Файл: Осипов М.А. Контракция гранитоидов и эндогенное минералообразование.pdf

сложных силикатных расплавов - в интервале промышленных температур ( ~ 1500-20 ) может достигать и больших значений. Причем усадка реа­ лизуется как в виде уменьшения внешних размеров остывающих тел, так и в виде различных пустот внутри них (усадочные раковины, трещи­

ны, пористость). Соотношение этих объемных изменений зависит от мно­ гих причин, мы укажем лишь главные.

Если бы можно было осуществить режим бесконечно медленного и равномерного в каждой точке охлаждения всей массы абсолютно чис­ того однокомпонентного тела (например, расплава металла) без како­ го-либо механического воздействия на него, то в результате практи­ чески уменьшились бы только его внешние размеры. Эти условия иде­ альные, отвечающие так называемому объемному характеру затвер­ девания расплавов.

В реальных условиях остывания расплавов указанный режим неосу­ ществим. Охлаждение всегда неравномерное. Обычно оно начинается с поверхности тел, постепенно распространяясь внутрь. Этот режим назы­ вается последовательным. Вследствие неравномерного охлаждения столь же неравномерно происходит и отвердевание, и термическое сокраще­ ние объема отдельных частей тела, что вызывает развитие внутри него механических напряжений. Эти напряжения весьма велики, так как обус­ ловлены силами ионного, молеулярного притяжения. Они способны разо­ рвать любое остывающее тело, если, например, его удерживать за концы. Но план "сдерживающих" усилий даже в простейших отливках всегда значительно сложней, поэтому более сложны разрывы и другие деформации, которые возникают внутри остывающих тел. Таким образом, высвобождение

зультаты дает и критерий В і (Вейник, 1958 и др .). Критерий К - без размерная величина, определяемая выражением:

половина толщины остывающего тела (м ). В соответствии с разной степенью интенсивности остывания тел различают и разные значения

при остывании силикатной отливки в холодной силикатной пористой и влагосодержащей форме.

Очевидно, что при разных К процессы застывания тел будут раз­ личными. В соответствии с этим как крайние случаи и различаются объемный и последовательный характеры затвердевания расплавов.

При объемном процессе (К І 1 ) ввиду отсутствия перепада темпе­ ратуры в остывающем расплаве при его поликомпонентном составе температура тела плавно понижается от t ликвид до t солид .Вследствие образования кристаллического каркаса расплав схватывается еще до полного затвердевания. Затвердевание межзернового остаточного распла­ ва сопровождается образованием мелких пор, равномерно распределен­ ных по всему объему тела. В результате этого для объемного процесса затвердевания характерны равномерность структуры, пористотсти и значительная степень кристалличности вещества.

При последовательном характере процесса затвердевания тела(К >1) вследствие перепада температуры в его сечениях расплав затвердевает неравномерно и постепенно в направлении от периферии к центру. При этом в кристаллизующемся теле различаются три зоны: внешняя твер­ дая, внутренняя жидкая и между ними переходная, содержащая и твер­ дые кристаллы, и жидкий расплав. По мере роста К ширина переходной зоны уменьшается, и наоборот.

В этом наиболее общем режиме остывания тел характер и распреде- • ление пористости иные. Рассмотрим его подробней. При охлаждении внешние части' тела, особенно выпуклости, относительно быстро теряют подвижность, превращаясь в твердую, непроницаемую корку (стекло, либо кристаллический агрегат в зависимости от состава вещества и скорости охлаждения; (фиг. 1). Кристаллизация корки и охлаждение при­ водят к уменьшению ее объема. Уменьшается в объеме и жидкое, дис­ персное ядро тела. Это сокращение осуществляется как за счет пере­ хода части расплава в кристаллическое состояние, так и за счет умень­ шения объема еще жидкой более легкоплавкой и перегретой его части.

