» » Физико-химические процессы, протекающие при плавке и литье
08.02.2017

Способность металлов окисляться в большой степени зависит от их сродства к кислороду, которое может быть выражено теплотой образования их окислов при поглощении одинакового количества кислорода. Чем больше теплота образования окисла, тем больше сродство элемента к кислороду (табл. 57).
При плавке сплава, состоящего из ряда элементов, окисляться будут преимущественно те элементы, которые обладают большим сродством к кислороду. Скорость окисления увеличивается с повышением температуры расплава. Сплавы систем Al—Mg и Al—Zn—Mg характеризуются повышенной окисляемостью по сравнению с другими литейными сплавами. Поэтому необходимо предохранение сплавов от окисления в процессе плавки и литья.
Физико-химические процессы, протекающие при плавке и литье

Были исследованы механизм и кинетика окисления алюминиевомагниевых сплавов в зависимости от содержания в них магния и модифицирующих добавок. Для оценки кинетики окисления сплавов были установлены временные и температурные законы окисления. Полученные кривые, характеризующие кинетику окисления сплавов без добавок, и математическая обработка результатов измерений показали, что кривые носят параболический характер:
Wn = Kτ,

где W— относительный привес образцов, г/см2;
К — константа скорости;
T — время окисления, с;
n — показатель степени.
Константа скорости К в процессе окисления изменяется от 10в-6 до 10в-14. Показатель степени п увеличивается от 0,9 до 3,0. т. е. пленка приобретает защитные свойства. Малые добавки бериллия (0,05%) в алюминиево-магниевые сплавы при сохранении параболического закона окисления уменьшают величину относительного привеса примерно в 100 раз.
Повышенная химическая активность Al—Mg и Al—Zn—Mg сплавов требует проведения специальных технологических мероприятий, главные из которых следующие:
а) ускорение процесса плавки при максимально возможно пониженных температурах для предотвращения окисления и насыщения металла газами (с применением в шихте переплава чушек определенного xимичecкoгo состава, предварительно приготовленных из свежих материалов и оборотных отходов производства);
б) защитное легирование или приготовление сплавов под слоем защитных флюсов с применением комплекса специальных мероприятий по тщательной дегазации и получению мелкозернистой структуры для повышения механических свойств и необходимой плотности отливок;
в) заливка сплавов преимущественно при пониженных температурах в сухие формы, либо в сырые с ограниченной (не более 3—4%) влажностью и применение борной кислоты в составе формовочных материалов;
г) усовершенствование литейной технологии с применением различных технологических приемов, обеспечивающих получение годных отливок (усиленное питание и направленное затвердевание отливок с установкой холодильников для ускоренного охлаждения отдельных частей отливок сложной конфигурации в комбинации с массивными прибылями, усиление вентиляции форм и др.);
д) точное соблюдение технологической дисциплины и действенный контроль разработанной технологии.
Даже незначительное отступление от установленного технологического процесса плавки, формовки и заливки неизбежно ведет к ухудшению качества литья и увеличению брака (в основном по газовой пористости, усадочной рыхлости, флюсовым включениям, «чернотам» и другим порокам). Показатели механических свойств отливок и их коррозионная стойкость резко снижаются. При этом отливки, как правило, не выдерживают гидравлических испытаний, дают течь или потение из-за неплотности II окончательно бракуются. Исправление такого рода дефектных отливок в серийном производстве весьма затруднительно и не всегда возможно. Только в отдельных случаях возможно и целесообразно исправление дефектных отливок из легких сплавов методом заварки. Однако это весьма дорогостоящая операция, к тому же не всегда дающая положительные результаты.
Для получения отливок высокого качества необходимо следующее: правильный выбор плавильного, термического и другого оборудования, тщательная разработка технологического процесса, подготовка квалифицированных кадров, снабжение необходимыми шихтовыми и формовочными материалами, флюсами и др. Особое внимание при подготовке и налаживании производства литья из этих сплавов должно быть сосредоточено на выполнении первоочередных мероприятий, направленных на предупреждение и устранение появления газовой пористости в отливках.
Основной причиной появления газовой пористости в отливках из этих сплавов является попадание водорода в расплав в результате контактирования с водородсодержащими веществами. Расплавленный в печи металл вступает в химическую реакцию с водяным паром, в результате чего образуется окись или гидрат окиси алюминия и водород. Выделяющийся водород адсорбируется поверхностью расплава и растворяется в нем. С понижением температуры растворимость водорода в алюминии уменьшается. Водород стремится выделиться из металла, HO вследствие быстрого затвердевания отливки значительная часть его не успевает выделиться и остается в металле, образуя газовую пористость и раковины.
Помимо водорода, расплавленный металл поглощает окись углерода, углекислоту, азот и другие газы, но в меньшей степени. Зависимость растворимости газов в металле от температуры выражается следующим уравнением:
Физико-химические процессы, протекающие при плавке и литье

где С — константа;
Ec — теплота растворения.
В координатах lgS и 1/Т изменение степени растворимости водорода от температуры выражается прямой линией. Растворимость газа в металле, кроме температуры, зависит от парщ5ального давления газа над расплавом и выражается уравнением
M = K√p,

где К — константа, зависящая от природы вещества и температуры;
P — парциальное давление газа над расплавом.
Одновременно с выделением водорода происходит насыщение расплава окисью алюминия и другими окислами, например шпинелью MgO*Al2O3 (плотность 3,5), кварцем SiO2 (плотность 2,65) и др. Кроме того, окислы алюминия и других металлов, входящих в состав алюминиевых сплавов, переходят в расплав в результате окисления шихтовых материалов в процессе плавки кислородом воздуха.
Таким образом, в алюминиевых сплавах в жидком состоянии одновременно присутствуют растворимые в них газы или химические соединения (окислы, нитриды, гидриды и др.), резко ухудшающие механические и литейные свойства сплавов. Как показывают всесторонние исследования, в алюминии и его сплавах содержится преимущественно водород. Он попадает в сплав в результате реакции с влагой, источники образования которой следующие: 1) атмосферный воздух, содержащий от 2—4,5 до 18,5—23 г/см3 влаги соответственно зимой и летом; 2) продукты сгорания топлива 35—70 г/м3; 3) влага, адсорбированная поверхностью шихтовых материалов; 4) остатки смазки; о) влага, адсорбированная плавильным инструментом; 6) адсорбированная и химически связанная влага твердых флюсов, так как хлориды алюминия и магния весьма гигроскопичны; 7) кладка печи или тигель, высушенные не до конца; 8) газы, пропускаемые через расплав для рафинирования; 9) песчаные формы повышенной влажности; 10) атмосферная влага (контакт при переливах, особенно если при этом разрушается поверхностная окисная пленка).