» » Теплоотвод при кристаллизации
14.01.2016

Процесс кристаллизации как фазовый переход определяется отводом тепла из расплава. Формирование структуры слитка зависит от связанных с теплоотводом параметров, таких, как скорость охлаждения, степень переохлаждения, величина и направление градиента температуры.
Скорость охлаждения расплава определяется скоростью снижения его теплосодержания
Теплоотвод при кристаллизации

где С — теплоемкость расплава. Тепловой поток dQL/aτ из расплава за счет теплоотвода через S—L-поверхность в твердую фазу, образующуюся при затвердевании, равен
Теплоотвод при кристаллизации

Затвердевание со скоростью движения R плоской поверхности S—L-раздела создает тепловой поток, определяемый выделением теплоты перехода L из жидкого в твердое состояние:
Теплоотвод при кристаллизации

Рассмотрим основные закономерности переноса тепла при охлаждении расплава как в частном случае выращивания монокристалла при движении плоской поверхности раздела S—L, так и в системе расплавленный металл — литейная форма.
Рост монокристалла при движении плоской поверхности раздела твердой и жидкой фаз S—L со скоростью R и выделении скрытой удельной теплоты кристаллизации L определяется теплопроводностью твердой и жидкой фаз в соответствии с уравнением теплового баланса:
Теплоотвод при кристаллизации

где КS, KL — коэффициенты теплопроводности твердого и жидкого металла; GS, GL — температурный градиент соответственно в твердой и жидкой фазе (у поверхности раздела фаз); dS — плотность твердой фазы. Таким образом, чтобы межфазная поверхность двигалась с контролируемой скоростью R (при выращивании монокристаллов 10в-4—10в-6 м/с), теплоотвод регламентируют путем задания температурных градиентов GS и СL. При GL = 0 из уравнения (3) получаем значение максимальной скорости роста
Теплоотвод при кристаллизации

В системе расплавленный металл — литейная форма теплоотвод в общем случае осуществляется через ряд тепловых сопротивлений, соответствующих расплаву, затвердевшему металлу, поверхности раздела металл — литейная форма и самой литейной формой. Теплоотвод определяется не только теплопроводностью, как в рассмотренном выше движении плоской поверхности S—L, но и теплоотдачей по закону Ньютона, конвекцией или излучением.
На рис. 3.8 схематически представлен вклад указанных механизмов теплоотвода в системе расплавленный металл — литейная форма (рис. 3.8, а) и локальное изменение условий теплопередачи на границе слиток — литейная форма (рис. 3.8, б).
Теплоотвод при кристаллизации

Скорость кристаллизации металла в контакте с поверхностью литейной формы, а также получаемая при этом структура литого металла определяются суперпозицией тепловых сопротивлений затвердевшего металла RS, литейной формы Rm и поверхности контакта металл — литейная форма Ri. Тепловое сопротивление поверхности контакта Ri в различных точках в общем случае определяется различными механизмами передачи тепла путем теплопроводности К, конвекции С, излучения R в зависимости от локальных свойств поверхности контакта (шероховатости, загрязнений, смачиваемости расплавом и т.п., рис. 3.8, б). Тепловой поток через поверхность контакта S—m определяется уравнением Ньютона:
Теплоотвод при кристаллизации

где (Ti,s - Ti,m) — падение температуры на поверхности контакта, равное разности температур поверхности твердой фазы и поверхности литейной формы S—m; hi = 1/Ri — средний макроскопический коэффициент теплопередачи.
Наличие зоны столбчатых кристаллов, их ориентация в значительной степени определяются направлением максимально интенсивного теплоотвода и градиента температуры.
В таких процессах, в которых толщина получаемой отливки изделия мала, при литье в кокиль (металлическую литейную форму) тепловой поток и, соответственно, скорость затвердевания контролируются в основном теплопередачей через поверхность раздела S—m, тепловым пограничным сопротивлением Ri.
Значения коэффициента теплопередачи, соответствующие высоким скоростям охлаждения, реализуемым при некоторых вариантах высокоскоростной закалки расплава, можно определить следующим образом:
— для затвердевания на поверхности массивной полированной литейной формы 4*10в3 Дж/(м2 К*с);
— при расплющивании капли расплава между теплопроводящими пластинами 1054—10в5 Дж/(м2*К с);
— при сверхбыстрой закалке из жидкого состояния 10в5—10в6 Дж/(м2*К*с).
Максимальная скорость теплоотвода от расплава при затвердевании составляет 10в5—10в6 Дж/(м2*К*с), что обеспечивает достижение скоростей охлаждения > 10в6 К/с при использовании методов высокоскоростной закалки расплава.