Форма кристаллов и строение слитков

Форма и размер зерен, образующихся при кристаллизации, зависят от условий их роста, главным образом от скорости и направления отвода теплоты и температуры жидкого металла, от содержания примесей.

Рост зерна происходит по дендритной схеме (рис.5.4). Максимальная скорость роста кристаллов наблюдается по таким плоскостям и направлениям, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов. В результате вырастают длинные ветви - оси 1 порядка. По мере роста на осях 1 порядка появляются ветви 2 порядка, от которых ответвляются ветви 3 порядка и т. д. В последнюю очередь идет кристаллизация в участках между осями дендритов.

Рис. 5.4. Схема дендритного кристалла (а) и его роста (б)

 

Дендриты растут до тех пор, пока не соприкоснутся между собой. После этого заполняются межосные пространства, и дендриты превращаются в кристаллы с неправильной внешней огранкой - зерна или кристаллиты. Дендритную форму кристалл может сохранить на открытой поверхности слитка при недостатке жидкого металла.

На границах между зернами в участках между осями дендритов накапливаются примеси, появляются поры из-за усадки и трудностей подхода жидкого металла к фронту кристаллизации.

Условия отвода теплоты при кристаллизации влияют на форму зерен. Кристаллы растут преимущественно в направлении, обратном отводу теплоты. Поэтому при направленном теплоотводе образуются вытянутые кристаллы. Если теплота отводится во всех трех направлениях с приблизительно одинаковой скоростью, формируются равноосные кристаллы.

Типичная структура слитка сплавов состоит из трех зон (рис. 5.5 а). Жидкий металл, прежде всего, переохлаждается в местах соприкосновения с холодными стенками формы. Большая степень переохлаждения способствует образованию на поверхности слитка зоны 1 – мелких кристаллов. Затем происходит преимущественный рост кристаллов, наиболее благоприятно ориентированных по отношению к теплоотводу. Так образуется зона 2 - столбчатых кристаллов. Наконец, в середине слитка, где наблюдается наименьшая степень переохлаждения и не ощущается направленного отвода теплоты, образуются равноосные кристаллы больших размеров (зона 3).

 

Рис. 5.5. Схемы макроструктур слитков

а – типичная, б – транскристаллическая, в – однородная мелкозернистая

 

Применяя различные технологические приемы, можно изменить количественное соотношение зон или исключить из структуры слитка какую-либо зону вообще. Например, перегрев сплавов перед разливкой и быстрое охлаждение приводят к формированию структуры, состоящей практически из одних столбчатых кристаллов (транскристаллическая).

Зона столбчатых кристаллов характеризуется наибольшей плотностью, но в месте стыка столбчатых кристаллов собираются нерастворимые примеси и такие слитки часто растрескиваются при обработке давлением. Транскристаллическая структура, образовываясь в сварных швах, уменьшают их прочность.

Низкая температура разливки сплавов, продувка жидкого металла инертными газами, вибрация, модифицирование приводят к уменьшению зоны столбчатых кристаллов и получению слитков со структурой, состоящей из равноосных кристаллов (рис. 5.5 в).

В верхней части слитка, которая затвердевает в последнюю очередь, концентрируется усадочная раковина. Под ней металл получается рыхлым, в нем много усадочных пор. Эту часть слитка отрезают.

Слитки сплавов имеют неоднородный состав. Например, в стальных слитках по направлению от поверхности к центру и снизу вверх увеличивается концентрация углерода и вредных примесей – серы и фосфора.

Химическая неоднородность по отдельным зонам слитка называется зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства.

Помимо зональной встречается еще дендритная ликвация. Она характеризуется неодинаковым химическим составом по сечению зерна. Центр зерна обогащен более тугоплавким элементом.

Гравитационная ликвация образуется в результате разницы в плотности твердой и жидкой фаз. В зависимости от того, легче или тяжелее твердая фаза по сравнению с жидкой, она при кристаллизации всплывает на поверхность или опускается на дно отливки (Sb-Sn, Cu-Pb).

