книги из ГПНТБ / Постников Н.С. Прогрессивные методы плавки и литья алюминиевых сплавов

Металлы, образующие гидриды (титан, цирконий и др.), способствуют поглощению водорода расплавом вследствие образования и последующего распада гидри­ дов. Это является закономерным, так как гидриды име­ ют переменное химическое строение. Поскольку металлы по отношению к газам ведут себя аддитивно, можно по составу сплава с достаточной точностью предположить о склонности его к газонасыщению и принять меры по дегазации.

Медь, іцинк, кремний, т. е. .металлы, не образующие гидридов, мало влияют на степень газонасыщения алю­ миниевых сплавов. Однако кремний активно понижает

из алюминиевокремииевых сплавов необходимо уделять особое внимание.

Общее количество растворенных в алюминии газов

с3,6% Т і — д о 30 см3 водорода на 100 г и т. д. Поэтому при­ менение таких лигатур возможно только после переплава с последующим рафинированием и контролем качества лигатуры по излому.

Кроме того, источником образования неметалличес­ ких включений в алюминиевых сплавах являются хими­ ческие соединения газов с металлами, которые распола­ гаются главным образом по границам зерен, нарушай связь между «ими и уменьшая прочность, герметичность и коррозионную стойкость отливок.

Алюминий образует соединения, с кислородом, азо­ том и углеродом. Однако нитриды и карбиды алюминия практически не вызывают дефектов в отливках, так как образуются в очень небольших количествах, не раство­ ряются в жидком алюминии, имеют небольшую плот-

63

ность и легко удаляются при рафинировании. Основной причиной образования дефектов в виде неметаллических включений (окнсной плены) является кислород. Актив­ ность процесса окисления алюминиевых сплавов зависит от сродства компонентов сплава к кислороду, поэтому у большинства алюминиевых сплавов окисная пленка на поверхности расплава будет состоять в основном из оки­ си алюминия. Пленка А12 03 обладает большой адсорб­ ционной способностью по отношению к водяному пару даже при высоких температурах (890—900°С), что не­ редко является причиной повышения газонасыщаемостн сплава.

Степень загрязнения сплавов неметаллическими включениями главным образом зависит от качества ших­ товых материалов, типа плавильной печи и режима плавки. Объем неметаллических включений складывает­ ся из примесей, содержащихся в шихтовых материалах (чушковой металл, переплав отходов, лигатуры и т. д.), и примесей, образующихся при плавке. Поэтому для уменьшения количества неметаллических включений т» алюминиевых сплавах необходимо применение предва­ рительно очищенных шихтовых 'материалов и хранение их в сухих закрытых помещениям.

Одним из основных источников нопадания газов в расплав является печная атмосфера. Например, при плавке сплава АЛ4 в электропечи содержание в нем во­

тем, что при реакции между алюминием и парами воды,

алюминия. Поэтому наиболее высокого качества алюми­ ниевые сплавы получают при плавке сплава в электро­ печах.

Важными факторами, влияющими на чистоту рас­ плава, являются также температуры расплава и время его расплавления. В работе [32] было показано, что сплав АЛ4, нагретый до 800°С, содержит в два раза больше водорода и окиси алюминия, чем сплав, нагре­ тый до 680°С.

Источником попадания в сплавы водорода и других примесей может быть также футеровка печей. Процесс взаимодействия сплава с футеровкой печи сопровожда-

64

ниями одинаково, однако недооценивать их нельзя, так как это может привести к снижению качества литья. Ме­ роприятия, направленные на устранение влияния этих факторов, являются первой ступенью в процессе получе­ ния высококачественного литья и называются предупре­ дительными.

К таким предупредительным мероприятиям относят­ ся: 1) защитное легирование, т. е. создание защитной окисной пленки из окислов металлов, входящих в состав сплава; 2) защита флюсами, т. е. покрытие поверхности расплава смесями солей. Оба эти мероприятия направ­ лены на создание пассивной поверхности расплава и, следовательно, влияют на адсор'бцию и диффузию газов.

2. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАФИНИРОВАНИЯ

Все методы удаления из расплава 'неметаллических включений (рафинирования), которые при адсорбции водорода с окисью алюминия образуют комплекс, де­ лятся на адсорбционные и неадсорбционные (физичес­ кие) и направлены на удаление из расплава одновре­ менно водорода и окиси алюминия.

Рафинирование адсорбционными методами, к кото­ рым относится также рафинирование флюсами, протека­ ет по следующей принципиальной схеме: введение или образование в расплаве газа (адсорбента), всплывание пузырьков газа на поверхность, адсорбция растворенных газов и удаление их из расплава. В качестве рафиниру­ ющих газов применяются азот, аргон, гелий и хлор. Газ пропускается снизу через всю толщу расплава; при этом в пузырьки газа диффундирует растворенный в распла­ ве водород. Всплывающие пузырьки встречают на пути

по отношению к алюминию при температурах до 700°С Азот из баллона поступает в сосуды с поглотителями, в которых производится очистка его от кислорода и осу­ шение хлористым кальцием (Са'СЬ), так как техничес-

кий газообразный азот содержит до 2,5% примесей (кислород, .вода и т. д.). Через газоподводящую трубку азот под избыточным давлением 0,05—0,15 ат подается снизу в расплав. Пузырьки азота механически увлекают за собой встретившиеся на пути взвешенные примеси, а также адсорбируют растворенный в расплаве водород. Время рафинирования азотом составляет 10—'15 мин. Качество дегазации в значительной мере зависит от степени измельчения пузырьков газа, пропускаемых че­ рез расплав.

На рис. 15—17 показаны различные устройства для дегазации сплавов азотом. На рис.15 схематически пока­ зано устройство для подачи азота в расплав с помощью распределителя газов. Азот из баллона подается в труб­ ку, заканчивающуюся диффузором. Продувая 50 кг алю­ миниевого расплава в течение 8 мин при расходе азота

5 л/мин, можно удалить до 90% растворенных газов. При подаче азота через графитовую трубку (рис. 16) в ниж­ ней ее части для лучшего распределения газа просверли­ вают радиальные отверстия или надевают на выходной

66

инертного газа через всевозможные трубки при прочих равных условиях определяется размером пузырьков про­ дуваемого газа, зависящим от диаметра трубки. Прове­ денные расчеты показывают, что при уменьшении диа­ метра газовых пузырьков возрастает продолжительность

Для получения тонкодисперсных пузырьков газа раз­ работан способ введения газа в расплав через пористую керамику. При этом установлено, что непрерывный (ди­ намический) процесс дегазации более эффективен, чем дегазация в ковшах, так как при литье из ковша дегази­ рованного металла снова происходит насыщение его во­ дородом, что практически исключается при динамичес­ ком режиме.

На рис. 17 показана установка, с помощью которой азот 'можно подавать в расплав в течение всей плавки через пористый диск из огнеупора (глинозема), располо­ женный в нижней части тигля; графитовые диски для этого не годятся. При продувке образуется множество мелких пузырьков газа и тем самым увеличивается по­ верхность контакта между газом и расплавом. Диаметр пузырьков газа, пропущенного через пористый огнеупор, меньше 1 мм, а диаметр пузырьков, выходящих из труб­ ки, около 10 мм. Поэтому общая поверхность пузырьков

в единице объема в первом случае почти в 20 раз больше (см.табл.25).

Предложенные схемы введения в расплав азота мо­ гут быть использованы и для других газов, так как про­ дувка азотом не всегда обеспечивает достаточно полную очистку спл.ава. Это объясняется тем, что при темпера­ турах рафинирования (690—700°С) вспльгвание пузырь­ ков и взвешенных частиц затруднено из-за повышенной вязкости сплавов, а рафинирование при температуре вы­ ше 700°С нежелательно, так как азот начинает реагиро­ вать с алюминием и образует нерастворимое соединение A1N. Лѵчшие результаты дает рафинирование аргоном аз течение 10—\2мин (табл.26).

Продувка аргоном производилась через окрашенную

5 л/мин.

