Відзначимо, що розмір зерна металу сильно впливає на його механічні властивості. Чим дрібніше зерно, тим вище міцність металу, його твердість, в'язкість, пластичність, межа витривалості (найбільше напруження, яке може витримати матеріал без руйнування при заданому числі циклічних впливів). Подрібнення зерна знижує порігхладноломкості.
На розмір зерна впливає температура нагріву і розливання рідкого металу, його хімічний склад і особливо присутність домішок.
Мимовільне утворення зародків на основі фазових флуктуацій може відбуватися тільки в ВИСОКОЧИСТИХ рідкому металі при великих ступенях переохолодження - гомогенна кристалізація.
У технічних металах завжди присутня велика кількість різних домішок (оксидів, неметалевих включень і т.д.), які полегшують утворення зародків. Це відбувається коли:
- домішка має більш високу температуру плавлення, ніж основний метал,
- кристалічні решітки домішки і основного металу однакові і приблизно однакові параметри решіток.
Чим більше домішок, тим більше центрів кристалізації, тим дрібніше виходить зерно. Така освіта зародків називається гетерогенним.
Для отримання дрібного зерна створюють штучні центри кристалізації. Для цього в рідкий метал вводять спеціальні домішки, звані модифікаторами. а сам процес - модифицированием. Ці домішки, практично не змінюючи хімічного складу сплаву, викликають при кристалізації подрібнення зерна і в підсумку поліпшення механічних властивостей.
При лиття злитків модифікування частіше проводять введенням в розплав добавок, які утворюють тугоплавкі сполуки (карбіди, нітриди, оксиди), що кристалізуються в першу чергу. Виділяючись у вигляді найдрібніших частинок, ці сполуки служать зародками (модифікатори I роду). В якості модифікаторів при модифікуванні сталі застосовують Al, V, Ti.
Іноді використовують розчинні у рідкому металі добавки (модифікатори II роду), вибірково адсорбуються на кристалічному зародку, які знижують межфазовие поверхневий натяг і ускладнюють зростання кристалітів. Для стали це рідкоземельні елементи (ітрій, лантаноїди).
2.4. Будова металевого злитка
Кристали, що утворюються в процесі затвердіння металу, можуть мати різну форму в залежності від швидкості охолодження, характеру і кількості домішок. Найчастіше в процесі кристалізації утворюються розгалужені (деревовидні) кристали, що отримали назву дендритів.
Зростання осей I-ого порядку йде в основному в напрямку, перпендикулярному до площин з максимальною щільністю упаковки атомів. Одночасно на цих осях зароджуються і ростуть перпендикулярно до них такі ж гілки II порядку, в свою чергу на них - осі третього порядку. Слід мати на увазі, що дендрити в стали складаються їх багатьох тисяч і мільйонів зерен.
Структура литого злитка складається з трьох основних зон. Кристалізація починається від поверхні холоднішою форми і відбувається спочатку переважно в примикає до поверхні тонкому шарі сильно переохолодженої рідини. Унаслідок великої швидкості охолодження це призводить до утворення на поверхні злитка дуже вузької зони порівняно дрібних разоріентіровать кристалів. Друга зона - подовжених (стовпчастих) дендритних кристалітів (зона транскрісталлізаціі). Зростання цих кристалітів відбувається в напрямку відводу теплоти, тобто нормально до стінок виливниці. Послідовне зростання дендритів відбувається в результаті просування в глиб розплаву гілок першого порядку і їх розгалуження. У разі сильного перегріву металу і швидкого охолодження зона 2 може повністю заповнити весь обсяг злитка. Третя зона - рівноосних кристаллитов. У центрі злитка вже немає певної спрямованості віддачі тепла. Температура застигаючого металу зрівнюється в різних точках, і «рідина звертається як би в кашоподібну стан» (Д.К. Чернов), внаслідок утворення в різних її точках зародків. Тугоплавкі частинки, що знаходяться в рідкому металі, сприяють розвитку зони дрібних рівноосних кристаллитов.
Рідкий метал має більший обсяг, ніж закристалізувався, тому залитий в форму метал в процесі кристалізації скорочується в обсязі, що призводить до утворення пустот, які називаються усадочні раковини. Вони можуть бути заповнені газами, розчинними в рідкому металі, але виділяються при кристалізації. У спокійній стали, відлитими в изложницу з утепленою надставкою, усадочная раковина утворюється у верхній частині злитка. Кипляча сталь містить раковини і бульбашки в усьому обсязі.
Зазвичай усадочная раковина оточена найбільш забрудненої частиною металу, в якому після затвердіння утворюється мікро- і макропузирі.
При кристалізації сплавів може мати місце сегрегація. Ліквацією називається нерівномірність за хімічним складом компонентів і домішок, що входять в сплав, що утворюється в процесі кристалізації. Розрізняють такі види ізоляція:
- дендритная ізоляція являє собою нерівномірність за хімічним складом компонентів або домішок в межах одного дендрита;
- зональна ізоляція являє собою нерівномірність за хімічним складом компонентів і домішок в об'ємі зливка. Спочатку кристалізуються кристали відносно чисті від домішок, вони відганяють в глиб злитка багату домішками рідина. Таким чином, центральна частина злитка має підвищену кількість домішок. У залізовуглецевих сплавах сильно ліквірующіх сірка і фосфор. Скупчення сірчистих сполук в певних ділянках є вкрай шкідливим, оскільки вони призводять до небезпечної концентрації напружень при силовому впливі на деталь, що викликає миттєве утомлююча руйнування. Внаслідок ліквації фосфору окремі шари злитка, збагачені їм, мають різко знижену в'язкість;
- ізоляція по щільності спостерігається в тому випадку, коли компоненти, складові сплав, мають велику різницю в питомих вагах, наприклад сплав свинець - сурма. В результаті різної щільності в повільно охолодженому Pb-Sb сплаві в результаті ликвации верхня частина злитка збагачена сурмою. Щоб попередити ликвацию по щільності, сплав швидко охолоджують, а іноді додають третій компонент, кристалізується першим у вигляді розгалужених дендритів, що перешкоджають розшарування сплаву.