Литье по газифицируемым моделям - Шуляк B.C.
ISBN 978-5-91259-011-5
Скачать (прямая ссылка):
В полости формы, полученной по извлекаемым моделям, при заливке ее металлом находится воздух, в составе которого 75,5 масс. % азота и 23,2 масс. % кислорода. Водород в период заливки формы металлом может содержаться в незначительном количестве в результате диссоциации воды или при термической деструкции связующих компонентов, входящих в состав формовочной смеси или стержней. Существенное различие в составе газовой атмосферы при литье по газифицируемым и извлекаемым моделям в полости литейной формы при ее заливке металлом значительно влияет на кинетику взаимодействия газов с расплавом. Газовое давление в форме при литье по газифицируемым моделям не превышает 0,002 МПа, и только при получении крупных отливок массой более 1000 кг давление в зазоре 8 может достигать 0,027-0,038 МПа.
163
При таких давлениях растворимость двухатомных газов в жидком металле подчиняется закону Сивертса [12]
Сп=К^9 (4.25)
где Рп — парциальное давление газа; К — постоянная, практически не зависимая от парциального давления.
Процесс растворимости газа в жидких металлах проходит те же стадии, что и процесс растворимости углерода: диффузия молекул газа к границе металл—газ, адсорбция газа на поверхности металла, диссоциация молекул газа на атомы и переход из адсорбированного состояния в абсорбированное.
В реальных растворах, которыми являются железоуглеродистые сплавы, на растворимость газов значительное влияние оказывают посторонние примеси. Поэтому растворимость газов рассматривают с позиций термодинамической активности их, используя теорию регулярных и разбавленных растворов [12, 14]. Азот и водород образуют в железоуглеродистых сплавах растворы внедрения, т. к. отношение их атомных радиусов к атомному радиусу железа менее 0,59. Азот не является поверхностно-активным веществом, поэтому присутствие в металле поверхностно-активных элементов, таких как кислород, сера, может значительно уменьшить его растворимость. Азот характеризуется низкой диффузионной подвижностью атомов в растворе железа, что обусловлено силами его химического взаимодействия с компонентами сплава; в результате этого могут выделяться нитрид-ные фазы. Предельная растворимость азота в у-Ре может быть определена по уравнению
№%] = — -1,154.
В зависимости от сил химической связи между атомами N-11, где Я — металл, растворимость азота может увеличиваться или уменьшаться. Так, Мп, Сг, V образуют прочные связи N-11, увеличивают растворимость азота, в то время как связь В, С, Р и 81 с азотом значительно слабее, чем с Ы-Ре, и они уменьшают растворимость N в у-Ре сплавах. Элементы, образующие растворы внедрения в железоуглеродистых сплавах, также уменьшают растворимость азота. Коэффициент диффузии азота при малых концен-
164
трациях посторонних примесей мало зависит от концентрации азота в газовой фазе и является величиной постоянной [10].
В отличие от азота водород обладает высокой диффузионной подвижностью атомов. Так, при 1600 °С для водорода /)н = = 3,51 • 10~3 см2/с, в то время как для азота Г>^ = 5,5-3,78 • 10~3 см2/с, а для кислорода ?>0 = 1,22 • 10^ см2/с, что объясняется значительно меньшим радиусом атома водорода и его слабым химическим взаимодействием с примесями в железоуглеродистых сплавах. При температурах 1535-2000 °С и атмосферном давлении предельная растворимость водорода в железе определяется уравнением [15]
№%] = -1у°-1,677.
Углерод и кремний уменьшают растворимость водорода в железе, т. к. они заполняют дырки в а-зоне железа, уменьшая тем самым абсорбцию металлом водорода. Сера и фосфор незначительно влияют на растворимость водорода, марганец и хром несколько увеличивают его растворимость в железе, а медь не оказывает практически никакого влияния. При рассмотрении кинетики растворения водорода в сплавах железа при низкой концентрации примесей для отливок с толщиной стенок до 60 мм необходимо учитывать значительное снижение коэффициента диффузии водорода с увеличением в сплаве содержания углерода [10]:
18Аре-с) = №-0,47(%С),
где ?>н = 7,8 • 10^ • ехр(-2400/ЯТ), см2/с.
Таким образом, растворимость азота и водорода в железоуглеродистых сплавах при ЛГМ должна увеличиваться по сравнению с производством отливок по извлекаемым моделям, т. к. парциальное давление водорода значительно выше в полости формы, а отсутствие кислорода в газовой фазе способствует адсорбции Ы2 и Н2 на поверхности расплава. С другой стороны, наличие адсорбированного углерода повышенной концентрации в поверхностном слое расплавленного металла в зоне его взаимодействия с газовой фазой уменьшает растворимость газов.
При ЛГМ технологические параметры оказывают значительное влияние на процесс растворения газов в жидком металле, т. к. они изменяют термодинамические параметры самого процесса.
165
На рис. 4.10-4.13 приведены усредненные данные многочисленных экспериментальных исследований содержания газов в отливках из железоуглеродистых сплавов в зависимости от технологических параметров формы при температурах заливки металла 1350 °С (чугун) и 1560 °С (сталь). На рис. 4.10 видно, что содержание азота и водорода несколько выше в отливках при ЛГМ, чем в контрольных, полученных по извлекаемым моделям в сырых песчано-глинистых формах. Содержание кислорода в обоих случаях остается практически на одном и том же уровне. Увеличение газопроницаемости формы при ЛГМ уменьшает количество азота. Количество водорода с увеличением толщины стенки отливки возрастает. Повышение содержания азота в отливках из чугуна по сравнению с контрольной объясняется отсутствием кислорода в газовой атмосфере в полости литейной формы, что увеличивает адсорбцию азота на поверхности металла и приводит к увеличению его растворимости [17]. Увеличение газопроницаемости формы снижает общее и парциальное давление газов в полости формы, что в соответствии с законом Сивертса снижает их растворимость в металле. Повышение количества водорода в отливках с толщиной стенки 40 мм можно объяснить увеличением числа Ые и, следовательно, увеличением доли конвективного массопереноса в общем процессе растворения водорода в металле.
