Строение металлического слитка

Кристаллы, образующиеся в процессе затвердевания металла, могут иметь различную форму в зависимости от скорости охлаждения, характера и количества примесей. Чаще в процессе кристаллизации образуются разветвленные (древовидные) кри­сталлы, получившие название дендритов. При образо­вании кристаллов их развитие идет в основном в направлении, перпендикулярном к плоскостям е максимальной плотностью упа­ковки атомов. Это приводит к тому, что первоначально образуются длинные ветви, так называемые оси первого порядка (I — главные оси дендрита). Одновременно с удлинением осей первого порядка на их ребрах зарождаются и растут перпендику­лярные к ним такие же ветви второго порядка (II). В свою очередь, на осях второго порядка зарождаются и растут оси третьего по­рядка (III) и т. д. В конечном счете образуются кристаллы в форме дендритов .

Дендритное строение выявляется после специального трав­ления шлифов, поскольку все промежутки между ветвями ден­дритов заполнены и видны обычно только места стыков дендритов в виде границ зерен. Правильная форма дендритов искажается в результате столкновения и срастания частиц на поздних ста­диях процесса (рис. 26). Дендритное строение характерно для макро- и микроструктуры литого металла (сплава).

При затвердевании слитка кристаллизация начинается у по­верхности более холодной формы и происходит вначале преиму­щественно в примыкающем к поверхности тонком слое сильно переохлажденной жидкости. Вследствие большой скорости ох­лаждения это приводит к образованию на поверхности слитка очень узкой зоны I сравнительно мелких равноосных кристал­литов.

За зоной I в глубь слитка расположена зона II удлиненных дендритных

Рис. 25. Схема дендритного кристалла (а) и роста дендритов (б)

кристаллитов (зона транскристаллизации). Рост этих кристаллитов происхо­дит в направлении от­вода теплоты, т. е. нор­мально к стенкам изло­жницы. Последователь­ный рост дендритов к стенкам изложницы про­исходит в результате продвижения в глубь расплава ветвей первого порядка и их разветвле­ния аналогично тому, как это было описано выше.

В случае сильного перегрева металла, или быстрого охлаждения, высокой температуры литья и спокойного заполнения формы зона удлиненных дендритных кристаллов может полностью заполнить весь объем слитка. При низкой температуре литья, медленном охлаждении, например, крупных отливок создаются условия для возникновения зародышей кристал­лов в средней части слитка. Это приводит к образованию во внутрен­ней части отливки структурной зоны III, состоящей из равноос­ных различно ориентированных дендритных кристаллитов. Тугоплавкие частицы, находящиеся в жидком металле, способствуют развитию зоны мелких равноосных кристаллитов. Зона столбчатых кристаллов обладает высокой плотностью, так как она имеет мало газовых пузырей и раковин. Однако в участ­ках стыка столбчатых кристаллитов, особенно растущих от раз­ных поверхностей, металл имеет пониженную плотность, и при последующей обработке давлением (ковке, прокатке и т. д.) в этих участках могут возникнуть трещины; поэтому для малопластич­ных металлов, в том числе и для стали, развитие столбчатых кри­сталлитов нежелательно. Наоборот, для получения более плот­ного слитка у пластичных металлов (например, меди и ее сплавов) желательно распространение зоны столбчатых кристаллитов по всему объему слитка; вследствие высокой пластичности таких сплавов исключается разрушение слитка при обработке давле­нием. При фасонном литье стремятся получить мелкозернистую равноосную структуру.

Жидкий металл имеет больший удельный объем, чем твердый; поэтому в той части слитка, которая застывает в последнюю оче­редь, образуется пустота — усадочная раковина. Усадочная ра­ковина обычно окружена наиболее загрязненной частью металла, в котором после затвердевания образуются микро- и макропоры и пузыри.