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/Ю0 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. 3.28).

При нагреве твердого сплава (до температур солидуса Т_с – участок аб на рис. 3.28) 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 7,, (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 (см. подразд.6.3).

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:

(3.26)

где к – 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:

где Т – температура; А и В – коэффициенты.

Существенное влияние на растворимость газов в металлах оказывает размерный фактор атомов металла и раство-

ряющегося 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. 3.28, от агрегатного состояния, атакжеот 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 в соответствии с зависимостью на рис. 3.28 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 Ър_т всех выделяющихся из металла газов будет больше суммы внешних давлений 2/>_внешн, т:е. lLp_T > %р_виешн.

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

Сумма внешних давлений находится из уравнения

(3.27)

где р_пм – давление над поверхностью металла; р_м – гидростатическое давление металла; о – поверхностное натяжение; г – 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, р_пм уменьшается, и выделение газов происходит энергичнее.

Следует обратить внимание на последний член уравнения (3.27). Если радиус пузырька г 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 А1₂0₃ 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 (подразд. 3.4) 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 га-

зоусадочный характер, особенно когда газонасыщенность сплава невелика.

Усадочную, газовую и газоусадочную пористость можно различить по внешнему виду. Усадочные поры имеют, как правило, шероховатую поверхность и неправильную форму. Г а з о -в ы е 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%-С0₂, 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 [6]. 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 (см. подразд. 6.3). 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 слу-

Таблица 3.4