книги из ГПНТБ / Постников Н.С. Прогрессивные методы плавки и литья алюминиевых сплавов
.pdfрода в металле (рис. 48) (содержание водорода |
опреде |
||||||||||
ляли способом вакуумного |
плавления.) |
|
|
|
|
|
|
||||
Скорость экстракции водорода из жидкого |
|
алюми |
|||||||||
ния и алюминиевокремииевых сплавов |
через |
пористый |
|||||||||
фильтр |
в условно |
установившемся стационарном потоке |
|||||||||
также |
зависит от концентрации |
водорода |
в металле и в |
||||||||
|
|
|
|
|
20 |
|
|
|
|
4 , |
|
Рис. 48. Количество |
водорода, |
|
|
|
|
|
|
|
|||
I J |
№. |
|
|
|
|
|
|
||||
экстрагированного из |
жидкого |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
алюминия |
через |
пористый |
|
12 |
|
|
|
|
|
|
|
фильтр, |
в |
зависимости от его |
|
|
|
|
- ^ Т |
А, |
|
||
концентрации в металле, слі3/ |
|
|
|
|
|
|
W |
|
|||
|
|
100 г: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/—0,485; |
2 — 0,789; 3 — 1,03 |
|
Pf'\ |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Время, мин |
|
||
течение 4—20 мин |
(в зависимости от |
количества |
метал |
||||||||
|
|
"Г |
|
! |
|
||||||
ла в тигле) остается практически |
постоянной. |
|
|
|
|||||||
Строго |
математическое |
определение |
содержания |
во |
|||||||
дорода в расплаве по скорости его экстракции с учетом
изменения в процессе откачки концентрации |
водорода |
||||||||
представляется весьма |
сложным. |
Поэтому |
показания |
||||||
установки |
отражают |
величину |
газосодержания |
для |
|||||
конкретных |
условий. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Принципиальная |
схема |
прибора показана |
на рис. 49. |
||||||
При погружении в |
сплав |
/ алюмооксидной |
трубки |
3 с |
|||||
фильтром 2 газы, находящиеся в |
полости |
трубки |
и в |
||||||
системе, откачиваются |
форвакуумным |
/ / |
и |
диффузион |
|||||
ным (ДРН-10) 10 насосами. При этом |
вакуумные |
вен |
|||||||
тили 4 и 8 открыты, а 7 и 12 — закрыты. Давление в си стеме замеряется термопарными лампами (ЛТ-2) 5. Указанные лампы фиксируют установление условного стационарного потока водорода из сплава через порис тый фильтр. Стационарное состояние потока водорода из сплава устанавливается через 30—40 сек. После это го, дегазируется калиброванный объем 9 открытием вен тиля 7. Через 30—40 сек вентиль 7 закрывается, а вен тилем 8 соединяется калиброванный объем 9 с диффу зионным насосом 10. Экстрагированные из жидкого ме талла газы собираются в калиброванном объеме 9. Из менение давления фиксируется вакуумметром 6. Ско-
133
рость экстракции водорода из сплава определяется по изменению вакуума в калиброванном объеме в течение определенного интервала времени. Расхождение в па раллельных определениях содержания водорода состав ляет в среднем 4%. Скорость изменения вакуума в ка-
|
|
|
Рис. 49. Схема |
прибора |
для |
|
|
|||
|
|
|
экспресс-определения |
|
содер |
|
|
|||
|
|
|
жания |
водорода |
в |
процессе |
|
|
||
|
|
|
|
|
плавки |
|
|
|
|
|
либрованном |
объеме знвисит |
от |
содержания водорода |
|||||||
в расплаве (сѵи3/100 г), |
который рассчитывается |
по фор |
||||||||
муле |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Н = |
Ки |
xrD |
(273 |
+ /0) р а |
|
|
||
|
|
|
10 |
|
|
|||||
где Кп - |
- коэффициент |
пропускной |
способности |
приме |
||||||
|
няемого фильтра; |
|
равный 592 см3; |
|
||||||
Ѵ „ . о |
- калиброванный объем, |
|
||||||||
Ар- - повышение давления в |
аналитическом |
объе |
||||||||
|
ме |
при |
откачке (с 3 - Ю - 2 |
до 5,75-Ю- 2 |
мм рт. |
|||||
|
СТ-)> |
|
|
|
|
|
|
. |
.... ! |
|
|
объем 100 г жидкого металла, |
см3; |
|
|
||||||
134
D — эффективный |
коэффициент диффузии |
водоро |
||||
да |
в жидком |
сплаве при |
температуре |
опыта, |
||
см2\сек; |
|
|
|
|
|
|
х — время |
повышения давления в |
аналитическом |
||||
объеме, |
сек; |
фильтра, см; |
|
|
||
г — радиус сферы |
|
|
||||
f — температура окружающей |
среды, °С; |
|
||||
Рал — атмосферное давление, мм |
рт. ст.. |
|
||||
Таким образом, для |
практического применения дан |
|||||
ного способа |
необходимо знать величину |
коэффициента |
||||
диффузии водорода в жидком металле в зависимости от его химического состава и температуры.
