Чи не мимовільна первинна кристалізація

У реальних умовах процеси кристалізації значною мірою залежить від наявних готових центрів кристалізації. Такими центрами може бути тверді частинки різноманітних домішок, стінки форми. Особливо ефективні частки таких речовин, які за своєю кристалічною будовою схожі на метал, що твердне. Ця схожість проявляється у близькій відповідності розташування атомів на певних площинах решіток металу та домішки.

Розчинені домішки в металі сприяють збільшенню числа центрів, якщо домішки будуть поверхнево-активними речовинами, що знижують поверхневий натяг. В цьому випадку зменшується критичний розмір центру кристалізації, що еквівалентно збільшенню ступеня переохолодження.

Насправді для подрібнення структури широко застосовують модифікування – обробку рідких сплавів невеликими кількостями добавок (модифікаторів). В якості модифікаторів використовують поверхнево-активні речовини (бор у сталі, натрій в алюмінії та його сплавах) і тугоплавкі метали (титан, цирконій в алюмінії та його сплавах). Модифікатори додають у сплави в кількостях від тисячних до десятих часток відсотка.

При підвищенні температури рідкого металу домішки, що відіграють роль додаткових центрів кристалізації, розчиняються, а поверхнево-активні домішки дезактивуються, тому підвищення температури рідкого металу перед розливом призводить до укрупнення зерна при кристалізації.

Форма кристалів та будова злитків

Форма зерен, що утворюються при кристалізації, залежить від умов їх зростання, головним чином від швидкості та напрямку відведення теплоти та температури рідкого металу, а також від домішок.

Зростання зерна відбувається за дендритною (деревоподібною) схемою (рис. 2.1).

Встановлено, що "найбільшашвидкість зростання кристалів спостерігається за такими площинами та напрямками решітки, які мають найбільшу щільність упаковки атомів. В результаті виростають довгі гілки, які називаються осями першого порядку. Потім цих осях з'являються і починають зростати гілки другого порядку тощо.

Класифікація кристалічних ґрат показана в табл. 1.2.

Таблиця 1.2

Типи кристалічних грат

Кристалографічна система	Грати Браве
Проста	Базо-центрована	Об'ємно-центрована	Гране-центрована
Триклінна (паралелепіпед) K2Cr2O7
Моноклінна (правильна призма з паралелограмом в основі) Sв
Ромбічна (ромбоедр) Fe3C, Sa
Тетрагональна (прямий паралелепіпед) TiO2, Snв
Тригональна(ромбоедрична) (рівносторонній ромбоедр As, Bi)
Гексагональна (призму з основою шестикутника) Zn, Cd
Кубична (правильний куб) Cu, Fe, NaCl

Якщо гладка (первинна) вісь дендриту, орієнтована вздовж напрямку відведення тепла (вісь першого порядку), набагато довша за осі, перпендикулярні до неї (осі другого порядку), то дендрит називаєтьсястовпчастим. Якщо осі першого і другого порядків приблизно рівні по довжині, і досить розвинені, дендрит називається рівноосним. У тому випадку, коли в рідкому металі виникає дуже велика кількість центрів кристалізації (при значній мірі переохолодження або внаслідок присутності великої кількості сторонніх центрів кристалізації), дендрити не встигають вирости; такідендрити називаютьсядрібноглобулярними.

Найчастіше при кристалізації металів і сплавів, що застосовуються в промисловості, утворюються дендрити всіх трьох видів.

Дендрити ростуть до тих пір, поки не стикаються один з одним. Після цього остаточно заповнюються міжвісні простори, і дендрити перетворюються на повноважні кристали з неправильним зовнішнім огранюванням. Такі кристали називаютьсязернами абокристалітами. На кордонах між зернами в ділянках між осями дендритів накопичуються домішки, з'являються пори через усадку та труднощі підходу рідкого металу до фронту кристалізації.

Мал. 2.1. Схема зростання дендриту.

Умови відведення теплоти при кристалізації значно впливають форму зерен. Це видно з прикладу кристалізації сталевого зливка (див. рис. 2.2).

Кристалізація сталевого зливка йде у три стадії. Спочатку на поверхні злитка утворюється зона 1 (див. рис. 2.2) дрібних кристалів - це результат впливу холодної металевої форми, яка забезпечує в перші моменти затвердіння злитка велику швидкість охолодження металу. Потім ростуть великі кристали (зона2),витягнуті у напрямку відведення теплоти. Їх називають стовпчастими кристалами. Нарешті, у середині зливка, де спостерігається найменший ступінь переохолодження, утворюються рівноважні кристали великих розмірів (зона 3).

Мал. 2.2. Схема будови зливка спокійної сталі: 1 – шар дрібноглобулярних кристалів; 2 – область стовпчастих кристалів; 3 – рівноосні дендрити; 4 – шлам; 5 – шлак.

У верхній частині зливка, що твердне в останню чергу, концентрується усадкова раковина. Під усадковою раковиноюметал виходить пухким, у ньому міститься багато усадочних пір. Частину зливка з усадковою раковиною та пухким металом відрізають. Зливок має неоднорідний склад. Наприклад, у сталі у напрямку від поверхні до центру та знизу вгору збільшується концентрація вуглецю та шкідливих домішок – сірки та фосфору. Хімічна неоднорідність за окремими зонами зливка називається зональною ліквацією. Вона негативно впливає механічні властивості.

---