Затвердевание металлического расплава при внешних воздействиях
  2.3.4 Явления зарождения и дробления частиц твердой фазы в расплаве

В основе теории образования центров кристаллизации в жидком расплаве лежат работы Дж. Гиббса, В.И. Данилова, Я.И. Френкеля, Б. Чалмерса и их последователей. Известно, что процесс кристаллизации начинается с возникновения определенного числа центров кристаллизации Nч в единице объема за единицу времени и последующего их роста со скоростью Vр. При этом число центров кристаллизации Nч обычно выражают в следующим уравнением [78]:

где Сmk, - коэффициент, связанный с молекулярно-кинетическими особенностями процесса; Ак - работа по образованию зародыша критического размера; U - энергия перехода атомов из жидкой в твердую фазу; k - постоянная Больцмана; Тe - температура расплава.

Как следует из уравнения, на увеличение числа центров кристаллизации влияет уменьшение величины работы образования центра кристаллизации и снижение энергии активации перехода атома жидкой фазы в твердую. Если принять, что наложение виброимпульсного воздействия при кристаллизации приводит к определенному уменьшению Ак и U, то сам процесс воздействия будет обеспечивать увеличение скорости зарождения центров кристаллизации и соответственно их количества в расплаве.

Процесс образования зародышей кристаллизации в затвердевающих расплавах происходит преимущественно на частицах нерастворимых примесей, поверхность которых полностью или частично смачивается расплавом. Принято считать [144,145], что только небольшая часть находящихся в расплаве микропримесей может стать центром кристаллизации. Достаточно устойчивыми в качестве центров кристаллизации оказываются лишь частицы, имеющие относительно глубокие микроне сплошности, которые заполнены матричным сплавом. Однако заполнению несплошностей во всех неметаллических частицах препятствует наличие в ней газовой фазы, с одной стороны, и эффект несмачиваемости поверхности неметаллической частицы, с другой стороны. Значительной активации неметаллических частиц как центров кристаллизации, видимо, можно достигнуть в случае наложения виброимпульсных воздействий. В этом случае упругие колебания способствуют очистке поверхности твердого тела от возможных загрязнений, а интенсивное движение около частицы примеси, обязанное возникновением микропотокам и различию в колебательных скоростях жидкой фазы и частицы примеси, может привести к заполнению жидкостью трещин на поверхности частицы. При этом частица может стать центром кристаллизации в той мере, как это определяется ее изоморфизмом с кристаллизующимся металлом. Процессы очистки поверхности примеси от загрязнений и скорость движения жидкости относительно частицы примеси связаны как с протеканием кавитационных процессов, так и с возникновением сил вязкого трения между частицей примеси и расплавом.

Другим не менее важным источником центров кристаллизации в затвердевающем расплаве являются "осколки" матричного сплава, отделившиеся по каким-либо причинам от растущего твердого каркаса. В условиях затвердевания слитков и заготовок без наложения принудительного внешнего воздействия количество таких частиц весьма мало. Однако при виброимпульсном воздействии создаются благоприятные условия для дробления частиц твердой фазы. Дополнительные частицы твердой фазы в расплаве могут образовываться благодаря следующим процессам (рис.2.6):

  • а) механическому разрушению твердой корочки на поверхности расплава при развитии волновых процессов;
  • б) разрушению вторичных и третичных ветвей дендритов на фронте кристаллизации под действием конвективных потоков и ударных нагрузок;
  • в) кавитационному разрушению частиц твердой фазы при схлопывании пузырьков.

Схематическое представление основных механизмов образования частиц  твердой фазы в расплаве при виброимпульсном воздействии

Рис.2.6. Схематическое представление основных механизмов образования частиц твердой фазы в расплаве при виброимпульсном воздействии: а – развитие волн на поверхности расплава; б – разрушение вторичных и третичных ветвей дендритов; в, г – при развитии эффекта кавитации.

Вероятность развития того или иного из вышеперечисленных процессов зависит от свойств сплава, условий затвердевания, способа и интенсивности виброимпульсного воздействия. Однако, в большинстве случаев эти процессы, видимо, идут параллельно, что подтверждается многими работами, в которых эффект измельчения кристаллической структуры фиксировался при режимах значительно ниже порога кавитации. Вместе с тем, в количественном отношении наиболее мощным источником, генерирующим новые твердые частицы в расплаве, следует считать кавитационный эффект.

В литературе известны несколько эмпирических гипотез, объясняющих положительное влияние кавитации на зарождение твердых частиц в расплаве. Ранее было рассмотрено влияние кавитации на зарождение центров кристаллизации на неметаллических включениях. Другой гипотезой о зарождении центров кристаллизации под действием кавитации является эффект разрушения твердой фазы при схлопывании навигационных пузырьков (рис. 2.6 в). Известно, что при схлопывании пузырька развиваются высокие ударные давления и локальные микротечения. Эти процессы могут приводить к разрушению (дроблению) частиц твердой фазы, находящихся вблизи охлопывающихся пузырьков. В целом дробление частиц по этому механизму представляется весьма вероятным, поскольку эффект эрозии и разрушения твердых тел в жидкостях при кавитации достаточно широко подтвержден на практике [130]. Применительно к виброимпульсным воздействиям необходимо дополнительно заметить, что для дробления частиц необходимо, чтобы зона кавитации была максимально приближена к зоне плавающих частиц или фронту затвердевания. Учитывая технические особенности передачи импульсов воздействия расплаву, наиболее полное развитие эффекта дробления частиц в объеме расплава следует ожидать при наложении вибрации на емкость или при пульсационном перемешивании, обеспечивающем интенсивное перемешивание всей жидкой ванны.

Достаточно перспективной представляется гипотеза основанная на том, что для пульсирующего кавитационного пузырька во время полупериода растяжения происходит резкое увеличение его объема и, как следствие, испарение жидкости внутрь пузырька, способствующее понижению температуры ниже равновесной (рис. 2.6 г). Переохлаждение расплава на поверхности пузырька, в свою очередь, может привести к образованию в ней зародыша твердой фазы. При последующем сжатии образующийся зародыш должен оторваться от поверхности пузырька, вследствие разной скорости движения твердой и жидкой фазы, а ударная волна, возникающая при захлопывании пузырька, будет способствовать выносу зародившегося центра кристаллизации в объеме расплава [146].

В целом же прямым следствием кавитационных явлений, происходящих при виброимпульсной обработке, можно считать измельчение зерен первичной литой структуры во всем объеме слитка или заготовки. С этой точки зрения виброимпульсную обработку на режимах, соответствующих кавитационному порогу, следует рассматривать как достаточно перспективный путь повышения качества и физической однородности. Между тем, периодическая пульсация давлений может стать причиной не только возникновения в расплаве твердой или газообразной фазы, но и способствовать ее переходу в расплав. В этом случае могут возникнуть дефекты структуры в зоне фронта затвердевания, проявляющиеся в проплавлении полостей в твердой части фронта затвердевания [75, 133]. Другим возможным дефектом при проведении виброобработки в кавитационном режиме является повышение газовой пористости из-за невозможности удаления из тела слитка возникающих при кавитации газовых пузырьков [903].

  2.3.4 Явления зарождения и дробления частиц твердой фазы в расплаве
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