Повышение газосодержания расплава не обязательно сопровождается снижением горячеломкости, так как могут действовать другие факторы. Например, газосодержание обычно возрастает с увеличением перегрева расплава, а горячеломкость при этом не снижается, а наоборот, растёт. Последнее обусловлено тем, что отрицательное воздействие укрупнения зерна перекрывает положительное влияние роста газосодержания на горячеломкость. Аналогичное явление можно встретить и при увеличении продолжительности выстаивания расплава. Интересно, что на отливках из некоторых сплавов наблюдается исчезновение трещин при большом перегреве расплава. Например, на кольцевых пробах из бронзы с 3% Sn при достижении температуры расплава 1280 ° кристаллизационные трещины полностью исчезали, но появлялись газовые раковины. Как видно, сильное газопоглощение перекрыло здесь влияние укрупнение зерна на горячеломкость. Встречаются случаи, когда плотные оливки из разных сплавов бывают сплошь поражены трещинами, а пористые отливки из тех же сплавов получаются без трещин.
Если введение газа в расплав уменьшает горячеломкость, то естественно было ожидать усиления горячеломкости при дегазации расплава. Дегазацию производили методом вакуумирования. Мерную порцию расплава отбирали из лабораторного миксера и переливали в графитовый тигель вакуумной печи. Дегазация производилась в течение 2.5-5 минут при разрежении 0.4-0.6 мм рт. ст. и при температуре, на 100 ° превышающей точку ликвидуса. Наблюдавшееся в смотровое стекло вспучивание зеркала расплава под действием интенсивно выделяющихся газов указывало на то, что дегазация действительно происходила.
Парные кольцевые пробы поочерёдно отливались из исходного и вакуумированного расплавов (по семь-восемь пар колец из каждого сплава).
Средние показатели горячеломкости приведены в таблице 2. Опыты полностью подтвердили предположение об усилении горячеломкости под действием вакуумной дегазации.
Таблица 2. Горячеломкость и линейная усадка алюминиевых сплавов до и после вакуумирования сплава
Сплав | Горячеломкость, % | Полная линейная усадка, % | ||
| Исходный сплав | Вакуумированный сплав | Исходный сплав | Вакуумированный сплав | |
| В95 | 60 | 74 | 1.61 | 1.73 |
| Д16 | 44 | 86 | - | - |
| Alc 0.7% Si | 16 | 47 | 1.81 | 1.88 |
| Al c 3.5% Cu | 58 | 100 | - | - |
Одновременно с горячеломкость измеряли линейную усадку. Если при введении газа в расплав линейная усадка снижалась, то после вакуумной дегазации свежерасплавленного она возрастала, что и является причиной уменьшения запаса пластичности в твёрдо-жидком состоянии и роста горячеломкости.
1.1.3. Влияние состава сплавов на горячеломкость
Исследование зависимости горячеломкости от состава в количественной форме впервые было выполнено Вэрэ на примере системы Al – Si. По его данным, при добавлении кремния к алюминию горячеломкость возрастала, достигала максимума при содержании 1.6% Si и при переходе через эту концентрацию скачком падала до нуля. Хотя наличие такого скачка в дальнейшем не было подтверждено, но работа Вэрэ сыграла важную роль: в ней впервые по экспериментальным данным был построен график «горячеломкость – состав», показавший, что при увеличении концентрации второго компонента горячеломкость проходит через максимум и практически исчезает при достижении некоторого критического количества эвтектики. Такая закономерность в качественном виде была подмечена ещё в более ранних работах. По данным Шейера, в системах Al – Cu и Al – Zn наиболее сильно были поражены трещинами кокильные образцы сплавов, содержащих около 1% второго компонента, с увеличением концентрации которого склонность к образованию трещин явно уменьшалась, а при содержании меди свыше 8% и цинка выше 50% трещины совсем не появлялись.
Рассмотрим более детально влияние состава на горячеломкость сплавов
эвтектической системы, проводя сопоставление экспериментальных данных с диаграммой состояния. Так как при литье и сварке всегда развивается дендритная ликвация, то вполне естественно, что неравновесность кристаллизации учитывалась начиная с самых ранних работ, анализировавших зависимость горячеломкости от состава.
