Из других простых газов в химическое взаимодействие с неко­ торыми металлами может вступать азот. Так, уже указывалось, что с алюминием и магнием азот образует нитриды A1N и Mg3N2, нерас­ творимые в расплаве. Образуются нитриды и в некоторых легиро­ ванных сталях, содержащих Ti, Мо, Сг.

8.3. Выделение газов в процессе затвердевания

При понижении температуры растворимость газов во всех про­ мышленных сплавах, кроме сплавов на основе титана, уменьшается.

В большинстве случаев газ, выделившийся из раствора, не успе­ вает покинуть расплав. Это связано с трудностями при образовании пузырьков газа. Для образования пузырька газа с радиусом г необхо­ димо, чтобы давление в пузырьке

одоления межфазного натяжения (а) на границе расплав - газ.

Из приведенной формулы следует, что гомогенное зарождение газового пузырька невозможно, так как при г = 0 капиллярное давле­ ние будет бесконечно велико. Эксперименты показывают, что газо­ вые пузырьки в расплаве зарождаются на готовых «зародышах» - пустотах. Это могут быть плохо смачиваемые твердые поверхности на границе раздела фаз (литейная форма, нерастворимые твердые частицы, фронт кристаллизации) или пузырьки другого газа.

Образовавшиеся газовые пузырьки начинают укрупняться за счет диффузии в них газа из жидкого раствора, всплывают и перехо­ дят в атмосферу.

При больших скоростях охлаждения газы, даже успевшие выде­ литься из раствора, после образования твердой корочки остаются в металле, обусловливая формирование газовой или газоусадочной пористости. При еще больших скоростях охлаждения или при за­ твердевании под повышенным внешним давлением газ может полно­ стью остаться в пересыщенном твердом растворе. Отливки в этом

случае будут плотными, без газовых пузырей. Газы в пересыщенном растворе обычно снижают пластичность, коррозионную стойкость. Со временем (особенно при нагреве) они могут выделяться на грани­ цах зерен, в микротрещинах, около неметаллических включений и образовывать поры. В деформируемых металлах из-за выделения газа наблюдается расслоение, появляются трещины. Известное явле­ ние растрескивания изделий и заготовок из меди и медных сплавов при длительном хранении называется «водородной болезнью».

Чисто газовые дефекты имеют округлую форму и гладкую неокисленную поверхность. Усадочные поры отличаются неправиль­ ной формой, со следами дендритного строения на поверхности. Га­ зоусадочные дефекты имеют промежуточную форму.

При первичной кристаллизации в неравновесных условиях газы ликвируют в жидкую фазу. При транскристаллизации газовые дефек­ ты концентрируются в центральной зоне отливки. Если структура состоит из равноосных кристаллов, то газоусадочная пористость рас­ пределяется более равномерно, но преимущественно в массивных частях отливки.

8.4.Дефекты газового характера

встальных отливках

Кроме обычной газоусадочной пористости, формирующейся

входе первичной кристаллизации, в стальных отливках или слитках могут появиться особые дефекты, характерные для них. Это сито­ видная пористость и флокены. Ситовидная пористость встречается не только в стальных отливках. Она образуется при литье высоко­ прочного чугуна и некоторых цветных сплавов, но гораздо реже.

Флокенами называют внутренние разрывы в стали в виде пятен округлой или овальной формы. На изломе флокены имеют резко очерченные границы, характерный серебристый цвет. Диаметр флокенов - от десятых долей миллиметра до 25 мм. В перпендикулярном направлении к волокнам стали флокены при травлении выявляются

ввиде тонких и коротких трещин. Главной причиной образования флокенов является водород, выделяющийся из пересыщенного твер­ дого раствора при охлаждении слитков в твердом состоянии. Давле­ ние водорода в микропустотах достигает таких значений, что при суммировании с другими внутренними напряжениями (структурны­

ми, термическими) происходит образование надрывов. Флокены рез­ ко ухудшают механические свойства стали. Прочность ее снижается

в2-3 раза, а пластичность - в 6-8 раз.

Сповышенным содержанием водорода связывают и образова­ ние подкорковых газовых раковин - ситовидной пористости. Эти ра­ ковины располагаются между дендритами, растущими в направлении теплоотвода, т.е. перпендикулярно стенке. Раковины имеют продол­ говатую форму. Поверхность раковин гладкая, что указывает на их газовое происхождение. В плоскости, проведенной через раковины параллельно стенке отливки, газовые пузыри выглядят как отверстия

всите, поэтому обусловленная ими пористость и называется сито­ видной. Некоторым из исследователей они напоминают соты, поэто­ му такую пористость иногда называют сотовидной. Единого мнения

опричине появления в отливках ситовидной пористости нет. По­ скольку такие дефекты образуются при литье в сырые песчано­ глинистые формы, то существует теория, по которой при заливке сталь нагревает влажную стенку формы. Пары воды в слое песка увеличиваются в объеме в тысячи раз. Часть паров, проникая через поры песка, соприкасается с расплавом и окисляет его:

Fe + Н20 = FeO + 2Н.

