第二节 气孔与夹杂

第二节气孔与夹杂第1页，课件共24页，创作于2023年2月一、气孔的分类及形成机理二、夹杂物的形成及防止措施第2页，课件共24页，创作于2023年2月一、气孔的分类及形成机理

析出性气孔

侵入性气孔

反应性气孔第3页，课件共24页，创作于2023年2月1、析出性气孔

液态金属在冷却凝固过程中，因气体溶解度下降，析出的气体来不及逸出而产生的气孔称为析出性气孔。这类气孔主要是氢气孔和氮气孔。溶解在液态金属中的气体元素在凝固时也会出现偏析。一般最后凝固部位的枝晶间气体浓度远高于平均浓度，且由于此时液态金属中杂质元素的浓度也很高，便为析出性气体的形核创造了有利条件。第4页，课件共24页，创作于2023年2月高温下溶解在液态金属中气体元素的析出方式有：扩散析出；形成化合物析出；聚集成气泡析出。后者析出过程为：

形核

长大上浮图11-11气泡脱离现成表面示意图a）θ＜90°b）θ＞90°b)气泡气泡a)气泡依附于现成表面生核可以降低形核功，相邻枝晶间的凹陷部位最容易形核。气泡内各气体分压的总和大于气泡所受的外部压力总和时气泡才能长大。气泡尺寸越小，由表面张力所产生的附加压力越大。气泡的半径越小，或液态金属的密度越小、粘度越大，气泡上浮速度越小。若气泡上浮速度小于结晶速度，气泡就会滞留在凝固金属中形成气孔。气体的析出过程第5页，课件共24页，创作于2023年2月析出性气孔的特征

析出性气孔通常分布在铸件的整个断面或冒口、热节等温度较高的区域。当金属含气量较少时，呈裂纹多角形状；而含气量较多时，气孔较大，呈团球形。

焊缝金属产生的析出性气孔多数出现在焊缝表面。氢气孔的断面形状如同螺钉状，从焊缝表面上看呈喇叭口形，气孔四周有光滑的内壁。氮气孔一般成堆出现，形似蜂窝。第6页，课件共24页，创作于2023年2月2、侵入性气孔

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高于外界阻力时，气体就会侵入液态金属，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。第7页，课件共24页，创作于2023年2月侵入性气孔的特征

侵入性气孔的特征是数量较少、体积较大、孔壁光滑、表面有氧化色，常出现在铸件表层或近表层。形状多呈梨形、椭圆形或圆形，梨尖一般指向气体侵入的方向。侵入的气体一般是水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、氢、氮和碳氢化合物等。第8页，课件共24页，创作于2023年2月

焊缝金属中存在的反应性气孔通常是CO气孔，是由液态金属中的[O]与[C]直接反应生成。3、反应性气孔

液态金属内部或与铸型之间发生化学反应而产生的反应性气孔：

金属与铸型间的反应性气孔

金属与熔渣间的反应性气孔液态金属内元素间的反应性气孔第9页，课件共24页，创作于2023年2月金属与铸型间的反应性气孔

与侵入型气孔的区别在于反应性气孔来源于液态金属与铸型间的化学冶金作用，而侵入型气孔主要是高温液态金属对铸型的物理作用。

[Fe]+{H2O}→[FeO]+H2

含氮树脂砂分解→N2

金属(或铸型)中的C氧化→CO

金属-铸型间反应性气孔常分布在铸件表面皮下1～3mm处，通称为皮下气孔，其形状有球状和梨状，孔径约1～3mm。有些皮下气孔呈细长状，垂直于铸件表面，深度可达10mm左右。第10页，课件共24页，创作于2023年2月金属与熔渣间的反应性气孔当液态金属中含有混入的熔渣（FeO）时，会和液态金属（或铸型）中的C反应：当采用石灰石砂型时，若有砂粒进入钢液会发生：熔渣作为气孔形核的基底，最终形成的气孔内含有白色的CaO与FeO残渣所以又称为渣气孔。

第11页，课件共24页，创作于2023年2月液态金属内元素间的反应性气孔（1）碳-氧反应性气孔

溶解在液态金属中的氧与碳反应，生成CO气泡，凝固时来不及浮出的气泡形成CO气孔。铸件中的CO气孔多呈蜂窝状（其周围出现脱碳层），而焊缝中的CO气孔为沿结晶方向的条虫状。（2）氢-氧反应性气孔

