Кристаллизация металла. Часть 1

Превращение жидкой фазы в твердую происходит путем кристаллизации, которая связана с отводом тепла от жидкости и явлением переохлаждения. Состояние переохлаждения для некоторых расплавов может сохраняться тем больше, чем оно меньше по абсолютной величине. В лабораторных условиях удается достичь глубокого переохлаждения металлов. Иногда переохлажденное состояние расплава может сохраняться неопределенно долго, если предотвратить попадание в такой расплав (гипосульфита, салола) каких-либо затравок.

Развитие кристаллизации зависит от наличия впереди растущего кристалла дозародышей, скоплений ядер, находящихся на различной стадии роста. Опытами В. И. Данилова и В. Е. Неймарка установлено, что после расплавления крупнозернистого алюминия и выдержке расплава с небольшим перегревом над точкой плавления, при вторичном затвердевании сохраняется крупнозернистая структура, а при расплавлении мелкокристаллического — соответственно мелкокристаллическая структура. Эти опыты позволили выдвинуть гипотезу о том, что в жидком металле (в частности, в алюминии, для данного опыта), перегретом даже на 50 град выше точки плавления, еще сохраняются центры кристаллизации. Это значит, что плавление как бы происходит не до конца; «зародыши» кристаллизации сохраняют свою активность и при температуре несколько выше температуры плавления. Поэтому, если расплаву, не перегретому выше температуры дезактивации (специфическая характеристика для данного расплава), дать возможность спокойно кристаллизоваться, то структура слитка будет в значительной мере определяться наличием оставшихся дозародышей кристаллизации на примесях и наличием устойчивых ядрообразователей при температуре, значительно превышающей температуру ликвидуса.

Опыты Шейла показали, что при разливке в изложницы нагретого до 700° С алюминия наряду с узкой зоной столбчатой структуры в центре слитка имеется широкая зона равноосных мелких кристаллитов, тогда как при разливке расплавленного алюминия после нагрева его до 11000 C и выдержке при 700° С столбчатая структура доходит до середины слитка. Следовательно, для образования «наследственной» структуры необходимы остаточные дозародыши кристаллизующегося вещества, либо ядра — затравки другого вещества.

Установлено, что нарушение переохлажденного состояния возможно и без внесения затравки, а путем перемешивания расплава, т. е. приведения его в движение. Так, когда раствор хлористого калия находился в неподвижном состоянии, в нем новые ядра не возникали; если же раствор приводили в движение, немедленно возникало множество кристаллитов.

Таким образом, кроме температуры перегрева над точкой плавления, на начало и характер кристаллизации оказывают влияние наличие затравок, состояние расплава (покой, движение) и степень переохлаждения.

При незначительном переохлаждении образование зародышей происходит чрезвычайно медленно и возрастает при увеличении степени переохлаждения.