Хлор является химически активным по отношению к алюминию газом; при продувке расплава хлором обра­ зуются химические соединения; хлористый алюминий (АІСІз) и хлористый водород (HCl). Баллон с хлором защищают от нагрева экраном или покрывают краской, отражающей тепло. Осушение хлора осуществляют кон-

68

центрированной серной кислотой. После хлорирования расплав продувают азотом, чтобы удалить из него взве­ шенные в нем хлориды и остатки хлора.

Для лучшего распределения хлора пользуются по­ ристыми трубками или трубками с пористыми насадками. Трубки изготовляют из графита или из кварцевого стекла, последние 'более термостойки, химически инертны по отношению к хлору и почти не реагируют с жидким

систему трубопроводов очищают от хлора, продувая ее азотом одну минуту.

Недостатком этого способа рафинирования является сложность технологического процесса, так как из-за токсичности хлора требуются специальные меры по тех­ нике безопасности.

Рафинирующее действие хлористых солей (ZnCb МпСЬ, АІСІз и др.) основано на быстром разложении и испарении этих солей при взаимодействии с расплавлен­ ным алюминием и образовании газообразного хлористо­ го алюминия (А1С13). Недостатком этого способа рафи­ нирования является повышенная гигроскопичность хло­ ристых солей, особенно ZnC^. Вместе с рафинирующими солями в расплав попадает влага, что значительно сни­

последние годы делались попытки использовать другие хлориды для дегазации алюминиевых сплавов, а имен­ но — органические; гексахлорэтан, гексахлорбензол, четыреххлористый углерод, хлорид алюминия и др.

В качестве дегазирующего средства широкое приме­ нение нашел гексахлорэтан (СгОб) — органическое ве­ щество белого цвета; плотность его 2,091 г/ом3, темпера­ тура возгонки 185,5°С. В отличие от МгіСЬ и других хлоридов гексахлорэтан негигроскопичен, значительно дешевле хлористого марганца и обладает более высокой іегазирующей способностью. Интенсивность дегазации гексахлорэтаном можно сравнить с интенсивностью ра­ финирования хлором. При введении в алюминиевый расплав гексахлорэтана 30% заключенного в нем хлора

69

взаимодействует с алюминием, а остальной хлор оста­

приведены сравнительные результаты исследований для двух дегазаторов: гексахлорэтана и аргона.

Гексахлорэтан вводился в расплав при помощи коло­

ливки формы в качестве дегазатора 'следует применять гексахлорэтан, у которого дегазирующая способность не ниже, чем у хлора [33, 34]. При сравнении результатов дагазации гексахлорэтаиом сплавов ВАЛ5, АЛ9 и алю­

На основании исследований влияния легирующих до­ бавок на газосодержание алюминиевых сплавов можно утверждать, что многокомпонентному сплаву ВАЛб при-

70

суща склонность к повышенному по сравнению с обыч­ ными силуминами исходному содержанию водорода в расплаве. Вместе с тем необходимо отметить, что сте­ пень дегазации сплавов ВАЛ5 и АЛ9, как видно «а рис. 19, 'Практически одинакова. Отсюда можно предполо­ жить, что легирующие добавки титана и бериллия в сплаве ВАЛб не оказывают заметного препятствия дега­ зации исследованньши способами, и количество остаточ­ ного после дегазации водорода такое же, как и у обыч­ ных силуминов. Однако при наличии в сплаве ВАЛ5 после дегазации такого же количества остаточного водо­ рода, как іи в сплаве АЛ9, отливки из сплава ВАЛ5 бо­ лее пористы. Макрошлифы (рис. 20) технологических об-

Paie. 19. Газонасыщенность алюминия марки А99 и сплавов АЛ9 и ВАЛ5 до и после дегазации

разцов (рис. 21), отлитых из сплавов АЛ9 и ВАЛ5 при идентичных условиях приготовления и заливки металла, резко отличаются пористостью. Ступенчатые образцы из сплава АЛ9 и ВАЛ5 после дегазации аргоном и об­ работки тройным модификатором заливали при темпе­

[36], в которой приведены разультаты определения пре­ дельного содержания водорода в расплаве, исключаю­ щее появление пор в слитках сечением 150X37 мм:

71