» » Условия формирования газовой пористости в титановых отливках
26.12.2014

Одним из наиболее распространенных дефектов титанового литья является газовая пористость. Развитие этого дефекта обусловлено высокой химической активностью титана и его способностью поглощать значительное количество газов.
Газовая пористость наиболее часто встречается в тонкостенных отливках. Газовые пустоты бывают двух видов: сравнительно крупные, различимые при помощи рентгеновского просвечивания, и мелкие, наличие которых в отливках можно обнаружить лишь при пневмо- или гидроиспытаниях. Крупные пустоты, как правило, располагаются в средней части стенок отливок и не сообщаются с атмосферой.
Специфические особенности изготовления титановых отливок (гарнисажная плавка в вакууме при помощи электрической дуги) ограничивают во многом возможности применения эффективных мер борьбы с газовыми дефектами. Использование средств, широко применяемых при литье черных и цветных сплавов (напуски, направленная кристаллизация, рациональный способ подвода металла, вентиляция формы и т. п.), позволяет сократить пораженность отливок порами. Однако для полной ликвидации газовых дефектов, как показывает опыт, необходима разработка специальных мер, что, как правило, связано с созданием нового литейного оборудования.
В работе делается попытка проанализировать условия формирования газовой пористости в титановых отливках и обосновать пути, направленные на их полное устранение.
Согласно современным представлениям о строении жидкостей, расплавленные металлы можно рассматривать как жидкие тела, пронизанные множеством поверхностей разрыва.
Появление зародышей газовых пузырей необходимо связывать с наличием этих флуктуирующих трещинок (дырок) в жидком металле. Наличие таких трещинок значительно облегчает условия возникновения газового пузырька.
По Френкелю, интенсивность зарождения флуктуаций обособляющейся фазы равна
Условия формирования газовой пористости в титановых отливках

где А — некоторая константа, имеющая порядок, не больший, чем число Авогадро; W — работа образования зародыша; k — постоянная Больцмана 1,37*10в16.
По Гиббсу, работа образования зародыша равна
Условия формирования газовой пористости в титановых отливках

где r — радиус зародыша; σ — поверхностное натяжение на границе раздела фаз.
Эта работа расходуется на преодоление сил взаимодействия частиц жидкого металла и внешнего давления:
Условия формирования газовой пористости в титановых отливках

где U — работа на преодоление сил взаимодействия частиц жидкого металла; р — давление в заливочной камере; v —- объем газового пузыря.
Следовательно, интенсивность зарождения газового пузыря может быть представлена выражением
Условия формирования газовой пористости в титановых отливках

Анализ этого равенства показывает, что проведение плавки и заливки металла в вакууме оказывает благоприятное влияние на возможность появления газовых пузырей. И, наоборот, всякое повышение давления в плавильно-заливочной камере будет затруднять возможность зарождения газовых пузырьков.
Для того, чтобы появившийся газовый зародыш был устойчив, необходимо, чтобы давление газов внутри его составляло определенную величину, которая может быть определена из уравнения
Условия формирования газовой пористости в титановых отливках

где: Pг — давление в газовом пузырьке: ратм — давление в плавильнозаливочной камере; γTi —удельный вес титана; H — расстояние от места формирования пузырька до верха отливки.
Из выражения (5) следует, что при изготовлении отливок в вакууме имеются лучшие возможности для образования устойчивого пузырька при прочих равных условиях по сравнению с условиями затвердевания металлов на воздухе.
Большинство металлургов пришло к выводу о невозможности спонтанного зарождения газовых пузырьков (например, при кипении мартеновской ванны). Наблюдаемое же обильное газовыделение было объяснено как результат формирования газовых пузырьков на шероховатой поверхности границы раздела жидкой и твердой фазы. Отмечается возможность самопроизвольного зарождения пузырьков при условии, если жидкий металл находится в вакууме.
На рис. 1 представлен разрез титановой отливки, залитой при грубых нарушениях технологического режима: вакуум в плавильной камере был около 1 мм рт. ст., натекание составляло 300 л/мк.
Условия формирования газовой пористости в титановых отливках

В процессе плавки через камеру прошли и были откачаны вакуумными насосами большие объемы воздуха. При этом, естественно, расплавленный металл сильно насыщался газами. После заполнения формы начался бурный процесс газовыделения, в результате которого металл был почти выброшен из полости формы.
Металл, выплавленный в самых идеальных условиях и содержащий минимальное количество газов, может быть поражен газовыми включениями, проникшими в металл из формы. В отечественной практике в качестве формовочных материалов применяются электрокорунд и магнезит, иногда используется также двуокись циркония. При этом возможно протекание следующих реакций:
Условия формирования газовой пористости в титановых отливках