溶解在液态金属中的[O]和[H]反应生成H2O气泡，产生水气孔。这类气孔主要出现在铜合金铸件中。（3）碳-氢反应性气孔

铸件最后凝固的液相中，含有较高浓度的[H]和[C]时，将生成甲烷（CH4）气孔。第12页，课件共24页，创作于2023年2月二、夹杂物的形成及防止措施

夹杂物的来源及分类

铸件中的夹杂物

焊缝中的夹杂物第13页，课件共24页，创作于2023年2月1、夹杂物的来源及分类自身杂质反应产物主要来源炉料中的杂质焊材、母材中的杂质熔炼过程反应产物与周围介质（气、固、液态）间的反应产物第14页，课件共24页，创作于2023年2月夹杂物的分类按夹杂物化学成分

按夹杂物形成时间

按夹杂物形状

氧化物硫化物硅酸盐

初生夹杂物次生夹杂物二次氧化夹杂物

球形多面体不规则多角形条状

第15页，课件共24页，创作于2023年2月夹杂物对金属性能的影响

夹杂物破坏了金属的连续性，使强度和塑性下降；尖角形夹杂物易引起应力集中，显著降低冲击韧性和疲劳强度；易熔夹杂物分布于晶界，不仅降低强度且能引起热裂；

促进气孔的形成，既能吸附气体，又促使气泡形核；在某些情况下，也可利用夹杂物改善金属的某些性能，如提高材料的硬度、增加耐磨性以及细化金属组织等。第16页，课件共24页，创作于2023年2月2、铸件中的夹杂物

初生夹杂物

二次氧化夹杂物次生夹杂物第17页，课件共24页，创作于2023年2月初生夹杂物

在金属熔炼过程中及炉前处理时形成，经历偏晶析出和聚合长大两个阶段。（1）夹杂物的偏晶析出

在对金属进行脱氧、脱硫和孕育处理时，从液态金属中偏晶析出，使金属中杂质元素含量降低：（2）夹杂物的聚合长大夹杂物从液相中析出时尺寸很小（仅有几个微米），数量却很多（数量级可达108个/cm3）。由于对流或密度差上浮或下沉，发生高频率的碰撞和机械粘连。夹杂物粗化后运动速度加快，以更高的速度与其他夹杂物碰撞、聚合长大。熔点较低的夹杂物会重新熔化，尺寸大、密度小的夹杂物则会浮到液态金属表面。第18页，课件共24页，创作于2023年2月二次氧化夹杂物

液态金属与大气或氧化性气体接触时，会很快氧化形成氧化薄膜。在浇注及充型过程中，表面氧化膜会被卷入液态金属内部，而此时液体的温度下降较快，卷入的氧化物在凝固前来不及上浮到表面，便在金属中形成二次氧化夹杂物。这类夹杂物常出现在铸件上表面、型芯下表面或死角处。第19页，课件共24页，创作于2023年2月次生夹杂物

次生夹杂物是指合金凝固过程中，由于偏析，溶质元素及杂质元素将富集于枝晶间尚未凝固的液相内，处于过饱和状态而发生偏晶反应：L1→β＋L2，析出非金属夹杂物β。由于夹杂物是从偏析液相中产生的，因此又称为偏析夹杂物。第20页，课件共24页，创作于2023年2月3、焊缝中的夹杂物焊缝中的氮化物夹杂多在焊接保护不良时出现，对于低碳钢和低合金钢，主要的氮化物是Fe4N，在时效过程中过饱和析出，并以针状分布在晶粒上或贯穿晶界。焊缝中的硫化物夹杂主要有MnS和FeS两种。FeS通常沿晶界析出，并与Fe或FeO形成低熔点共晶。低碳钢焊缝存在的氧化物夹杂主要是SiO2、MnO、TiO2和Al2O3等，一般以硅酸盐的形式存在。第21页，课件共24页，创作于2023年2月防止焊缝产生夹杂物的措施

正确地选择原材料（包括母材和焊接材料），母材、焊丝中的夹杂物应尽量少，焊条、焊剂应具有良好的脱氧、脱硫效果；注意工艺操作，如选择合适的工艺参数；适当摆动焊条以便于熔渣浮出；加强熔池保护，防止空气侵入；