Реферат: Образование газообразных включений в алюминиевых сплавах

Образование газообразных включений в алюминиевых сплавах

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Институт цветных металлов и материаловедения

РЕФЕРАТ

Образование газообразных включений в алюминиевых сплавах

Красноярск - 2014

Содержание

Введение

1. Образование газообразных включений. Физико - химические процессы при плавлении алюминия

2. Взаимодействие алюминиевых сплавов с газами

2.1 Взаимодействие с кислородом

2.2 Взаимодействие с азотом

2.3 Взаимодействие со сложными газами

2.4 Взаимодействие с водородом

Водородная пористость алюминия

Водород в алюминиевых отливках

Источники водорода в алюминии

Реакция алюминия с водородом

3. Дегазация алюминиевых сплавов

3.1 Дегазационная установка PAL FI 60R

3.2 Двухступенчатая установка внепечного рафинирования SNIF P-140UHB

Заключение

Список использованных источников

Введение

Алюминий и его сплавы взаимодействуют с газами окружающей атмосферы в основном во время их плавления и разливки. Алюминий и легирующие элементы в сплавах взаимодействуют с водородом, кислородом, азотом, углеродом, парами воды, SО₂, СО₂, СО и различными углеводородами, в результате чего алюминий и его сплавы загрязняются газами и продуктами реакций. Несмотря на возможность взаимодействия алюминия со многими газами, находящимися в атмосфере плавильной печи, миксера и в окружающей среде при разливке, только водород, нитриды, карбиды и оксиды металлов переходят в расплав в количествах, достаточных для заметного влияния на структуру и свойства изделия.

Содержание газов в металлах принято выражать в процентах по массе, мольных процентах или долях, а также объемом газа в 1 см3, приходящимся на 100 г металла. В последнем случае весь содержащийся в металле газ считают выделенным в свободном состоянии и приведенным к нормальным условиям (температура 20 оС и давление 1,01 105 Па).

Взаимодействие жидких металлов с материалами, которые используют для футеровки плавильных печей и разливочных ковшей, а также для изготовления тиглей и кристаллизаторов, многообразно и сложно. Материал плавильной емкости должен прежде всего выдерживать механические нагрузки при соответствующих температурах. Это механическое взаимодействие усугубляется сложными физико-химическими явлениями между расплавом и соприкасающимся с ним твердым материалом. При этом возможны процессы восстановления-окисления, взаимного растворения, не исключено также пропитывание футеровки расплавом.

алюминиевый сплав дегазация газообразный

1. Образование газообразных включений. Физико - химические процессы при плавлении алюминия

Если чистый жидкий металл достаточно долго соприкасается с газовой средой и развиваются процессы, направленные к достижению равновесия в системе, то возможны следующие три типа изменения в составе и состоянии расплава:

. Газовая среда инертна по отношению к жидкому металлу, поэтому ни растворения газа в расплаве, ни образования каких - либо соединений не происходит. Отсутствие растворения газа оценивается с практической точки зрения. Сюда относятся случаи с достаточно малой растворимостью, не имеющей значения для процесса плавки металлов. Отсутствие взаимодействия можно наблюдать между любым металлом и любым инертным газом нулевой группы периодической системы Д.И. Менделеева, а также в некоторых системах металл-водород (металл - олово, свинец и др.), металл-азот (металл - медь, серебро, цинк и др.).

. При взаимодействии жидкого металла с газом отмечается значительная растворимость газа в расплаве. Здесь также имеется в виду практически значимая растворимость, которая ощутимо влияет на качество сплава и определяет технологию плавки. В системах, где происходит подобное взаимодействие, в конечном итоге будут существовать насыщенный газом жидкий раствор и газовая фаза. Возможно также, что по достижении в расплаве предельного содержания газа начнется образование химического соединения между газом и металлом. Для процесса плавки определяющим обстоятельством является именно образование раствора газа в жидком металле. Данный тип взаимодействия наблюдается во многих системах металл-водород.

. Взаимодействие жидкого металла с газом выражается в образовании устойчивых химических соединений металл - газ. Растворимость газа в жидком металле в этих случаях настолько мала, что наблюдается во многих системах металл-кислород (А1-О₂, Mg-O₂ и др.).

Тип взаимодействия жидкого металла с газом определяется природой металла и газа, температурой и давлением газа над расплавом. Для двойной системы металл-газ характер взаимодействия и образующиеся фазы можно довольно легко установить по существующим диаграммам состояния.

Процесс взаимодействия жидкого металла с газами состоит из нескольких ступеней. Поступление молекул газа к поверхности жидкого металла обеспечивается путем молекулярной диффузии и конвективного массопереноса в нем. При давлении, составляющем 10⁴ Па и более, массоперенос в газах осуществляется в основном конвекцией.

