Водород в магнии, не содержащем циркония

24.01.2017

В течение некоторого времени было широко распространено мнение о том, что с магниевыми ставами не связано никакой проблемы газов, и это верно в первом приближении вследствие сравнительно высокой растворимости водорода в твердом магнии. Однако с расширением производства магниевых отливок во время второй мировой войны рядом исследователей было замечено, что степень микропористости в крупных отливках из Mg—Al сплавов может быть снижена дегазацией. В это же время Бобалек и Шредер опубликовали статью о методах определения содержания водорода в твердом магнии и Баск н Бобалек — статью о водороде в магнии и его сплавах, Коэнемен и Меткалф провели дальнейшие опыты на чистом магнии, которые включали, пожалуй, единственные достаточно точные определения растворимости водорода в жидком металле.
Баск и Бобалек получили содержание водорода в пределах 10—25 см3/100 г после принятия мер по удалению газа, абсорбированного на поверхности образца. Они не обнаружили какой-либо зависимости содержания водорода от величины зерна и установили, что поглощение водорода твердым металлом сопровождается увеличением параметров решетки и электросопротивления. Исходя из этого они заключили, что водород присутствует в твердом растворе, образуя твердый раствор внедрения.
Водород растворяется в магнии, как и в других металлах, в атомарном состоянии, поэтому его растворимость должна быть пропорциональна квадратному корню из концентрации водорода в окружающей атмосфере. Однако, как показали Бекер и де Хэвен, Дейвис и Иствуд, магниевые расплавы слабо поглощают водород из печной атмосферы и фактически источником образования газа является реакция взаимодействия металла с влагой шихты, покрытой коррозией, или с влажным флюсом. При этом локальная концентрация атмосферного водорода на поверхности металла значительна и его растворение фактически происходит под высоким давлением молекулярного водорода. Даже на не корродированных образцах для газового анализа Баск и Бобалек получили эквивалент до 6 см3 водорода в виде воды и пара с каждого квадратного сантиметра поверхности Это свидетельствует о том, что на поверхности шихты имеется более чем достаточно потенциального водорода для насыщения металла газом. Вместе с тем большая часть водорода, вероятно, покидает поверхность твердого металла перед начатом плавления, за исключением тех случаев, когда предварительно подогретый металл добавляют непосредственно в расплав, как это делается в американском способе «открытого тигля». Однако в этом случае слой флюса стремится «смочить» и обезводить Mg (ОН) 2 на поверхности твердого метал та, снижая насыщение расплава газом.
Водород в магнии, не содержащем циркония

Баск и Бобалек убедилась, что при выдержке в течение некоторого времени на воздухе содержание газов в магниевых сплавах приближается к постоянному значению и что такое же значение можно получить за один час путем трав тения в кислоте или катодной очисткой. Принимая это значение за растворимость водорода в твердых сплавах в практических условиях. Баск и Бобалек получили результаты, приведенные на рис. 30 и 31.
Они также пытались измерить содержание водорода в жидких сплавах путем быстрого охлаждения и измерения количества выделившегося газа при затвердевании образца под пониженным давлением в закрытой бомбе, наполненной гелием. Результаты измерения (табл. 19) показывают, что при затвердевании магниевых сплавов выделяется значительно больше газа, чем при затвердевании чистого магния. Здесь же в некоторых случаях приведены сравнительные оценки Зауэрвальда, а также Рентгена и Винтерхагера.
В табл. 20 приведены данные Коэнемена и Меткалфа о растворимости водорода в чистом магнии. При сравнении этих данных с данными табл. 19 можно получить представление о вероятном уровне точности.
Водород в магнии, не содержащем циркония

Согласно Виттенбергеру и Paйнису, в полностью дегазированном сплаве Mg—Al отсутствует микропористость, и усадка приобретает форму субмикроскопических пустот. Однако для зарождения микропористости достаточно очень малого количества водорода, и никакие мероприятия до дегазации не предотвратят появления микропор в частях отливок, кристаллизующихся в последнюю очередь.
Если содержание газа в расплаве меньше, чем его растворимость в твердом состоянии, водород, по-видимому, не влияет на степень и распределение микропористости, а следовательно, и на механические свойства отливок при растяжении, по крайней мере, в тех случаях, когда они не содержат массивных частей.
Это подтверждают данные Зауэрвальда по определению предела прочности при растяжении на образцах сплава Mg— 8,5% Al, отлитых в землю из плавок с различным содержанием водорода. По-видимому, присутствие водорода способствует повышению микропористости, но не влияет на механические свойства сплава.
Баск и Бобалек не обнаружили заметного изменения механических свойств при снижении содержания водорода в листах АМ503 и AZG с помощью ионной бомбардировки или травления в кислоте.
Применяя в качестве опытной пробы клин, отлитый в землю, де Хэвен, Дейвис и Иствуд провели важные эксперименты, определяющие влияние поглощения и удаления газа на микропористость. При этом по распределению плотности по высоте металлической пробы судили о присутствии газа в расплаве. Насыщение расплава сухим водородом не влияло отрицательно на качество пробы, но баллонный водород, содержащий влагу уменьшал высоту плотного металла в клине с 90 мм до пуля. Аммиак, пар, гидрид кальция и циркония также сильно снижали качество металла. С другой стороны, пропускание в течение 15 мин через расплав хлора настолько сильно снижало уровень содержания газа, что высота плотного металла в клине составляла около 90 мм даже в том случае, если перед хлорированием она равнялась нулю.
Используя видоизмененный метод Штраубе—Пфейфера, Бекер изучал влияние газа на микропористость в отливках. Он показал, что присутствие газа в расплаве не только интенсифицирует микропористость, по и приводит к появлению микропор на участках отливок, которые в другом случае были бы плотными. Он не обнаружил существенного различия при металлографическом контроле микропористости в отливках из плавок с большим и малым содержанием газа и установил, что практически невозможно визуально или радиографически отличить микроусадку от микрогазовых пустот. Поэтому выражение «микропористость» не имеет какой-либо конкретной природы.
Морозов и Плетнев исследовали зависимость между содержанием влаги во флюсе и водородом в плавках, а также между водородом и микропористостью. Они сделали вывод, что газовая пористость появляется в промышленных условиях при содержании водорода, превышающем 14,5 см3/100 г, причем это значение увеличивается при ускорении охлаждения образцов. Указанное количество в основном соответствует английским производственным данным — без операции дегазации содержание водорода в сплаве A8 обычно составляет около 12 см3/100г.
Эксперименты де Хэвена, Дейвиса и Иствуда показывают, что наиболее важными источниками газа в расплаве являются:
а) влага во флюсе в совокупности с неправильной технологией плавления;
б) влага, абсорбированная на поверхности металла или присутствующая в виде продукта коррозии.
При неправильной обработке на поверхность металла наносили толстый слой флюса и сразу замешивали в расплыв. При соблюдении же технологии плавления полностью расплавляли толстое флюсовое покрытие перед замешиванием в расплав и применяли только легкое распыление флюса во время перемешивания металла. Применявшиеся этими исследователями флюсы содержали до 10—15% H2O, поэтому их насыщающий эффект при неправильном применении был значительно большим, чем эффект английских флюсов Melrasal. Последние содержат около 1% влаги и редко поглощают более 5% даже при выдержке их в течение нескольких дней в открытых барабанах.
Для нормальной практики можно считать типичным следующий уровень газонасыщенности, основывающийся на проверке сравнительно небольшого числа образцов:
Водород в магнии, не содержащем циркония