Схильність до ліквації (дендритних, зональної, по щільності)

Ізоляція - це неоднорідність сплаву за хімічним складом, структурою, що утворюється при його кристалізації.

Ізоляція обумовлена ​​тим, що сплави, на відміну від чистих металів, кристалізуються в інтервалі температур. Кристали, послідовно випадають в інтервалі температур затвердіння, відрізняються один від одного за хімічним складом. Чим раніше випав кристал, тим менша кількість більш легкоплавких компонентів він містить. Природно, що залишається частина рідкого сплаву весь час збагачується ними і залишок рідини, що застигає останнім, містить найбільшу кількість легкоплавких компонентів. Чим ширше температурний інтервал кристалізації сплаву, тим сильніше розвивається ізоляція. Ізоляція є небажаною, оскільки погіршує багато властивостей (механічні, корозійну стійкість і ін.) Сплаву як в стані напівфабрикату, так і в готовому виробі.

Розрізняють внутрішньокристалічну, або дендритну, ликвацию, яка проявляється в обсязі окремих зерен (кристалітів, дендритів), зональну ликвацию, що спостерігається в усьому обсязі виливки і ликвацию за питомою вагою.

Внутрікристалічної (дендритная) ізоляція. Цей вид ликвации виявляється в зернах кристалічних фаз змінного складу, т. Е. В зернах твердих розчинів, за рахунок того, що кристалізація сплаву відбувається в інтервалі температур, і при цьому хімічний склад обох фаз змінний.

Механізм кристалізації при цьому дифузний, виборчий. Зміна складів рідкої і твердої фаз здійснюється за рахунок дифузійних процесів. При дуже повільному охолодженні дендритная ізоляція не спостерігається, що пояснюється досить повним протіканням дифузійних процесів. В реальних умовах найбільш часто відбувається прискорене охолодження виливків. Тоді дифузійні процеси в твердому розчині не встигають вирівнювати склад зростаючих зерен за обсягом, і їх хімічний склад виявляється неоднорідним по перетину.

Сплав з внутрікристалічної ліквацією має знижену пластичність і низьку стійкість проти корозії.

Внутрікристалічної ізоляція буде проявлятися тим сильніше, чим більше розрізняються хімічні склади рідкої і твердої фаз, т. Е. Чим більше відстань до горизонталі між лініями ліквідусу і солідусу на діаграмі стану системи. Ступінь розвитку внутрікристалічної ликвации також сильно залежить від швидкості охолодження. Збільшення швидкості охолодження підвищує переохолодження сплаву в процесі його кристалізації і уповільнює дифузійні процеси. Отже, чим швидше охолоджується сплав, тим більше розвинена в ньому дендритная ізоляція. Однак помічено, що в деяких сплавах при дуже високих швидкостях охолодження дендритная ізоляція послаблюється, дифузний (виборчий) механізм кристалізації поступово замінюється бездіффузіонним, коли зростаючі кристали приєднують до себе все атоми компонентів з рідкої фази, навколишнього кристал. Тоді хімічний склад кристалів по всьому своїм обсягом виявляється рівним хімічному рідкої фази, і отже, ізоляція відсутня.

Для зменшення внутрікристалічної ликвации сплави у вигляді злитків або виливків піддають дифузійному відпалу (гомогенізації). Метал нагрівають до можливо високої температури, щоб тільки не допустити оплавлення, і витримують тривалий час. При цьому в неоднорідних за хімічним складом зернах твердого розчину додатково розвиваються процеси дифузії, в результаті чого вирівнюється їх хімічний склад.

Зональна ізоляція. Зональна ізоляція зустрічається в різних формах.

Ізоляція за поперечним перерізом злитка. Найчастіше така проявляється в тому, що зовнішні шари злитка в порівнянні з центральною зоною збагачені компонентом, що підвищує температуру кристалізації сплаву. Така зональна ізоляція називається прямий. Пояснюється вона природним ходом кристалізації злитка в виливниці, коли спочатку формуються його зовнішні шари, а потім внутрішні. Але при цьому послідовності у внутрішніх частинах злитка кристалізується рідка фаза згідно ходу лінії ліквідусу на діаграмі стану збагачується компонентом, що знижує температуру кристалізації сплаву. Тому в застигаючому злитку при русі від його поверхні до центру зменшується концентрація компонента, що підвищує температуру кристалізації, і відповідно зростає концентрація компонента, що знижує температуру кристалізації. Встановлено, що в великих злитках, що охолоджуються повільно, пряма зональна ізоляція розвинена сильніше, ніж в злитках малого перетину, які охолоджуються швидше.

Значно рідше зустрічається так звана зворотна ізоляція, коли зовнішні шари злитка збагачені компонентом, знижуючим температуру кристалізації сплаву. У заключній стадії кристалізації злитка рідка фаза, збагачена легкоплавким компонентом і знаходиться у внутрішніх обсягах злитка, під впливом тиску від що виділяються з розплаву газів по междендрітним каналах і іншими шляхами продавлюється до зовнішніх верствам злитка і тим самим штучно підвищує в них концентрацію цього легкоплавкого компонента.

Пряма і зворотна зональні ликвации не знищуються ні дифузійним відпалом, ні гарячої пластичної деформацією. Для зменшення розвитку зональної ліквації по поперечному перерізі зливка застосовують спеціальні заходи по створенню потрібної форми зливка і умов їх охолодження.

Ізоляція за питомою вагою (по висоті виливка). Цей вид ликвации проявляється в тому, що середній хімічний склад верху виливки відрізняється від складу низу виливка. Це зумовлено відмінностями в структурі його верхніх і нижніх частин за рахунок того, що сплави кристалізуються як суміш різних фаз за умови помітної різниці у величині питомої ваги у компонентів, наприклад сплави системи сурма - свинець. У цих сплавах при повільному їх охолодженні при кристалізації створюються умови, коли важкі кристалічні освіти опускаються до низу виливка, а більш легкі - спливають до верху виливки. Особливо різко виявляється ізоляція в кольорових сплавах. Наприклад, в свинцових бронзах найбільш помітна ізоляція свинцю тому, що його питома вага дорівнює 11,3 г / см3, що набагато більше середнього питомої ваги сплаву (близько 8,6 г / см3).

Ізоляція за питомою вагою розвинена тим сильніше, чим повільніше охолоджується сплав. Отже, для запобігання утворення ликвации за питомою вагою сплави слід охолоджувати швидко. Однак в разі кристалізації великих мас сплаву практично це зробити важко. Тоді з метою запобігання виникнення ліквації по питомій вазі в сплав вводять третій компонент з таким розрахунком, щоб ця добавка утворювала з одним з основних компонентів хімічна сполука. Будучи більш тугоплавким, воно почне при охолодженні сплаву виділятися в першу чергу і своїми тонкими, сильно розгалуженими осями дендритів перешкодить поділу структурних елементів сплаву по висоті виливка.

Іноді спостерігається явище розшарування однієї рідкої фази на дві різні за складом рідини з подальшим виникненням різної структури по висоті виливка, яке є різновидом ликвации за питомою вагою. Розшарування спостерігається в сплавах з обмеженою розчинністю компонентів в рідкому стані (наприклад, сплав системи свинець - цинк).

Швидке охолодження сплаву від температури розшарування мало впливає на зменшення цієї ликвации. Високий нагрів сплаву до однофазного рідкого стану і подальше швидке охолодження, ретельне перемішування і струшування є прийомами, що перешкоджають явищу розшарування і виникнення зональної ліквації по висоті виливка.