Выделение газов из твёрдого раствора

При кристаллизации сплава в полости формы могут возникнуть такие условия, при которых газы, растворенные в сплаве, выделяются из твердого раствора и способствуют увеличению пористости в отливках.

Если при обычном литье под давлением основной причиной образования пористости являются воздух и газы от смазки, захваченные потоком металла в процессе заполнения, то при вакуумированном литье под давлением основной причиной пористости становится выделение газов из твердого раствора.

Растворимость (или газовыделение) какого-нибудь газа определяются уравнением растворимости

где С — содержание растворенного газа в 100 г металла п.смг; p — парциальное давление газа в кн/м2; T — температура сплава в °К; А и В— постоянные (по данным P. M. Калиша для сплава типа АЛ11 А - 3050 и В = 2,95).

При постоянной температуре растворимость газов в сплаве изменяется в зависимости  от парциального давления. При постоянном давлении  растворимость падает с понижением температуры.

В случае изменения параметров растворимости в сторону уменьшения растворимость падает и начинается газовыделение. В условиях литья под давлением в вакууме температура сплава падает очень быстро при одновременном уменьшении парциального давления в несколько десятков раз. Выделившиеся газы остаются в потоке расплавленного металла.

С увеличением степени вакуумирования в отливках толщиной свыше 5 мм происходит вторичный рост газонасыщенности после достижения  вакуума 46,5—53,2 кн/м2 (350—400 мм рт. ст.) (рис. 124).

На рис. 124 газонасыщенность определялась как изменение объема отливки при нагревании до температуры, близкой к температуре плавления. Следует отметить, что такой метод определения газонасыщенности является косвенным и не позволяет переходить к количественной оценке пористости в условиях литья под давлением. Рис. 124. Изменение газонасыщенности отливок K1 алюминиевых сплавов в зависимости от глубины вакуумирования при средней толщине стенок 2,5; 5; 7 и 9 мм

Газонасыщенность повышается с увеличением толщины стенок отливки.

Для отливок с толщиной стенки свыше 5 мм достаточна глубина вакуумирования 46,5—53,2 кн/м2 (350—400 мм рт. ст.). Для тонкостенных отливок чем выше степень вакуумирования, тем меньше количество газов в отливке.

На рис. 125 представлены графические зависимости плотности от величины вакуумирования для отливок из сплава АЛ2 при средней толщине стенок 2,5 и 5 мм. Рис. 125. Зависимость удельного веса отливок из сплава АЛ2 от глубины вакуумирования полости формы

С увеличением степени разрежения в полости формы плотность толстостенных отливок приближается к плотности тонкостенных отливок. Это объясняется повышенной жидкотекучестью сплава в толстостенных сечениях отливки, которая позволяет осуществить подпрессовку и сжатие газовых включений.

Для уменьшения газосодержания отливок как при обычном, так и при вакуумированном процессе литья под давлением необходимо тщательно очищать сплав от неметаллических включений в раздаточной печи.

В алюминиевых сплавах неметаллические включения состоят из водорода и окислов, главным образом окиси алюминия; в цинковых и магниевых сплавах — из окислов.

Водород в алюминиевых сплавах адсорбируется на частицах окиси алюминия, образуя комплекс неметаллических включений H₂ + А1₂О₃.

Рафинирование сплава одновременно с очищением от окислов вызывает дегазацию его.

В то же время при вакуумировании в раздаточной печи активно выделяется водород, причем пузырьки водорода увлекают за собой твердые неметаллические включения.

Поэтому наиболее эффективными способами очистки сплава являются комбинированные методы рафинирования, к которым относятся одновременная обработка флюсами или солями, совмещенная с вакуумированием в раздаточной печи.