Определение коэффициентов диффузии водорода в сплавах на алюминиевой основе проводилось [52] на специальной установке. Принцип действия ее состоит в том, что над зеркалом предварительно дегазированного при остаточном давлении Ю - 2 —10_ 3 мм рт.ст. жидкого металла, который плавится над пористым фильтром в смачиваемом трубопроводе, создается давление водоро да, поддерживаемое постоянным на протяжении опыта. Одна сторона поверхности жидкого металла, взаимо действуя с водородом, растворяет его; а со стороны по ристого фильтра водород десорбируется с поверхности металла в молекулы. Благодаря такому процессу по вы соте столба испытуемого металла создается постоянный
градиент концентрации |
водорода. |
|
|
С целью устранения |
возможности |
искажения данных |
|
о коэффициенте диффузии в реакционную трубку из алю- |
|||
мооксидной керамики вводится аргон, |
вереде |
которого |
|
возрастает смачиваемость алюминием материала |
трубки |
||
(проникновение аргона |
через жидкий |
алюминий |
не на |
блюдается). В газовой смеси аргон — водород парциаль
ное давление аргона 18—24 |
мм рт.ст., |
водорода 8 мм рт. |
ст. В процессе пропускания |
водорода |
через жидкий ме |
талл стационарный поток устанавливается не сразу, наб людается некоторое запаздывание. Время запаздывания
является |
исходной величиной для |
определения |
эффек |
|
тивного |
коэффициента |
диффузии |
водорода в |
жидком |
металле: |
|
|
|
|
где £>эф — эффективный |
коэффициент диффузии, см2і |
|||
|
сек; |
|
|
|
135
б — толщина столба жидкого |
металла, см; |
1 — время запаздывания при |
установлении ста |
ционарного потока, сек. |
|
С целью сопоставления данных по газонасыщенпости, |
|
способности к дегазации и образованию пористости бы |
|
ли определены коэффициенты диффузии для алюминия
А99, сплавов |
АЛ9 и ВАЛ5. В табл. 45 приведены |
ре |
|||
зультаты определения |
эффективных коэффициентов |
диф |
|||
фузии водорода. |
|
|
|
|
|
_ |
|
|
Т а б л и ц а 45 |
|
|
Эффективные коэффициенты диффузии |
|
|
|||
|
Состаостав |
сплава |
Температура |
Эффективный |
|
Марка сплава |
расплава. |
коэффициент |
|||
|
|
|
°С |
Диффузии, |
см'/сек |
А99 |
99,990/6 А! |
670 |
1,6 • ю - 2 |
||
|
|
|
735 |
2 , 1 - Ю - 2 |
|
|
|
|
800 |
2 , 4 - Ю - 2 |
|
|
|
|
850 |
2,6- Ю - 2 |
|
|
|
|
670 |
0,305- Ю - 2 |
|
АЛ9 |
7,5% Si; 0,3% Mg |
735 |
0,385- Ю - 2 |
||
|
|
|
800 |
0,57-10—2 |
|
|
|
|
850 |
0 , 6 9 - Ю - 2 |
|
ВАЛ5 |
7,5% Si; 0,45% Mg; • |
670 |
0,093- Ю - 2 |
||
|
0,23% Be; 0,15% Ti |
735 |
0 , 1 8 - Ю - 2 |
||
|
|
|
800 |
0,26- Ю - 2 |
|
|
|
|
850 |
0,37 • 1 0 - 2 |
|
Результаты определения показали, что водород в чис том -расплавленном алюминии имеет 'наиболее высокий коэффициент диффузии, чем в сплавах АЛ9 и ВАЛ5 (на порядок выше). Хорошо видна зависимость коэффици ента диффузии водорода от наличия легирующих ком понентов в сплаве: .в многокомпонентном сплаве ВАЛ5 коэффициент диффузии водорода весьма низкий.