Получение монокристаллов

Большое научное и практическое значение имеют монокристаллы. Монокристаллы отличаются минимальными структурными несовершенствами. Получение монокристаллов позволяет изучать свойства металлов, исключив влияние границ зерен. Применение в монокристаллическом состоянии германия и кремния высокой чистоты дает возможность использовать их полупроводниковые свойства и свести к минимуму неконтролируемые изменения электрических свойств.

Монокристаллы можно получить, если создать условия для роста кристалла только из одного центра кристаллизации. Существует несколько методов в которых использован этот принцип. важнейшими из них являются методы Бриджмена и Чохральского.

Метод Бриджмена (рис. 5.6) состоит в следующем: металл, помещенный в тигель с коническим дном, нагревается до температуры большей температуры плавления на 50-100^оС. Затем тигель с расплавленным металлом медленно удаляется из печи. Охлаждение наступает в первую очередь в вершине конуса, где и появляются первые центры кристаллизации. Монокристалл (4) вырастает из того зародыша, у которого направление преимущественного роста совпадает с направлением перемещения тигля. При этом рост других зародышей подавляется. Для непрерывного роста монокристалла необходимо выдвигать тигель из печи со скоростью, не превышающей скорость кристаллизации данного металла.

Рис.5.6. Схемы установок для выращивания монокристаллов

А – методом Бриджмена; б – методом Чохральского

1 – печь, 2 – тигель, 3 – металл, 4 - монокристалл

Аморфные металлы

При сверхвысоких скоростях охлаждения из жидкого состояния диффузионных процессы настолько замедляются, что подавляется образования зародышей и рост кристаллов. В этом случае при затвердевании образуется аморфная структура. Материалы с такой структурой получили название - аморфные металлические сплавы (АМС) или металлические стекла.

Затвердевание и образование АМС принципиально возможно практически для всех металлов. Для образования аморфной структуры переходных металлов к ним следует добавлять аморфизаторы (С, Р, В, N, S и др.). Состав аморфного сплава должен отвечать формуле Ме₈₀Х₂₀.

АМС значительно отличаются от своих кристаллических аналогов по строению и, следовательно, по свойствам. В их структуре отсутствует дальний порядок в размещении атомов и характерные особенности структуры поликристаллических сплавов: границы зерен, дислокации и другие дефекты, нет зональной ликвации. В то же время в них сохраняются геометрические и химические неоднородности ближнего порядка, следствием чего являются остаточные напряжения и изменение свойств.

По сравнению с кристаллическими аналогами АМС имеют более низкую плотность, модуль упругости уменьшается на 20-40%, удельное сопротивление в 2-4 раза выше.

АМС «металл- неметалл» имеют удельное поверхностное натяжение σ_В =2000-4000 МПа, но при растяжении разрушаются с малым удлинением. Твердость -1000-1400 HV в закаленном состоянии. В то же время АМС при сжатии деформируются на 40-50% без разрушения, а ленты изгибаются на 180 градусов до параллельности сторон.

По сравнению с кристаллическими аналогами АМС сохраняют избыточную энергию, которая выделяется при кристаллизации. По этой причине АМС химически активны; коррозионно-стойкими являются лишь сплавы, у которых образуется пассивирующая защитная пленка. Это в первую очередь, сплавы железа с хромом и достаточным количеством фосфора и углерода. По сравнению с коррозионно-стойкими сталями эти АМС более стойкие и для придания им коррозионной стойкости требуется меньше хрома: 8-9% против 13% в сталях.

Большое практическое значение имеет возможность получения аморфных металлов в виде ленты, проволоки диаметром в несколько микрометров непосредственно при литье, минуя такие операции, как ковка, прокатка, волочение, промежуточные отжиги, зачистка, травление.