Атомарный водород продавливает окисную пленку и даже тон­ кую затвердевшую корочку и диффундирует в расплав. Концентра­ ция водорода превышает равновесную, и он, выделяясь из раствора, образует газовые пузыри на границе твердой и жидкой фаз. Столбча­ тые кристаллы растут так быстро, что пузыри не успевают всплы­ вать. За счет диффузии водорода из окружающего расплава пузыри увеличиваются в объеме и занимают пространство между растущими дендритами, как показано на рис. 94. Если в стали присутствует рас­ творенный азот, то и он будет выделяться в образовавшиеся пузыри, еще более увеличивая их объем.

По другой теории причиной образования ситовидной пористо­ сти служит повышенное содержание в стали кислорода в виде FeO. При заливке стали в форму начинается восстановление закиси железа углеродом, содержащимся в стали (кипение стали):

FeO + С —> Fe + СО.

Рис. 94. Схема образования ситовидной пористости

Газовые пузыри зарождаются в порах поверхности формы или на границе раздела фаз. Парциальные давления водорода и азота в пузырьке СО равны нулю. Учитывая, что при понижении темпера­ туры расплава растворимость газов снижается, то водород и азот с большой скоростью диффундируют в образовавшиеся газовые пу­ зырьки СО, вызывая их дальнейший рост. Как и по первой теории, газовые пузыри занимают пространство между столбчатыми денд­ ритными кристаллами, растущими перпендикулярно стенке формы. Концентрации водорода и азота снижаются до равновесных, и рост пузырей прекращается. В центре отливки газовые дефекты от­ сутствуют.

Для предупреждения ситовидной пористости отливок рекомен­ дуется проводить тщательное раскисление металла и защищать рас­ плав от контакта с влагой и водяным паром. Для этого необходимо хорошо просушивать футеровку печи и ковша, прогревать все инст­ рументы и приспособления, которые входят в контакт с жидким ме­ таллом.

8.5. Неметаллические включения

Неметаллическими включениями в сплавах называют твердые частицы, представляющие собой соединения компонентов сплава с неметаллическими примесями. Эти частицы могут иметь размеры от долей до десятков мкм. По происхождению включения делятся на эндогенные (природные) и экзогенные (посторонние).

Экзогенные включения попадают в расплав извне, из внешней среды. Это могут быть частицы огнеупоров, шлаков, материала ли­ тейной формы, шихтовых материалов. Больше всего экзогенных включений встречается в стальных отливках. Жидкая сталь с боль­ шой скоростью передвигается по литниковой системе, оказывая на нее механическое и химическое воздействие. Заливка стали всегда сопровождается эрозией поверхности форм. Чем больше масса отли­ вок, тем больше длительность контакта расплава с формой, тем больше экзогенных включений в отливках. Их количество значи­ тельно возрастает при увеличении температуры заливки.

Внедрение оплавленных песчинок в поверхность отливки назы­ вается пригаром. При нарушении установленных режимов заливки стали пригар становится массовым дефектом отливок. Требуется трудоемкая зачистка поверхностей отливок, пораженных пригаром. Отливки теряют товарный вид.

Эндогенными называются включения, образующиеся при про­ текании физико-химических процессов в ходе плавки и заливки ли­ тейных форм.

Источниками эндогенных включений являются шихтовые мате­ риалы и продукты взаимодействия компонентов сплава с примесями, добавками и атмосферным воздухом. По своей форме они могут быть сферическими, кристаллическими (полиэдрическими, дендрит­ ными) и пленочными. Различают растворимые и нерастворимые включения. Первые формируются в виде самостоятельной фазы только при кристаллизации. Среди неметаллических включений можно обнаружить оксиды, сульфиды, силикаты, фосфиды и нитри­ ды. Преобладают оксиды и сульфиды. Больше всего представлены в сталях неметаллические включения. В них можно встретить: нерас­ творимые оксиды (Si02, А120 3, Сг20 3, ТЮ2 и др.); растворимые окси­ ды (FeO); растворимые сульфиды (FeS, MnS); нерастворимые суль­ фиды (CaS); нитриды (TiN и др.). Оксидные включения редко при­ сутствуют в виде свободных окислов. Чаще всего они образуют сложные химические соединения - силикаты (FeOSiO, 2Fe0Si02, 2MnOSi02, а в общем виде «FeO /wM nO^Si^) или алюмосиликаты (лРеО-тМпОт?А12Оз). Содержание оксидных включений в стали ко­ леблется от 0,006 до 0,040 %. Эти включения образуются на всех этапах плавки и разливки стали, но больше всего их выделяется при