В табл. 46 приводится зависимость эффективного коэффициента диффузии водорода от содержания в алю минии бериллия, титана и температуры расплава.
136
Т а б л и ц а 46
Влияние бериллия, титана и температуры расплава на коэффициент диффузии водорода в алюминии
Эффективный |
коэффициент диффузии |
водорода |
(см2/сск) при температуре сплава °С |
||
Состав сплава |
|
|
680 |
750 |
800 |
AI +0,044% |
Be |
|
|
1 , 9 7 - Ю - 2 |
Al +0,093% Be |
1 ,34- Ю - 2 |
1 , 6 1 - Ю - 2 |
1,86- Ю - 2 |
|
Al +0,17% |
Be |
1 , 1 9 - Ю - 2 |
1,53- Ю - 2 |
1,79- Ю - 2 |
AI+0,29% |
Be |
1 , 0 2 - Ю - 2 |
1 , 4 1 - Ю - 2 |
1 , 6 2 - Ю - 2 |
Al +0,38% |
Be |
0,87-10~2 |
1 , 3 - Ю - 2 |
1,43- Ю - 2 |
Al+0,051% Ti |
1,19-10—2 |
1,46 - Ю - 2 |
1,67- Ю - 2 |
|
Al + 0,089% Ti |
0,98- Ю - 2 |
1 , 4 1 - Ю - 2 |
1,39-10"2 |
|
Al + 0,154% Ti |
0,43- Ю - 2 |
0 , 6 - Ю - 2 |
0 , 9 2 - Ю - 2 |
|
A l + 0,261% Ti |
0 , 1 9 - Ю - 2 |
0 , 3 4 - Ю - 2 |
0 , 6 1 - Ю - 2 |
|
Al + 0,301% Ti |
0 , 0 4 - Ю - 2 |
0,26-10~2 |
0 , 4 2 - Ю - 2 |
|
Из данных таблицы следует,'что бериллий незначи тельно снижает коэффициент диффузии водорода. В то же время даже небольшие примеси титана сильно пони жают этот коэффициент. •
Приведенные в табл. 47 сравнительные результаты определения содержания водорода в алюминии и спла вах АЛ2 и АЛ9 различными способами показывают дос таточную их точность. Разброс данных в параллельных
определениях содержания |
водорода не превышает 4-5%. |
||
Длительность активной |
части |
опыта не |
превышает |
50 сек, т. е. опыт характеризуется |
высокой |
производи |
|
тельностью. |
|
|
|
Пока в промышленности более распространено опре деление содержания водорода в жидких алюминиевых сплавах методом первого пузырька. Метод предназна чен для определения содержания водорода в процессе плавления и литья. Принцип метода основан на зависи мости количества растворенного водорода в металле от парциального давления водорода в газовой фазе над металлом.
137
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 47 |
|
Сравнительные данные о содержании водорода |
в алюминии (А99) |
|||||
|
и алюминиевокремниевых сплавах АЛ2 и АЛ9 |
|
||||
|
при различных способах определения |
|
||||
|
|
|
|
С о д ер ж ан ие водорода среднее из |
||
|
|
|
|
четырех |
определений, |
см'/100 с |
|
Способ |
определения |
|
|
|
|
|
|
|
|
А99 |
АЛ2 |
АЛ9 |
|
|
|
|
0,477 |
0,55 |
0,76 |
В а к у у м - н а г р е в |
|
|
0,39 |
0,47 |
0,63 |
|
П о |
скорости |
э к с т р а к ц и й |
г а з о в |
из |
|
0,50 |
|
|
|
|
0,33 |
0,42 |
|
По |
количеству |
э к с т р а г и р о в а н н ы х |
га |
|
|
|
зов |
из о т с е ч е н н о г о объема |
ж и д к о г о |
0,51 |
0,61 |
||
м е т а л л а |
|
|
0,418 |
|||
|
Малый коэффициент диффузии водорода в жидком |
|||||
алюминии, наличие окиси алюминия п |
окисной |
пленки |
||||
на его поверхности затрудняет диффузионное удаление водорода. Поэтому ошибка, допускаемая при анализе во дорода методом первого пузырька, в результате диффу зионного удаления газанезначптельна.
