第六章铸件中的气体.ppt

第6章铸件中的气体 第1节气体的来源与在铸件中的存在形式第2节气体在金属中的溶解第3节气孔的形成与防止重点 气体的溶解度 析出性气孔的形成与防止难点 析出性气孔的形成机理 第1节气体的来源与在铸件中的存在形式 一 铸件中的气体对铸件质量的影响形成的气孔是铸件中最常见的缺陷 影响 减小铸件的有效工作断面 产生应力集中 成为零件断裂的裂纹源 降低铸件的强度和塑性 不规则气孔不仅增加缺口敏感使金属强度降低 而且还降低铸件的疲劳强度 弥散气孔使铸件组织疏松 降低铸件的气密性 二 气体的来源 1 熔炼过程中 来自炉料 炉气 炉衬 工具 熔剂及周围气氛中的水分 2 铸型 来自铸型中的气体主要是型砂的水分 3 浇注过程 浇包未干 铸型浇注系统设计不当 铸型透气性差 浇注速度控制不当 型腔内气体不能及时排除等 三 气体的存在形式气体元素在金属中主要三种存在形态 固溶体 气体以原子状态溶解于金属中化合物 氢 氮 氧及其化合物气态 H2 CO CO2 第2节气体在金属中的溶解一 金属的吸气过程 吸附阶段 气体分子撞击金属表面 某些气体分子离解为原子 并吸附在金属表面扩散阶段 气体原子经扩散进入金属内部 在金属内均匀化金属温度越高 气体与金属接触的时间愈长 吸收的气体就愈多 二 单质气体在金属中的溶解 影响单质气体溶解度的主要因素 气体中该气体的气压 温度 合金的化学成分温度和压力的影响 不考虑金属蒸汽压时 S 气体溶解度R 气体常数P 与液相平衡的气体中气体分压T 热力学温度H 气体溶解热K0 系数 氢在FeCuAl的溶解度氢在TiZrV中的溶解度 2金属蒸气压的影响 气体在金属中的溶解度随金属蒸气的升高而降低 对易挥发金属 T 过热度 S 而对难挥发金属 Fe C 铜合金等 在正常过热度下 蒸气压很小 对气体溶解度不大 气体在金属中的溶解度 a 难挥发金属 b 易挥发金属 不考虑金属蒸汽压时的溶解度 由于金属蒸汽压的影响溶解度的减少量 考虑金属蒸汽压时的溶解度 3 合金成分的影响 1 合金影响气体的活度系数 而影响其溶解度 例 1 2H2 H 1 2N2 N 平衡常数KHKN 所以活度系数影响 凡是增加HN活度系数的元素 都使合金液中HN的溶解度减小 反之亦然 2 合金生成化合物的情况与金属化合生成稳定的化合物 又不溶于该金属 形成化合物的这部分金属原子失去吸气能力 气体溶解度降低 元素与气体化合 生成的化合物又溶解于金属液中 使溶解度增加 3 合金对金属表面膜的影响Al合金中 MgNaCa等 使合金液表示膜疏松 吸气快Al Mg Be使合金液表示膜致密 吸气慢 4 脱氧能力强的元素使水蒸气还原出氧原子 并溶解于合金液中 增加吸气量 Fe中的Al 加速 H2O g在铁水表面分解 增加氢在铁水中的溶解Fe中的Mg 易挥发 提高铁水的蒸气压 使气体溶解度显著降低 2Al 3H2OAl2O3 6 H 三 复合气体在金属中的溶解 复合气体 COCO2H2ONH3SO2H2S均不能直接溶解在金属液中 首先分解成原子 才能为金属所吸收 与单质气体的区别 溶解的组元彼此相关 XmYn g m X n Y X m Y n KPxmyn 当Pxmyn一定时 X 增加 Y 则减少 四 气体的析出 气体析出的三种形式 扩散逸出 与金属内的某元素形成化合物 夹杂物 以气泡形式从金属液逸出 1 扩散逸出金属TT T T 若S不变 气体的析出分压力 P P T温度下金属内外气体的分压力 处于平衡 P T 温度下金属内气压的分压力 2 以气泡形式从金属液中析出 气泡生核 气泡的长大 气泡的上浮 2 以气泡形式从金属中析出 1 气泡生核 2 气泡长大 3 气泡上浮 第3节气孔的形成与防止 气孔 因气体分子聚集而产生的孔洞气孔的分类及特征 分类 按气体来源 侵入性气孔 析出性气孔 反应性气孔 一氧化碳气孔 氮气孔 按气体种类 氢气孔 一 侵入性气孔 侵入性气孔侵入性气孔是由于铸型表面聚集的气体侵入金属液中而形成的孔洞 特征多位于铸件的上表面附近 尺寸较大 呈椭圆形或梨形 孔壁光滑 表面有光泽或有轻微氧化色 侵入性气孔的形成机理 侵入性气孔主要是由铸型或砂芯在液态金属高温作用下产生的气体侵入到液态金属内部形成的 侵入性气孔形成过程示意图 将液态金属浇入砂型时 砂型或砂芯在金属液的高温作用下会产生大量气体 随着温度的升高和气体量的增加 金属 铸型界面处气体的压力不断增大 当界面上局部气体的压力户气满足式 11 4 所示的条件时 气体就会在金属凝固之前或凝固初期侵入液态金属 在型壁上形成气泡 