Параметры кристаллизации (ЛСК, ЦК) и зависимость их от технологических факторов

Основными параметрами кристаллизации являются скорость зарождения центров кристаллизации, то есть число центров, появляющихся в единичном объеме за 1 с – ν_ц.к (ЦК) и скорость роста кристаллов ν_р.к (ЛСК) (рис.1).

Рис.1. Кривые ЛСК и КЦ

Кривая ЛСК характеризует линейную скорость роста уже образовавшихся кристаллов.

В условиях больших переохлаждений жидкость затвердевает за счет увеличения вязкости, не образуя кристаллической структуры (пунктирное продолжение кривой ЛСК), то есть в виде аморфного тела. Примером могут служить стекло, шлаки и т.д. Для металлических расплавов больших переохлаждений не наблюдается, и реализуются только восходящая ветвь кривой ЛСК.

Расстояние от Т₀ до ∆Т₁ называется интервалом метастабильности для ЛСК. Здесь первоначальные затраты энергии на увеличение поверхности раздела существенно превышают тепловой эффект кристаллизации дополнительного количества жидкости.

В интервале метастабильности для КЦ, то есть для спонтанной кристаллизации (от Т₀ до Т₂) маловероятно образование зародышей, связанное с преодолением очень высокого энергетического барьера.

Интервал метастабильности для КЦ практически всегда больше, чем для ЛСК. Это объясняет тот факт, что кристаллизация на примесях начинается раньше, чем на спонтанно возникших зародышах. А в процессе образования твердых кристаллов начинает выделяться теплота кристаллизации, которая препятствует дальнейшему переохлаждению сплава. При определенных условиях кристаллизация может начаться и закончиться при переохлаждении меньшем, чем ∆Т₂, то есть в этом случае спонтанная (гомогенная) кристаллизация вообще не будет принимать участия в формировании твердой фазы.

Однако при небольших ∆Т и при небольших скоростях охлаждения может возникать небольшое число центров кристаллизации, но так как ν_р.к > ν_ц.к, то образуется крупнозернистая структура. При больших скоростях охлаждения происходит измельчение зерна, так как ν_ц.к > ν_р.к.

Как только температура сплава у стенок формы упадет до температуры ликвидуса, в этой зоне начинается кристаллизация.

Стенки формы имеют шероховатую поверхность и адсорбируют воздух и влагу еще до ее заливки. Теплопроводность формы микроскопически неоднородна. В свою очередь поверхность часто покрыта слоем окислов и содержит неметаллические включения.

Поэтому преимущественный рост зародышей осуществляется в местах хорошего их контакта со стенкой формы и в местах повышенной теплопроводности формы.

У поверхности формы образуется твердая корочка неориентированных кристаллов (периферийная мелкозернистая зона). В процессе формирования кристаллов переохлаждение снижается в результате выделения теплоты кристаллизации и образуется зона столбчатых или ориентированных кристаллов, вытянутых в направлении противоположном отводу тепла. При малом количестве активных примесей и с увеличением перегрева расплава зона столбчатых кристаллов увеличивается.

И в центральной части отливки образуется зона равноосных неориентированных кристаллов (центральная крупнозернистая зона).

У чистых металлов незначительное количество активных примесей при сильном перегреве зона столбчатых кристаллов достигает центра. Такая структура нежелательна, так как в места стыковки кристаллов устремляются примеси, газы, включения и потом по этим местам проходят трещины (транскристаллизация).

Наиболее желательна мелкозернистая структура с неориентированными кристаллами как наиболее однородная по составу и свойствам.

Основной единицей структуры металла является зерно, которое имеет границы и в пределах границы единую систему ориентации атомно-кристаллической решетки. В простейших случаях зерно не имеет внутренней структуры и обладает округлыми границами.

Если в зерне при травлении выявляются системы осей, то такое зерно называется дендритом. В нем выделяются главные оси первого порядка, перекрещивающиеся с ними оси второго порядка и оси третьего порядка. Границы между дендритами выявляются нечетко.

По мере увеличения скорости охлаждения формы рост кристаллов постепенно усложняется (рис.2): глобулярные (рис.2, а) переходят в неправильные неустойчивые формы (рис.2, б), затем образуются и усложняются дендриты (рис.2, в), оси которых постепенно становятся все тоньше и расстояние между ними уменьшаются (рис.2, г) и, наконец, оси II и III порядка перестают образовываться и возникают игольчатые формы (рис.2, д).

Рис.2. Зависимость формы кристаллов от скорости охлаждения расплава