Газовой фазой, определяющей равновесное содержа ние растворенного водорода в жидком металле, следует считать водород в пузырьке:
Рн, = Рн,, где Рн: —давление водорода в пузырьке, мм-рт. ст.;
Рн.— внутреннее давление, т. е. давление |
водорода, |
||||
соответствующее его |
равновесной |
концентра |
|||
ции в металле, мм рт. ст. |
|
|
|
||
Образование пузырька в |
жидком |
металле |
может |
||
произойти только при соблюдении |
следующего соотноше |
||||
ния: |
|
|
|
|
|
>н, = Р н , > / , . + |
Я„ + — |
, |
|
(1) |
|
|
|
г |
|
|
|
где Р а — атмосферное давление над металлом, мм |
рт. ст.; |
||||
Рм — гидростатическое давление расплава |
на |
пузы |
|||
рек, мм рт. ст.; |
|
|
|
|
|
о — поверхностное натяжение |
на |
границе |
раздела |
||
жидкий металл — газ, |
дин/см2; |
|
|
|
|
г — радиус пузырька, см. |
|
|
|
|
|
При образовании пузырьков в небольшом тигле ги дростатическим давлением жидкого металла можно пренебречь. Если радиус пузырька приближается к ну лю, значение а/г будет велико, что затрудняет пузырь ковое выделение водорода из очень чистых расплавов.
В технических расплавах, в которых содержание во дорода определяют по методу первого пузырька, присут ствуют взвешенные частички тонкодисперсных окисных включений. Эти частички могут быть зародышами для образования пузырей, так как давление на их поверх ности, обусловленное поверхностным натяжением, умень шается. В связи с этим уравнение (1) можно выразить так:
Рн, = Р н , > Р а - |
(2) |
Таким образом, суммарное давление газовой |
фазы |
над металлом является определяющим при образовании пузырьков. Приняв это допущение, содержание водоро да в расплаве (5) можно рассчитать по уравнению
\gS = - j r + B + |
l/2\gP, |
|
(3) |
где А и В — коэффициенты, |
которые |
для |
некоторых |
сплавов приведены в табл. 48. |
|
||
Жидкий металл заливают в тигель печи, |
находящей |
||
ся в вакуумной камере, где непрерывно |
понижается да |
||
вление. Через смотровое окно наблюдают за появлением пузырьков на поверхности расплава. Определив темпе ратуру и давление, при которых появляются первые пу-
Т а б л и ц а 48
Значения постоянных коэффициентов для расчета содержания водорода в алюминиевых сплавах
|
Коэффициенты |
|
Коэффициенты |
||
Среднереднее |
|
|
Среднее |
|
|
с о д е р ж а н и е |
А |
в |
содержание |
А |
в |
магния, % |
магния, % |
||||
|
2760 |
1,356 |
2,9—4,0 |
2682 |
1,521 |
0,4—1,0 |
2750 |
1,296 |
4,1—5,5 |
2640 |
1,549 |
1,1 — 1,7 |
2730 |
1,454 |
Более 6,5 |
2606 |
1,590 |
1,8—2,8 |
2714 |
1,484 |
— |
— |
|
!39
зырьки, |
по |
уравнению |
(3) рассчитывают |
содержание во |
|||||
дорода |
в сплаве. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Первым |
пузырьком |
следует |
считать |
такой, |
вслед |
||||
за которым |
при незначительном |
понижении |
давления |
||||||
(10—20 мм рт. ст.) появляется |
еще один |
или несколько |
|||||||
пузырьков. Иногда |
при |
низких |
значениях |
содержания |
|||||
водорода возможно |
появление лишь |
одного |
пузырька,, |
||||||
остальные или вообще не появляются, или |
настолько |
||||||||
малы, что неразличимы невооруженным глазом. |
|
||||||||
Известно, что выделение газовых |
пузырьков |
возни |
|||||||
кает только тогда, когда в расплаве присутствует неме таллическая взвесь. В алюминиевых сплавах такую взвесь образует в основном окись алюминия. С уменьшением ее содержания точность метода первого пузырька должна понижаться.
Схема установки показана на рис. 50.
Рис. 50. Схема установки для определения содержания водорода по методу первого пузырька:
/ — форвакуумный насос; 2 — термопара; 3 — смотровое |
окно; |
|||
4— |
тигель; 5 — крышка |
котла; 6 — печь |
сопротивления; |
7 — |
корпус котла; 8 — регистрирующий прибор; |
9 — в а к у у м н ы е |
кра |
||
ны; |
10 — механический |
вакуумметр; / / — У-образный ртутный |
||
|
|
манометр |
|
|
140
Содержание водорода рассчитывают по трем парал лельным определениям; время проведения трех опреде лений не должно превышать 15 мин. Каждое определе ние ведут в подогретом чистом тигле.
