液态金属凝固的缺陷及控制(机械制造基础论文).doc

气体对于液态金属凝固的影响及控制摘要：焊接或者熔炼的过程中，液态金属会与气体发生相互作用，从而对铸件性能产生影响。通过研究各种气体的来源、气体与金属的相互作用机制、气体对金属质量的影响从而找到控制气体对与金属影响的措施。关键字：气体，液态金属，焊接，铸造，溶解度，氧化，控制措施。Abstract：Welding or smelting process, the liquid metal will interact with the gases, which have an impact on casting performance. Through the study of the origin of the various gases, gas and metal interaction mechanisms, gas quality of the metal to find the control of gas on the impact of the measures with the metal.Key word:gas,Liquid metal,Welding, Casting, Solubility, Oxidation, Control measures一、引言由于气体在液态金属溶解度比小于在固态金属中的溶解度，所以在金属凝固时会析出气体，如果析出的气体没有及时的排除，就会造成气孔的存在。固态金属中的气孔会造成三向受力，除了容易增加气孔的敏感性，使金属的强度下降，更会影响金属的疲劳强度和气密性，容易造成冷裂纹和氧化。所以，有必要研究金属凝固时的气体的来源以及溶解，从而找到措施控制气体在金属中的溶解。二、气体的来源以及产生（1）焊接区焊接区的来源主要来源于焊接材料，如焊条药皮、焊剂及焊芯中的造气剂、高价氧化物和水分等；而气体保护焊时主要来自所采用的保护气体和其中的杂质（如氧、氮、水汽等）。此外，热源周围的空气也是一种难以避免的气体源，焊接材表面和木材破口附着的吸附水，油，锈的氧化皮等也会在焊接时析出气体。除了直接进入的气体外，焊接区的气体主要是通过一些物理化学反应得到的。包括有机物的分解和燃烧（如(C6H10O5）m+7/2mO2(气)=6mCO2(气)+5mH2（气）)，碳酸盐的高价氧化物的分解(如CaCO3=CaO+CO2;MgCO3=MgO+CO2)，材料的蒸发。（2）铸造区铸造时的气体主要来源于熔炼过程、铸型和浇注过程。1.熔炼过程 气体主要来源于各种炉料、炉气、炉衬、工具、溶剂、及周围的气氛中的水分、氮、氧、氢、CO2、CO、SO2和有机物燃烧时产生的碳氢化合物。2.铸型 来自铸型中的气体主要是型砂中的水分。3.浇注过程 浇包未烘干，铸型浇注系统设计不当，铸型透气性差，浇注速度控制不当，型腔内的气体不能及时排除等。都会是气体进入液态金属。三、气体在金属中的溶解（1）气体的溶解过程气体在高温下可以分子、原子或者离子状态存在。原子或者离子状态的气体可以直接溶入液态金属，而分子状态的气体必须分解为原子或者离子，才能溶解到金属中。气体溶入金属溶液的方式很多，但是必须首先趋近金属表面，然后以原子状态溶入金属内部。气体溶入液态金属时，扩散过程起着关键作用，它决定决定气体溶入的速度。显然金属表面与内部气体原子的浓度差越大，气体的压力或者温度越高，扩散速度越快。（2）气体的溶解度在一定温度和压力下，气体溶入金属的饱和浓度，成为该条件下的气体的溶解度。气体在金属中的溶解度与压力，温度，合金成分有关。对于一定成分的合金，影响气体溶解度的主要是温度和压力。1 温度和压力对于溶解度的影响有物理化学可知，双原子气体的溶解度S与温度与压力的关系为S=K0exp(-) 1式中，K0为常数；p为气体压强；dH为气体溶解热；R为气体常数；T为绝对温度。 压力的影响 当温度一定时，双原子气体的溶解度与其分压的平方根成正比，这一规律称为平方根定律，可表示为S=K 1式中，K为气体溶解反应的平衡常数，取决于温度和金属种类。 温度的影响当压力不变时，溶解度与温度的关系取决于溶解反应的类型是吸热还是放热。对于金属影响最大的氮和氢在各种合金溶解反应如下表所示气体金属与合金溶解反应类型形成化合物倾向氮铁和铁的合金吸热反应能形成稳定的化合物Al、Ti、V、Zr等金属合金放热反应氢Fe、Ni、Al、Cu、Mg、Cr、Co等金属合金吸热反应能形成稳定的化合物Ti、Zr、V、Nb、Ta、Th等金属及其合金放热反应不能形成稳定的化合物 1金属发生相变时，由于金属结构组织的变化，气体的溶解度将发生突变。液相比固相更有利于气体的溶解。当金属由液相转变为固相时，溶解度突然下降对于铸件和焊件有着直接的影响。四、气体对于金属的氧化(1) 自由氧对金属的氧化 气相中的O2分压超过FeO的分解时，将使Fe氧化。Fe+O2 FeO+26.97kj/mol 1Fe+OFeO+515.76kj/mol 1由反应来看，原子氧对于铁的氧化比分子更激烈。除了铁以外，钢液中其他的元素对于氧的亲和力比氧大的也会发生反应。如C+O2CO2Si+O2SiO2Mn+O2MnO(2) CO2对金属的氧化CO2+FeCO+FeOlgK=-+6.855温度升高时平衡常数K增大反应向右进行，促使铁氧化。计算表明，即使有很少的CO2，对铁也有很大的氧化性。因此对与CO2做的保护气体，只能避免氮的侵入，不能避免金属的氧化。(3) H2O对于金属的氧化H2O+FeFeO+H2lgK=-+5.5 1可见，温度越高，H2O的氧化性越强。比较上面两个方程式，在液态铁的温度H2O的气体氧化性低于CO2，但是H2O除了使金属氧化外，还会提高H2的分压，导致金属增氢。五、气体的影响与控制（1）气体对于金属质量的影响气体在金属中无论以何种形式存在，都会对金属的性能产生一定的影响。氮、氢、氧时最常见的几种气体，他们对于金属材料的影响大致有以下几个方面。1.使材料脆化 钢材中的氮、氢、氧和含量增加时，其塑性和韧性都会下降，尤其是低温韧性下降更为严重2.形成气孔 氮和氧均能使金属产生气孔。液态金属在高温时可以溶解大量的氢或氮，从而在凝固时形成气孔。3.产生冷裂纹 冷裂纹是金属冷渠道较低温度下产生的一种裂纹，其危害性很大。根据实验，氢是产生冷裂纹的主要原因。4.引起氧化和飞溅 氧可使金属中有益元素氧化，致使金属性下降。（2）气体的控制措施 1.控制气体来源 氮主要来源于空气，它一旦进入金属，去除就比较困难。因此首要措施是加强对于金属的保护。比如，根据熔炼期配置不同组成和足够的熔渣；液态金属出炉后液态金属出炉后在浇包的液面上覆盖剂覆盖等。氢主要来自于水分，因此必须采取措施限制水分的来源。具体方法包括对炉料要进行去除油污和水分，浇注用具要烘干，铸型水分切勿过高等。22.控制工艺参数 金属中的氮、氢、氧的含量与工艺参数密切相关。通过控制液态金属的保温时间，浇注方式，冷却速度，或者调节焊接工艺参数，控制熔池存在的时间和冷却速度等，可以在一定程度上抑制空气的溶解。3.冶金处理采用冶金方法对液态金属进行脱氮，脱氧，脱氢等处理，是降低金属中气体含量的有效方法。比如通常在液态金属中加入Ti、Al和稀土元素等对氮有较大亲和力的从而减少金属中的氮含量。六、总结通过对于液态金属凝固过程中气体来源以及影响