О естественных механизмах формирования центров кристаллизации

Известные факторы формирования центров кристаллизации дополнены давлением, возникающим внутри плавящихся шихтовых материалов, а также воздействием капиллярного давления, позволяющим обосновать возможность зарождения кристаллов на несмачиваемых расплавом тонкодисперсных частицах....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2015
Автор:	Котлярский, Ф.М.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України 2015
Назва видання:	Процессы литья
Теми:	Кристаллизация и структурообразование сплавов
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160462
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	О естественных механизмах формирования центров кристаллизации / Ф.М. Котлярский // Процессы литья. — 2015. — № 3. — С. 37-41. — Бібліогр.: 34 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-160462
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1604622019-11-08T01:26:12Z О естественных механизмах формирования центров кристаллизации Котлярский, Ф.М. Кристаллизация и структурообразование сплавов Известные факторы формирования центров кристаллизации дополнены давлением, возникающим внутри плавящихся шихтовых материалов, а также воздействием капиллярного давления, позволяющим обосновать возможность зарождения кристаллов на несмачиваемых расплавом тонкодисперсных частицах. Відомі фактори формування центрів кристалізації доповнені тиском, який виникає усередині шихтових матеріалів під час їх плавлення, а також впливом капілярного тиску, який дозволяє обгрунтувати можливість зародження кристалів на тонкодисперсних частинках, які не змочуються розплавом. In this paper known factors of formation centers crystallization are complemented by fhat presser arises inside the melting charge materials, as well as the influence of capillary pressure that allows to substantiate the possibility of conceiving crystals on finely dispersed particles no weted by melt. 2015 Article О естественных механизмах формирования центров кристаллизации / Ф.М. Котлярский // Процессы литья. — 2015. — № 3. — С. 37-41. — Бібліогр.: 34 назв. — рос. 0235-5884 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160462 621.74.033//034:536.421.4 ru Процессы литья Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Кристаллизация и структурообразование сплавов Кристаллизация и структурообразование сплавов
spellingShingle	Кристаллизация и структурообразование сплавов Кристаллизация и структурообразование сплавов Котлярский, Ф.М. О естественных механизмах формирования центров кристаллизации Процессы литья
description	Известные факторы формирования центров кристаллизации дополнены давлением, возникающим внутри плавящихся шихтовых материалов, а также воздействием капиллярного давления, позволяющим обосновать возможность зарождения кристаллов на несмачиваемых расплавом тонкодисперсных частицах.
format	Article
author	Котлярский, Ф.М.
author_facet	Котлярский, Ф.М.
author_sort	Котлярский, Ф.М.
title	О естественных механизмах формирования центров кристаллизации
title_short	О естественных механизмах формирования центров кристаллизации
title_full	О естественных механизмах формирования центров кристаллизации
title_fullStr	О естественных механизмах формирования центров кристаллизации
title_full_unstemmed	О естественных механизмах формирования центров кристаллизации
title_sort	о естественных механизмах формирования центров кристаллизации
publisher	Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
publishDate	2015
topic_facet	Кристаллизация и структурообразование сплавов
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160462
citation_txt	О естественных механизмах формирования центров кристаллизации / Ф.М. Котлярский // Процессы литья. — 2015. — № 3. — С. 37-41. — Бібліогр.: 34 назв. — рос.
