Закономерности кристаллизации и затвердевания отливки в литейной форме

Рассмотрим элемент литейной формы в виде стержня с площадью поперечного сечения, равной единице, торец которого, обращенный к расплавленному металлу, находится при постоянной температуре, равной температуре плавления , а начальная температура литейной формы равномерна и равна (рис.1.14).

Для кристаллизации слоя металла объемом из элемента DX должно быть отведено количество тепла:

. (1.36)

Поскольку расплавленный металл внутри формы имеет одинаковую температуру, а температура литейной формы распределена неравномерно (рис. 1.17), то в соответствии с основным законом теплопроводности все тепло будет отводиться только через литейную форму.

Рис. 1.17. Схема распределения температуры в расплавленном металле и в литейной форме

Следовательно,

(1.37)

где при постоянной начальной температуре литейной формы

. (1.38)

Приравнивая друг другу два полученных выражения DQ и обозначая предел отношения при через скорость затвердевания сплава U, получим

(1.39)

Отсюда также следует, что зависимость толщины затвердевшей стенки отливки от времени описывается формулой:

. (1.40)

Согласно (2.16) скорость кристаллизации пропорциональна плотности теплового потока. С течением времени эти характеристики уменьшаются сначала быстро, а затем все медленнее (рис.1.15).

Рис.1.18 Изменение плотности теплового потока и толщины затвердевшего слоя отливки с течением времени (а) и распределение скорости кристаллизации по толщине стенки отливки (б).

На рис. 1.19 представлены результаты конкретного расчета зависимости толщины затвердевшей стенки от времени. Использование логарифмических координат приводит к искажению формы этой зависимости (рис.1.19)

Рис. 1.19. Зависимость толщины затвердевшей стенки от времени

Закономерности изменения плотности теплового потока и скорости кристаллизации определяют структуру слитка (или отливки), образующуюся при разливке металла в изложницы (или литейные формы). Поскольку в начальный момент времени у самой поверхности изложницы вследствие интенсивного теплоотвода в изложницу возникает переохлаждение сплава, образуется большое число центров кристаллизации, причем кристаллизация протекает с такой высокой скоростью, что зерна металла затвердевают, еще не успев приобрести выраженную ориентацию в направлении тепловых потоков. Этот наружный слой дезориентированных мелких зерен называют литейной коркой 1, рис.1.20. Она имеет наиболее высокие механические характеристики, однако в ней же может быть сосредоточено наибольшее число примесей, загрязняющих сплав.

Рис.1.20. Схема строения стального слитка [10]

С течением времени t плотность тепловых потоков и, следовательно, скорость кристаллизации резко уменьшаются, хотя и остаются все еще достаточно большими, чтобы влиять на процесс кристаллизации. Из-за уменьшения степени переохлаждения снижается и число центров кристаллизации. Поскольку тепловые потоки направлены по нормали к изотермическим поверхностям, а те, в свою очередь, практически эквидистантны поверхности изложницы (или литейной формы), то в этой зоне наблюдается рост кристаллов из небольшого числа центров кристаллизации в направлениях, перпендикулярных поверхности изложницы. Такие кристаллы, вытянутые в направлениях тепловых потоков, называют столбчатыми. В зоне столбчатых кристаллов 2 наблюдается меньше вредных примесей, раковин и газовых пузырей, плотность металла и механические характеристики достаточно высокие.

При небольшой толщине слитка (или стенок отливки) различные зоны столбчатых кристаллов, растущих от различных стенок внутрь изложницы (или литейной формы), входят в соприкосновение друг с другом. Однако в местах стыка столбчатых кристаллов прочность металла снижается.

В центре слитка при температуре, близкой к температуре плавления в течение наибольшего времени сохраняются условия, близкие к изотермическим и адиабатическим. Т.е. температура благоприятна для начала кристаллизации, но переохлаждение минимально и теплоотвода из этой области практически нет. Поэтому число центров кристаллизации еще уменьшается и из небольшого числа таких центров вырастают крупные равноосные дезориентированные кристаллы. В зоне равноосных кристаллов механические характеристики снижаются.