сложную задачу, особенно при анализе дендритной ликвации. Зо­ нальная ликвация может быть обнаружена путем обычного химиче­ ского анализа проб из различных точек отливки. Для определения внутрикристаллической химической неоднородности применяют та­ кие современные методы исследований, как авторадиография, микроспектральный анализ, рентгеноструктурный анализ, микрорентгеноспектральный анализ, лазерный микроспектральный анализ, метод микротвердости и др. Качественную оценку ликвации можно полу­ чить более простым металлографическим методом. При травлении микро- и макрошлифов зоны, отличающиеся по составу, травятся с различной степенью эффективности, что и позволяет их обнару­ жить. Так, выявление дендрита на металлографических шлифах обу­ словлено именно неоднородностью состава его стволов и ветвей.

Основной характеристикой, определяющей ликвационные свой­ ства двухкомпонентного сплава, является коэффициент распределе­ ния к. Численное значение и знак этого коэффициента определяются расположением линий ликвидуса и солидуса на диаграмме состоя­ ния. Поэтому, как и другие свойства сплавов, склонность к ликвации зависит от места сплава на диаграмме состояния. Имея перед собой диаграмму состояния, можно сделать достаточно точный прогноз о виде и степени ожидаемой ликвации в отливке.

7.1. Дендритная ликвация

Дендритная ликвация особенно сильно влияет на структуру и свойства литого сплава, поэтому необходимо стремиться к ее уменьшению в ходе первичной кристаллизации и знать пути частич­ ного или полного ее устранения.

Дендритная ликвация всегда имеет место при неравновесной кристаллизации сплавов, затвердевающих не при постоянной темпе­ ратуре, а в интервале температур. В первую очередь она наблюдается у сплавов, компоненты которых могут полностью или частично рас­ творяться в твердом состоянии. Особенно заметна дендритная лик­ вация в отливках из сплавов, содержащих элементы с небольшим ко­ эффициентом распределения, в первую очередь вредные примеси. Отрицательное влияние таких элементов, ухудшающее механические свойства, особенно пластичность, при протекании ликвации еще бо­

лее усиливается из-за повышения их концентрации между ветвями и по границам дендритов.

Механизм дендритной ликвации подробно описан в разде­ ле 4.2.1, в котором рассмотрена неравновесная кристаллизация твер­ дых растворов. Из-за неполноты протекания диффузионных про­ цессов при реальных скоростях охлаждения отливок дендритная ликвация неизбежна. Середина кристаллов всегда обогащена компо­ нентом, составляющим основу сплава, а периферия - другим компо­ нентом. Как указывалось ранее, дендритную ликвацию определяют либо как абсолютную разницу между составами центра и периферии дендритного кристалла, либо как отношение этой разницы к средне­ му составу сплава в процентах. В последнем случае степень ликвации может быть более 100 %.

Решающим фактором, влияю­ щим на степень ликвации, будет ско­ рость охлаждения. Рассмотрим ее влияние на примере ликвации трех сплавов, состоящих из компонентов с ограниченной растворимостью друг в друге и занимающих различ­ ное положение на диаграмме состоя­ ния. Сплавы составов С\ и Сз (рис. 82) находятся в области полной растворимости второго компонента, а сплав состава С2 имеет эвтектиче­ скую составляющую, так как кон­ центрация второго компонента выше его предельной растворимости.

Проследим за изменением химического состава центра и пери­ ферии дендритов трех выбранных сплавов при различных скоростях охлаждения, обозначенных vb v2, V3 и т.д. Схема для сплава соста­ ва С|, лежащего в области ограниченной растворимости, приведена на рис. 83. В нижней части рисунка показана степень ликвации, ко­ торая оценивается по абсолютной разности концентраций в центре и на периферии дендритов. При скоростях охлаждения меньших, чем V], все диффузионные процессы протекают в полной мере. Кристал­ лизацию можно считать равновесной, и ликвация отсутствует.

ся перераспределением атомов между жидкой и твердой фазами. По всему сечению дендрита состав станет вновь одинаковым и рав­ ным С\. Но вероятнее, что переход к бездиффузионной кристаллиза­ ции будет протекать более плавно в интервале скоростей от v4 до v6.

На границе дендрита из-за большего градиента концентрации выравнивающая диффузия подавляется позднее, при большей скоро­ сти v3. Начиная с нее, периферийные слои дендрита будут иметь со­ став, отвечающий точке предельной растворимости Сп. Степень лик­ вации с этого момента достигает максимального значения. Переход к бездиффузионной кристаллизации будет происходить при скоро­ сти v5, когда начинается частичное подавление разделительной диф­ фузии в расплаве. Скорость v5 не может быть меньше, чем v4. Для протекания бездиффузионной кристаллизации требуются переохла­ ждения от 100 до 300 °С в зависимости от системы сплава. Такое пе­ реохлаждение достигается при очень высоких скоростях охлажде­ ния - порядка 10 °С/с.

Имея перед собой график изменения составов центра и границы кристалла, по разности ординат легко построить график зависимости степени дендритной ликвации от скорости кристаллизации, что и сделано в нижней части рис. 83.