series	Процессы литья
work_keys_str_mv	AT kotlârskijfm oestestvennyhmehanizmahformirovaniâcentrovkristallizacii
first_indexed	2025-07-14T13:06:07Z
last_indexed	2025-07-14T13:06:07Z
_version_	1837627728563535872
fulltext	ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111) 37 кристаллизация и структурообразование сплавов УДк 621.74.033//034:536.421.4 Ф. М. котлярский Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев О ЕСТЕСТВЕННЫХ МЕХАНИЗМАХ ФОРМИРОВАНИЯ ЦЕНТРОВ кРИСТАЛЛИЗАЦИИ Известные факторы формирования центров кристаллизации дополнены давлением, воз- никающим внутри плавящихся шихтовых материалов, а также воздействием капиллярного давления, позволяющим обосновать возможность зарождения кристаллов на несмачиваемых расплавом тонкодисперсных частицах. Ключевые слова: расплав, отливка, затвердевание, естественные центры кристаллизации, давление в плавящейся шихте, капиллярное давление, структура. Відомі фактори формування центрів кристалізації доповнені тиском, який виникає усередині шихтових матеріалів під час їх плавлення, а також впливом капілярного тиску, який дозволяє обгрунтувати можливість зародження кристалів на тонкодисперсних частинках, які не змо- чуються розплавом. Ключові слова: розплав, виливок, тверднення, природні центри кристалізації, тиск в шихті під час плавлення, капілярний тиск, структура. In this paper known factors of formation centers crystallization are complemented by fhat presser arises inside the melting charge materials, as well as the influence of capillary pressure that allows to substantiate the possibility of conceiving crystals on finely dispersed particles no weted by melt. Keywords: melt, casting, solidification, natural centers crystallization, pressure inside the melting charge, capillary pressure, structure. Кристаллическая структура литых изделий является важным показателем их ка- чества. Поэтому изучение механизмов образования центров кристаллизации, в том числе естественных, было и остаётся актуальным, тем более, что до настоя- щего времени в литературных источниках по этому вопросу имеются разные точки зрения и не согласующиеся положения. По мнению В. И. Данилова характер кристаллизации отливок и слитков опреде- ляют нерастворимые твёрдые неметаллические включения (ТНМВ), всегда име- ющиеся в технических металлах и сплавах, потому что действие таких примесей на процесс зарождения центров кристаллизации наблюдается даже тогда, когда эти ТНМВ не обладают структурным сходством с материалом отливки [1]. Такие при- месные частицы получили название активных или активированных, и становятся они таковыми для данного сплава после того, как некоторое время побывают в его твёрдой фазе. В результате между примесью и сплавом образуется промежуточный слой, кристаллическое строение которого на границе с примесью приближается к строению кристаллов в примеси, а на границе со сплавом – к строению сплава. Продолжительность требуемой для активации выдержки в остывшем сплаве может достигать 1,0-1,5 месяца, а при температуре, близкой к солидусу, сокращается до 1,0-1,5 ч. После расплавления сплава переходной слой продолжает оставаться в твёрдом состоянии при температуре выше ликвидуса. В алюминиевых сплавах активация ТНМВ исчезает по данным разных источников при перегреве от 8 до 80 0С [2-4]. Реактивация дезактивированных при перегреве ТНМВ возможна при заливке, когда на стенках литниковой системы и формы вначале образуются капли или слои затвердевшего металла, которые затем расплавляются [4]. Увеличение времени 38 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111) Кристаллизация и структурообразование сплавов выдержки сплава при перегреве ниже дезактивации сопровождается явлениями, эквивалентными увеличению перегрева, так как