Степень вакуумирования зависит от прочности поверхностной пленки окислов Аl₂О₃ и глубины тигля. Для того чтобы пузырек газа радиусом r мог выделиться из расплава, давление p в нем должно быть больше суммы внешнего давления р_вн, металлостатического напора γН (H — глубина образования пузырька) и давления от сил поверхностного натяжения σ:

При обычных условиях рафинирования внешнее давление рвн равно атмосферному давлению. При вакуумировании расплава это давление соответствует разрежению над поверхностью металла в тигле. Одновременная обработка сплава жидким флюсом устраняет поверхностное натяжение и газы активно выделяются.

В табл. 16 приведены средние механические свойства образцов из сплава АЛ9 при различных способах очистки в раздаточной печи.

Таблица 16. Механические свойства литых образцов из сплава АЛ9

Еще больше повышается степень очистки в результате фильтрования сплава после дегазации. Фильтрование осуществляется в ковшах через куски магнезита размером 15—25 мм.

Для предварительного рафинирования алюминиевых сплавов С. В. Мышалов рекомендует комплексный флюс: 9—10% NaF или KF, 6—10% ZnCl₂, 29—35% SiCl₄, остальное KCl, который добавляется в количестве 0,05% от веса сплава. Температура плавления комплексного флюса 420°С.

Для улучшения условий труда рафинирование солями можно заменить продувкой сплава нейтральным газом (аргоном) в течение 10—15 мин при температуре сплава 680—700°С.

Рафинирование магниевых сплавов осуществляется комбинированным флюсом: 20% (не менее) KCl, 18—24% ВаС1₂, 2— 5% CaF₂, 45—53% MgCl₂, 4% (не более) MgO, который вводится в количестве 2% от веса сплава в раздаточной печи.

Исследования влияния газонасыщенности алюминиевых сплавов на пористость образцов показали, что в обычных условиях литья под давлением при скорости прессования 0,26—0,35 м/сек средняя пористость (замеренная по 100 образцам) составляет для сплава: специально наводороженного 0,485%, нерафинированного 0,37%, рафинированного и вакуумированного в раздаточной печн 0,112%.

На рис. 126 в виде диаграммы представлены результаты экспериментов для образцов толщиной 6 мм из алюминиевого сплава АЛ7-4, отливаемых под давлением без вакуума и при вакуумировании полости формы до 93 кн/м2 (700 мм рт. ст.).

Во всех случаях гидродинамические и тепловые режимы литья были постоянными: скорость прессования υ_пр = 0,32 м/сек; скорость впуска υ_вп = 2,56 м/сек, температура подогрева формы t_ф = 180—200°С, температура заливки t_зал = 620—640°С.

На рис. 126 левые прямоугольники обозначают пористость образцов, найденную методом гидростатического взвешивания, правые прямоугольники распределение пористости в образцах, определенное по рентгеноснимкам. Например, в нерафинированном сплаве, заливаемом без вакуумирования полости формы, в 63 образцах из 100 содержится крупная пористость, 29 образцов имеют мелко распределенную пористость и только 8 образцов не содержат видимой пористости. В рафинированном сплаве, заливаемом в условиях вакуумирования, крупная пористость наблюдается лишь в 4 образцах, мелкая в 32, а 64 образца не имеют пористости.

Если для нерафинированного сплава, заливаемого без вакуума, средние показатели механических свойств составляют: σ_в = 194 Мн/м2 (19,4 кГ/мм2) и δ = 2,3%, то для рафинированного сплава, заливаемого при вакуумировании полости формы, до 26,6 кн/м2 (200 мм рт. ст.), σ_в = 257 Мн/м2 (25,7 кГ/мм2) и δ = 3,88%.

Рис. 126. Пористость и распределение пористости в образцах, отлитых из нерафинированного (а) и рафинированного (б) сплава АЛ7-4: I — при обычном литье под давлением; II — при вакуумировании полости формы до 700 мм рт. ст. (образцы: 1 — плотные, 2 — с мелкой рассредоточенной пористостью, 3 — с крупной пористостью)