Будова металевого зливка
Форма та розмір зерен, що утворюються при кристалізації, залежать від умов їх зростання, головним чином від швидкості та напрямку відведення теплоти та температури рідкого металу, а також від вмісту домішок. Зростання зерна відбувається за дендритною (деревоподібною) схемою (рис. 1.16).
 | Мал. 1.16. Схема будови дендриту:1-3 ─ осі, першого, другого та третього порядків |
Встановлено, що максимальна швидкість зростання кристалів спостерігається за такими площинами та напрямками, які мають найбільшу густину упаковки атомів. В результаті виростають довгі гілки, які називаються осями першого порядку. У міру зростання на осях першого порядку з'являються і починають зростати галузі другого порядку, від яких відгалужуються осі третього порядку і т.д. В останню чергу йде кристалізація в ділянках між осями дендритів.
Дендрити ростуть до тих пір, поки не стикнуться між собою. Після цього остаточно заповнюються міжвісні простори, і дендрити перетворюються на повноважні кристали з неправильним зовнішнім огранюванням. Такі кристали називаютьзернами, абокристалітами. При нестачі рідкого металу для заповнення межосных просторів (наприклад, на відкритій поверхні зливка або усадкової раковині) кристал зберігає дендритну форму. Такий дендрит виявлено Д.К. Чорновим на поверхні усадкової раковини сталевого зливка масою 100 т. На кордонах між зернами в ділянках між осями дендритів накопичуються домішки, з'являються пори через усадку та труднощі підходу рідкого металу до фронту кристалізації.
Умови відведення теплоти при кристалізації значно впливають форму зерен. Кристали ростуть переважно у напрямку, зворотному відведення теплоти. Тому приспрямованому тепловідведення утворюються витягнуті (стовпчасті) кристали. Якщо теплота від кристала, що росте, відводиться у всіх трьох напрямках з приблизно однаковою швидкістю, формуються рівноосні кристали.
Структура злитка залежить від багатьох факторів, основні з яких такі: кількість і властивості домішок у чистому металі або легуючих елементів у сплаві, температура розливу, швидкість охолодження при кристалізації, а також конфігурація, температура, теплопровідність, стан внутрішньої поверхні ливарної форми. На рис. 1.17 наведено схеми макроструктур злитків, отриманих у простій вертикальній металевій формі.
 | Мал. 1.17. Схеми макроструктур злитків:а - типова; б − транскристалічна;в − однорідна дрібнозерниста |
Типова структура зливка сплавів складається із трьох зон (див. рис. 1.17а). Рідкий метал насамперед переохолоджується у місцях зіткнення з холодними стінками форми. Великий ступінь переохолодження сприяє утворенню поверхні зливка зони 1дрібних рівноосних кристалів. Відсутність спрямованого зростання кристалів цієї зони пояснюється їхньою випадковою орієнтацією, яка є причиною зіткнення кристалів та припинення їхнього зростання. Орієнтація кристалів, у свою чергу, залежить від стану поверхні форми (шорсткість, адсорбовані гази, волога) та наявності в рідкому металі оксидів, неметалевих включень. Ця зона дуже тонка і не завжди помітна неозброєним оком. Потім відбувається переважне зростання кристалів, найбільш сприятливо орієнтованих по відношенню до тепловідведення. Так утворюється зона 2стовпчастих кристалів, нарешті, в середині зливка, де спостерігається найменший ступінь переохолодження і не відчуваєтьсяспрямованого відведення теплоти, утворюються рівноосні кристали великих розмірів (зона 3).
Застосовуючи різні технологічні прийоми, можна змінити кількісне співвідношення зон або виключити зі структури зливка будь-яку зону взагалі. Наприклад, перегрів сплавів перед розливом та швидке охолодження при кристалізації призводять до формування структури, що складається практично з одних стовпчастих кристалів (рис. 1.17б). Така структура називаєтьсятранскристалічної. Подібну структуру мають зливки дуже чистих металів. Зона стовпчастих кристалів характеризується найбільшою щільністю, але на місці стику стовпчастих кристалів збираються нерозчинні домішки, і зливки з транскристалічної структурою часто розтріскуються під час обробки тиском. Транскристалічна структура, утворюючись у зварних швах, зменшує їхню міцність.
Низька температура розливу сплавів, продування рідкого металу інертними газами, вібрація, модифікування призводять до зменшення і навіть зникнення зони стовпчастих кристалів та отримання злитків зі структурою, що складається з рівноосних кристалів (див. рис.1.17в).
У верхній частині зливка, що твердне в останню чергу, концентрується усадкова раковина. Під усадковою раковиною метал виходить пухким, у ньому міститься багато усадочних пір. Частину зливка з усадковою раковиною та пухким металом відрізають.
Нарешті, якісна структура формується прибезперервному розливанні. У цьому випадку рідкий метал надходить з печі через спеціальний пристрій безпосередньо у водоохолоджуваний кристалізатор, а затверділий метал безперервно витягується з протилежного кінця кристалізатора. При цьому литий метал відрізняється високою пластичністю та дрібнозернистою структурою,наближаючись за якістю до деформованого металу. Застосування цього способу розливання дозволяє автоматизувати та механізувати технологічний процес, скоротити виробничі площі, повністю виключити застосування виливниць, розвантажити обтискне обладнання, полегшити працю обслуговуючого персоналу, збільшити вихід придатного металу внаслідок заповнення рідким металом усадкової раковини. Усе це призводить до зменшення собівартості металу.
Зливки сплавів мають неоднорідний склад. Наприклад, у сталевих зливках у напрямку від поверхні до центру та знизу вгору збільшується концентрація вуглецю та шкідливих домішок – сірки та фосфору.
Хімічна неоднорідність по окремих зонах зливка називаєтьсязональною ліквацією.Вона негативно впливає на механічні властивості. У реальних зливках, крім зональної, зустрічаються й інші види ліквації. Так,дендритна ліквація властива сплавам з широким інтервалом кристалізації. Вона характеризується неоднаковим хімічним складом із перерізу зерна (дендриту). Центр зерна збагачений більш тугоплавким елементом, до периферії його кількість зменшується.
Гравітаційна ліквація утворюється в результаті різниці в щільності твердої і рідкої фаз, а також при кристалізації рідких фаз, що не змішуються. Це, наприклад, властиво антифрикційним сплавам олова із сурмою та міді зі свинцем. Залежно від того, легша або важча тверда фаза в порівнянні з рідкою, вона при кристалізації відповідно спливає на поверхню або опускається на дно виливки. Таке розшарування виливки (зливка) за щільністю неприпустимо для антифрикційних сплавів, оскільки коефіцієнт тертя у парі, що працює, великою мірою залежить як від особливості, так і однорідності структури.
Для зменшення гравітаційної ліквації використовують великі швидкості охолодження виливків (злитків). Застосування космічної технології повністю усуває цей вид дефекту, оскільки за умов космосу гравітаційні сили надзвичайно малі.