такая выдержка содействует посте- пенному разрушению слоя деформированных кристаллов на поверхности ТНМВ [5]. Есть и другая точка зрения [6-8], согласно которой активируется не вся поверх- ность примесной частицы, а только имеющиеся на этой поверхности трещины, щели, царапины после их заполнения расплавом, который до некторого перегрева пере- ходит в твёрдое состояние. Реальность такого эффекта подтверждается данными работы [9]. Если поверхность металла шереховатая или покрыта рыхлой защитной пленкой, то ещё задолго до достижения точки росы в углублениях, порах, трещинах происходит конденсация влаги с образованием слоя воды толщиной в несколько молекулярных слоёв. Остаётся вопрос, под действием каких сил расплав может заполнить трещины частиц Al 2 O 3 , если этот оксид при рабочих температурах алюминиевых распла- вов 700-800 0С практически не смачиваемый – краевой угол смачивания равен 150-160 0С[10]. Его можно сделать смачиваемым, если повысить температуру системы Al- Al 2 O 3 до 1000-1200 0С, при которой краевой угол смачивания пони- жается до 80-60 0С, а затем быстро охладить до температуры заливки. При этом сохраняется смачиваемость, характерная для высоких температур. Это является следствием метастабильной устойчивости субоксидов при пониженных темпера- турах, скорость распада которых с образованием стабильной Al 2 O 3 определяется диффузионными процессами. Такой эксперимент был выполнен на сплавах Al+6%Si и Al+12%Si в работе [11]. Получали отливки в виде перевёрнутого усеченного конуса высотой 168 мм и диаме- трами оснований 67 и 50 мм. Кокиль чугунный с исходной температурой 25-30 0С. При перегреве расплавов 80-90 0С выше ликвидуса ширина периферийной зоны столб- чатых кристаллов составляла 5-8 мм, а максимальный размер зёрен в центральной зоне равноосных кристаллов – примерно 3 мм. После часовой выдержки расплава при температуре 1000 0С и быстрого охлаждения в промежуточном графитовом ковше до температуры заливки 650 0С зона столбчатых кристаллов исчезла, а раз- мер кристаллов в центральной зоне уменьшился до 0,6 мм. И хотя этот эксперимент изначально был направлен на решение других вопросов, полученный результат говорит о том, что данный механизм измельчения структуры может проявляться в некоторых видах термовременной обработки с высокими перегревами. Представляется очевидной возможность заполнения расплавом капиллярных образований на поверхности ТНМВ с помощью давления, создаваемого не только искусственным путём [12], но и естественным. Последнее выявляется при анализе процесса плавления отливок в виде возврата или металлолома, а также стандартных чушек. Но начать нужно с их формирования при затвердевании. На рисунке пред- ставлены их сечения. Известно [13-15] группирование более тугоплавкой состав- ляющей сплава около стенок изложницы (на рисунке отмечено частыми жирными крестиками) и вытеснение легкоплавкой составляющей в центральные части (на рисунке крестики тонкие и реже). Кроме того, между прибылью и отливкой (слитком) при затвердевании обычно образуется продольный перепад температур и, как по- казано в работе [16], при опускании питающего расплава сквозь эту зону по мере понижения его температуры выделяется тугоплавкая составляющая (на рисунке, а жирные крестики между прибылью и отливкой), наслаиваясь на имеющиеся кристал- лы, либо образуя новые, что приводит к частичной или даже полной закупорке меж- дендритных каналов. После образования в прибыли сплошного кристаллического каркаса опускающийся в отливку или на нижние участки прибыли питающий расплав увлекает под действием капиллярных сил верхний слой этого каркаса и уплотняет его (на рисунке, а, жирные крестики в верхней части прибыли). То же самое проис- ходит при опускании расплава в бесприбыльной