Материал: Теория литейных процессов.

металлов обладают высокой степенью гигроскопичности, поэтому предварительно они прокаливаются или даже переплавляются. Гексахлорэтан C2CI6 в этом отношении более удобен, поскольку он негигроскопичен, а дегазирующая его способность выше чем у хлористого марганца и цинка. Действие хлористых солей на дегазацию основано на протекании реакций замещения по типу ЗМпСЬ + 2А1 = 2А1С13 + ЗМп.

Продукт реакции - хлористый алюминий - газифицируется и удаляет растворенный газ по описанному выше механизму. Гексахлорэтан при вводе в

расплав разлагается: C2CI6 = C2CI4 + С12, а образующийся тетрахлорэтан вступает в реакцию замещения с алюминием, образуя хлористый алюминий. Тетрахлорэтан и хлористый алюминий в виде пузырьков пара поднимаются через расплав и удаляют растворенный газ.

Хлорирование алюминиевых сплавов (АЛ1-АЛ9) является довольно эффективным средством дегазации и рафинирования. Для большинства сплавов обеспечивается устойчивое получение отливок с пористостью не выше 1-2 балла. Наряду с удалением водорода, при хлорировании происходит снижение содержания оксидных включений и загрязненности их пленами в слитках из алюминиевых сплавов в 3-8 раз. Следует отметить, что применение хлора в отличие от аргона и азота приводит к потере магния в алюминиевых сплавах до 0,2 %, а при продувке нейтральными газами - до 0,01 %. Таким образом, при хлорировании достигается высокий эффект удаления как газообразных, так и твердых загрязнений из расплавленных алюминиевых сплавов. Несмотря на высокий эффект рафинирования и дегазации, хлорирование в настоящее время не находит массового применения в фасонно-литейных цехах. Это объясняется большой токсичностью хлора.

Металл-геттер. Одним из перспективных и наиболее простых методов обработки сплава АЛ34 (АК8) при литье в кокиль является дегазация и рафинирование путем ввода в расплав металлов-газопоглотителей (геттеров) с развитой поверхностью, например, губки или стружки титана ВТ16. Этот метод заключается в том, что металлы-газопоглотители способны в больших количествах растворять водород и активно образовывать гидриды. Это приводит к удалению из расплава растворенного в нем водорода. При этом содержание титана не должно превышать 0,2-0,25 %. При более высоком содержании титана в структуре алюминиевых сплавов увеличивается количество фазы Al3Ti, которая кристаллизуется в виде грубых пластин, снижающих механические свойства сплавов.

Для дегазации используется титановая стружка марки ВТ16 (ОСТ 19020275) толщиной 0,10-0,15 мм и шириной 3-6 мм в количестве 2 % от массы расплавленного сплава АЛ34 (АК8), которая помещается в специальный контейнер, сваренный из титановых прутков. Контейнер, предварительно окрашенный кокильной краской, подогретый до температуры 200-250 °С, погружают в расплав при температуре 740 °С. Более эффективным дегазирующим действием обладает обработка титановой стружкой по

сравнению с фторцирконатом калия. Наиболее интенсивное уменьшение газосодержания наблюдается при продолжительности обработки расплава 6,0-7,5 мин, а затем оно изменяется несущественно. Механические свойства алюминиевого сплава при этом существенно повышаются.

На механические свойства сплава влияют следующие факторы:

1. Уменьшение газосодержания в сплаве от времени обработки расплава титановой стружкой должно способствовать повышению значений <тв, 8 и НВ, так как снижается количество газоусадочной пористости. При длительной обработке расплава (более 7,5 мин) указанным металл-геттером образуется фаза Al3Ti, способствующая снижению механических свойств. По этой причине значения сгв и 8 резко снижаются, твердость монотонно возрастает.

2. Снижение содержания водорода (азота) в твердом а-растворе должно приводить к уменьшению <тв, НВ и повышению пластичности (5).

Таким образом, экстремальный характер изменения <тв и 8 от продолжительности обработки расплава титановой стружкой можно объяснить влиянием лимитирующего первого фактора.

Отливки, полученные из сплава, обработанного металлом-геттером, соответствуют: сгв = 365 МПа; 8 = 6,0 %; твердость - 115 НВ; газосодержание - 0,08-0,10 см3/100 г; пористость - 1 балл по шкале ВИАМ.

Газофлюсовая смесь. Эффективность дегазации газофлюсовой смесью обусловлена тем, что в процессе продувки аргоном, содержащим до 0,0007 объемной доли процента кислорода и массовую концентрацию водяного пара при 20 °С и 760 мм. рт. ст. 0,007 г/м3 (ГОСТ 10157-79), образуются на поверхности газовых пузырьков в металле оксидная пленка. Введенный в газ тонкий слой порошка легкоплавкого флюса быстро плавится и образует жидкую поверхностную пленку, которая адсорбирует и растворяют окислы. Таким образом, степень дегазации при рафинировании расплава смесью порошка с газом определяется суммарным действием трех факторов: устранением оксидной пленки, тормозящей дегазацию; уменьшением величины поверхностного натяжения на границе раздела фаз, что ускоряет массоперенос; повышением средней плотности пузырька аргона, что, уменьшая скорость всплывания пузырьков, увеличивает время контакта их с металлом.

