При повышенных величинах переохлаждения жидкого металла в ряде случаев происходит самопроизвольное образование зародышей (оно бывает гомогенным и гетерогенным образованием). Случиться это может только в расплавах высокой чистоты. Чаще всего источником их выступают разнообразные твёрдые частицы (к примеру, оставшиеся оксиды, попавшие неметаллические включения и другие), которые в любом случае, как бы тщательно не очищался металл и не выводился на чистейший уровень, присутствуют в расплаве. Удается только сократить до минимума их количество.
Если у этих твёрдых частичек такая же кристаллическая решётка, как и у затвердевающего расплава, то тогда их называют изоморфными примесями, у которых параметры приблизительно одинаковы (разница допускается не более, чем до девяти процентов) и они уже рассматриваются как центры кристаллизации. Из них впоследствии вырастает кристаллит.
Интересно, что сходство структур поверхностей соприкосновения зародыша и находящейся в металле посторонней примеси приводит к тому, что критический зародыш начинает становиться меньше в размерах, а тогда и затвердевание расплава происходит при переохлаждении на порядок меньше, нежели в случае, когда зарождение самопроизвольное.
Технический процесс гетерогенного зародышеобразования, и зачем это так нужно в металлургии?
Говорить о том, что это гетерогенное образование можно тогда, когда речь идёт о процессе, развитие которого протекает в расплавах металла с неоднородными структурами с застыванием на готовых подложках, в изложницах и литейных формах. Но тут есть важное условие: только в случае, если поверхностная энергия граничной фазы между подкладкой и новообразующейся в ходе затвердевания расплава твердой фазы меньше, чем поверхностная энергия, которая была отмечена на границе зародыша и жидкого состояния сплава.
Особенностью гетерогенного зародышеобразования можно назвать тот факт, что чем больше центров кристаллизации, тем меньшим по величине получается само зерно. После того как учеными была установлена данная зависимость, сплавы стали подвергать модифицированию (вводу специальных модификаторов-примесей, которые способствуют получению мелкого зерна других частиц). Модификаторы не способны изменять химсостав расплава, зато влияют на зерновую величину, что в итоге приводит к значительному улучшению механических свойств сплава.
Когда осуществляется разливка расплавов в фасонные отливки, в качестве модификаторов используют тугоплавкие соединения (наиболее часто карбиды), которые самыми первыми начинают подвергаться кристаллизации. Для модифицирования сталей используют титан, алюминий, реже — ванадий, а в алюминиевой промышленности востребованы как раз титан и ванадий, но также нередко применяются модификаторы второго рода, такие как калий и натрий.
Теперь вы знаете, что это такое образование гетерогенной зародышевой структуры, и зачем этот процесс используют дополнительно в металлургии.