отливке и чушке (рисунке 1, б, в). Таким образом, в различных конструкциях, представленных на рис. 1 отливок (чушек) после затвердевания, образовались заполненные легкоплавкой составляю- щей «капсулы», закупоренные извне тугоплавкой составляющей. При нагревании этих «капсул» первой начнёт плавиться легкоплавкая составляющая. Увеличиваясь ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111) 39 Кристаллизация и структурообразование сплавов в объёме, она будет поднимать давление, пока не разрушит кристаллический каркас. Прочность силуминов, содержащих 1,5-12 % Si, при температуре солидус – 420-490 г/мм2 [17]. То есть максимальная величина давления может достичь 42-49 атм, и под действием этого давления расплав внутри отливки будет впрес- совываться в капиллярные несплошности примесных частиц. В работе [12] резкое измельчение структуры сплава АЛ4 зафиксировано при автоклавном давлении 20 атм, а согласно данным работы [18] проникновение расплава в несплошности ТНМВ имеет место при избыточных давлениях меньше 5 атм. Следовательно, при плавлении отливок и чушек с низким перегревом может быть достигнут хороший эффект в плане образования центров кристаллизации, если эти шихтовые матери- алы содержат достаточное количество ТНМВ нужной кондиции. Есть ещё один вид естественного давления – капиллярное. Информация о влиянии этого давления на структуру алюминиевых сплавов в профильных лите- ратурных источниках не обнаружена. Тем не менее, капиллярное давление инте- ресно не столько воздействием расплава на ТНМВ, сколько обратной силовой реакцией ТНМВ на расплав – третий закон Ньютона. Если учесть возможность образования взвеси Al 2 O 3 в результате химической реакции (например, Al+SiO 2 , Al+CuO [19-21]), размеры образующейся в результате реакции дисперсной фазы в пределах от 10-7 до 10-9 м [22], несмачиваемость ультрадисперсных порошков [23] (в том числе окруженных водородными атмосферами оксидов Al 2 O 3 [24]) и поверхностное натяжение расплава силуминов в среднем 0,85 н/м, то величина капиллярного давления (Р кап = 2σ/r, где σ – поверхностное натяжение расплава, r – радиус окруженного водородом ТНМВ) при размерах ТНМВ 10-7; 10-8; 10-9 м составит соответственно 0,034; 0,34 и 3,4 ГПа с понижением до нормального дав- ления расплава по мере удаления от ТНМВ на 200-800 Ао. Такая толщина жидкости участвует в молекулярном взаимодействии при адгезии [25]. Согласно приведённым в работе [26] экспериментальным данным Института кристаллографии АН СССР каждый гигапаскаль повышает температуру плавления чистого алюминия на 63 0С. Следовательно для рассчитанных капиллярных давлений это повышение составит 2; 21,4 и 214 0С соответственно. Таким образом, если перегрев расплава алюминия будет меньше повышения температуры его плавления под действием капиллярного давления, поверхностный слой расплава со стороны ТНМВ перейдет в твёрдое состояние (аналогично проме- жуточному слою В. И. Данилова) и может выполнять роль центров кристаллизации. С повышением перегрева в первую очередь дезактивируются наиболее крупные ТНМВ, в последнюю – самые мелкие. С позиции последнего механизма образования центров кристаллизации под действием капиллярного давления интересно обратить внимание на имеющиеся в литературных источниках «нестыковки». Схема распределения тугоплавкой составляющей сплава (крестики) по сечению отливки: а – отливка с прибылью; б – отливка бесприбыльная; в – чушка а вб 40 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111) кристаллизация и структурообразование сплавов С одной стороны, одним из главных условий зарождения центров кристаллиза- ции является смачивание расплавом ТНМВ [7, 8, 27, 28]. В работе [8] даже име- ется категоричное заявление, что неметаллические примеси