Примеси в металлах и сплавах

Все примеси можно разделить на три группы:

— металлы;

— неметаллические включения;

— газы.

Металлы, находящиеся в алюминиевом сплаве, образуют сложную систему структурных составляющих, свойства, количество и форма которых определяют свойство сплава. Металлы, ухудшающие в данной композиции свойства сплава, являются вредными примесями, и содержание их в сплаве ограничивается. В большинстве алюминиевых сплавов вредная примесь — железо, во многих литейных сплавах — цинк и магний, а в деформируемых сплавах — кремний. В ряде сплавов к вредным примесям относятся свинец, олово и др. Ограниченные возможности сортировки лома и отходов по виду сплава, наличие металлических приделок и загрязнений исходного сырья — вот основные пути попадания металлических примесей в сплав.

Сплавы в процессе плавки загрязняются также и неметаллическими примесями: оксидами, нитридами, карбидами и др. Часть из них вносится с шихтой, но основная масса образуется в процессе плавки в результате взаимодействия металла с печными газами и с футеровкой печи. Прежде всего это относится к оксиду алюминия, из которого преимущественно и состоят неметаллические примеси. Твердые неметаллические включения по их размерам можно подразделить на две группы: дисперсные включения оксидов и грубые включения в виде шлака и обрывков оксидной пленки.

Газы, которыми насыщается сплав, вследствие их незначительного растворения в холодном металле, образуют в отливках газовые раковины или поры, значительно ухудшающие механические свойства изделий. Как было показано выше, более 80% содержащихся в алюминии газов приходится на водород.

Склонность алюминиевых сплавов к обогащению твердыми и газообразными неметаллическими включениями в процессе выплавки и высокая устойчивость системы неметаллическое включение — расплав приводят к необходимости его рафинирования, поскольку включения ухудшают ряд свойств сплавов, а следовательно, основные характеристики изготовленных из них изделий.

Методически рафинирование принято рассматривать как две самостоятельные задачи: удаление из расплава неметаллических примесей (газов и твердых частиц) и очистка расплава от металлических примесей. Для решения каждой из них используются отдельные методы, но практически же при удалении металлических примесей часто удаляются также газы и твердые примеси.

В основу всех методов рафинирования от неметаллических примесей заложен принцип фазового разделения расплава, т.е. должны быть решены две задачи: выделение примеси в новую фазу и наиболее полное разделение фаз. Такие примеси можно перевести из расплава в твердое или газообразное состояние, изменив давление или температуру, либо введя в расплав активные вещества, способные выделиться в виде новой фазы. Разделение фаз в данном случае достигается способами, в основе которых лежат следующие закономерности: гравитационные (разделение но плотности); механические (фильтрация); адсорбционные (флюсование и др.); газовые (изменение парциальных давлений).

Указанные закономерности реализуются при использовании Таких методов, как: отстаивание; обработка ультразвуком; вымораживание; введение в расплав веществ, взаимодействующих с газами или изменяющих растворимость газов в металле; продувка инертными или активными газами; обработка флюсами, потоком инертного газа или вакуумом; воздействие электромагнитным или постоянным электрическим полем; фильтрация.

Рафинирование алюминиевых сплавов от металлических примесей осуществляют более сложными способами, чем удаление неметаллических примесей: воздействием химическими реагентами; разделением фаз кристаллизацией; вакуумной дистилляцией; избирательной растворимостью; образованием субсоединений; электролизом, а также комбинацией этих методов.

Электродуговая сварка

Электродуговая сварка является наиболее широко применяемой технологией в процессе сварки металлических элементов. Электродуговая сварка расплавляет кромки элементов при помощи электродугового разряда, которые необходимо соединить. Для процесса сварки необходим источник питания с низким напряжением и сильным током, к которому подсоединяется сварочный электрод и свариваемая деталь.

По принципу действия дуговой разряд преобразует электрическую энергию в тепловую. Температура должна достигнуть 3000–5500 градусов Цельсия, когда газ в разряде переходит в ионизированные частицы, влияющие на присадочный металл. Характер разряда определяется присадочным металлом, характеристиками электрической цепи и защитной среды. Чем более длинной получается дуга, тем выше в ней напряжение. При любых условиях подбирается длина дуги, соответствующая оптимальным параметрам.

Электродуговая сварка может выполняться вручную или с помощью сварочного оборудования. Ручная сварка с защитой зоны сварки относится к наиболее распространенным видам электросварки. Технология используется для сварки легированной и мягкой стали, чугуна, нержавейки и цветных металлов. Электрод представляет собой стержень диаметром до 1 см, который закрепляется электрододержателем. Электрод прикасается к свариваемой детали и замыкает электрическую цепь. При этом конец электрода нагревается. Затем электрод отводят от детали на 3–5 мм, в результате чего возникает дуговой разряд, который продолжает поддерживать ток в цепи. Интенсивный нагрев в месте стыка расплавляет основной металл детали в непосредственной близости от дугового разряда. Конец электрода также начинает расплавляться, и его металл соединяется в сварочной ванне с расплавленным основным металлом.

Необходимо следить, чтобы размер дуги не менялся, и вести таким образом электрод вдоль кромок стыка. В процессе прохождения электрода образуется сварочная ванна из расплавленного основного и электродного металлов, которая сразу же затвердевает. В результате по контуру сварки образуется сварочный валик. Важным в данной технологии является создание плотного флюса — защитной обмазки электрода, защищающей дугу и сварочную ванну от загрязнения атмосферными газами, очистки сварочного металла окислителями, повышения стабильности дугового разряда и ускорения наплавки.

При работе сварочным аппаратом электрическая дуга образуется на электроде сварочного аппарата. При этом в зависимости от характеристик можно использовать переменный или постоянный ток.

Существует также сварка неплавящимся электродом из вольфрама или графита, когда расплавляется только основной или дополнительный присадочный металл, сварка косвенной дугой между двумя неплавящимися электродами и сварка трехфазной дугой, которая идет между самими электродами и между электродом и основным металлом.