К категории поверхностных изъянов отливок, возникающих вследствие взаимодействия расплава с формовочным материалом, относится ситовидная пористость, представляющая серьезную угрозу для стальных и высокопрочных чугунных изделий.
Данный дефект проявляется в виде непрерывного слоя удлиненных полостей, ориентированных перпендикулярно границе отливки. В научной среде до сих пор ведутся дискуссии относительно механизмов формирования ситовидной пористости в сталях, а также в сером и высокопрочном чугунах.
Поиск первопричин этого дефекта сосредоточен на изучении свойств металла, состава формы и параметров воздушной среды. Ниже представлены ключевые факторы, провоцирующие возникновение ситовидной пористости:
1. Наличие водорода или азота, которые поглощаются расплавом при контакте с формой, либо их совместное воздействие. В процессе кристаллизации растворимость данных газов в металлической фазе стремительно падает, что приводит к их выделению и формированию ситовидной пористости.
2Н - Н2 (ситовидная пористость);
2N - N2 (ситовидная пористость);
Водородная концепция актуальна для сплавов Mg, Al, Cu, Fe, тогда как азотная рассматривается исключительно для сплавов Fe.
2. Синтез СО (характерно только для сплавов железа). В расплаве содержатся оксиды кислорода. Концентрация кислорода повышается при взаимодействии металла с формой из-за образования оксидов FeO на поверхности. При достижении критического уровня кислорода в металле углерод расплава восстанавливает оксиды согласно реакции:
МеО + С (в металле) → Ме + СО (ситовидная пористость).
Сформированные пузырьки СО способны расширяться за счет диффузии водорода или иных газов, объединяющихся в молекулы. СО рассматривается как фактор ситовидной пористости в сталях и чугунах (сером и высокопрочном). В исследованиях Гаака выдвигается теория, что в сером чугуне пористость возникает при наличии корольков внутри газовых каналов в результате реакций:
2Fe2O3+3C (в металле) → 2Fe+3CO (ситовидная пористость)
или
2Fe2O3+3C (в металле) → 4Fe+3CO2 (ситовидная пористость).
Присутствующие газы СО или СО2 способствуют образованию графитовой пленки внутри пузырьков.
3. Выделение водяного пара. Данная гипотеза изначально предлагалась для сплавов Cu, однако она применима и к железным сплавам (в частности, к сталям). В условиях повышенных температур при использовании влажной формы происходит реакция:
МеО + 2Н → Ме + Н2О (ситовидная пористость).
4. Генерация сероводорода. Эта модель специфична для высокопрочного чугуна. При магний-раскислении чугуна образуется MgS, часть которого остается в расплаве. При заливке в сырую форму инициируется процесс:
MgS + H2O → MgO + H2S (ситовидная пористость).
Резюмируя, пористость в железных сплавах преимущественно возникает при работе с сырыми формами. Для сталей основным детерминантом ситовидной пористости считается СО, тогда как в чугунах (особенно высокопрочном) доминирующую роль играет водород.
Тем не менее, процесс формирования ситовидной пористости крайне сложен, так как на него одновременно воздействуют и другие компоненты: азот, водяной пар, углекислый газ и прочие газы.
Для минимизации риска возникновения дефекта требуется качественное раскисление металла и обеспечение надежной изоляции стали от влаги и водяного пара. Для этого крайне важно обеспечивать тщательную просушку футеровки печей и любого оборудования, соприкасающегося с жидким металлом.