микроскопического и субмикроскопического размеров, не смачиваемые расплавом, не участвуют в процессе кристаллизации. С другой стороны, о смачиваемых ТНМВ (оксидах Al 2 O 3 ), в том числе микроско- пического и субмикроскопического размеров, информация отсутствует (разве что при нагревании до температур выше 1000 0С). А согласно имеющейся информации, такие ТНМВ не смачиваются из-за образования вокруг них больших количеств ад- сорбированных газов [23, 29] или обогащённых растворённым водородом объёмов и атмосфер [24]. Об этом говорит и установленный [30] факт, что 55 % водорода в расплаве приходится на оксидные включения размером менее 0,3 мкм. Исследо- вания последних лет всё с большей очевидностью указывают, что основная роль в образовании комплексов Al 2 O 3 nH принадлежит тонкодисперсным включениям [31]. Природу этих образований можно объяснить тем, что оксиды, попадающие в расплав с поверхности шихты, всегда содержат воду (до 900 0С) [10], которая взаи- модействует с алюминием, образуя оксид и водород [32]. Наконец, сам оксид Al 2 O 3 без водорода практически не смачивается расплавом при рабочих температурах. С третьей стороны, установлено [19], что присутствие в технических металлах и сплавах взвеси Al 2 O 3 ведёт к резкому измельчению зерна, хотя из огромного числа включений, содержащихся в расплаве, лишь очень немногие даже при самом дисперс- ном строении оказываются центрами кристаллизации [33]. В число таких включений входят те, которые удовлетворяют известному правилу П. Д. Данкова – различие в идентичности кристаллического строения подложки и кристалла не более 15 % [5]. Чем больше различие, тем при большем переохлаждении зарождаются кристаллы. Зародыши, образовавшиеся на подложках первыми при меньших переохлажде- ниях, будут подавлять действие тех частиц, которые могли бы стать зародышами при бóльших степенях переохлаждения [10,34]. Интервал метастабильности будет равен нулю, если в расплав данного вещества ввести частички твёрдых кристаллов того же вещества [4]. Не трудно заметить, что приведенные три «нестыковки» хорошо стыкуются в механизме зарождения кристаллов под действием капиллярного давления, в кото- ром именно на несмачиваемом твёрдом включении с газовой оболочкой величина капиллярного давления будет максимальной. Смачиваемое включение для этого не годится. Хорошо согласуется этот механизм и с тем известным положением, что с увеличением перегрева дезактивация примесных частиц происходит постепенно. Требует объяснения влияние затвердевания поверхностного со стороны ТНМВ слоя расплава на величину капиллярного давления. Возможно, образуется не твёрдый, а твёрдо-жидкий слой. 1. Данилов В. И. Строение и кристаллизация жидкостей / В. И. Данилов. – Киев: АН УССР, 1956. – 424 с. 2. Баландин Г. Ф. Основы теории формирования отливки / Г. Ф. Баландин. – М.: Маши- ностроение, 1979. – Ч. 2. – 335 с. 3. Данилов В. И. Влияние условий кристаллизации на структуру алюминиевого слитка / В. И. Данилов, В. Е. Неймарк // Металлург, 1938. – № 10. – С. 34-44. 4. Баландин Г. Ф. Формирование кристаллического строения отливок / Г. Ф. Баландин. – М.: Машиностроение. – 1965. – 256 с. 5. Куманин И. Б. Вопросы теории литейных процессов / И. Б. Куманин. – М.: Машинострое- ние. – 1976. – 216 с. 6. Флемингс М. Процессы затвердевания / М. Флемингс. – М.: Мир. – 1977. – 424 с. ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 3 (111) 41 Кристаллизация и структурообразование сплавов 7. Чалмерс Б. Теория затвердевания / Б. чалмерс. – М.: Металлургия, 1968. – 288 с. 8. Эскин Г. И. Ультразвуковая обработка расплавленного алюминия / Г. И. Эскин. – М.: Металлургия, 1988. – 232 с. 9. Акимов Г. В. Теория и методы исследования коррозии металлов / Г. В. Акимов. – М.: АН СССР, 1945. – 415 с. 10. Флюсовая обработка и фильтрование алюминиевых расплавов / А. В Кур- дюмов., С. В. Инкин, В. С. чулков, Н. И. Тарасевич. – М.: Металлургия, 1980. – 196 с. 11. Котлярский Ф. М. Качество отливки после термовременной обработки алюминиево-крем- ниевых расплавов / Ф. М. Котлярский, В. И. Белик // Литейн. пр-во. – 1985. – № 6. – С. 9-11. 