Неметаллические включения.

Неметаллические включения в отливках представляют собой твердые частицы соединений компонентов сплава с неметаллическими примесями. И размеры колеблются от долей микрона до десятков микрон. Основная масса неметаллических включений в металлических сплавах делятся по составу на окислы и сульфиды. По видам источников неметаллические включения делятся на попадающие в сплав вместе с шихтой, продукты взаимодействия компонентов сплава с примесями или добавками, продукты взаимодействия с атмосферой. По форме не неметаллические включения делятся:

Методы определения неметаллических включений в сплавах бывают химические или металлографические. Неметаллические включения делятся на растворимые в основе сплава в жидком состоянии и мало или почти нерастворимые. Первая группа формируется в качестве самостоятельной фазы только при кристаллизации: вторая может существовать в жидком металле в виде мелких частиц. Для предотвращений образования или уменьшения количества неметаллических включений в сплавах необходимо проведение следующих мероприятий:

1. Отстаивание жидкого металла. Способ действенен только по отношению к крупным включениям.

2. Продувка сплавов инертными газами, пузырьки которых увлекают за собой и флотируют включения.

3. Обработка цветных сплавов флюсами, растворяющими окисные включения и переносящими их в слой шлака.

4. Фильтрация через огнеупорные фильтры мелких цветных сплавов.

Б. борьба с растворимыми включениями.

1. перевод растворимы включений в нерастворимые, способные легко удаляться из соединения, например раскисление.

2. ускорение затвердевания.

Газы.

Под газами в металлах понимаются такие простые тела или соединения, которые при нормальны условия в свободном состоянии находятся в газообразном состоянии или виде.

При выделении из раствора в процессе кристаллизации газы могут образовывать пустоты, которые разделяются на скопления мелких пузырьков, называемы газовой пористостью, и отдельные крупные пузыри, называемые газовыми раковинами. Их выделение из раствора в твердом металле может вызвать значительные местные давления, внутренние напряжения или надрывы, которые проявляются в виде флокенов в стали или выпучивания на листа из цветных сплавов.

Некоторые газы, в частности водород, оставаясь в растворенном состоянии в твердых сплавах, понижают и механические свойства.

Источниками газов в отливках являются:

1. Шихтовые материалы, содержащие их в растворенном состоянии или в виде окисных поверхностей.

2. Атмосфера печи при плавке, которая содержит основные компоненты воздуха-азот и кислород, водяные пары и водород, образующийся при их разложении: окислы углерода и серы, образующиеся при сгорании топлива.

3. Атмосферы формы при разливке. Методы определения газов в сплава делятся на следующие:

- химический анализ

-технологические пробы

Кроме того, за последнее время получили различные физико-химические методы определения газов, например метод спектрального анализа.

Количество газов выражается либо в процентах(%), либо в кубических сантиметрах(м³) на 100г сплава (при нормальных условиях). Зависимость растворимости газа в жидком металле S от давления определяют по формуле А сиверт

Где, Р- парциальное давление газа в кг/см³

А – постоянная для данного металла и газа величина.

Одним из эффективных средств удаления газов из металла является вакуумирование, т. е выдерживание или переливание его в расплавленном состоянии в вакууме. Водород образует растворы почти во все основах литейных сплавов. Особенно велика растворимость водорода в важнейших тугоплавких металлах.

Азот растворяется в железе примерно в тех же количествах, что и водород. Однако его растворимость в γFe достигает 18-20 см³/100г и значительно выше, чем в αFe и βFe в твердом состоянии. Участие азота в образовании газовых пустой в железных сплавах невелико, поэтому его отрицательное влияние гораздо меньше, чем водорода.

Кислород со всеми металлами образует окислы которые являются неметаллическими включениями. Его растворимость в твердых чистых металлах очень мала.

Хлор является инертным газом по отношению к алюминию и магнию, в других металлах он не встречается.

Аргон и гелий инертны по отношению ко всем металлам. Реальные содержания газов в литейных сплавах всегда существенно меньше, чем и растворимость в твердом состоянии при температуре кристаллизации.

В условиях кристаллизации при малых коэффициентах распределения концентрации растворенных газов около границы зерен возрастают. Однако газы, в особенности водород, обладают в металлах высокой скоростью диффузии, и это снижает вероятность их выделение. Кроме изменение растворимости, образование газовых пузырей возможно за счет протекания реакции с получением газообразных продуктов. Например, при недостаточно раскисленной стали в рез увеличение концентрации углерода и кислорода вблизи границы твердой фазы при кристаллизации, протекает реакция. Fe+C=Fe+Co↑

Для образования самостоятельной фазы в жидком металле газовый пузырек должен преодолеть давление атмосферы Ра, гидростатический напор Рн и поверхностное натяжение металла Ϭ.

Для того, чтобы пузырек мог расти, давление Р в нем должно отвечать следующему неравенству:

Где, r – радиус пузырька.

Для уменьшения содержания газов в литом металле проводятся следующие основные мероприятия:

1. Пересечения всех путей попадания газов в жидкий металл:

- применение незагрязненной шихты;

- защита металла при плавке шлаками и флюсами;

- плавка и разливка в атмосфере инертны газов или вакууме.

2. Продувка жидкого металла инертными газами; введение в сплавы соединений образующих при взаимодействии с металлом инертные газообразные вещества; перелив и выдерживание металла в вакууме (вакуумирование)

3. Обработка металла веществами, связывающими газы в устойчивые соединения; раскисление металла.

4. Применение некоторых специальных мероприятий:

- нагрев легкоплавких металлов до температуры кипения;

- Вымораживание, заключающееся в предварительной расплавкой в чушки для удаления избытков газов, с последующей переплавкой;

- вибрационная обработка, способствующая дегазации.

Усадочные процессы.

Физическая природа усадки.

Под усадочными процессами понимают совокупность явлений сокращения размеров и объема металла, залитого в форму, при его затвердевании и охлаждении. В отдельных случаях при кристаллизации литейных сплавов происходит выделение новых фаз с увеличенным удельным объемом, что уменьшает усадку на отдельных этапах формирования отливки. Усадочные процессы вызывают появление в отливках различных дефектов, к которым относятся:

Усадочные пустоты (усадочные раковины, усадочная пустота), усадочные деформации (линейная усадка, коробление), трещины, остаточные напряжения.

Усадка тела при охлаждении происходит в результате развития ангармонической составляющей колебания атомов около их средних положений. При абсолютном нуле среднее расстояние между атомами минимально и равно r_о, при повышении температуры до Т, оно увеличивается до r_t в результате большого отклонения от среднего значения правой ветви кривой колебаний, чем левой. (См. рис.)

При аллотропических превращениях в твердом состоянии, выражающихся в изменении типа и параметров решетки, происходят скачкообразные изменения размеров тела.

Зависимость расстояний между соседними атомами r от температуры Т при гармонических (1) и ангармонических (2) колебаниях.

Они могут появляться как в сжатии так и в расширении.

При затвердевании объем металлов обычно сокращается, однако для галлия, сурьмы, висмута и лития затвердевания сопровождаются не сжатием, а расширением.

Численные характеристики изменений размеров тел при охлаждении называют коэффициентом усадки. Коэффициенты усадки могут выражаться в объемных или линейных величинах в доля единицы или в %. Для оценки усадки в жидком состоянии при затвердевании естественно использовать объемных единиц, однако в некоторых случая (например в ртутном термометре) применяется и линейные единицы. Усадка в твердом состоянии, как правило, оценивается в линейных единицах. Фактически любая усадка является объемной.

Применяются следующие виды коэффициентов усадки, выражаемые в долях единицы:

1. Коэффициент усадки в жидком состоянии

Где, V_O и V_τ - объемы в исходном состоянии при температуре Т_О и при нагреве образца до температуры Т.

2. Коэффициент усадки при затвердевании. В этом случае возможны две системы его оценки:

Где, V_Ж и V_{τ -} объемы в жидком и твердом состоянии.

Чаще применяется первая система, но иногда используется и вторая.

3. Коэффициент усадки в твердом состоянии

Где, l_о и l_т – соответственно линейные размеры тела при температурах Т_о и Т.

4. Коэффициент литейной усадки, относящийся к изменению размеров отливки от исходной до температуры окружающей среды, измеряемой в %.

Где, l_о – размер полости формы при заливке.

l – размер при температуре цеха.

Зависимость размеров от температуры для металлов и сплавов, хотя и приближается к линейной, но строго линейной не является. Поэтому коэффициент усадки определяют как средние для определенного интервала температур.

Метод определения коэффициентов усадки в твердом состоянии для литейных сплавов вводится к измерению изменения размеров цилиндрического образца обычно ø 20- 30 мм, длиной 300 – 400 мм при его охлаждении в форме от температуры заливки до нормальной. Образец имеет на одном конце фланец (охлаждаемый металлическим холодильником), жестко связанный с одной из стенок опоки.

Другой конец образца при заливке жестко связывается со стержнем, который в свою очередь, соединен измерителем деформации. Параллельно с измерением усадки при помощи термопары, установленной в середине образца, непрерывно измеряется и температура образца. Зависимость размера образца от температуры (анода от времени) служит основанием для определения коэффициента усадки.