Глава I I I
М Е Т О ДЫ П Р О И З В О Д С Т В А ЛИТЫХ Д Е Т А Л Е Й
Как было показано |
(см. рис. 5), точные методы |
литья |
|||||||
бурно развиваются, однако |
объем |
и номенклатура |
литья |
||||||
в песчаные |
формы |
продолжают еще |
оставаться |
доста |
|||||
точно большими. Это |
объясняется |
тем, |
что |
основные |
|||||
недостатки |
способа |
литья в |
песчаные |
формы — |
|||||
большая |
трудоемкость, |
низкая |
|
производительность, |
|||||
невысокая |
точность |
размеров |
|
и |
чистота |
по |
|||
верхности |
отливок |
отчасти |
компенсируются |
его |
уни |
||||
версальностью, т.е. |
возможностью |
получать |
отливки |
||||||
практически любой массы и конфигурации из большин ства литейных алюминиевых сплавов, а также большой оперативностью. Кроме того, при литье небольших пар
тий (до нескольких десятков штук) этот |
способ |
обычно |
|||
наиболее экономически |
выгоден. |
|
|
|
|
При литье в песчаные формы до 50% |
затрат |
труда |
|||
приходится |
на изготовление форм |
и стержней и до 50% |
|||
брака литья |
и дефектов в той или |
иной степени |
связано |
||
с материалом формы. |
Поэтому качество |
литья |
предо |
||
пределяется качеством применяемых формовочных ма териалов.
Качество формовочных и стержневых смесей опреде
ляется следующими основными |
свойствами: общей и по |
|||||
верхностной |
прочностью, поверхностной |
твердостью, |
||||
газопроницаемостью, газотворностью, |
текучестью, |
по |
||||
датливостью, |
гигроскопичностью, |
прилипаемостью, огне |
||||
упорностью, |
пригораемостыо, выбиваемостью, |
долговеч |
||||
ностью и живучестью. |
|
|
|
|
|
|
Повышение качества литья, |
снижение |
трудоемкости |
||||
и улучшение санитарно-гигиенических |
условий |
труда |
в |
|||
литейных цехах возможны в результате разработки но вых, а также усовершенствования известных формовоч ных материалов.
141
іВ связи с механизацией и автоматизацией процессов изготовления форм и стержней к формовочным мате риалам предъявляются новые требования и главное — высокая стабильность их физико-механических и тех нологических свойств в различных производственных и климатических условиях. К формовочным материалам, отвечающим указанным требованиям, могут быть отне сены прежде всего плакированные песчано-'смоляные и
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
49 |
||
Формовочные смеси, применяемые для получения |
|
|
|||||||||
|
|
|
алюминиевых отливок |
|
|
|
|
|
|||
Смесь |
Основные |
компоненты |
Связующие |
|
Применение |
|
|||||
Естествен |
Полужирный песок, |
Глинистая |
со |
Для |
изготовле |
||||||
ная |
вода, |
добавки |
|
ставляющая |
пе |
ния |
|
песчаных |
|||
|
|
|
|
|
|
ска |
|
форм |
|
|
|
Жидкосте - |
Кварцевый |
песок, |
Жидкое стекло, |
|
|
|
|
||||
кольная |
вода, |
добавки |
|
глина |
|
|
|
|
|
||
Синтетиче |
Кварцевый |
песок, |
Бентонит |
|
|
|
|
|
|||
ская |
вода |
и |
различные |
|
|
|
|
|
|
||
|
добавки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Термореак |
Кварцевый |
песок |
Термореактив |
Для |
изготовле |
||||||
тивная |
|
|
|
|
|
ная смола |
|
ния оболочковых |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
форм |
|
|
|
Безводная |
Кварцевый |
песок, |
Бентон |
|
Для |
изготовле |
|||||
|
смачивающие |
жид |
|
|
ния |
форм отли |
|||||
|
кости |
(нефть |
или |
|
|
вок |
с |
особыми |
|||
|
керосин) |
|
|
|
|
|
свойствами |
|
|||
Гипсовая |
Кварцевый |
песок, |
Гипс и синтети |
|
|
|
|
||||
|
асбест, |
|
добавки и |
ческие смолы |
|
|
|
|
|
||
|
вода |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Плакирован |
Кварцевый или цир- |
Термореактив |
|
Для |
изготовле |
||||||
ная |
коновый |
|
песок, |
ная смола |
|
ния " стержней |
в |
||||
|
вспомогательные |
|
|
горячих |
ящиках |
||||||
добавки
142