Следующая ступень заключается в переходе молекул газа на поверхность расплава. Этот процесс называется адсорбцией. При высоких температурах основная роль принадлежит активированной адсорбции или хемосорбции, которая выражается не только в осаждении молекул газа на поверхности расплава, но и в частичной их диссоциации на атомы. Об этом свидетельствует большая величина теплоты хемосорбции, близкая к теплоте диссоциации двухатомных газов.

Атомы газа, адсорбированные на поверхности расплава, готовы как для образования молекул химического соединения металл-газ, так и для диффузии вглубь расплава. Если взаимодействие состоит в возникновении нерастворимого в. расплаве соединения, то на поверхности расплава начинает нарастать слой этого соединения. Скорость взаимодействия определяется, кроме прочих обстоятельств, сплошностью этою слоя, которую можно оценить, сравнивая объемы образующегося соединения и расходуемого металла с учетом стехиометрии соединения и плотностей металла и соединения.

Если объем возникающего соединения значительно меньше объема расходуемого металла, слой соединения неизбежно должен иметь надрывы и трещины, куда свободно проникает газ. В этих случаях взаимодействие проходит с неизменной скоростью. Если же указанные объемы близки друг к другу, то газ должен диффундировать через слой соединения. Поскольку толщина слоя непрерывно увеличивается, скорость взаимодействия будет уменьшаться. Так происходит, например, взаимодействие жидкою алюминия с кислородом, приводящее к образованию пленки оксида алюминия на поверхности расплава.

При экзотермическом процессе образования соединения металл-газ может происходить местное повышение температуры, приводящее к возгоранию расплава. Это наблюдается, например, при перегреве жидкого магния и его сплавов на воздухе выше 700 ^оС, а также при перегреве цинка выше 600 ^оС.

Если расплав способен растворять газ, то адсорбированные атомы газа диффундируют вглубь расплава. В металлических расплавах газы могут растворяться лишь в атомарном состоянии.

Процесс растворения газа в приповерхностном слое целиком определяется диффузией. В глубине расплава распространение атомов газов осуществляется главным образом конвективным массопереносом.

Нередко вследствие ограниченности массопереноса в жидкой фазе на поверхности расплава возникает слой соединения, хотя во всей массе расплава предельная концентрация газа в растворе еще не достигнута.

Равновесная растворимость [Г] двухатомного газа в металле в общем случае описывается зависимостью

 (1)

где

рг₂ - давление газа над расплавом; A_о - постоянный множитель; ΔН - теплота растворения газа, отнесенная к 1 молю растворенного газа; R - газовая постоянная; Т - температура, К.

Логарифмирование формулы (1) дает следующее выражение:

 (2)

При постоянной температуре зависимость (1) переходит в закон квадратного корня (закон Сивертса): , из которого с очевидностью следует, что растворы газов в металлах одноатомны (k - постоянный множитель).

Во многих системах металл - газ растворение газа проходит с поглощением тепла. Следовательно, величина ΔН > 0, и поэтому увеличение температуры вызывает рост растворимости газа. Имеется также большое число металлов, в которых растворение газа сопровождается выделением тепла (ΔН <0). В таких металлах повышение температуры сопровождается снижением растворимости газа в расплаве.

Изменение растворимости газов в металлах в зависимости от температуры и давления соответствует равновесным значениям лишь при достаточно медленных изменениях внешних условий. Если же эти изменения происходят быстро, растворимость начинает отставать от значений, определяемых приведенными формулами, из-за того, что некоторые из ступеней общего процесса растворения не обеспечивают передачу нужного количества газа. Обычно таким узким местом является диффузия. В итоге получаются завышенные или заниженные значения содержания растворенного в металле газа.

Особенно осложняются явления при уменьшении температуры и давлении газа над расплавом, если при этом должна снижаться растворимость газа. В большинстве случаев газ, выделяющийся из раствора, не успевает проходить через свободную поверхность расплава. Усиливающееся перенасыщение расплава приводит к возникновению внутри него пузырьков газа. Гомогенное зарождение газовых пузырьков в расплаве, по-видимому, невозможно. Они могут возникнуть лишь на готовых зародышах, представляющих собой поры и трещины в нерастворимых в расплаве частицах примесей. Подобные несплошности заполнены инертным для данного металла газами. Именно в эти готовые полости устремляются атомы выделяющихся из раствора газов, и здесь начинает расти газовый пузырек.

Особенность существования газового пузырька в расплаве состоит в том, что давление в нем определяется р_п = р_вн + ρgh + 2σ/г, где р_п - внешнее давление над расплавом; ρgh - металлостатичсское давление, зависящее от плотности расплава ρ, ускорения силы тяжести g, расстояния от зеркала металла (глубины) h; 2σ/г - капиллярное давление, зависящее от межфазной энергии на границе расплав - газ и радиуса пузырька г.

