- •Литейные сплавы и плавка предисловие
- •Литейные свойства сплавов
- •1.1. Технологические свойства сплавов и важность их определения для практики
- •1.2. Номенклатура литейных свойств сплавов
- •1.3. Жидкотекучесть. Технологические пробы
- •Взаимосвязь толщин стенок отливок и площади их поверхности при литье в кокиль
- •Взаимосвязь толщины стенок отливки и площади их поверхности при литье под давлением
- •1.4. Склонность отливок к образованию усадочных раковин и пористости
- •V1, v2, v3 и v0 - объемы сплава при соответствующих температурных условиях
- •Температурные коэффициенты объемного сжатия (ткос) в жидком состоянии (индекс «ж») и объемная усадка затвердевания (индекс «з»)
- •1.5. Линейная усадка сплавов и отливок
- •1.6. Усадочные напряжения в отливках
- •1.7. Склонность сплавов и отливок к горячим трещинам
- •1.8. Склонность сплавов и отливок к холодным трещинам
- •3.9. Склонность сплавов к насыщению газами и образованию газовой пористости
- •Растворимость водорода в металлах
- •1.10. Неметаллические включения и плены в сплавах
- •1.11. Склонность компонентов сплавов к ликвации
- •1.12. Зависимость механических свойств сплавов от толщины стенок отливок
- •Механические свойства и рекомендуемый химический состав серого чугуна по гост 1412-85
- •Механические свойства серых чугунов, не предусмотренные гост 1412-85
- •Физические свойства чугунов
- •5.3. Высокопрочный чугун
- •Механические свойства*1 и рекомендуемый химический состав высокопрочного чугуна с шаровидным графитом по гост 7283—85
- •5.4. Чугун с вермикулярным графитом
- •Зависимость механических свойств и объема усадочных раковин в чвг от содержания шаровидного графита (шг)
- •5.5. Ковкий чугун
- •Содержание с и Si в отливках из ковкого чугуна в зависимости от толщины стенок
- •Механические свойства и рекомендуемый химический состав ковкого чугуна по гост 7293-79 (изм. В 1991 г.)
- •Марки, содержание углерода и механические свойства литейных углеродистых сталей по гост 977-88
- •Средний химический состав легированных сталей, мае. %
- •Механические свойства легированных сталей
- •Литейные сплавы цветных металлов
- •6.1. Алюминиевые сплавы
- •Химический состав и механические свойства алюминиевых литейных сплавов по гост 1583—93
- •* В данной таблице обозначения способов литья те же, что в табл. 6.1; то — термическая обработка; ств — временное сопротивление разрыву; стт — предел текучести; 5 — относительное удлинение.
- •Химический состав литейных титановых сплавов, мае. %
- •Линейная усадка 8/ и объем ву.Р усадочных раковин в отливках титановых сплавов
- •Механические свойства бронз
- •Механические свойства латуней
- •Средний химический состав и прочностные свойства никелевых литейных сплавов при температурах 800 и 900 °с
- •Основные понятия и определения
- •Классификация огнеупорных материалов
- •Типовые операции и процессы плавки литейных сплавов Горение топлива
- •Шлакообразование. Строение шлаковых расплавов
- •8.3. Окислительное рафинирование
- •8.4. Закономерности угара элементов в кислых и основных печах
- •Удаление вредных примесей из железоуглеродистых сплавов
- •8.7. Раскисление металла
- •Науглероживание расплавов железа
- •Взаимодействие футеровки с расплавами шлакаи металла
- •Исходные материалы для плавки литейных сплавов Первичные металлические материалы
- •Соотношение содержаний с и Si в литейных чугунах
- •9.2. Вторичные металлические материалы
- •Вторичные черные металлы
- •Физические характеристики* важнейших шихтовых материалов
- •Топливо
- •Важнейшие характеристики каменноугольного кокса
- •9.4. Флюсы
- •Состав известняка, мае. %
- •9.5. Расчет шихты
- •Список компонентов шихты и ограничений по их содержанию
- •Угар (пригар) химических элементов при плавке чугуна
- •Угар элементов при выплавке цветных сплавов, отн. %
- •Примечание. В числителе — угар при плотной шихте, в знаменателе — угар при некомпактной шихте.