Приведенный анализ влияния скорости кристаллизации на лик­ вацию в сплаве С\ распространяется и на все сплавы системы с неог­ раниченной растворимостью. В этом случае состав граничных слоев не лимитируется точкой предельной растворимости. Они могут со­

содержание второго компонента в центре кристаллов твердого рас­ твора начинает уменьшаться и достигает значения Сц2. Состав гра­ ничных слоев остается равным составу в точке предельной раство­ римости С„. Избыток компонента В будет оставаться в расплаве, обо­ гащая его до эвтектического состава. Только бездиффузионная кристаллизации может привести к получению сплава исходного со­ става С2- Степень внутрикристаплической ликвации в сплаве соста­ ва Сг изменяется в таком же порядке, что и в сплаве С\, но она суще­ ственно меньше по величине.

Рассмотрим малолегированные сплавы в системах эвтектиче­ ского и перитектического типа, расположенные между ординатой чистого компонента и концентрационной границей появления нерав­ новесной эвтектики. Сплав Сэ (см. на рис. 82), должен кристаллизо­ ваться по такой же схеме, что и сплав С\. Так и происходит при из­ менении концентрации в центре дендрита (рис. 85). Физический смысл скоростей vi, V2, V4, и v6 на рис. 83 и 85 одинаков. Различия

начинаются при изменении концент­ рации на границе кристалла. При не­ которой скорости V5, которая чуть больше V4, или скорости V3, меньшей, чем v4, концентрация второго компо­ нента на границе достигает макси­ мального значения, которое всегда ниже значения точки предельной рас­ творимости. Это связано с тем, что сплав кристаллизуется в малом интер­ вале температур. Приграничная зона кристалла, обогащенная вторым ком­ понентом, при увеличении скорости кристаллизации становится очень уз­ кой, с высоким градиентом концен­ траций. Это увеличивает скорость вы­ равнивающей диффузии в тонком периферийном слое и снижает кон­ центрацию второго компонента на границе кристалла. Степень ликвации у малолегированного сплава меньше, чем у сплава С\.

Приведенный анализ показал, что степень дендритной ликвации существенно зависит от скорости кристаллизации. При обычных скоростях охлаждения отливок, лежащих в пределах от КГ2 до 102°С/с, предотвратить образование дендритной ликвации невоз­ можно. Степень дендритной ликвации возрастает при увеличении интервала кристаллизации.

Дендритная неоднородность химического состава в большинст­ ве случаев нежелательна. Ухудшаются пластические свойства, по­ нижаются сопротивление ударным нагрузкам и коррозионная стой­ кость сплавов. Поэтому необходимо принимать меры для ее умень­ шения или полного устранения. На первый взгляд, этому могло бы способствовать медленное охлаждение отливок. Но малая скорость кристаллизации способствует образованию более грубых дендритов, и вредное влияние ликвации только возрастает. Больший эффект достигается при ускоренной кристаллизации, когда образуются тон­

коветвистые дендриты, хотя и с большой степенью ликвации. Это облегчает и укоряет процесс выравнивания состава при последую­ щей термической обработке.

Устранить дендритную ликвацию можно отжигом. Температура нагрева должна быть такой, чтобы обеспечивалась высокая скорость диффузии для выравнивания химического состава зерна. Время вы­ держки зависит от размеров дендритных ячеек, т.е. от расстояния между дендритными ветвями. Если уменьшить размер дендритной ячейки в 2 раза, то время выдержки при отжиге можно сократить в 4 раза. Это обстоятельство и объясняет преимущества ускоренной кристаллизации, которая приводит к измельчению дендритных ячеек. Ликвация в этом случае устраняется быстрее и полнее.

Для устранения дендритной ликвации в доэвтектоидных угле­ родистых и малолегированных сталях проводится их полный отжиг с нагревом до температуры, на 30-50 °С превышающей критическую точку Лез, или диффузионный отжиг при 1000-1100 °С. Таким обра­ зом можно существенно снизить ликвацию углерода. Ликвационная неоднородность распределения вредных примесей серы и фосфора при этом практически не изменяется. Диффузионный отжиг приво­ дит к значительному укрупнению зерна. Для исправления крупно­ зернистой структуры необходимы дополнительный обычный отжиг или нормализация.

Для легированных сталей требуется гомогенизирующий или диффузионный отжиг. Нагрев осуществляется до 1100-1200 °С, так как скорость диффузии легирующих элементов значительно ниже скорости диффузии углерода. Даже при таких высоких температу­ рах дендритная ликвация в легированных сталях полностью не устраняется.

В цветных сплавах дендритная ликвация может быть снижена при нагреве их до температур, которые на 15-30 °С ниже температу­ ры неравновесного солидуса. Это требует тщательного регулирова­ ния температуры в печи, чтобы избежать оплавления отливок.

В большинстве случаев указанную термическую обработку с целью устранения дендритной ликвации производят только Для слитков, подвергаемых последующей обработке давлением. В отлив­ ках дендритная ликвация частично устраняется при обычной упроч­ няющей термической обработке.