Рис. 8.1. Содержание водорода в сплаве АЛ6 при разливке его холодными (А) и горячими (Б) ковшами
Таблица 8.4
Продолжительность разливки алюминиевого става в зависимости от атмосферной влажности при различных способах подогрева ковшей
|
Допустимая продолжительность заливки деталей в кокиль из |
||
Абсолютная влажность |
раздаточной печи, ч |
||
При подогреве ковшей |
При подогреве ковшей в |
||
воздуха, г/см*’ |
|||
погружением в рабочий |
специальных печах |
||
|
|||
|
сплав |
8,0 |
|
0-5 |
4,0 |
||
5-8 |
2,5 |
3,5 |
|
8-10 |
1,5 |
2,5 |
|
10-12 |
1,0 |
2,0 |
|
Свыше 12 |
0,5 |
- |
|
При относительной |
влажности атмосферного |
воздуха более 12 T/ M J |
|
работать с нагревом ковшей в рабочем сплаве практически невозможно из-за крайне быстрого газонасыщения.
При высокой влажности атмосферы необходимо в обязательном порядке исключать нагрев ковшей в рабочем сплаве и вести подогрев в специально отведенной для этого печи. В этих условиях можно обеспечить получение высококачественных отливок при абсолютной влажности более 20 T/ MJ
С. В. Варгиным выявлено влияние содержания кремния в алюминиево кремниевых сплавах на их газонасыщенность в зависимости от продолжительности разбора металла при температуре 800 °С при подогреве ковшей в рабочем сплаве (по заводским данным, табл. 8.5).
Таким образом, влияние разливочного и плавильного инструментов на общую газонасыщенность сплава весьма значительно. Это обстоятельство при
длительном разборе сплавов может свести на нет все меры, принимаемые для получения качественных отливок. Поэтому при разработке мероприятий, направленных на получение плотных отливок из алюминиевых сплавов, необходимо запрещать подогрев ковшей в рабочем сплаве, особенно при разборе сплава малыми порциями. С этой точки зрения представляется правильным предъявление к алюминиевым сплавам всех требований, предъявляемых к магниевым сплавам при их разливке.
Таблица 8.5
Содержание водорода в алюминиево-кремниевых сплавах в зависимости от содержания кремния
Содержание в Соде1эжание водорода (см 7100 г) после разбора металла из печи, через
сплаве кремния, |
Оч |
0,5 ч |
1,0 ч |
1,5 ч |
2,0 ч |
2,5 ч |
3,0 ч |
3,5 ч |
4,0 ч |
|
% |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
2 |
0,02 |
0,05 |
- |
0,05 |
-0,33 |
0,06 |
- |
0,06 |
0,08 |
|
4 |
- |
0,19 |
0,26 |
0,30 |
0,49 |
- |
0,50 |
0,53 |
- |
|
8 |
0,19 |
0,20 |
0,30 |
0,34 |
0,85 |
- |
0,73 |
- |
- |
|
12 |
0,10 |
0,21 |
0,34 |
0,38 |
|
0,95 |
- |
- |
- |
Последним этапом в формировании готовой отливки является ее затвердевание в форме, следовательно, этот этап является последним в стадии взаимодействия расплавленного алюминиевого сплава с газообразной фазой. Он является не менее ответственным, чем процесс плавки, и в образовании пористости в отливке играет не менее важную роль.
И. Ф. Колобневым и М. Б. Альтманом установлена зависимость газонасыщенности сплава от влажности песчаной формы. В табл. 8.6 приведены показатели по влиянию влажности песчаной формы на газонасыщенность сплава АЛ4.
Таблица 8.6
Зависимость содержания водорода от характеристики формы_______
|
Характеристика формы |
|
Содержание |
||
Состояние |
|
водорода |
|||
|
|
|
(средние |
||
формы |
Газопроницаемость, |
Прочность, |
|
||
Влажность, % |
данные), см7100 |
||||
|
см7с |
кг/см2 |
|||
|
|
г |
|||
Подсушенная |
24,2 |
0,95 |
5,01 |
||
1,51 |
|||||
Обычная |
22,2 |
0,75 |
6,25 |
2,51 |
|
Увлажненная |
14,3 |
0,63 |
7,99 |
3,1 |
|
Из этих данных можно заключить, что влажность формы может служить довольно значительным регулятором пористости. С этой точки зрения целесообразно использование сухих стержневых или высушенных обычных форм.
