Непрерывное литье алюминиевых сплавов

Габидуллин Р.М., Ливанов В.А., Шипилов В.С.

Металлургия, 1977 г.

Современные представления о природе зональной ликвации

Качество слитков и полуфабрикатов определяется не только кристаллическим строением и наличием в них различного рода дефектов, но и соответствием по химическому составу, равномерностью распределения легирующих элементов и примесей в микро- и макрообъемах. Наличие в слитках значительного количества дефектов, присущих литой структуре, устраняется последующими операциями (деформированием, термообработкой и т. д.), за исключением одного — химической неоднородности в макрообъемах (зональной ликвации).

Мы не будем подробно останавливаться на ликвации в микрообъемах (внутрикристаллической или дендритной), так как ей посвящено значительное число работ. Из них необходимо отметить работы как советских [103—107], так и зарубежных исследователей [108— 112], теоретические выводы которых представляют собой основу современных взглядов по данному вопросу. Мы также не будем рассматривать ликвацию по плотности (гравитационную) [113] и различные специфические проявления зональной ликвации в отливках и слитках из стали и других тяжелых сплавов (слоистая, осевая, внецентренная, внеосевая точечная, или «усы», пятнистая и т. д.), так как они подробно изложены в работах [40, 113—116]. Ниже будет рассмотрена зональная ликвация, развивающаяся в слитках алюминиевых сплавов, отлитых непрерывным методом.

Первые упоминания о ликвационной неоднородности в отливках и слитках относятся к XVI в. В 1540 г. была [опубликована заметка о макроликвации, где описывалось явление выделения и образования ликватов припроизводстве ружейных стволов из бронзы [117]. Однакотолько в 1866 г. А. С. Лавров по-научному описал |свои наблюдения по ликвации в стальных слитках и шал впервые четкое объяснение этому явлению [116]. [Позже, в 1881 г., также появились материалы английских исследователей [118, 119]. Подробное и систематическое изучение зональной ликвации относится к концу XIX и началу XX вв. Особенно интенсивно проводились [работы в 1920 -1960 гг. В это время появилось много теорий и гипотез, объясняющих природу и механизм рональной ликвации, особенно в слитках цветных металлов.

Нормальная ликвация. Нормальная (прямая) ликвация характеризуется обогащением средних слоев слитка легкоплавкими составляющими. Степень неоднородности при нормальной ликвации характеризуется кривой, связывающей концентрацию примеси с расстоянием от начальной точки затвердевания. Форма кривой зависит от коэффициента распределения примеси, скорости затвердевания и степени перемешивания жидкости [108]. При малой скорости затвердевания, не превышающей 2 см/ч, характер ликвации определяется перемешиванием жидкости, при скорости более 20 см/ч решающую роль играет диффузия [109].

При изучении нормальной ликвации в слитках кипящей и спокойной стали выделяют три особенности распределения ликвирующих элементов [114]:

1) концентрация элементов на периферии и в донной части равна исходной их концентрации;

2) в слоях слитков, прилегающих к поверхности охлаждения, сначала концентрация пониженная, а затем она возрастает и становится максимальной в центре слитка;

3) обогащение ликвирующими элементами наблюдается как к центру слитка, так и к его литниковой части.

При затвердевании в земляной форме сплавов с большим интервалом температур кристаллизации н малолегированных сплавов образуется слоевая усадочная пористость, располагающаяся в периферийных слоях. Центральные слои   такой   пористости не имеют.

Изучение химического состава показало, что в отливках наблюдается нормальная ликвация. Это явление автор объясняет перемещением маточного расплава из одних зон в другие для восполнения усадки кристаллизации за счет капиллярных сил. Он также считает, что усадочная пористость в тепловом центре отливки (сплав Mg+20% А1) связана с перемещением легкоплавкой составляющей из этой зоны, что ведет к обратной ликвации.

Определенную роль играет количество маточной жидкости, остающееся к концу затвердевания [121]. Если ее мало и не хватает для заполнения усадочных пустот, то характер ликвации связан с направлением перемещения маточной жидкости, что в свою очередь зависит от условий затвердевания. Если верхняя поверхность затвердевает раньше, чем боковая, то будет наблюдаться нормальная ликвация. В случае затвердевания от периферии она переходит в обратную. Если маточной жидкости много, то она заполняет пустоты, и это ведет к нормальной ликвации.

На степень зональной ликвации существенное влияние оказывает скорость охлаждения. Химическая неоднородность тем больше, чем меньше скорость охлаждения. Двухфазная область при этом играет исключительное значение [122]. Влияние скорости охлаждения на характер ликвации обсуждается и в работе [123]. Отмечается, что при малых скоростях охлаждения должна быть нормальная ликвация, затем с увеличением скорости охлаждения она уменьшается и переходит в обратную, которая при очень большой скорости охлаждения уменьшается до нуля.

Обратная ликвация.Обратная ликвация характеризуется обогащением легкоплавкими составляющими периферийных слоев слитка. Хотя кристаллизация слитка идет от периферии к центру, в нем создаются условия для перемещения легкоплавких составляющих в направлении, обратном движению фронта затвердевания.