От равновесной диаграммы состояния так называемая неравновесная диаграмма отличается сдвинутой в сторону компонента концентрационной границей появления эвтектики и, соответственно, сдвинутой линией солидуса, а также пониженной температурой эвтектической кристаллизации. Переохлаждение эвтектики сравнительно невелико и обычно намного меньше эффективного интервала кристаллизации. Поэтому для анализа горячеломкости оно существенного значения, как правило, не имеет, и далее учитываться не будет. Сдвиг же границы появления эвтектики от точки предельной растворимости в сторону ординаты компонента оказывает решающее влияние на состав сплава с максимальной горячеломкостью и его всегда приходится учитывать. В системах на основе алюминия и магния уже при медленном охлаждении сплавов с печью наблюдается сильный сдвиг границы появления эвтектики от точки предельной растворимости, а при охлаждении образцов в интервале кристаллизации со средней скоростью порядка 100 град/мин эвтектика в большинстве систем появляется при содержании лишь десятых долей процента второго компонента.
Эффективный интервал кристаллизации при добавлении к чистому металлу второго компонента возрастает, достигает максимума на концентрационной границе появления эвтектики и затем постепенно уменьшается до нуля в точке совпадения температуры начала линейной усадки с эвтектической горизонталью. Горячеломкость тем больше, чем больше эффективный интервал кристаллизации, и поэтому состав сплава должен совпадать с границей появления эвтектики. Это положение сыграло важную роль в изучении зависимости горячеломкости от состава, так как оно позволило связать сопротивляемость сплавов образованию трещин с диаграммой состояния и, в первом приближении, предсказать область составов наиболее горячеломких сплавов. Но уже в работе А.А. Бочвара и З.И. Свидерской отмечалось, что в системе Al – Cu сплав с максимальной горячеломкостью содержал, по данным микроскопического анализа, небольшое количество эвтектики. Дальнейшее накопление экспериментальных данных показало, что во многих системах максимум на кривой «горячеломкость – состав» несколько сдвинут, по сравнению с
границей появления эвтектики, в сторону большей концентрации легирующего элемента.
Причину несовпадения максимумов горячеломкости и эффективного интервала кристаллизации можно понять, если учесть влияние на горячеломкость пластичности и линейной усадки и зависимости этих свойств от состава сплава. Рассмотрим в качестве примера систему Al – Cu. Горячеломкость и концентрационную границу появления эвтектики определяли на одних и тех же образцах – кольцевых пробах при средней скорости охлаждения в интервале кристаллизации 350 град/мин. Если использовать алюминий чистотой 99.96%, то сплав с максимальной
горячеломкостью содержит 0.7% Cu, а граница появления эвтектической составляющей проходит при 0.2% Cu. У малолегированных сплавов Al – Cu в нижней части интервала кристаллизации остаётся очень немного жидкой фазы в виде изолированных включений, не вызывающих межкристаллитного разрушения. Поэтому у этих сплавов нижняя граница температурного интервала хрупкости находится значительно выше неравновесного солидуса (эвтектической температуры), а сам интервал хрупкости значительно уже эффективного интервала кристаллизации. С увеличением содержания меди интервал хрупкости расширяется. Вместе с тем, у сплавов, содержащих до 1% Cu, относительное удлинение внутри интервала хрупкости находится на очень низком уровне и практически не зависит от состава. Так как повышение содержания меди до 0.7 – 1% не изменяет относительного удлинения в интервале хрупкости, но расширяет его и увеличивает в нём линейную усадку, то запас пластичности в твёрдо-жидком состоянии снижается. При увеличении содержания меди свыше 1% интервал хрупкости ещё продолжает расширяться, но при этом, благодаря увеличению количества жидкой фазы по границам зёрен, значительно возрастает относительное удлинение, им запас пластичности повышается.
Таким образом, объяснение несовпадения максимумов горячеломкости и эффективного интервала кристаллизации сводится к следующему. У сплава алюминия с 0.2% Cu, расположенного на концентрационной границе появления эвтектики, эффективный интервал кристаллизации максимален, но температурный интервал хрупкости меньше, чем у несколько более легированных сплавов. Поэтому при практически одинаковом удлинении в интервале хрупкости наименьшим запасом пластичности в твёрдо-жидком состоянии, т.е. максимальной горячеломкостью, обладает сплав алюминия с 0.7% Cu, содержащий больше второго компонента, чем сплав с максимальным эффективным интервалом. Это положение справедливо для большинства систем эвтектического типа (рисунок 3). Например, в системе Al – Zn максимум горячеломкости приходится на 6% Zn, а максимум эффективного интервала кристаллизации – на 3% Zn (граница появления эвтектики определена на шлифах из кольцевых проб).
Точно определить состав наиболее горячеломкого сплава можно только прямыми опытами. Но в практическом отношении немаловажно, что по микроструктуре можноориентировочно оценить сравнительно узкую область составов, где следует ожидать появления максимума горячеломкости. Это – область сплавов с концентрацией легирующих элементов несколько большей, чем на границе появления эвтектики в данных неравновесных условиях кристаллизации, область, где сплавы содержат не более десятых долей процента неравновесной эвтектики.