12. Белоусов Н. Н. Влияние условий затвердевания на структуру и свойства отливок из алюминиевых сплавов / Н. Н. Белоусов, Л. я. Кашевник // Тепловые процессы в отливках и формах. – М.: Наука, 1972. – С. 60-71. 13. Лавров А. С. О приготовлении стальных орудий / А. С. Лавров // Артиллерийский журнал. – 1866. – № 10. – 527 с. 14. Нехендзи Ю. А. Стальное литье / Ю. А. Нехендзи. – М.: Металлургиздат, 1948. – 767 с. 15. Ефимов В. А. Влияние некоторых особенностей затвердевания на развитие химической и физической неоднородности сплавов / В. А. Ефимов // Пробл. стального слитка. –1976. – № 6. – С. 12-22. 16. Котлярский Ф. М. Формирование отливок из алюминиевых сплавов / Ф. М. Котлярский. – К.: Наук. думка, 1990. – 216 с. 17. Новиков И. И. Горячеломкость цветных металлов и сплавов / И. И. Новиков. – М.: Наука, 1966. – 299 с. 18. Котлярский Ф. М. Влияние давления на характер газоусадочных дефектов в непропиты- ваемых узлах отливок / Ф. М. Котлярский // Процессы литья. – 2013. – № 1. – С. 29-32. 19. Спасский А. Г. Очистка металлов от неметаллических включений / А. Г. Спасский, Н. С. Клягина // Изв. ВУЗов. цв. мет., 1959. – № 3. – С. 118-122; Лит. пр-ство, 1959. – № 4. – С. 30-32. 20. Пименов Ю. П. Изучение чистоты алюминия по неметаллическим включениям при обра- ботке его в жидком состоянии / Ю. П. Пименов // Технология легких сплавов (ВИЛС). – 1967. – № 2. – С. 29-36. 21. Иванов В. П. Рафинирование алюминия от окислов и газа / В. П. Иванов, А. Г. Спасский // Изв. вузов. Цветная металлургия – 1963. – № 1. – С. 141-143. 22. Борнацкий И. И. Основы физической химии / И. И. Борнацкий. – М.: Металлургия, 1979. – 240 с. 23. Никитин В. И. Наследственность в литых сплавах / В. И. Никитин. – Самара: СТТУ, 1995. – 248 с. 24. Газы и окислы в алюминиевых деформируемых сплавах / В. И. Добаткин, Р. М. Габидуллин, Б. А. Колачев. – М.: Металлургия, 1976. – 263 с. 25. Зимон А. Д. Адгезия жидкости и смачивание / А. Д. Зимон. – М.: Химия, 1974. – 416 с. 26. Белоусов Н. Н. Кристаллизация отливок из цветных сплавов в условиях приложения дав- ления / Н. Н. Белоусов, А. А. Додонов // Кристаллизация металлов. – М.: АН СССР, 1960. – С. 279-297. 27. Ершов Г. С. Высокопрочные алюминиевые сплавы на основе вторичного литья / Г. С. Ершов, Ю. Б. Бычков. – М.: Металлургия, 1979. – 192 с. 28. Ефимов В. А. Перспективы развития работ по применению внешних воздействий на жидкий и кристаллизующийся расплав / В. А. Ефимов // Влияние внешних воздействий на жидкий и кристаллизующийся металл. – Киев.: ИПЛ АН УССР, 1983. – С.3-21. 29. Перепелкин К. Е. Газовые эмульсии / К. Е. Перепелкин, В. С. Матвеев. – Л.: Химия, 1979. – 197 с. 30. Пименов Ю. П. Отстаивание и центрифугирование алюминиевых расплавов // Технология легких сплавов (ВИЛС) / Ю. П. Пименов, А. Н. Деменков. – 1972. – № 6. – С. 33-37. 31. Курдюмов А. В. Очистка сплавов цветных металлов от взвешенных неметаллических вклю- чений и растворенного водорода / А. В. Курдюмов // Литейн. пр-во. – 1970. – № 5. – С. 4-6. 32. Альтман М. Б. Неметаллические включения в алюминиевых сплавах / М. Б. Альтман. – М.: Металлургия, 1965. – 128 с. 33. Вакуумирование алюминиевых сплавов / М. Б. Альтман, Е. Б. Глотов, В. А. Засыпкин. – М.: Там же. – 1977. – 240 с. 34. Оно А. Затвердевание металлов / А. Оно. – М.: Там же. – 1980. – 152 с. Поступила 06.04.2015

О естественных механизмах формирования центров кристаллизации

Репозитарії

Схожі ресурси