- •Примечание. Минимальное значение функции равно 2720,49 руб./т.
- •10.1. Принцип действия и разновидности конструкций коксовых вагранок
- •Особенности горения кокса в вагранках
- •Изменение температуры и химического состава газовой фазы по высоте вагранки
- •Влияние высоты холостой колоши на процесс плавки в вагранке
- •Влияние размеров рабочих колош на процесс плавления шихты в вагранке
- •Влияние качества кокса на тепловые процессы в вагранке
- •Влияние подготовки шихты на ход ваграночной плавки
- •Влияние величины удельного расхода кокса и воздуха на ход ваграночной плавки
- •Способы интенсификации ваграночного процесса
- •Металлургические процессы плавки в коксовой вагранке
- •Расчет требуемого расхода известняка
- •Данные о характере газовой фазы в зонах вагранки
- •Значение коэфициента к науглероживания в холостой колоше
- •Зависимость концентрации серы в чугуне от содержания ее в коксе
- •Особенности плавки в вагранках с основной футеровкой
- •Особенности плавки в металлургических вагранках
- •Особенности плавки чугуна в коксогазовых вагранках
- •Плавка чугуна в бескоксовых вагранках
- •Стабилизация химического состава чугуна, выплавляемого в вагранках
- •Плавка чугуна в дуговых печах
- •11.2. Технология плавки
- •Особенности конструкции и технологии плавки чугуна в дуговых печах постоянного тока
- •Плавка чугуна в индукционных печах
- •Выбор частоты тока для питания индукционных тигельных печей
- •Электромагнитное перемешивание металла в тигле
- •12.4. Основные элементы конструкции печей промышленной частоты
- •Изготовление футеровки печи
- •Технология плавки чугуна в индукционных тигельных печах промышленной частоты
- •12.7. Особенности плавки чугуна в индукционных тигельных печах средней частоты
- •Индукционные канальные печи в чугунолитейном производстве
- •Преимущества и недостатки индукционных канальных печей.
- •12.9. Сравнительный анализ процессов плавки чугуна в современных чугуноплавильных печах
- •Технологические особенности плавки различных сортов чугуна
- •13.1. Технология получения высококачественного серого чугуна с пластинчатым графитом
- •13.2, Технология получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом
- •13.3. Производство чугуна с вермикулярным графитом
- •13.4. Производство ковкого чугуна
- •Рекомендации по введению легирующих элементов при плавке легированных чугунов
- •Плавка стали
- •14.1. Плавка стали в мартеновских печах
- •Плавка стали в мартеновской печи с основной футеровкой.
- •Плавка стали в основной дуговой печи с окислением примесей.
- •14.4. Плавка стали в индукционных тигельных печах Общая характеристика особенностей плавки стали в индукционных тигельных печах.
- •Плавка в печи с кислой футеровкой.
- •Особенности плавки в индукционных тигельных печах с основной футеровкой.
- •14.6. Электрошлаковый переплав стали
- •Плавка сплавов цветных металлов
- •15.1. Плавка сплавов на основе алюминия
- •Характеристики двойных алюминиевых лигатур
- •Состав модификаторов и параметры процесса модифицирования алюминиевых сплавов
- •15.2. Плавка сплавов на основе магния
- •Режимы модифицирования магниевых сплавов
- •15.3. Плавка сплавов на основе цинка
- •Составы лигатур для плавки медных сплавов
- •Список литературы к разделу 1
- •К разделу II
3.9. 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 Тс — 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 Тл растворимость газа продолжает увеличиваться до температуры заливки Тзал и выше вплоть до начала кипения при температуре Ткип (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 в соответствии 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