Склонность сплавов к насыщению газами и образованию газовой пористости

Под склонностью сплавов к насыщению газами понимается их способность к растворению газов, образованию растворов вне­дрения при нагреве и расплавлении и их выделению из сплава при охлаждении и затвердевании.

Следствием выделения газов при затвердевании отливок явля­ется образование газовой пористости и сильное снижение меха­нических свойств. Поэтому литейщики разрабатывают технологи­ческий процесс изготовления отливок с учетом склонности спла­вов к насыщению газами.

Растворимость газа в сплаве обычно оценивается величиной Q, см³/100 г. Одним из важнейших факторов, влияющих на рас-творимость газов в сплавах, является температура. При этом раствори­мость газов для большинства металлов и сплавов от температуры подчиняется обобщенной зависимости (рис. 1.28).

Рис. 1.28. Зависимость растворимости газов в металлах от температуру

При нагреве твердого сплава (до температур солидуса Т_с — участок аб на рис. 1.28) поглощение газов незна­чительное. При нагреве в интервале температур кристаллизации (участок бв) наблюдается резкое (скачкообраз­ное) увеличение растворимости.

Этот факт является существенным при образовании газовой пористо­сти. После расплавления при температуре ликвидуса Т_л раство­римость газа продолжает увеличиваться до температуры заливки Т_зал и выше вплоть до начала кипения при температуре Т_кип (точ­ка г). Когда металл начинает кипеть, выделяющиеся пары пре­дохраняют его от насыщения внешними газами, и растворимость газов в металле резко снижается.

Описанная зависимость связана с тем, что растворение газов в металлах в большинстве случаев является эндотермическим про­цессом. Однако для некоторых металлов (титан, цирконий, вана­дий и др.) при повышении температуры наблюдается обратная картина уменьшения растворимости в твердом состоянии. Следу­ет обратить внимание и на то, что взаимодействие титана с водо­родом имеет обратимый характер, что используется в водородной технологии изготовления титановых отливок.

Другим фактором, влияющим на растворимость газов, являет­ся их парциальное давление: с увеличением давления ра­створимость увеличивается. Для оценки растворимости Q газов при Т= const чаще всего используется закон Сивертса:

(26)

где k — коэффициент пропорциональности; р — парциальное дав­ление газа.

Совместное влияние температуры перегретых выше температу­ры плавления металлов и давления водорода на его растворимость в них может быть описано следующим уравнением:

(27)

где Т — температура; А и В — коэффициенты.

Существенное влияние на растворимость газов в металлах ока­зывает размерный фактор атомов металла и растворяющегося газа. С этим, например, связывается различная ра­створимость азота и водорода, сильно различающихся по разме­рам атомов (у азота они существенно больше).

Растворение газов зависит, как это следует из рис. 1.28, от аг­регатного состояния, а также от интенсивности пе­ремешивания в плавильном агрегате, характера движения по­тока жидкого металла. При движении мелкими струйками или кап­лями в газовой среде растворяется больше газа, чем при движе­нии потока газа над расплавленным металлом, находящимся под слоем шлака. Турбулентный поток металла захватывает и раство­ряет при прочих равных условиях больше газа, чем ламинарный.

По своей природе и свойствам растворы внедрения газов в жидких и твердых металлах ничем не отличаются от других ра­створов. Обычно концентрация газов незначительная, и растворы являются разбавленными.

Влияние растворенных газов на свойства сплава также не отли­чается от влияния других элементов, образующих твердые раство­ры внедрения: с увеличением концентрации повышается твер­дость, снижается пластичность. Прочность первоначально растет, но при развитии хрупкости — снижается, что является решаю­щим при определении допустимого содержания газов в сплаве.

Процесс растворения складывается из адсорбции газа на по­верхности, диссоциации газа на атомы, перехода атомарного газа с поверхности в объем металла и выравнивания концентрации за счет диффузии.

Условия выделения газов из раствора и образования газовой пористости.Если газ находится в растворе, то образование порис­тости в металле не происходит. Однако при изготовлении отливок температура металла понижается, и всоответствии с зависимос­тью на рис. 1.28 растворимость уменьшается и газ будет выделять­ся из раствора. Еще Д.К.Чернов показал, что независимо от про­исхождения газа газовые пузырьки могут образоваться, если об­щее давление всех выделяющихся из металла газов будет боль­ше суммы внешних давлений т.е. >

Общее давление всех выделяющихся газов складывается из пар­циальных давлений растворенных газов:

Сумма внешних давлений находится из уравнения

(27)

где — давление над поверхностью металла; — гидростати­ческое давление металла; — поверхностное натяжение; r — ра­диус газового пузырька.

