Газовые поры: Виды и причины дефектов

Газовые поры, часто называемые поверхностными газовыми пузырями, образуются спорадически, охватывают большие площади и могут появиться в любой зоне отливаемой детали. Во многих случаях они становятся видимыми только после механической обработки. Однако их всегда можно увидеть невооруженным глазом. Прежде всего, газовые поры образуются на наружной поверхности литого изделия или сразу же под поверхностью отливки из литейного чугуна с пластинчатым, шаровидным и вермикулярным графитом, а также из ковкого чугуна и литейной стали.
Проявления

Газовые поры могут иметь различную форму – от шаровидных пузырей с исключительно металлической поверхностью или с поверхностью, покрытой тонкой графитовой пленкой, до полостей большего размера и неправильной формы, сопровождающихся вкраплениями шлака или окислений.Существуют водородные поры и водородно-азотные поры (их невозможно отличить друг от друга), а также газовые поры, образующиеся в результате реакций CO-шлака. Среди главных причин данного дефекта следует указать особые свойства железа, с одной стороны, и особые свойства формовочного материала – с другой. В случае бетона образование газовых часто вызвано не одной причиной, а скорее комбинированным воздействием
нескольких взаимно усиливающих факторов. Газовые поры приводят к дефектам таких покрытий, как эмалирование, горячее цинкование, порошковые покрытия, и т. д. Данный дефект, скорее всего, не влияет на способность выдерживать статическое напряжение. В особенности это касается марок высокопрочного чугуна и низких напряжений. В случае обработанных рабочих поверхностей, которые, помимо прочего, должны быть герметичными, данный дефект приводит к отбраковке. Кроме того, неблагоприятное расположение дефекта может негативно повлиять на динамическую прочность. Следовательно, газовые поры недопустимы в деталях ответственного назначения, работающих в условиях вибрационного напряжения.

Причины

Главная причина появления газовых пор обусловлена особыми свойствами металла (т. е. железа), а также свойствами формовочных материалов.

Водородные и водородно-азотные газовые поры образуются в три этапа

Реакция водяного пара с сопутствующими элементами. Образование оксидов металлов и атомарного водорода, который рассеивается в расплавленный металл.Азотно-водородные соединения разрушаются аналогичным образом и таким же образом могут проникать в расплавленный металл.
Микроскопические пузырьки газа образуются в результате реакции между оксидами металлов и находящимся в расплаве углеродом.
Водород и, вероятно, азот, рассеиваются в микроскопические пузырьки газа и увеличивают их размеры.

Металлургические факторы образования газовых пор

Избыточное содержание водорода в расплаве может быть обусловлено присутствием влаги в шихте, использованием мелкозернистых ферросплавов без защитного покрытия, которые часто поглощают воду, использованием ржавого сырья (поглощенные OH-группы), наличием масел и эмульсий, которые выделяют углеводороды, и, в конечном итоге, повышенной влажностью самого воздуха.
Причинами избыточного содержания азота в расплаве может быть азот, содержащийся в стальном скрапе (содержание азота – до 130 частей на миллион, не более 200 частей на миллион), рельсовом скрапе (до
170 частей на миллион), чушковом чугуне (от 10 до 60 частей на миллион) и карбюризаторах (от 0,11 x 104 частей на миллион до 1,675 x 104 частей на миллион).

Содержание азота в литейном чугуне находится в пределах 40-140 частей на миллион. Таким образом, если образование пузырьков спровоцировано извне (например, вследствие индукционного перемешивания), может произойти дегазация. Критический предел образования газовых пор часто указывают равным от 80 до 100 частей на миллион. Хотя даже более низкое содержание в сочетании с осаждением CO может быть критическим.
В противоположность стальному литью, при чугунном литье наблюдается меньшая предрасположенность к поглощению газа, так как углерод и кремний снижают растворимость, а, следовательно, и готовность поглощать водород и азот. Как результат, расплав литейного чугуна с низким уровнем насыщения хромом демонстрирует значительно более высокую восприимчивость. Это также подтверждается частотой образования дефектов при литье из ковкого чугуна, который от природы имеет более низкий уровень насыщения хромом.
Хром, молибден, марганец, ванадий и титан повышают растворимость водорода и азота, тогда как алюминий, фосфор, углерод и кремний наоборот ее понижают. Одно из исследований показало, что в отливках с одинаковым содержанием газа отсутствовали дефекты при содержании алюминия, равном 70 частей на миллион. Однако в тех же отливках, но уже при содержании алюминия, равном 380 частей на миллион, происходило интенсивное образование газовых пор. Более высокое содержание алюминия может привести к переходу содержащегося в чугуне алюминия в оксид алюминия и водород – в водяных парах дымовых газах при заливке. Затем данный водород вызывает образование пузырьков. Именно здесь следует разграничить пузырьки, образующиеся исключительно вследствие металлургических факторов, и реакции на границе раздела фаз между литейной формой, стержнем и отливаемой деталью.

Причины образования газовых пор, связанные с формовочным материалом

Слишком высокое содержание азота в формовочном песке при чрезмерном содержании влаги.
Неблагоприятная газовая среда в полости литейной формы, причины которой следует искать в типе и количестве образующих блестящий углерод материалов.
Слишком высокое содержание азота в формовочном песке или азото-водородных соединений в связующих для изготовления стержней.
В процессе пиролиза связующих (в особенности это касается стержней, которые изготавливаются из смеси песка и термореактивных фенольных смол (по Кронингу)) до формирования твердой периферийной оболочки выделяется большое количество газа.

Данный механизм можно объяснить следующим образом:

В восстановительной газовой среде аммиак разлагается в соответствии с приведенным уравнением:

2NH₃ + N₂ + 3H₂.

При температуре 600 °C и атмосферном давлении аммиак практически полностью рассеивается. При этом объем газа увеличивается вдвое, и из 2 молей аммиака образуется 1 моль азота и 3 моля водорода. Данный водород может вступить в реакцию с осажденной окисью углерода по приведенному ниже уравнению:

CO + H₂ + H₂O + C

Формовочный материал с бентонитовым связующим надлежащим образом не подготовлен, что приводит к присутствию свободной воды, которая не связана с бентонитом (в трехслойном минерале монтмориллонит). Это повышает опасность образования водорода.

Помимо состава чугуна и свойств формовочных материалов, существуют и другие факторы, влияющие на образование газовых пор. Неполное удаление шлака может привести к появлению шлаковых включений, которые могут стать затравкой для образования газовых пузырьков. Даже при полном удалении шлака литейный чугун с шаровидным графитом содержит множество оксидов, которые могут способствовать образованию газовых пор. Шлаг, образующийся при обработке магнием, также играет свою роль, даже при условии, что не совсем ясно, является ли это исключительно механическим фактором образования дефектов, или шлак способствует образованию газа. Кроме того, на появление газовых пор могут оказывать влияние методы литья и устройство литников. Литниковая система с нетурбулентным потоком и кратковременной заливкой снижает тенденцию к образованию газовых пор. Еще одной причиной образования газовых пор могут быть холодные капли. Они окисляются, а затем попадают в поток материала при литье. При этом может протекать реакция с образованием CO. Это и приводит к появлению газовых пор.