Взаимодействие металлических расплавов с кислородом, водородом, азотом. Способы дегазации расплавов

Газы попадают в металл из шихтовых материалов, из атмосферы (при открытой планке) или в результате взаимодействия расплава с материалом формы.

Водород – обладает высокой растворимостью и диффузионной подвижностью вследствие малого диаметра.

В сплавах он составляет 70-90 % всего газосодержания. Источник – водяные пары (Ме+Н2О=МеО+2Н). Как видно, металл восстанавливает водород, который появ­ляется в атомарном состоянии и поэтому очень легко раст­воряется в расплаве. Образующийся одновременно оксид ме­талла может присутствовать в свободном виде или же также растворяться в расплаве. Вода, которая реагирует с металлическими расплавами, представляет собою влагу, адсорбированную исходным твер­дым металлом. Большое количество влаги содержится в не­достаточно просушенных и прокаленных шлаках и флюсах, ко­торые используют при плавке, в плохо просушенной футеров­ке печей, тиглей и. ковшей. Велика роль влаги, содержащей­ся в атмосфере и определяющей ее естественную влажность. Другим источником водорода являются углеводороды нефти и газа, которые при сгорании дают воду и, кроме того, при температуре > 1000 °С сами значительно диссоциируют с об­разованием водорода. Так, у метана СН₄ при 1000 °С сте­пень диссоциации равна 90%. Растворимость водорода в металле зависит от температуры (чем выше температура, тем выше растворимость) (рис.1). При затвердевании металла выделяется большое количество водорода в свободном состоянии и образуется газовая пористость, причем давление в порах высокое. Водород снижает пластичность и вызывает водородную хрупкость, если он остается в твердом растворе внедрения (особенно для высокопрочных сталей и титановых сплавов)

1, 2 – твердом и жидком алюминии; 3, 4 – в меди; 5, 6 – в железе; 7, 8 – в никеле; 9, 10 – в магнии

Рис.1. Влияние температуры на растворимость водорода

Азот. Обладает хорошей растворимостью, попадает из атмосферы при высоких температурах. Образует стойкие нитриды с Ni, Mo, Cr и др. Металлы с малой темпера­турой плавления, включая медь, не растворяют азот, нахо­дясь в жидком состоянии. Большинство из них вообще не да­ют с азотом каких-либо соединений, поэтому для них азот является практически нейтральным газом. Исключение со­ставляют Мg и Аl, которые при повышенных температурах мо­гут давать нитриды. Прочие более тугоплавкие металлы, начиная с марганца, растворяют азот, будучи в жидком состоянии. Взаимодействие расплавов с молекулярным азотом при температуре 1700...1800 °С проходит с малой интенсивностью, что объясняется большой прочностью связи атомов в молекуле Ы2 и малой степенью диссоциации (< 0,1% при 2000 °С). Если же по каким-либо причинам над распла­вом появляется атомарный азот, переход газа в раствор резко ускоряется. Растворение азота в жидких марганце, никеле и железе является эндотермическим процессом, поэтому с ростом тем­пературы растворимость увеличивается. При понижении тем­пературы и особенно при кристаллизации снижение раствори­мости может вызвать появление в этих металлах газовой по­ристости азотного происхождения. Азот, растворенный в  расплаве, как уже указывалось, | способен вызвать образование газовой пористости в литом металле. Азот, оставшийся в твердом металле, нередко яв­ляется причиной резкого снижения пластичности металла, особенно если образует хрупкие нитридные фазы. Это харак­терно для хрома и сплавов на его основе. В то же время азот оказывается желательным легирующим элементом в неко­торых сталях, так как способствует получению аустенитной структуры с ГЦК-решеткой. Кроме того, азот широко используется при химико-термической обработке для азотирования и нитроцементации сталей. Процессы основаны на получении| нитридов железа и хрома, устойчивых лишь в твердом ме­талле

Кислород. Растворимость его в твердых чистых металлах очень мала. Со всеми металлами он образует окислы, которые являются неметаллическими включениями и оценивать его следует с этих позиций.

Меры по снижению газосодержания можно разделить на З группы

1) дегазацию шихтовых материалов, предупреждение поглощения газов во время плавки, при выпуске в ковш, заливке в формы и в процессе затвердевания отливки;

2) дегазацию жидкого металла перед заливкой вакуумирование сплава, фильтрация, продувка инертными газами, ультразвуковая обработка;

3) предупреждение выделения газов из раствора в процессе кристаллизации отливки (например, повышенное до 4-5 атм давление над кристаллизующимся сплавом и аналогично действует ускоренное охлаждение).