, достигнув поверхности раздела фаз, очевидно, способно также отделить мелкие дендриты. Действие ультразвука можно рассматривать как предельный случай механических вибраций, который, как показано, обеспечивает сильную модификацию литых структур. Таким способом измельчали структуру алюминиевых сплавов, нержавеющих сталей и других металлических сплавов. При этом выявилась основная закономерность: величина зерна уменьшается с повышением амплитуды вибрации. Сотин предположил, что наблюдаемое измельчение зерна обусловлено отделением дендритов от поверхности расплава при действии вибраций, и показал, что это явление могло бы происходить при вибрации, вызываемой простым постукиванием по стенкам тигля. Показано, что механическим возмущением можно вызвать зарождение центров кристаллизации в переохлажденном расплаве. Этот эффект, вероятно, обусловлен механизмом кавитационного возбуждения процесса зарождения кристаллов.
Основной недостаток вибрационного и ультразвукового методов состоит в том, что смещение отделившихся осколков твердой фазы от их первоначального положения у границы раздела очень незначительно. Тем не менее для переохлажденных расплавов вибрационный метод чрезвычайно эффективен, если его применяют в период рекалесценции: происходит полная разориентация тонкой сетки растущих дендритов, приводящая к измельчению структуры слитка. Такого же эффекта можно добиться пропусканием газовых пузырьков через расплав в момент начала кристаллизации. Необходимо отметить, однако, что в результате применения этого метода материал становится пористым, что может явиться причиной механической хрупкости.
Вращающееся магнитное поле. Воздействие электромагнитных полей

Установлено, что вращающиеся магнитные поля являются эффективным средством против появления больших столбчатых кристаллитов в литых структурах, которые обычно возникают в «неподвижных» слитках. При соответствующей настройке аппаратуры жидкость приводится во вращение, следуя направлению поля. Данный метод успешно применяли для измельчения литой структуры сплавов на основе железа при обычной и непрерывной разливке, но стоимость его весьма высока вследствие больших затрат электроэнергии. В этом методе отделение мелких дендритов обеспечивается большими сдвиговыми напряжениями, возникающими у поверхности раздела фаз. Широко исследуется возможность применения таких полей к переохлажденным расплавам. Отмечено их модифицирующее действие на литую структуру.
Взаимодействие постоянного магнитного поля, приложенного в направлении нормали к жидкому металлу, с возникающим в нем постоянным электрическим током вызывает появление сил Лоренца в жидкой фазе и усиливает ее движение. Этого движения достаточно для расплавления и отламывания дендритов от растущей поверхности раздела фаз, и оно является причиной значительного измельчения зерна.
Метод качаний

Этот метод имеет две разновидности: качание волнообразной формы и циклическое качание, при котором тигель совершает несколько оборотов до того, как происходит изменение направления вращения. Первый способ подобен вибрационному методу, в котором отделившиеся частицы твердой фазы остаются в сущности на тех же местах, на которых они находились в момент отделения от поверхности раздела фаз. Последний метод начали изучать недавно. Показано, что применение его приводит к резко выраженному измельчению зерна. Кроме отделения частиц твердой фазы по механизму расплавления шеек и отламывания осколков дендритов, в данном случае достигается равномерное перераспределение отделившихся частиц по всему объему жидкой фазы. Так как при движении жидкости градиенты температур в системе уменьшаются, любая отделившаяся от поверхности раздела фаз твердая частица может легко сохраниться в окружающей ее жидкой среде, имеющей повсюду почти одинаковую температуру. На рис. 15 показана степень измельчения структуры, которой можно ожидать при использовании этого метода. Можно повысить дисперсность структуры даже в слитках чистых металлов, но эффект будет минимальным. Обычно необходимы легирующие добавки, и чем выше концентрация сплава, тем более значительно измельчение (табл. 2, рис. 16).
Взаимодействие с внешними полями

Весьма отличные от предыдущих результаты получаются при совместном действии качаний и модификаторов. Образующиеся при модифицировании комплексы разносятся по всему объему расплава потоками жидкости и могут сосредоточиться в центральной части слитка. В неподвижном расплаве на комплексах зарождаются мелкие зерна вблизи поверхностей раздела, находящихся в более холодных частях слитка, и если количество этих зерен достаточно велико, объем зоны со столбчатой структурой будет незначителен. Под действием сдвиговых напряжений, возникающих при качаниях, эти комплексы уносятся из области поверхности раздела фаз до того, как они окажутся способными блокировать рост столбчатых кристаллов, и центральная часть слитка будет состоять из множества равноосных зерен (табл. 3).
Взаимодействие с внешними полями
Взаимодействие с внешними полями