气泡形成后将脱离型壁 浮入型腔液态金属中 当气泡来不及上浮逸出时 就会在金属中形成侵入性气孔 气泡形成的条件为P气 P静 P阻 P腔 11 4 当液态金属不润湿型壁 即表面张力小 时 侵入气体容易在型壁上形成气泡 从而增大了侵入性气孔的形成倾向 当液态金属的粘度增大时 气体排出的阻力加大 形成侵入性气孔的倾向也随之增大 气体在金属己开始凝固时侵入液态金属易形成梨形气孔 气孔较大的部分位于铸件内部 其细小部分位于铸件表面 这是因为气体侵入时铸件表面金属己凝固 不易流动 而内部金属温度较高 流动性好 侵入的气体容易随着气体压力的增大而扩大 从而形成外小内大的梨形 有的侵入性气孔为什么呈梨形 防止侵入性气孔的措施 1 控制侵入气体的来源严格控制型砂和芯砂中发气物质的含量和湿型的水分 干型应保证烘干质量 并及时浇注 冷铁或芯铁应保证表面清洁 干燥 浇口圈和冒口圈应烘干后使用 2 控制砂型的透气性和紧实度砂型的透气性越差 紧实度越高 侵人性气孔的产生倾向越大 在保证砂型强度的条件下 应尽量降低砂型的紧实度 采用面砂加粗背砂的方法是提高砂型透气性的有效措施 3 提高砂型和砂芯的排气能力铸型上扎排气孔帮助排气 保持砂芯排气孔的畅通 铸件顶部设置出气冒口 采用合理的浇注系统 4 适当提高浇注温度提高浇注温度可使侵入气体有充足的时间排出 烧注时应控制浇注高度和浇注速度 保证液态金属平稳地流动和充型 5 提高液态金属的熔炼质量尽量降低铁液中的硫含量 保证铁液的流动性 防止液态金属过分氧化 减小气体排出的阻力 二 析出性气孔的形成与防止 析出性气孔在金属凝固过程中 随着温度降低 气体溶解度降低 气体就会析出 如果析出的气体以分子状态存在 就形成了气泡 这种气泡保留在凝固以后的金属中 就是析出性气孔 析出性气孔的特征 3 气体成分 氢气 氮气 1 形状特征 多为分散小圆孔 直径0 5 2mm 或者更大 肉眼能观察到麻点状小孔 表面光亮 2 位置分布 在铸坯断面上呈大面积 均匀分布 而在最后凝固的部位较多 4 出现规律 往往一炉金属液中全部或多数出现这种气孔 5 敏感合金 铝合金和钢比较容易出现这种气孔 6 伴生现象 冒口中缩孔减小 并有不同程度的冒口上涨现象 析出性气孔的特征 析出性气孔的形成过程 1 溶解气体的析出 气泡核的形成 1 液态 随温度降低 气体溶解度降低 当开始凝固温度时 一般溶解度骤降 温度 溶解度 2 凝固过程 气体元素的溶质再分配 上述原因导致溶解在金属液中的气体析出 并形成气胞核 3 气孔的形成气泡形成后来不及排除 金属液已经开始凝固 留在金属内成为气孔 2 气泡核的长大气胞核能否长大取决于气泡内的压力是否大于外部压力之和 产生析出性气孔倾向性的判断 a 析出性气孔的判据 b 以临界过饱和浓度SL判断 影响析出性气孔的主要因素 3 合金成分 收缩量大和结晶温度范围宽的合金容易形成析出性气孔 1 合金溶液中原始含气量Cg Cg愈大 气孔形成可能愈大 2 液 固相气体溶解度差 S S SL SS S愈大 愈易形成析出性气孔 4 气体性质 扩散速度快的气体 如氢 容易形成析出性气孔 5 外界压力 外界压力降低 析出性气孔析出可能增大 6 凝固速度 提高凝固速度 不易形成析出性气孔 7 铸件凝固方式逐层凝固 液体始终处于大气压力和金属静压力下 气体不易析出 体积凝固 枝晶很早将液体封闭 产生析出性气孔的可能性很大 气孔均匀分布 防止析出性气孔的途径 1 减少原始含气量 2 除气处理 1 浮游去气 向金属液中吹入不溶气体 产生大量气泡 2 真空去气 降低外界压力 使气体蒸发 炉料 炉衬 浇包 中间包 添加干燥剂 防止析出性气孔的途径 2 提高金属凝固时的外压 3 阻止气体析出 1 提高冷速 3 氧化去气 用于不易氧化的金属 如铜合金 氧和氢在铜中相互制约 加氧去氢 再脱氧 4 冷凝除气 降低温度除气 再快速升温浇注 三 反应气孔 反应性气孔金属液与铸型之间 金属与熔渣之间或金属液内部某些元素 化合物之间发生反应产生的气孔 称为反应气孔 金属液与铸型之间 皮下气孔液态金属内部合金元素之间或与非金属夹杂物发生化学反应 蜂窝状气孔 1 金属与铸型间的反应性气孔 皮下气孔 1 氢气孔 铸铁中 2 CO气体3 氮气孔4 形成皮下气孔的共同特点 铸型水分高 透气性差 采用含氮高的树脂砂 原始含气量C0高 钢水脱氮不良 中等壁厚的铸件 合金中含易氧化成成分 熔点高的合金 浇注温度高 皮下气孔形状 2 金属液内反应性气孔 一 渣气孔 金属液与熔渣相互作用生成的渣气孔二 金属液中元素