Дегазирующая способность пылегазовой смеси растет с увеличением расхода флюса до 0,5-1,0 кг/г, затем снижается, так как пленка жидкого флюса на газовых пузырьках слишком утолщается, а флюс выносится в атмосферу печи, не успев расплавиться.

После продувки алюминиевого сплава АЛ34 (АК8) в электрическом миксере вместимостью 3 т газосодержание снизилось с 0,24 до 0,14 см3/100 г, загрязненность технологических проб, вырезанных из слитка, снизилось в несколько десятков раз. По сравнению с продувкой расплава аргоном эффективность рафинирования газофлюсовой смесью в три раза выше по удалению водорода и в 20-50 раз по очистке от оксидных включений.

Для рафинирования алюминиевых сплавов разработано более ста различных флюсов. Наибольшее распространение для сплавов с малым содержанием магния получили флюсы на основе хлоридов натрия и калия с добавками криолита. При выборе количественного соотношения компонентов флюса необходимо учитывать физико-химические свойства компонентов (температуру плавления, гигроскопичность, взаимодействие с окислами, плотность и т. д.).

При использовании флюса оптимального состава (NaCl - 33 мае. %; КС1 - 47 мае. %; Na3AlF6 - 20 мае. %) и при расходе флюса 50 г/мин и продувке в течение 2,5-3,0 мин среднее значение газосодержания в сплаве составляет 0,08-0,12 см3/100 г. Макроструктура вакуумных проб соответствует первому баллу пористости по шкале ВИАМ.

Захолаживание и вымораживание расплавленных алюминиевых сплавов. В практику металлургического процесса этот метод введен Арчбуттом в 1924 г. и был использован для снижения содержания водорода в сплаве «У» (типа АЛ 1) при отливке его в песчаные формы.

Данный метод с целью удаления растворенных газов основан на температурной зависимости растворения и особенно при фазовом переходе - затвердевании. Ввиду невысокой эффективности и больших энергетических затрат способ получил весьма ограниченное применение для медных сплавов в небольших объемах производства.

Окислительная плавка с целью удаления водорода производится для меди и ее сплавов, не содержащих в своем составе элементов с высоким сродством к кислороду, например, для оловянных бронз с низким содержанием цинка. Окислитель обычно вводится в состав флюса в виде СиО и ли других окислов. Кислород, переходящий в жидкий раствор, вступает в химическую реакцию взаимодействия с водородом, находящимся в растворе, и удаляется из металла в виде водяного пара. После окислительной дегазации, естественно, требуется операция раскисления металла. Данный метод не применяется для алюминиевых сплавов, алюминиевых бронз и других сплавов, содержащих элементы с большим сродством к кислороду.

Вакуумная плавка и вакуумирование расплава. Является весьма эффективными способами дегазации. Обработка расплавленных металлов и их сплавов в вакууме с целью дегазации и раскисления как процесс была разработана А. М. Самариным и Л. М. Новиковым в конце 1930-х - начале 40-х гг. Известен ряд работ, свидетельствующих о широком масштабе использования вакуума в производстве слитков и фасонных отливок из

жаропрочных сталей и сплавов. Применение данного метода в алюминиевых сплавах относится к началу 1950-х гг.

Физическая сущность процесса вакуумной обработки - использование закона Сивертса, из которого следует, что при повышении атмосферного давления растворимость газов в металле также повышается, а при понижении его (вакуум) их растворимость снижается. Следовательно, для получения качественных отливок возможно и необходимо: либо повысить давление на расплав в момент кристаллизации отливки, либо понизить для дегазации жидкой ванны сплава в процессе его приготовления.

В практике эти два направления осуществляются или заливкой деталей в автоклаве, где давление в процессе кристаллизации доводят до 4-5 кг/см2, или созданием вакуума (1-0,6 мм рт. ст.) для облегчения дегазации сплава. Выделение пузырьков из жидкого сплава возможно только в том случае, когда внутреннее давление в них не ниже давления над зеркалом ванны. Это условие

Я - высота столба расплава в зоне пузырька, см; сг - поверхностное натяжение на границе раздела газ-металл; г - радиус пузырька, см.

Обработка жидких алюминиевых сплавов постоянным током как метод их очистки от растворенных газов и твердых неметаллических включений. Выделение водорода из расплава происходит преимущественно на катоде в связи с тем, что положительно заряженные ионы водорода приобретают направленное движение к отрицательному электроду, разряжаются на нем и в молекулярной форме выделяются в газовую атмосферу.

При низкой концентрации восстановленного водорода последний накапливается в прикатодном пространстве и частично диффундирует в металле катода, а также в значительной мере адсорбируется внутренней поверхностью оксидной пленки, покрывающей зеркала ванны расплава.

Накопление водорода в поверхностных слоях металла приводит к удалению его в атмосферу диффузионным путем. Устанавливается подвижное равновесие, зависящее от скорости удаления водорода диффузионным путем, обратного растворения из реакционной зоны и степени пересыщенности поверхностных слоев сплава водородом.

По мере накопления восстановленного водорода в прикатодном пространстве одновременно происходят мобилизация и образование молекул и мельчайших пузырьков. Так как они не имеют возможности удаления в атмосферу путем диффузии, то конвекционные потоки в расплаве в какой-то мере будут увлекать их в глубь расплава. Выделение водорода в больших количествах приводит к образованию крупных пузырьков, которые, прорывая оксидную пленку, удаляются в атмосферу.