Анализируя приведенные уравнения, можно заключить, что при прочих равных условиях повышенное давление над поверх­ностью металла препятствует удалению газов из металла и обра­зованию пористости. Примером может служить способ литья в автоклаве, когда затвердевание отливок происходит при повы­шенном давлении и растворенный газ фиксируется в твердом растворе.

Точно так же действует и увеличение гидростатического напора.

При вакуумировании, наоборот, уменьшается, и выделе­ние газов происходит энергичнее.

Следует обратить внимание на последний член уравнения (27). Если радиус пузырька r равен нулю, то давление, необходимое для его возникновения, становится бесконечным. Поэтому следу­ет признать, что образование пузырьков происходит на твердых поверхностях в виде гетерогенных зародышей, так как в реальных расплавах всегда есть посторонние примеси. Кроме того, выделе­нию газа способствуют объемные изменения при кристаллизации сплава.

Механизм выделения газа и возникновения газовой пористос­ти можно представить следующим образом. Кристаллизация зали­того сплава начинается от стенок литейной формы. При образова­нии твердой корки на отливке выделяется значительное количе­ство газов как вследствие уменьшения растворимости из-за пони­жения температуры, так и особенно из-за перехода жидкого со­стояния в твердое. Образующиеся пузырьки могут уйти из отлив­ки в атмосферу через прибыль и стояк, в частности если сплав затвердевает при постоянной температуре. Но даже в этом случае уходу газов могут препятствовать плотные оксидные пленки, на­пример А1₂О₃ в алюминиевых сплавах, и затвердевшая корка ме­талла.

С увеличением интервала кристаллизации ширина двухфаз­ной зоны становится больше. В этом случае образовавшийся пу­зырек при прохождении длинного лабиринта извилистых кана­лов между дендритами может застрять, образуя газовую порис­тость, особенно после смыкания дендритов в середине отливки. Рассмотренная выше (подраздел 1.4) усадочная пористость и толь­ко что рассмотренная газовая пористость могут возникать во вре­мени как раздельно, так и последовательно. Сначала происходит разрыв жидкой фазы в изолированных пространствах с образо­ванием усадочной поры, давление в которой равно нулю (ваку­ум). Естественно, что растворенный в оставшейся жидкой фазе газ из-за уменьшения давления и растворимости интенсивно начнет выделяться в такую усадочную пору. Давление в ней нач­нет повышаться, что служит препятствием для проникновения в пору расплава и способствует увеличению объема пор в отливке. Следовательно, усадочная пористость отливок может носить газоусадочный характер, особенно когда газонасыщенность спла-на невелика.

Усадочную, газовую и газоусадочную пористость можно раз­личить по внешнему виду. Усадочные поры имеют, как пра­вило, шероховатую поверхность и неправильную форму. Газо­вые поры, наоборот, имеют гладкую поверхность округлой формы. В соответствии со сказанным газоусадочные поры приобре­тают округлую форму.

Анализ газов, экстрагированных, например, из алюминия и его сплавов, показывает, что доля водорода в них составляет 70...80 %, 10... 15 % - СО, 5...8 % - СО₂, 3...5 % - N₂ и до 5 % -другие газы. В среднем эти данные применимы и для других спла­вов.

Водород образует растворы почти во всех литейных сплавах. В табл. 3.4 приведена растворимость водорода в важнейших метал­лах при температуре кристаллизации. Следует отметить, что водород, остающийся в твердом растворе внедрения, при некото­рых концентрациях резко снижает пластичность и вызывает «во­дородную хрупкость». Это явление наиболее характерно для высо­копрочных сталей и титановых сплавов. Алюми­ний, несмотря на малую растворимость в нем водорода, весьма склонен к газовой пористости.

Азот растворяется в железе примерно в тех же количествах, что и водород. Однако участие азота в образовании газовой пори­стости в железных сплавах невелико по сравнению с водородом. С алюминием и магнием азот образует нитриды, хотя в реальных сплавах они особого значения не имеют. С медью азот практичес­ки не взаимодействует.

Кислород со всеми металлами образует оксиды, которые присутствуют в виде неметаллических включений. Растворимость кислорода в твердых чистых металлах очень мала.

Аргон и гелий, имея большие размеры атомов, инертны по отношению ко всем металлам.

Причиной насыщения сплавов газами и образования газовой пористости наряду с изменением растворимости в некоторых случаях является выделение газообразных продуктов в процессе про­текания реакций в массе металла. Например, при недостаточно раскисленной стали в результате увеличения концентрации угле­рода и кислорода вблизи границы твердой фазы при кристаллиза­ции протекает реакция

FeO + С = Fe + CO.

Таблица 1.4