Анализ процесса взаимодействия сплава АЛ11 с газами (стр. 1 из 4)

Сплав АЛ11 (АК7Ц9)

Плотность =2940 кг/м³

Предел прочности на разрыв (Н/мм²) =250 (Н/мм²)

Т_sol=570^oC

T_liq=662^oC

∆T_кр=92

Основной химический состав

Сплав АЛ11	Si	Zn	Al
6-8%	10-14%	77.2-86.9%

Fe	Mn	Mg	Cu
До 1,5	0.5	0.1-0.3%	До 0,6%

Допустимое содержание примесей (не более %)

1. Анализ процесса взаимодействия сплава с газами

1.1 Оценить возможность образования в отливке дефектов, обусловленных взаимодействием сплава с водородом, кислородом и другими газами

При взаимодействии сплава с газами (Н, О₂, N) возможно образование следующих дефектов: газовая пористость, газовые раковины, неметаллические включения.

Взаимодействие с газом может протекать по эндотермической и по экзотермической реакции. Взаимодействие водорода со сплавом протекает по экзотермической и эндотермической реакциям. В данном случае водород взаимодействует по эндотермической реакции. Это приводит к образованию в сплаве раствора водорода, а в дальнейшем при кристаллизации возможно образование газовой пористости или газовых раковин.

С кислородом, все металлы взаимодействуют по экзотермической реакции, при этом образуется окислы. Окислы образуют в отливках дефекты в виде окисных плёнок и окисных частиц.

Образующиеся в отливке перечисленные дефекты резко снижают эксплуатационные свойства детали (механические свойства, герметичность, коррозиестойкость).

Данные дефекты литья можно избежать путём: плавки металла в вакууме, плавки под слоем защитного флюса или плавкой в нейтральной среде.

1.2 Предложить теоретически обоснованные мероприятия, направленные на предупреждение насыщения водородом сплава в процессе его приготовления

Источником насыщения водородом в сплавах является влага, которая может находиться:

- в воздухе

- на поверхности плохо просушенного плавильного инструмента или плавильной печи

- на поверхности шихты

Для предупреждения насыщением водородом сплава применяют следующие меры. Так как основное количество водорода в процессе плавки сплав получает из влаги содержащейся на поверхности шихты, плавильного инструмента и атмосферы печи. Необходимо просушить шихтовой материал также необходимо просушить плавильный инструмент, печь и тигель. Для того, что бы в процессе плавки расплав не взаимодействовал с атмосферой печи, плавку следует производить под покровом защитного флюса.

1.3 Предложить теоретически обоснованный метод дегазации сплава перед заливкой

Дегазация путём диффузионного удаления водорода.

Обработка нейтральными (Ar, N₂) или активными (CL₂) газами.

Нейтральный газ не должен содержать водяных паров. В начальный момент образования пузырька нейтрального газа парциальное давление водорода в нём приблизительно равно нулю, поэтому расплав по отношению к пузырьку газа является пересыщенным раствором и водород диффундирует из расплава в пузырёк, поднимается с ним на поверхность и удаляется из металла.

CL₂ является активным газом взаимодействующим с жидким металлом, чистый CL при дегазации не используется т.к. он является отравляющим веществом. Поэтому применяются хлористые соли .

Например MnCl₂:

3MnCl2+2Al→2AlCl3↑+Mn

Эта соль наиболее удобна в применения вследствие её меньшей гигроскопичности (по сравнению с ZnCl2, AlCl3) . Её достаточно просушить в сушильном шкафу при температуре 110-115С. Обычно в сплав вводят 0,05-0,1% соли к массе расплава. Соль вводится в расплав при температуре 710-730С при помощи колокольчика. Операцию рафинирования считают законченной после прекращения выделения пузырьков газа. После рафинирования с поверхности расплава снимают шлак, сплав выдерживают не менее 5-10минут перед заливкой в формы.

1.4 Написать инструкцию по определению содержания водорода в сплаве методом первого пузырька

Метод первого пузырька (метод МАТИ) используется для определения содержания водорода в расплаве перед заливкой отливок. Является экспресс методом, определяющим качество обработки расплава и вероятность образования пористости.

Установка типа МАТИ состоит из следующих элементов: герметичного вакуумного котла с корпусом 7 и крышкой 5, в которой имеется смотровое окно 3; электропечи сопротивления 6 с тиглем 4 (стальной с обмазкой или корундовый); хромель-алюмелевой термопары 2 с диаметром проволоки 0,5—0,8 мм, на которую надевают керамический чехол диаметром 5—7 мм, длиной 50 мм; регистрирующего прибора 8; форвакуумного насоса 1 типа ВН-461, РВН-20 или ВН-494; механического манометра 11 со шкалой от 0 до 101,08 -103 Па (0—760 мм рт.ст.) для грубого замера давления; стеклянного U-образного манометра 12 со шкалой от 0 до 26,6*103 Па (0—200 мм рт. ст.) для более точного замера давления

Содержание водорода в пробе металла

в см3 на 100 г металла рассчитывают как среднее арифметическое двух параллельных определений по таблицам или номограммам, полученным по формуле

Lg S = -A/T+B+1/2•Lg P_атм

где Т — температура расплава, замеренная в момент появления первых пузырьков на поверхности зеркала расплава; Р — давление над металлом, Па, замеренное в момент появления первых пузырьков на поверхности зеркала расплава.

Исследуемый металл помещают в вакуумную камеру, электро-печь поддерживает температуру металла = 700-750⁰С, в камере создаётся разряжение, через линзу наблюдают образование первого пузырька, при это фиксируют температуру металла, в градусах кельвина и давление в вакуумной камере по этим показателям рассчитывают концентрацию водорода которая в этот момент равна его растворимости.

1.5 Предложить теоретически обоснованные мероприятия, направленные на предупреждение взаимодействия сплава с кислородом в процессе его приготовления и заливки

1) Плавка в вакууме (отсутствие кислорода).

2) Плавка в среде нейтральных или защитных газов.

Исключается процесс окисления, нейтральные газы (Ar и N) создают над поверхность расплава нейтральную среду (атмосферу предупреждающую окисление).

Также можно использовать защитные газы они образуют на поверхности расплава плотную плёнку. Используются: смесь аргона с фреоном, углекислый газ, сернистый газ (SO₂), элегаз (SF₆).

3) Плавка под слоем флюса.

Исключается взаимодействие расплава с атмосферой. К флюсу должны предъявляться следующие требования:

А) Температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавки металла приблизительно на 100-200⁰С (т.к. он должен находиться в жидком состоянии чтобы равномерно покрывать всю поверхность расплава)

Б) Флюс должен создавать герметичный защитный слой на поверхности металла.

В) Флюс не должен вступать в химическое взаимодействие с расплавом.

Г) Флюс не должен взаимодействовать с материалом тигля и футеровкой печи.

Д) Флюс не должен быть летучим при температуре плавки

Е) Флюс должен иметь в расплавленном состоянии высокую вязкость, позволяющую легко удалять его с поверхности расплава.

Ж) Флюс не должен быть гигроскопичным, для того чтобы он не вносил влагу в расплав.

4) Защитное легирование.

Применяется в том случае, если не образуется окисная плёнка на поверхности расплава. То в расплав вводят элемент имеющий большее сродство к кислороду и образующий защитную оксидную плёнку.

В результате происходит выборочное окисление расплава и на поверхности образуется защитная плёнка на основе легирующего элемента.

1.6 Предложить теоретически обоснованный метод рафинирования (при необходимости раскисления) сплава перед заливкой

Поскольку при адсорбции водород с Al2O3 образует комплекс, все методы рафинирования направлены на удаления из расплава одновременно и водорода и Al₂O₃.

Эффективная очистка сплава от водорода приводит к очистке его и от окисных плен, и наоборот.

2. Анализ процессов формирования кристаллического строения отливки

2.1 Дать описание структуры сплава отливки в литом и термообработанном состоянии

Структура состоит из твердого раствора кремния в алюминии и эвтектики. Благодаря большому количеству эвтектики силумины отличаются высокими литейными свойствами, а отливки - большой плотностью и герметичностью.

Отличительной особенностью структуры силуминов является игольчатое строение эвтектики у немодифицированных сплавов. Обладая высокой хрупкостью, кремний игольчатой формы способствует зарождению и распространению трещин, из-за чего прочностные свойства сплавов с такой структурой низкие.

2.2 Описать возможные изменения структуры сплава вследствие развития внутрикристаллической ликвации

Ликвация – неравномерное распределение одного или нескольких компонентов среди других компонентов сплава, вызванное медленно протекающим процессом выравнивающей диффузии. Внутри- кристаллическая ликвация (ВКЛ) возникает только при кристаллизации сплава в интервале температур с образованием твердого раствора.

Сплав АЛ11имеет интервал кристаллизации 92С^о. Следовательно вероятность образования внутрикристаллической ликвации в этом сплаве довольно высока.

При возможном развитии внутрикристаллической ликвации будет наблюдаться неравномерное распределение легирующих элементов по сечению растущего кристалла, оно будет изменяться от минимума у центра кристалла до максимума на его границе. Таким образом, в данном сплаве по границам зерна основного металла (алюминий) возможно выделение фаз кремния и цинка.