При понижении температуры со скоростью более нескольких градусов в секунду наблюдается неполное выделение газа из раствора в металле. Газ может почти полностью остаться в растворе в случае еще больших скоростей охлаждения. Иначе говоря, происходит закалка раствора газа сначала в жидком металле, а затем и в твердом. Этим явлением широко пользуются при отборе проб расплава для определения содержания газов.

Газы, оставшиеся в пересыщенном растворе в твердом металле, нельзя считать безвредными. Они могут влиять на прочностные свойства, снижать показатели пластичности металла, изменять коррозионные свойства. Происходящий постепенный распад раствора приводит к выделению свободного газа, который скапливается на границах зерен, в микротрещинах, около неметаллических включений, образуя поры. Подогрев ускоряет распад раствора и усиливает опасность разрушения металла. Такие виды брака, как расслоения в деформируемых цветных сплавах, объясняются именно выделением газов из раствора.

2. Взаимодействие алюминиевых сплавов с газами

2.1 Взаимодействие с кислородом

При взаимодействии алюминия с кислородом образуются три соединения: субоксиды алюминия Аl₂О, АlО и оксид алюминия Аl₂О₃. Субоксиды алюминии можно получить лишь искусственно при высоких температурах в высокое вакууме. Обычно встречающееся соединение Аl₂О₃, представляет очень прочное химическое соединение с ничтожно малой упругостью диссоциации паров даже при весьма высоких температурах. Оксид алюминия имеет несколько полиморфных модификаций, образование которых и переход одной в другую зависят от температуры, времени выдержки и состава окружающей среды. Существующие представления о полиморфных модификациях свободного оксида алюминия противоречивы и сводятся к двум направлениям: дискретному и эволюционному.

Сторонники дискретного направления признают существование большого числа самостоятельных дискретных полиморфных модификаций оксида алюминия. Модификация α - Аl₂0₃ представляет наиболее устойчивую форму оксида алюминия. В природе а-А1303 встречается в виде корунда - минерала, обладающего высокой твердостью. Корунд кристаллизуется в гексагональных ромбоэдрах. Расстояние между атомами алюминия составляет 0,136 нм. Оксид алюминия α - Аl₂О₃ является высокотемпературной модификацией, в которую в конечном итоге с повышением температуры переходят все остальные выше названные модификации. При температуре 2050°С α - Аl₂0₃ плавится, а при температуре 3000°С кипит. Рассмотрим структуру и свойства оксида алюминия, образующегося на поверхности алюминия и его сплавов. Известно, что свежевскрытая поверхность алюминия даже при комнатной температуре довольно быстро покрывается оксидной пленкой, толщина которой в первые часы окисления достигает 1,7-2,1 нм. При дальнейшей выдержке алюминия на воздухе происходит медленный рост оксидной пленки в течение 70-80 дней, и ее толщина при 25°С и относительной влажности воздуха 45-55 % достигает 3 нм. Затем рост пленки практически прекращается. Естественная оксидная пленка на поверхности алюминия состоит в основном из аморфной смеси с небольшой примесью кристаллической γ - Аl₂О₃. При нагреве алюминия до 450-500°С оксидная пленка на поверхности алюминия приобретает мелкокристаллическое строение, а при нагреве при температуре 500°С на рентгенограммах появляются линии, отвечающие кристаллической структуре шпинельного типа. С повышением температуры толщина оксидной пленки на поверхности алюминии растет и при температурах, близких к точке плавления, достигает 100 нм. Естественная оксидная пленка на алюминии прозрачна, невидима, компактна и обладает хорошими адгезионными свойствами.

.2 Взаимодействие с азотом

Азот от кислорода отличается меньшей химической активностью, а от водорода - значительно большими размерами атомов. При обычных температурах азот почти не растворяется в металлах, так как степень диссоциации его молекул на атомы очень мала.

В реальных условиях плавки азот не образует ни растворов и ни нитридов с медью, серебром, золотом, оловом, цинком, кадмием, свинцом, сурьмой и висмутом. В алюминии азот тоже не растворяется, но при температуре около 900 ^оС образует с ним устойчивое химическое соединение - нитрид алюминия (AlN), который может находиться в расплаве в виде твердых включений. При температурах менее 750 ^оС азот для алюминия считается нейтральным газом и часто применяется как дегазатор расплавов.

Магний при температуре плавления образует с азотом нитрид магния (Mg₃N₂), который при комнатной температуре разлагается водой с образованием аммиака. В связи с этим присутствие в металле нитрида магния снижает коррозионную стойкость магния и его сплавов.

При плавлении в атмосфере азота меди, серебра, золота, цинка, кадмия, магния, алюминия, олова, свинца, висмута, сурьмы и их сплавов качество литых изделий не ухудшается.