Движение жидкости внутри затвердевающей отливки и развитие зональной ликвации

Категория:
Литейное производство


Движение жидкости внутри затвердевающей отливки и развитие зональной ликвации

Одной из особенностей процесса затвердевания сплава в реальной отливке является то, что в процессе затвердевания содержащаяся внутри отливки жидкость находится в непрерывном движении.

Существует два прямых доказательства такой циркуляции. В центре отливок, изготовляемых из сплавов, объем которых сокращается при затвердевании, где металл должен был бы затвердеть в последнюю очередь, образуется свободная полость, называемая усадочной раковиной. Существование внутренней свободной от металла полости доказывает, что жидкость из центра отливки перемещается к периферии, компенсируя усадку в местах кристаллизации. Только благодаря такой компенсации затвердевающий сплав может быть плотным. Процесс кристаллизации протекает по всему объему переходной области. Следовательно, для получения плотного металла необходима фильтрация металла в эту область, в том числе и в ту ее часть, которая близка к изосолиде и где свободные расстояния между растущими кристаллами очень малы.

Однако в большинстве отливок наблюдается химическая неоднородность сплава в виде зональной ликвации отдельных элемен-

Механизм развития зональной ликвации может быть двояким. При выделении кристаллов с пониженным содержанием ликвирующего элемента, этот элемент скапливается в жидкости, окружающей кристалл. Возникает значительная разница в концентрации элемента внутри жидкости переходной зоны и в составе маточного расплава в центре отливки. Под действием градиента концентрации в жидком сплаве происходит диффузия элемента к центру отливки, “что вызывает развитие зональной ликвации. Это объяснение справедливо для случаев, когда затвердевание сплава протекает очень медленно и когда для массопереноса диффузией имеется достаточно времени.

Ь. В реальных отливках скорость перемещения фронта кристаллизации (или переходной области) к центру на несколько порядков, — выше скорости движения диффундирующего элемента, поэтому диффузионный механизм развития ликвациии мог бы сохраниться только при протекании диффузии в твердой среде. Сделать такое допущение невозможно, поэтому необходимо считаться с фактом движения жидкости, обогащенной ликватами, в направлении от периферии отливки к ее центру.

Таким образом, внутри переходной области отливки происходит, с одной стороны, движение жидкости в направлении к ее поверхности, что объясняет компенсацию усадки сплава («питание» затвердевающего сплава), и, с другой стороны, — движение металла в обратном направлении, что вызывает развитие зональной ликвации.

Рис. 1. Распределение меди по сечению плоской отливки

Это явление, называемое обратной ликвацией, также связано с движением жидкости в затвердевающей отливке.

Движение металла внутри переходной зоны обусловлено особенностями строения этой зоны, а также наличием между растущими кристаллами жидкости с переменным количеством лидирующих компонентов или, иначе говоря, жидкости, обладающей переменными свойствами.

Переходную зону в реальной затвердевающей отливке можно рассматривать как капиллярно-пористое тело. Промежуточные полости между растущими кристаллами образуют в переходной зоне систему каналов, жидкость в которых перемещается под действием капиллярных сил. Каждый канал имеет переменное сечение и криволинеен. Однако в своей совокупности изменение сечения каналов подчиняется определенному закону. Вблизи изо-солиды содержится очень мало жидкости, а на внутренней границе переходной зоны очень мало твердого вещества и весь объем практически занят жидким расплавом, поэтому можно считать, что сечения каналов постепенно расширяются в направлении от периферии к центру отливки. Среди расширяющихся каналов встречаются более широкие и более узкие, и каждый канал в отдельности не представляет собой правильного усеченного конуса.

Образующаяся в переходной области жидкость, благодаря накоплению в ней ликватов, значительно хуже смачивает стенки растущих твердых кристаллов, чем маточный расплав среднего состава. Смачиваемость ухудшается тем больше, чем сильнее отличаются химические составы жидкости и соприкасающегося с ней твердого тела.

Исследования показывают, что возникающие по сечению переходной области градиенты капиллярного давления достаточны для того, чтобы вызвать вытеснение маточным расплавом плохо смачивающей жидкости сначала из узких капилляров в более широкие, а затем из узкого сечения этих капилляров в область их большего сечения.

В тех случаях, когда все капилляры имеют микроскопически малый просвет, возможна и другая схема процесса: смачивающая жидкость движется вдоль стенок кристаллов внутрь переходной зоны (простеночное движение), а несмачивающая жидкость выталкивается по центру каналов наружу.

Жидкость внутри переходной области в обоих случаях может интенсивно циркулировать до тех пор, пока в центре отливки сохраняется расплав среднего состава. В момент, близкий к моменту слияния переходных областей, развивающихся от различных поверхностей отливки (т. е. в начале стадии IV процесса затвердевания), условия циркуляции жидкого металла значительно ухудшаются: перераспределение жидкостей, содержащих различное количество ликватов, между каналами разной толщины еще может продолжаться, но это перераспределение будет осуществляться медленнее, чем раньше. Основная масса ликватов останется там, где она была застигнута в переломный момент процесса.

Распределение меди в плоской алюминиевомедной отливке (рис. 1) характеризует типичный случай развития прямой зональной ликвации.

Особым видом химической неоднородности отливок является случай обратной ликвации. Она наблюдается тогда, когда возникновение и увеличение размеров переходной области у внешней поверхности отливки не сопровождается образованием наружной твердой корки. Возможен случай, когда к моменту начала IV стадии затвердевания на поверхности отливки еще не будет плотного слоя твердых кристаллов.

В рассматриваемом случае затвердевания отливки, не имеющей поверхностной корки, маточный раствор среднего состава будет втягиваться капиллярными силами в переходную область и вытеснять оттуда жидкость, обогащенную ликватами. Однако эта жидкость будет выталкиваться на наружную поверхность отливки, так как на преодоление гидравлического сопротивления неплотной сетки поверхностных кристаллов потребуется затратить меньшую работу, чем на перемещение жидкости к центру отливки.

Иногда в отливке развиваются как прямая, так и обратная ликвации, причем прямая ликвация будет тем слабее, чем позднее образовалась затвердевшая наружная корка.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум