Взаимодействие металлов с газами (взаимная инертность, нерастворимость, образование растворов)

Качество отливки во многом зависит от взаимодействия металлов (особенно из жидких расплавов) с газами.

При изготовлении литых деталей насыщение металла газами может происходить в процессе плавки при применении влажных шихтовых материалов, за счет атмосферы плавильной печи, вследствие протекания реакций между металлом и шлаком, а также за счет газов, выделяющихся во время заливки из материалов литейной формы. Отмечается усиленное поглощение газов при нагреве до температуры плавления и увеличение газонасыщение расплава вплоть до начала кипения металла. Выделяющиеся при кипении расплава пары предохраняют его от насыщения газами, и растворимость газов в металле резко снижается.

В сплавах, содержащих компоненты, температура кипения которых сравнительно невысокая, поглощение газов незначительно (например, медно-цинковые сплавы).

Основная масса газов выделяется в период затвердевания сплава, что приводит к образованию газовых раковин вследствие затвердевания в первую очередь поверхности отливки и из-за того, что газы не успевают выделиться и остаются в металле, под затвердевшей коркой.

Газы в металлах и сплавах находятся в виде жидких и твердых растворов, в виде химических соединений и в свободном виде.

Возможны три случая взаимодействия газов с расплавами.

• 1) полная взаимная инертность. Она наблюдается, например, при плавлении любых металлов в среде инертных газов (аргона, гелия и др.);
• 2) газ практически нерастворим в металле. Образующиеся химические соединения в виде жидких капель, плен или кристаллов, проникая в металл, загрязняют его;
• 3) газы образуют с металлом растворы. Количество растворенного в металле газа т зависит от давления газа р и температуры Т:

где к — постоянный коэффициент; R — газовая постоянная, AQ — теплота растворения 1 моля газа в расплаве. Значение AQ может быть как положительным, так и отрицательным.

При AQ > 0 процесс растворения газа сопряжен с поглощением теплоты и является эндотермическим. В этом случае повышение температуры вызывает увеличение содержание газа в металле (рис. 6.11, кривая 1). При AQ < 0 растворение газа сопровождается выделением теплоты, т. е. является экзотермическим процессом, и повышение температуры вызывает снижение содержания газа в растворе (рис. 6.11, кривая 2).

При эндотермическом процессе вследствие избыточного для низких температур количества газа в расплаве в ходе кристаллизации образовываются пузыри, которые и являются причиной появления газовой пористости.

бб.

Рис. 6.11. Зависимость растворимости газов в металлах от температуры:

1 — эндотермический процесс; 2 — экзотермический процесс В литейных сплавах могут находиться следующие газы: Н₂, N₂, 0₂, СО, С0₂, СН₄.

В табл. 6.1 приведены данные о взаимодействии жидких металлов с различными газами (водородом, кислородом, азотом). Знак «+» указывает на значительную растворимость, знак «-» — на незначительную растворимость.

Таблица 6.1

Растворимость жидких металлов с газами и углеродом.