Как указывалось,коэффициенты термического изменения объема силикатных расплавов, металлов и др. в жидком состоянии значительно больше, чем при кристаллизации и охлаждении уже закристаллизовавшегося вещества •

18

Фиг. 1. Схема стаций механизма затвердевания простейшей отливки си­ ликатного расплава или металла при последовательном режиме охлаж­ дения

ление прогибает ее внутрь отливки, происходит образование внешней усадочной раковины; г - при более прочной корке внутреннее разре­ жение приводит к образованию внутренней усадочной раковины; Д - конечная картина расположения усадочных раковин, переходящих к цент­

иногда на несколько порядков. Поэтому сокращение объема образовавшейся корки будет меньше сокращения объема жидкого и кристаллизующегося ядра отливки. Нетрудно видеть, что как только корка станет сплошной и достаточно прочной, внутри отливки вследствие разницы объемных изменений возникнет определенное разрежение, снижение давления. Это

обстоятельство повлечет за собой ряд других изменений. Из них главные - это образование газовых пузырьков, усадочных раковин и массообмен.

Пузырьки возникают в массе расплава, если при снижении давления достигается пересыщение расплава растворенными летучими. Наиболее вероятный процесс образования пузырьков - на затравках возникающих кристаллов (ч.І , к ) . В маловязких жидкостях пузырьки могут подни­ маться и образовывать в верхних частях отливок скопления. В доста­ точно вязких средах они остаются рассеянными по всему объему жид­ кости (см. ч. II , гл. 2 , 6 ). Стенки газовых пузырьков в затвердевшем веществе отливок гладкие, без явлений роста кристаллов на них. Форма пустот округлая.

В отливках происходит другой значительно более мощный процесс образования газовой фазы и пустот - это процесс образования усадоч­ ных раковин. Формирование усадочных раковин протекает следующим

19

образом. При преимущественном уменьшении объема жидкости, заклю­ ченной внутри кристаллической корки, она будет стремиться оторваться от корки, вследствие влияния гравитации занять наинизшее положение (фиг. 1,6). Корка перестанет получать опору снизу. Если она тонка, то внешнее давление (например, атмосферное в случае открытых отли­ вок) сможет прогнуть корку, и на поверхности отливки возникнет во­ ронкообразное углубление - так называемая внешняя усадочная раковина

процесса образования газовых пузырьков в объеме всей жидкости процесс образования усадочной раковины носит более локалный характер.

В соответствии с плоской поверхностью "зеркала" жидкости внутрен­ няя усадочная раковина должна была бы иметь столь же плоскую форму. Но поскольку в жидком или дисперсном расплаве проявляются и силы поверхностного натяжения, стремящиеся придать полости изометричную форму с округлыми очертаниями, а также гравитационное опускание поверхности жидкости, то истинная форма усадочных раковин определя­ ется сочетанием этих трех тенденций. Раковины могут быть более или менее изометричными или даже вытянутыми вверх. При небольшой пло­ щади поверхности жидкости в этой плоскости реально образование лишь одной раковины. В случае достаточного размера поверхности расплава возможно оформление нескольких раковин, расположенных на одном горизонте (фиг. 1,д).

При дальнейшем охлаждении и отвердевании отливки образовавшаяся полость фиксируется в затвердевшем веществе, а заключившая ее кри­ сталлическая зона явится как бы новой коркой для еще оставшейся в центре отливки жидкости. Происходит новое образование усадочной по­ лости, расположенной где-то ниже первой, и так несколько раз по мере расходования расплава. Кристаллизация каждой внутренней порции зоны расплава будет отличаться от предыдущей несколько более медленной теплоотдачей, так как внутренние зоны будут окружены уже горячими частями отливки. Режим охлаждения будет стремиться к объемному. Следовательно, по этой причине размеры и суммарный объем усадочных полостей должны с глубиной уменьшаться. В результате в вертикаль­ ном сечении тела можно видеть повторяющиеся, располагающиеся одна

как цикличный, затухающий (фиг. 1, д ) .

Если расплав сразу после заливки накрыть прочной герметичной крышкой, то образование первой самой верхней внутренней усадочной раковины произойдет без наличия кристаллической корки, роль которой будет играть крышка (фиг. 1, е ) .

Отмеченные закономерности можно видеть на примере отливки шлака

ский, 1964). Отливка производилась в открытую форму в виде куба с реб­ ром 15 см (фиг. 2). Фиг. 3,4 характеризуют динамику затвердевания отливки. Из их анализа видно, что в каждый экстремальный момент

20