Внутрикристаллическая и зональная ликвация в отливках. Связь ликвационных процессов с условиями затвердевания отливки.

Ликвация – химическая неоднородность отливки, возникающая при кристаллизации из расплава. Внутрикристаллическая ликвация приводит к существенным изменениям в структуре и свойствах.

Внутрикристаллическая (дендритная) ликвация в сплавах эвтектического типа приводит к существенным изменениям в структуре и свойствах. Опуская построения, изобразим штриховой линией неравновесный солидус t_А – а' на эвтектической диаграмме (рис.1).

Рис.1. Неравновесная кристаллизация сплавов в эвтектической системе: двойная штриховая линия – изменение степени внутрикристаллической ликвации; С_л, m_p, m_{нр.э._}- относительное количество равновесной и неравновесной эвтектики в структуре сплавов

Вследствие ликвации эвтектическая температура t_э достигается в сплавах с концентрацией меньше предельной растворимости С_р; это концентрация обозначена С_р. Во всех сплавах, лежащих между точками а' – а, кристаллизация заканчивается с образованием неравновесной эвтектики. Сплавы, расположенные левее точки а' (например, сплав 1), затвердевают по типу твердых растворов. В сплавах, расположенных между точками а – е (сплав 3), одновременно с равновесной эвтектикой образуется некоторое количество неравновесной эвтектики, структурно объединенной с первой. Соотношение между ними в структуре сплава можно определить по известному правилу треугольника Таммана, где ордината е – d принята за 100 % эвтектики.

Типичное распределение концентрации ликвирующего компонента в микроструктуре сплава 2 (или 3) (рис.1) приведено на рис.2. В твердом растворе ликвирующим компонентом обогащена периферия зерна; скачок концентрации соответствует включениям эвтектики, где концентрация компонента В условно показана постоянной и равной С_э (в действительности она различна в фазах, образующих эвтектику).

Анализ неравновесной кристаллизации различных сплавов в эвтектической системе показывает, что наибольшая степень ликвации соответствует сплаву состава точки а' с максимальным неравновесным температурным интервалом кристаллизации (рис.1). При соответствующей точке а' концентрации С'_р появляются первые неравновесные выделения эвтектики. Наиболее склонны к ликвации широкоинтервальные сплавы. Так, в сплавах Al – Cu (С_р = 5,65 % Cu) выделения эвтектики α+CuAl₂ и максимум дендритной ликвации фиксируются уже при 2,5 - 3,5 % Cu. С увеличением от точки С'_р (рис.1) степень ликвации уменьшается. Склонность сплавов к внутрикристаллической ликвации определяется также значением предельной растворимости компонентов в твердом состоянии. С увеличением С_р солидус располагается под меньшим углом к оси концентрации, вследствие чего увеличивается различие концентрации С_н – С_к и степень дендритной ликвации в твердом растворе.

Зональная ликвация – неоднородность химического состава в макрообъемах отливки, имеет общую физико-химическую основу с дендритной ликвацией: в сплаве первоначально в результате дендритной ликвации образуется легкоплавкий ликват, а затем в результате конкретных особенностей формирования отливки ликват различным образом распределяется по сечению отливки, образуя ликвационные зоны разной конфигурации. Именно поэтому зональная ликвация подробно рассматривается в курсе теории формирования отливки.

Обычно выделяют три основных механизма перемещения ликвата: 1) смещения ликвата фронтом растущих кристаллов к осевой части отливки; 2) конвективное движение ликвата у фронта кристаллизации за счет градиента температуры и различной плотности; 3) движение ликвата в капиллярах в области твердожидкого состояния в результате его подсоса или выжимания, обусловленного усадочными процессами. Кроме того, Б.Б. Гуляев указывает на значительную роль процессов диффузии, если отливка имеет большие размеры и ее жидкая часть находится в контакте с твердой частью длительное время. А.И. Вейник предполагает, что в капиллярах может осуществляться двустороннее движение ликвата вследствие градиента концентрации и разности поверхностного натяжения компонентов.