Однако при этом не следует забывать о факторе влияния скорости охлаждения на продолжительность контакта расплавленного металла с газовой средой, формирующейся в материале формы при заливке.
Для уменьшения образования пористости необходимо увеличивать скорость кристаллизации либо за счет применения кокилей, либо за счет использования для устранения местной пористости холодильников (табл. 8.7).
|
|
|
Таблица 8.7 |
|
Влияние разных факторов на образование пористости |
||||
Характер формы |
Влажность формы, % |
Скорость |
Пористость по шкале |
|
охлаждения, град/с |
ВИАМ |
|||
Песочная |
|
|||
5,0 |
1,0-1,5 |
IV |
||
Песочная |
5,0 |
2-2,5 |
II |
|
Кокиль |
- |
15-20 |
II |
|
Примечание: Толщина стенки кокиля равна 15 мм.
8.7.2.О формах взаимодействия водорода с алюминиевыми сплавами
Вравновесных условиях уравнения растворимости водорода в алюминии имеют следующий вид:
1ё[н]л,с |
+0,788 (до температуры плавления); |
1ё[н]л“с = |
+2,796 (выше температуры плавления), |
где [н]д"с - растворимость водорода при давлении 1 атм.; Т - абсолютная температура, К.
При температуре плавления происходит резкий скачок растворимости водорода, это как раз и является причиной образования газовой пористости при литье алюминиевых сплавов.
Какими же путями происходит проникновение водорода в жидкий сплав? Как уже отмечалось выше, основным источником водорода являются реакции диссоциации водяного пара и его восстановление алюминием. Эти
процессы проходят по следующим схемам: 2Н20->4Н + 20;
2А1+ЗН20 -» А120 3+ 6Н.
Кроме того, при приготовлении жидких сплавов вместе с шихтой неизбежно попадают более или менее значительные количества гидрата окиси алюминия, который приводит к образованию водорода за счет реакции
2А1(ОН)3+ 2А1 2А120 з+6Н.
Возможно существование гидрата алюминия, который при высоких температурах, находясь в расплаве, может диссоциировать по схеме
2А1Н ->2А1 + Н2, приводя к попаданию водорода в жидкую ванну.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что водород может одновременно присутствовать в алюминиевых сплавах в нескольких формах:
вдиссоциированном состоянии в виде протонного газа;
вдиссоциированном состоянии в атомарной форме;
вмолекулярном состоянии, в свободном виде.
8.7.3.Влияние газов на свойства алюминиевых сплавов
При наличии более или менее сильного газонасыщения алюминиевых
сплавов как прочностные характеристики, так и герметичность отливок снижаются за счет возникновения газовой пористости.
Влияние газов на качество сплава в значительной степени определяется формой их взаимодействия со сплавом.
Адсорбированные газы резко понижают механические свойства отливок. Химически связанные газы, образуя различные неметаллические включения, ухудшают пластические характеристики.
Газы, содержащиеся в твердом растворе, мало влияют на свойства металла в холодном состоянии, однако в процессе термической обработки при наличии усадочной пористости они могут, выделяясь из твердого раствора, вызывать образование трещин и других дефектов.
Алюминий и его сплавы при взаимодействии с газами атмосферы в основном подвергаются окислению с образованием окиси алюминия A120 3, которая, попадая в расплав, образует взвеси. Сильная гигроскопичность окиси алюминия и ее каталитическое воздействие по отношению к водяному пару приводят за счет его разложения к насыщению алюминиевого сплава водородом, который и является основной причиной образования газовой пористости.
