Виды ликвации и способы и ее устранения

Неравновесная кристаллизация сплавов.

Выше были рассмотрены процессы равновесной кристалли­зации, когда диффузионные процессы полностью успевали вы­равнивать составы фаз.

В реальных условиях охлаждения с конечной скоростью при затвердевании сплава равновесия не получается. Диффузия идет медленно и выравнивание состава во всем объеме жидкой и твердой фаз не осуществляется. Особенно это относится к твердой фазе. В результате затвердевания получается химически неоднородный твердый раствор. Например, в системе Bi - Sb внутренняя часть каждого кристалла, затвердевшая в начале кристаллизации, обогащена сурьмой. Сначала выпадают кристаллы, обогащенные более тугоплавким компонентом, в данном случае сурьмой, а в их наружных слоях оказывается меньше сурьмы и больше вис­мута (по сравнению со средней концентрацией в сплаве). Такая химическая неоднородность в пределах каждого зерна (дендрита) называется внутризеренной или дендритной ликвацией.

Рис. 25. Изменение состава a - фазы при кристаллизации в условиях

ускоренного охлаждения (образование ликвации)

Рассмотрим, как образуется дендритная ликвация. Примем для упрощения, что процессы диффузии выравнивают состав жидкой фазы, и что этот состав соответствует равновесию, полу­чающемуся на границе раздела твердый раствор - жидкость. Практически достичь однородности жидкой фазы при затверде­вании невозможно, также как и твердой, хотя степень неоднород­ности жидкой фазы меньше, чем твердой. Однако принятое упро­щение не мешает сделать правильные выводы. Рассмотрим сплав состава х (рис. 25), в котором при T₁ начинается выделение кри­сталлов состава a₁.

При охлаждении до Т₂, жидкость изменит состав от L₁ до L₂. Вся твердая фаза должна была бы при Т₂ иметь состав a₂. Но в отсутствие равновесия этот состав будут иметь только верхние слои кристаллов (на границе раздела жидкость - твердый раствор). Остальные же части кристаллов, образовавшиеся выше температуры T₂, не изменят своего состава, и средний состав всей твердой фазы будет соответствовать точке a¢₂. Состав a¢₂ лежит между составами a₁ и a₂.

При понижении тем­пературы до Т₃ средний состав твердой фазы еще больше откло­нится от равновесного и будет соответствовать точке a¢₃, а не a₃. И в данном случае состав a₃ будет только на границе раздела с жидкой фазой. Состав a¢₃ лежит между a₁ и a₃. При Т₄ затверде­вание должно было бы закончиться, но в отсутствие равновесия этого не произойдет, так как в сплаве останется еще некоторое количество жидкости, равное

где a¢₄ - средний состав твердой фазы.

Затвердевание закончится при T₅, когда средний состав твердой фазы a¢₅ совпадет со средним со­ставом сплава х. На поверхности кристаллов будет состав a₅.

Отсюда видно, что состав твердой фазы меняется от a₁ до a₅, т. е. она в некоторой своей части (a₁ - a₄) обеднена, а в другой части (a₄ - a₅) обогащена компонентом В. Видно также, что образо­вание ликвации сопровождается расширением интервала затвер­девания.

Ликвационную неоднородность твердого раствора можно устранить отжигом затвердевшего сплава при высокой темпера­туре. При отжиге состав твердой фазы выравнивает диффузия, поскольку ниже температуры солидус равновесным является однофазное состояние. Однако следует быть осторожным в выборе температуры отжига. В рассмотренном примере (рис. 25) быстрый нагрев до Т₅, может уже привести к началу плав­ления, так как участки состава a₅ сохранились и могут распла­виться, хотя по диаграмме равновесия сплав х должен был бы плавиться при температуре выше Т₅.

Процесс устранения ликвационной неоднородности и соответ­ствующий отжиг в практике термической обработки называют гомогенизацией. В тех случаях, когда в сплаве имеются примеси, затрудняющие диффузию, гомогенизация, даже очень продолжи­тельная, не приводит к полному устранению дендритной ликвации.

Кроме дендритной, может образоваться и зональная ликвация. Зональной ликвацией называется химическая неоднородность в объеме всего затвердевшего металла. Например, в сплавах Bi - Sb сначала выпадают кристаллы, богатые сурьмой, а жидкость при этом обогащается висмутом. Вследствие значи­тельного различия плотности этих компонентов, выпавшие кри­сталлы всплывают и верхняя зона слитка, если не приняты спе­циальные меры, например встряхивание или перемешивание, обо­гащена сурьмой, а нижняя - висмутом. Наряду с этим может образоваться зональная ликвация и другого рода. Первоначально выпавшие из жидкости кристаллы, обогащенные сурьмой, при­станут к стенкам изложницы и останутся в наружных слоях слитка, а внутри его затвердеет остаток жидкого сплава, обогащенный висмутом. Такого рода зональная ликвация наиболее распростра­нена в слитках, отливаемых в изложницы. Ее образование воз­можно и в тех случаях, когда выпадающие кристаллы и остаю­щаяся жидкость почти не различаются по плотности. Устранение зональной ликвации посредством отжига даже при очень чистых сплавах в практических условиях невозможно. Продолжительность отжига для осуществления диффузии на расстояниях, соиз­меримых с размерами слитка, измерялась бы астрономическими величинами.

Явление ликвации может быть использовано в технике.

Так, например, Ni - Сu - сплавы с ликвационной неоднородностью имеют не строго определенную точку Кюри, а температурный интервал, внутри которого намагниченность плавно уменьшается до нуля. Этим пользуются в приборостроении. Самым важным практическим применением ликвации является получение чистых металлов и полупроводников. Это может быть осуществлено: 1) направленной кристаллизацией; 2) зонной плавкой.

Дата добавления: 2014-01-05