18. Типы включений

Неметаллические включения возникают в результате целого ряда физико-химических явлений, протекающих в расплавленном и затвердевающем металле в процессе его производства.

По характеру происхождения все неметаллические включения подразделяют на две группы: 1) эндогенные включения, образуемые в сплаве в результате химического взаимодействия его компонентов с примесями, футеров­кой печи и окружающей атмосферой; 2) экзогенные вклю­чения, образуемые в результате механического захвата металлом «посторонних» частиц огнеупоров из футе­ровки печи, частиц материала литейной формы, размы­ваемой при заливке металла, а также шлаковых частиц.

В первую группу входят главным образом окислы, сульфиды и нитриды, составляющие до 9/10 включений в большинстве литейных сплавов. Ко второй группе относятся сложные окислы металлов и неметаллических элементов, силициды и некоторые другие соединения. При контакте с жидким металлом экзогенные включения в некоторых случаях успевают полностью или частично прореагировать с компонентами сплава и превратиться по существу в эндогенные включения. Поэтому по харак­теру и форме включений не всегда можно судить об их первоначальном происхождении.

По внешней форме различают глобулярные (сфери­ческие), кристаллические (с внешней огранкой), дендрит­ные, пленочные и неправильные включения. В зависимости от соотношения температур плавления неметаллического включения и сплава включения под­разделяют на тугоплавкие (нерастворимые) и легкоплавкие (растворимые). Тугоплавкие эндогенные включения форми­руются в процессе плавки и поэтому называются также первичными. Они сохраняются практически неизменными при затвердевании металлов.

Легкоплавкие (вторичные) включения растворимы в жидком металле. Они формируются в процессе охлаж­дения расплава за счет изменения растворимости, а также в период кристаллизации сплава. Эндогенные включения особенно чувствительны к масштабному фактору отли­вок: с увеличением толщины сечения отливки размер включений увеличивается.

31. Взаимосвязь характера затвердевания отливок с видом диаграмм состояния

Характер затвердевания сплавов и формование макро- и микродефектов в отливке связаны с видом базовой диаграммы состояния и шириной температурного интер­вала кристаллизации сплава Δt_Кр = t_L — t_s. Это послу­жило основанием для условного разделения сплавов на узкоинтервальные (Δt_Кр ≤ 10—30 °С), среднеинтерваль­ные и широкоинтервальные (Δt_Кр ≥ 100—150 °С). Зна­чение Δt_Кр сплава в простых случаях (для двухкомпо­нентных сплавов) может быть оценено непосредственно по соответствующей диаграмме состояния. Однако при этом необходимо учитывать, что даже небольшие добавки или примеси могут значительно расширять Δt_Кр вслед­ствие образования легкоплавких эвтектик. Поэтому температуру ликвидуса и солидуса промышленных спла­вов обычно определяют экспериментально.

Если сравнивать однотипные сплавы с различным Δt_Кр в условиях одинаковой скорости охлаждения рохл и одинакового температурного градиента по сечению стенки отливки t — f (I), то выявляются следующие зако­номерности.

При формировании отливок из узкоинтервальных спла­вов (Δt_Кр' на рис. 1, а) обычно отмечается узкая зона твердожидкого состояния Ж' + α'. По мере охлаждения эта зона последовательно смещается от поверхности к осевой части отливки (рис. 1,б). Затвердевание идет преимущественно путем перемещения фронта раздела между твердой и жидкой фазой. Такой тип формирования отливки называется последовательным затвердеванием. Узкоинтервальные сплавы склонны к образованию столб­чатой структуры с повышенной плотностью; примеси оттесняются в осевую часть отливки, где возможно воз­никновение значительных рыхлот. Примером узкоинтер­вальных сплавов могут служить латуни.

При формировании отливок из широкоинтервальных сплавов (Δt_Кр'' на рис. 1, а) область твердожидкого со­стояния Ж'' + α'' может распространяться на большую часть сечения отливки, в результате чего по всему объ­ему формируются разветвленные дендриты с различной ориентировкой (рис. 1, в). Такой тип формирования отливки называется объемным. При этом затвердевании обычно образуется равноосная макроструктура с сильно развитой усадочной пористостью, равномерно распреде­ленной по сечению отливки. Широкоинтервальные сплавы склонны к образованию различных литейных дефектов и поэтому обладают посредственными литейными свой­ствами. Примером широкоинтервальных сплавов могут служить алюминиевые сплавы с 5—10 % Сu.

Необходимо подчеркнуть, что «в чистом виде» после­довательное затвердевание (без зоны твердожидкого со­стояния) или объемное затвердевание (с областью твер­дожидкого состояния по всему сечению отливки) на практике не наблюдается. При затвердевании отливок, как правило, в них всегда существует область двухфаз­ного твердожидкого состояния, протяженность которой зависит как от ширины Δt_Кр и теплофизических свойств сплава, так и от условий охлаждения отливок.

Рис. 1. Распределение температуры по сечению отливки (а) и схема последовательного (6) и объемного (в) затвердевания сплавов; t_L , t_S — температуры ликвидуса и солидуса