В производственных условиях для получения качественных отливок, более или менее свободных от пористости во всех ее проявлениях, прибегают к целому ряду специальных технологических мер:
1)проведение дегазации и рафинирования;
2)установка массивных выпоров;
3)комбинирование установки выпоров с установкой холодильников. Тем не менее, в производственных условиях редко бывает возможность
получить отливки, полностью свободных от газовой пористости. Таким образом, в реальных условиях приходится допускать большую или меньшую пористость в отливках в зависимости от степени их ответственности. Допустимость пористости в отливках определяется шкалой пористости, разработанной Всесоюзным институтом авиационных материалов (ВИАМ). Из данных табл. 8.8 видно, что допустимым пределом развития пористости является третий балл, который соответствует падению прочностных показателей (пределов прочности, текучести, упругости) на 4-6 % от исходных значений и снижению относительного удлинения до 40 %. Повышенная степень пористости, оцениваемая четвертым баллом, уже приводит к снижению прочностных характеристик на 20-25 % и особенно резкому снижению относительного удлинения, достигающему 60 %.
264
Таблица 8.8
Зависимость между баллом пористости по шкале ВИЛМ, содержанием водорода и механическими свойствами отливок из сплава AJI4
|
па |
Нормы пористости, |
||||
|
|
не более |
|
|||
Суммарное |
количествопор |
|
|
|||
см2 |
II |
|
|
U “ |
||
|
|
|
If |
О в'' |
3 * |
|
|
|
|
и |
? i 2 |
||
|
|
|
1& |
S S |
||
|
|
|
о = |
IИ |
||
|
|
|
|
18 |
>. £ |
|
|
5 |
|
0,1 |
100,0 |
1,0 |
|
|
10 |
|
0,1 |
80,0 |
1,25 |
|
|
|
0,2 |
20,0 |
|||
|
|
|
|
|||
|
15 |
|
0,3 |
80,0 |
1,60 |
|
|
|
0,5 |
20,0 |
|||
|
|
|
|
|||
|
|
|
0,5 |
о |
о |
|
|
20 |
|
r~- |
2,11 |
||
|
|
1,0 |
о |
о |
||
|
|
|
m |
|
||
|
25 |
|
0,5 |
60,0 |
2,60 |
|
|
|
1,0 |
40,0 |
|||
|
|
|
|
|||
|
Пределпрочности, МПп |
Содержание |
|
водорода. |
|
CMVIOOI |
|
0,37 |
266 |
0,46 |
262 |
|
Механические свойства |
|||||
1 |
|
|
|
•J |
э |
Степень ршвнтня |
|
5 |
5 |
— |
|
||
Ъ л |
|
= |
пористости |
|||
|
з |
|||||
g 2 |
- -ï |
|
|
= 2 |
Годность отливок |
|
|
3 |
“ |
21 5 >• |
|
||
jL |
|
|
||||
|
|
|
3 |
|
|
|
214 |
179 |
75 |
5,0 |
Малая |
||
211 |
175 |
70 |
4,7 |
Годные |
||
Пониженная |
||||||
0,60 |
250 |
205 |
170 |
60 |
3,0 |
Сомнительные |
Средняя |
|
0,78 |
200 |
160 |
120 |
50 |
2,0 |
Негодные |
Повышенная |
|
0,96 |
150 |
120 |
100 |
40 |
1,5 |
Большая |
||
|
Таким образом, из приведенных данных можно сделать следующие выводы:
1.Насыщение алюминиевых сплавов водородом приводит к снижению как прочностных, так и пластических характеристик отливок. Особенно резко это сказывается на относительном удлинении сплава.
2.Насыщение алюминиевых сплавов водородом ведет к прогрессирующему повышению объема пор в отливке и, как следствие, снижению герметичности. Очевидно, что наиболее интенсивно это будет сказываться на отливках, стенки которых подвергаются механической обработке с одной или с двух сторон.
3.Для обеспечения максимальных значений прочностных характеристик
игерметичности необходимо стремиться к всемерному снижению содержания водорода в сплаве, не допуская образования газовой пористости.
4.Установлено, что в фасонном литье практически отсутствует пористость при содержании водорода менее 0,12 смУЮО г сплава.
Эти требования будут справедливы для подавляющего большинства алюминиевых сплавов.
8.8.Основы теории рафинирования и дегазации металлических сплавов
Вметаллических расплавах присутствуют примеси, находящиеся в растворенном соединении (газы, S, P, Si, Мп и др.). Определенное количество примесей находится в расплаве в виде нерастворимых инородных частиц (оксиды примесей и легирующих элементов, карбиды и нитриды, частицы
шлаков, флюсов, огнеупорной футеровки).