Неравновесная кристаллизация сплавов. Виды ликвации и способы ее устранения

Выше были рассмотрены процессы равновесной кристаллизации, когда диффузионные процессы полностью успевали выравнивать составы фаз.

В реальных условиях охлаждения с конечной скоростью при затвердевании сплава равновесия не получается. Диффузия идет медленно и выравнивание состава во всем объеме жидкой и твердой фаз не осуществляется. Особенно это относится к твердой фазе. В результате затвердевания получается химически неоднородный твердый раствор. Например, в системе В/ - БЬ внутренняя часть каждого кристалла, затвердевшая в начале кристаллизации, обогащена сурьмой. Сначала выпадают кристаллы, обогащенные более тугоплавким компонентом, в данном случае сурьмой, а в их наружных слоях оказывается меньше сурьмы и больше висмута (но сравнению со средней концентрацией в сплаве). Такая химическая неоднородность в пределах каждого зерна (дендрита) называется внутричерепной или дендритной ликвацией.

Рассмотрим, как образуется дендритная ликвация. Примем для упрощения, что процессы диффузии выравнивают состав жидкой фазы, и что этот сос тав соответствует равновесию, получающемуся на транице раздела твердый раствор - жидкость. Практически достичь однородности жидкой фазы при затвердевании невозможно, также как и твердой, хотя степень неоднородности жидкой фазы меньше, чем твердой. Однако принятое упрощение не мешает сделать правильные выводы.

Рассмотрим сплав состава л:, в котором при 71/ начинается выделение кристаллов состава а2 (рис. 25).

Изменение состава а - фазы при кристаллизации в условиях ускоренного охлаждения (образование ликвации)

Рис. 25. Изменение состава а - фазы при кристаллизации в условиях ускоренного охлаждения (образование ликвации)

При охлаждении до Т2 жидкость изменит состав от до 1*2. Вся твердая фаза должна была бы при Т2 иметь состав а2. Но в отсутствие равновесия этот состав будут иметь только верхние слои кристаллов (на границе раздела жидкость - твердый раствор). Остальные же части кристаллов, образовавшиеся выше температуры Т2, не изменят своего состава, и средний состав всей твердой фазы будет соответствовать точке а'2. Состав а'2 лежит между составами щ и а2.

При понижении температуры до 7) средний состав твердой фазы еще больше отклонится от равновесного и будет соответствовать точке а'з, а не а<. И в данном случае состав щ будет только на границе раздела с жидкой фазой. Состав а'з лежит между а/ и аз. При Т4 затвердевание должно было бы закончиться, но в отсутствие равновесия этого не произойдет, так как в сплаве останется еще некоторое количество жидкости, равное

где а'4 - средний состав твердой фазы.

Затвердевание закончится при Т$, когда средний состав твердой фазы а5 совпадет со средним составом сплавах На поверхности кристаллов будет состав а$.

Отсюда видно, что состав твердой фазы меняется от «у до <%, г.е. она в некоторой своей части (щ - ад обеднена, а в другой части (огу - 05) обогащена компонентом В. Видно также, что образование ликвации сопровождается расширением интервала затвердевания.

Ликвационную неоднородность твердого раствора можно устранить отжигом затвердевшего сплава при высокой температуре. При отжиге состав твердой фазы выравнивает диффузия, поскольку ниже температуры солидус равновесным является однофазное состояние. Однако следует быть осторожным в выборе температуры отжига. В рассмотренном примере (рис. 25) быстрый нагрев до Т5, может уже привести к началу плавления, так как участки состава а$ сохранились и могут расплавиться, хотя по диаграмме равновесия сплав х должен был бы плавиться при температуре выше Т5.

Процесс устранения ликвационной неоднородности и соответствующий отжиг в практике термической обработки называют гомогенизацией. В тех случаях, когда в сплаве имеются примеси, затрудняющие диффузию, гомогенизация, даже очень продолжительная, не приводит к полному устранению дендритной ликвации.

Кроме дендритной может образоваться и зональная ликвация. Зональной ликвацией называется химическая неоднородность в объеме всего затвердевшего металла. Например, в сплавах В1 - .ЪЬ сначала выпадают кристаллы, богатые сурьмой, а жидкость при этом обогащается висмутом. Вследствие значительного различия плотности этих компонентов, выпавшие кристаллы всплывают и верхняя зона слитка, если не приняты специальные меры, например встряхивание или перемешивание, обогащена сурьмой, а нижняя - висмутом. Наряду с этим может образоваться зональная ликвация и другого рода. Первоначально выпавшие из жидкости кристаллы, обогащенные сурьмой, пристанут к стенкам изложницы и останутся в наружных слоях слитка, а внутри его затвердеет остаток жидкого сплава, обогащенный висмутом. Устранение зональной ликвации посредством отжига даже при очень чистых сплавах в практических условиях невозможно.

Явление ликвации может быть использовано в технике.

Так, например, М - Си - сплавы с ликвационной неоднородностью - имеют не строго определенную точку Кюри, а температурный интервал, внутри которого намагниченность плавно уменьшается до нуля. Этим пользуются в приборостроении. Самым важным практическим применением ликвации является получение чистых металлов и полупроводников. Это может быть осуществлено направленной кристаллизацией или зонной плавкой.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >