Кристаллизационные процессы формирования отливок, страница 10

4.4. Поведение газов при кристаллизации металлов и сплавов

Газы в металлах и сплавах в твердом и жидком состояниях образуют химические соединения: оксиды, нитриды, гидриды; растворы; а также могут находиться в молекулярной форме.

Молекулярная форма газов в отливках проявляется в виде газовых пор и раковин, т.е. несплошностей, снижающих механические свойства.

С позиций процесса кристаллизации особое значение имеет рассмотрение изменения растворимости газов при переходе металла из жидкого состояния в твердое. Для большинства металлов и сплавов, применяемых в технике, преимущественная роль в растворении принадлежит водороду и в меньшей степени азоту – для сплавов с высокими температурами плавления. В благородных металлах: серебре и золоте в больших количествах растворяется кислород.

Растворимость газов в металлических расплавах зависит от давления и для двухатомных газов подчиняется параболической зависимости:

 – закон Сивертса, где  – парциальное давление двухатомного газа; k – некоторая константа, зависящая от сплава, растворяемого газа и температуры; С_г – концентрация растворенного газа.

Зависимость константы k от температуры представляют:

, где Q – теплота растворения газа; R – газовая постоянная; Т – абсолютная температура.

Следует отметить, что представленная зависимость растворимости газа от температуры справедлива лишь для ограниченной области температур. При высоких температурах ~ свыше 1/2 Т_кип – температуры кипения металла с ростом температуры происходит снижение растворимости, а при температуре кипения растворимость газа равна нулю (рис. 69).

Возрастание растворимости газа с ростом температуры на восходящей ветви кривой (рис. 69) обусловлено тем обстоятельством, что переходу газа в раствор металла в атомарном состоянии предшествует диссоциация молекулы газа в адсорбированном состоянии. А повышение температуры способствует ускорению диссоциации газовых молекул.

Для фазовых переходов в металлах и особенно для перехода из жидкого состояния в твердое наблюдается скачкообразное изменение растворимости газа. Как показано на рис. 69 при температуре затвердевания концентрация газа в жидком состоянии – С_г(ж) намного больше концентрации в твердом состоянии С_г(тв). В табл. 11 приведены количественные величины растворимости водорода в наиболее распространенных металлах при температуре кристаллизации.

Таблица 11

Растворимость водорода в металлах при температуре кристаллизации

Анализируя данные таблицы, можно видеть, что по аналогии с ликвационными процессами при кристаллизации происходит перераспределение растворенного газа, и соответственно способность металлов к образованию газовых раковин и газовых пор можно оценивать по величине коэффициента распределения газа и абсолютным величинам растворимости. Так известный факт большой склонности меди к газовым раковинам при литье хорошо объясняется данными табл. 11. Если в процессе плавки меди насыщение водородом произошло до максимального предела – 12 см³/100 г и в процессе кристаллизации разность в растворимости газов осуществилась в газовых раковинах и порах, то 8 см³/100 г будет выглядеть как 8 см³ газовых пор на 12,5 см³ объема меди.