Т. е. на определенной стадии взаимодействия возможно образование низшего, окисла титана.
Пo имеющимся данным, возможно также, что низший окисел титана преданных условиях (температура примерно 1500° С и давление около 1 мм рт. ст.) будет в газообразном состоянии.
Для титанового литья в качестве формовочных материалов предпочтительнее применять высокоогнеупорные соединения, не содержащие кислорода. Таким материалом может служить, в частности, графит, широко используемый для этих целей за рубежом.
Из теории адсорбции известно, что на поверхности любого вещества адсорбируется определенное количество газов. Простое помещение вещества в вакуум не обеспечивает полного удаления газов. Для полного удаления газов необходим дополнительный нагрев. Пористые вещества для этого должны быть нагреты до температур спекания.
Известно, что на 1 см2 твердой поверхности при 20° адсорбируется 3,24*10в-5 см3 азота и 3,48*10в-5 см3 кислорода. Общую поверхность песчинок формы в единице объема можно определить по их гранулометрическому составу или непосредственным измерением поверхности отдельных песчинок на прозрачных шлифах, изготовленных из оболочек форм. Расчеты показали, что в 1 см3 магнезитовой формы, изготовленной по методу, выплавляемых моделей, адсорбировано 0,0054 см3 воздуха.
Десорбция газов и проникновение их. в металл, очевидно, происходит только в сравнительно короткий отрезок времени, когда жидкий металл соприкасается с формой.
Выделение газов происходит, естественно, из какого-то слоя небольшой толщины, который нагревается в начальный период до высокой температуры. Была измерена температура в форме, изготовленной из плавленого магнезита, при затвердевании титановой цилиндрической отливки диаметром 72 мм. На рис. 2 представлено температурное поле формы. Как видно из рисунка, сильно нагревается только довольно тонкий слой формы толщиной примерно 2 мм.
Условия формирования газовой пористости в титановых отливках

На основе перечисленных данных был произведен расчет возможного газовыделения из формы при затвердевании пластины 10x10 см.
Если затвердевание происходит при давлении 1 мм рт. ст., из формы может десорбироваться 300 см3 газа.
Эта величина довольно значительная.
С увеличением разряжения объем выделяющихся газов должен пропорционально увеличиваться.
Таким образом, раздельно проведенные прокалка и вакуумирование формы не могут полностью удалить адсорбированные газы. Полное удаление газов из формы возможно лишь при высокотемпературной прокалке в вакууме. Если же после такой прокалки форма транспортируется в плавильно-заливочную установку, соприкасаясь с атмосферой, положительные результаты могут быть сведены на нет. Можно ожидать, что и графитовые формы, изготовленные таким способом, могут также служить источником газовыделения.
Очевидно, целесообразно совмещение прокалочных и заливочных установок в одном агрегате.
Поскольку при кристаллизации металлов происходит резкое изменение предела растворимости газов, именно на грани растущего кристалла — в «дворике кристаллизации» — наиболее вероятно пересыщение жидкости газом сверх предела растворимости.
Так как предельное количество растворенного газа зависит от давления, можно схематично изобразить изменение растворимости газов для различных давлений, как это представлено на рис. 3.
Условия формирования газовой пористости в титановых отливках

Если жидкий металл, находящийся в форме, содержит какое-то количество газов Cl, то при затвердевании отливки в вакууме уже при температуре Tг, начнется газовыделение. При затвердевании этой же отливки под атмосферным давлением газы начнут выделяться только в процессе кристаллизации, так как количество растворенного газа C1 больше предела растворимости в твердом состоянии. И, наконец, при кристаллизации под избыточным давлением выделения газов не произойдет.
Для устранения газовой пористости в титановом литье возможны два пути: во-первых, предотвращение попадания газов в металл на всех стадиях металлургического передела и, во-вторых, использование избыточного давления при кристаллизации отливок.
Для ликвидации брака по газовым раковинам в сложном тонкостенном титановом литье используется центробежная заливка.
Серьезным недостатком изготовления отливок центробежным способом, является ограниченность номенклатуры литья.
Для использования избыточного давления при кристаллизации как средства борьбы с газовой пористостью в титановом литье может использоваться вакуумно-компрессионная установка. В такой установке титан плавится в вакууме, а заливка и кристаллизация осуществляются под избыточным давлением в несколько атмосфер.
С целью установления величины давления, необходимого для полной ликвидации газовой пористости в титановых отливках, были проанализированы результаты опытов, полученных H. Н. Белоусовым и А. А. Додоновым при исследовании влияния избыточного давления на газовую пористость алюминиевых отливок. Они исследовали отливки толщиной от 20 до 80 мм из сплавов AЛ2 и АЛ9 с узким интервалом кристаллизации и из сплава AЛ8 — с широким интервалом кристаллизации. Было изучено влияние давления в диапазоне от 2 мм рт. ст. до 100 атм. Путем рентгеновского просвечивания было установлено, что пористость во всех сплавах ликвидируется при давлении более 3 атм. На рис. 4 представлено изменение плотности сплавов от давления по данным Белоусова и Додонова. Каждому сплаву соответствует своя шкала плотности. График, построенный в логарифмическом масштабе, иллюстрирует не соотношение плотности различных сплавов, а изменение характера кривых плотности от давления. Как следует из этого рисунка, в сплавах АЛ2 и AЛ9 наблюдается резкий перелом кривых плотности при давлении около 10 атм.
Условия формирования газовой пористости в титановых отливках

Все кривые сплавов AЛ2 и AЛ9 имеют перегиб. Причем до перегиба наблюдается довольно резкое увеличение плотности, а после перегиба плотность меняется незначительно, несмотря на большие значения давлений. Надо полагать, что до перегиба увеличение плотности происходит главным образом за счет того, что сокращается газовая пористость — газы остаются растворенными в металле. После же перегиба изменение плотности происходит за счет заполнения междендритных пустот при кристаллизации. Естественно, что в сплавах с узким интервалом кристаллизации трудно ожидать большого увеличения плотности путем сокращения междендритной пористости.
В сплаве AЛ8 такой резкой границы в изменении плотности при увеличении давления не наблюдается.
Обращает на себя внимание то, что перегибы кривых расположены в пределах от 5 до 10 атм.
Учитывая, что удельный вес титана больше алюминия, можно считать, что для полного устранения газовых раковин в титановых отливках потребуется давление не более 10 атм.