Процесс кристаллизации изображается графически в координатах время – температура. На кривой охлаждения чистых металлов при достижении температуры кристаллизации появляется горизонтальная площадка (температура не снижается), образование которой объясняется выделяющейся при кристаллизации скрытой теплотой кристаллизации. После полного перехода в твердое состояние температура металла опять начинает снижаться.
В сплавах в зависимости от характера взаимодействия взятых компонентов и их концентрации кривые охлаждения могут иметь различный вид.
Процесс кристаллизации состоит из двух стадий: образования центров кристаллизации (кристаллических зародышей) и роста кристаллов вокруг этих центров.
Эти два фактора находятся в сложной зависимости от температуры. При малой степени переохлаждения AT число центров кристаллизации мало, а скорость роста большая. В этом случае будет получено крупное зерно.
При большей степени переохлаждения Д7 число центров кристаллизации возрастает, и размер зерна в твердом металле будет уменьшаться.
Размер зерна оказывает сильное влияние на механические свойства металла. Чем меньше зерно, тем лучше комплекс механических свойств и сочетание прочностных и пластических свойств. В обычных условиях источником образования центров кристаллизации чаще всего являются твердые частицы примесей и включений, специально вводимые в расплав или попадающие в него в процессе выплавки, а также вследствие недостаточной чистоты исходных материалов. Преднамеренное введение в расплав малых количеств примесей (от тысячных до десятых долей процента) для измельчения зерна называется модифицированием, а вводимые примеси – модификаторами. По механизму воздействия на кристаллизацию модифицирующие вещества разбиваются на две группы. Модификаторы первой группы образуют мелкие тугоплавкие частицы, плавающие в расплаве. Если частицы примеси имеют одинаковую кристаллическую решетку с решеткой затвердевающего металла (изоморфные примеси), то они играют роль готовых центров кристаллизации.
При модифицировании алюминиевых сплавов в качестве модификаторов первой группы применяют титан, ванадий, цирконий; при модифицировании магниевых сплавов – магнезит, мел, карбиды алюминия и кальция; при модифицировании стали – алюминий, ванадий, титан.
Модификаторы второй группы (поверхностно активные вещества) находятся в расплаве в атомарной смеси с затвердевающим металлом. При затвердевании на поверхностях растущего кристалла осаждается тонкий слой модификатора, что приводит к уменьшению поверхностной энергии. К числу поверхностно активных модификаторов относится бор (для железных и никелевых сплавов) и магний (для серого чугуна).
Стенки формы играют ту же роль, что и включения. Процесс кристаллизации обычно начинается от стенок формы и распространяется в глубь расплавленной массы металла.
При затвердевании металлов правильная кристаллографическая огранка возникающих кристаллов наблюдается очень редко. В большинстве случаев приходится наблюдать так называемый дендритный характер роста кристаллов, когда кристаллы развиваются преимущественно в каких-то определенных направлениях, создавая своеобразный скелет или ветви из затвердевшего металла. При дендритной кристаллизации рост возникающих зародышей происходит неравномерно во все стороны. Наибольшая скорость роста наблюдается только в определенных направлениях, зависящих от направления теплоотвода и кристаллической структуры данного металла.
В местах стыков ветвей друг с другом и в местах соприкосновения растущих соседних дендритов скапливаются примеси, всегда имеющиеся в техническом металле. Кроме того, в междуосных пространствах и на границах дендритов образуются микроскопические усадочные раковины или поры. Эти поры и посторонние примеси могут привести к понижению прочности отливки. Более крупные поры значительно снижают механические свойства металла не только в литом, но и в пластически деформированном состоянии, так как они не свариваются (как микроскопические поры) при горячей обработке слитков.
