液态金属成型原理第10章-17 5 31

1、第10章 气孔和夹杂的 形成与控制,一、铸件中的气孔,1.气体的存在形态 固溶体、化合物、独立气孔 H O N 2.气体的来源 熔炼过程中溶解的各种气体 铸型水气蒸发、粘结剂和附加物的燃烧 浇注过程中卷入 3.气孔的危害 减少有效承载面积 易应力集中而形成裂纹源 降低力学性能和使用性能 影响合金的铸造性能,（一）概述,4.气体的溶解和析出 1) 金属吸收气体的过程：扩散吸收 两个阶段 吸附：决定于该气体与金属元素之间的亲合力大小。 物理吸附：金属表面层原子受力不均，处于不平衡状态，形成一个力场，当气体分子碰撞到该金属表面时，气体分子被吸引而吸附在金属表面。 最多只能覆盖单分子层厚度 物理吸附的

2、气体层仍处于分子态，不能被金属所吸收。 化学吸附：与金属原子有一定亲合力的气体，如H2,O2,N2,H2O,CO2 在金属表面被离解为原子，以原子态吸附在金属表面。 一般金属都有这种吸附。 化学吸附与气体溶解不同，化学吸附了不一定都溶解了，是金属吸收气体的重要过渡阶段。,扩散：气体原子从浓度较高的金属表面层向气体浓度较低的金属内部运动的过程，使浓度差趋于平衡。 浓度差气体压力温度扩散速度 2) 气体的析出： 金属溶解气体是可逆过程，气体随着温度升高而不断吸入，温度下降则不断析出。 气体析出的三种形式： 气体以原子态扩散至金属表面，然后脱离吸附状态（蒸发） 【只有在非常缓慢冷却条件下，才能充分进

3、行，实际生产中往往难以实现。 】 以气泡形式从金属液排除 与金属内某元素形成化合物，以非金属夹杂物形式排除,析出动力:气体过饱和,（二）气体在金属中的析出,1.气泡的形核 1）条件： 金属中溶解着过饱和的气体、符合能量的条件 2）形核过程： 均质形核： r rc，或P泡 P外 P泡PH2PN2PCOPCO2 P外P大气P静P附1gh2/r 经计算，钢中形成107cm的气泡,界面附加压力达5130 atm。 非均质形核： 在已有的型壁上形核，所需能量小。,2.气泡的长大 条件：气泡内部压力大于外部压力 长大过程：不同，长大情况不同。 90时，rmin RC 气泡未长到很大尺寸，便完全脱离，有利于

4、逸出 90时，rmin RC /sin 气泡长大会形成一个细颈，然后脱离，逸出的气泡尺寸大 3. 气泡的上浮 90，有利于气体逸出； 90，长大需要时间长，当结晶速度较大时（大于气泡逸出速度），气泡来不及逸出便会形成气孔。,图10-4 气泡形成过程示意, 90,图10-4 气泡形成过程示意,图9-1气泡形成过程示意,图10-4 气泡形成过程示意,图10-4 气泡形成过程示意,图10-4 气泡形成过程示意,图10-4 气泡形成过程示意,图10-4 气泡形成过程示意,图10-4 气泡形成过程示意,图10-4 气泡形成过程示意,图10-4 气泡形成过程示意,图10-4 气泡形成过程示意,图10-4

5、气泡形成过程示意,3.气泡的上浮 直径小于60m的气泡，其上浮速度遵循stokes公式： 气泡上浮过程中，还能不断从金属液中吸收扩散来的气体，或两个气泡上浮速度相同，可能相碰而合并，都会使气泡不断变大，上浮速度加快。 依附在非金属夹杂物表面的气泡，最初可能一起上浮，但由于气泡不断长大，加之气泡与夹杂物比重不同，造成两者上浮速度差增大，最终可能将夹杂物甩下，各自上浮。,(三) 析出型气孔,1.定义及特征 定义：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型气孔。这类气孔主要是氢气孔和氮气孔。 特征：分布于整个铸件断面上，热节处居多， 形态多为团球状(气体多

6、时)、多角状、断续的裂纹状(气体少时) 判据:,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。,过饱和气体（降温或溶质再分配）在液固界面富集，尤其是枝晶间液体的收缩（微观缩孔最初处于真空状态），使气体易于析出，从而形成团球状气孔。 在气体析出时伴随着压力变化，凝固时产生的析出压力可能大于合金的高温强度，使尚处于高温状态的晶界处易于开裂而形成裂纹状气孔。 3.影响因素 原始气体含量；冷却速度；合金成分；气体性质等。,2. 形成机理,1)金属液原始气体含量C0： C0过饱

7、和区浓度x及其存在的时间t凝固前的液相能较早析出气泡形状接近团球状 2)冷却速度： 铸件冷却速度越快凝固区域越小枝晶不易封闭液相 凝固速度x和t 气体来不及扩散不易形成气孔 3)合金成分： 影响原始含气量C0、分配系数k和扩散系数以及合金收缩大小及凝固区域。 K越小，合金液收缩越大，结晶温度范围越宽，越容易产生气孔。 4)气体性质： 氢比氮的扩散速度快，氢比氮更易析出 氮只有在浓度很高时才会析出，故在最后凝固的热节和厚大断面处易出现氮气孔。,1.减少金属液气体含量C0： 减少金属液吸气量 对金属液采取除气处理 2.阻止浇入铸型内的金属液析出气体： 提高铸件冷却速度 提高铸件凝固时的外压,4.

8、防止析出型气孔的途径,1.定义及特征 金属液与铸型间或由金属液内部发生化学反应而产生的气孔称之为反应型气孔。 金属与铸型间的反应型气孔 金属与熔渣间的反应型气孔 液态金属内元素间的反应型气孔,(四) 反应型气孔,金属与铸型间的反应型气孔, Fe + H2O FeO + H2 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 1-3 mm 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 10 mm 左右。,2.形成机理,金属与熔渣间的反应型气孔,当液态金属中含有混入的熔渣（FeO）时，会和液态金属（或铸型

9、）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。,液态金属内元素间的反应型气孔,（1）碳-氧反应型气孔 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）。 C+O=CO （2）氢-氧反应型气孔 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-氢反应型气孔 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。,3.影响因素与防止途径 反

10、应型气孔产生的原因是多种因素造成的，存在多种类型，必须结合具体条件分析，采取相应的措施来防止。 总的来说： 冷却速度； 合金成分； 铸型性质； 精炼工艺等。,1.定义及特征 凡气体从外部侵入液态金属中排不出而形成者,为侵入型气孔。其特征为气孔体积大,湿型铸造时易产生。,(五) 侵入型气孔,2.形成机理 砂型（芯）产生的气体侵入合金液中必须满足以下条件：,气体来源： 铸型受热，水分蒸发、粘结剂燃烧或分解 浇注系统设计不合理，浇口杯、直浇道裹入气体 冷铁、型芯撑等处油垢或水汽，受热汽化,3.影响因素 1）型砂的发气性,2）砂型的透气性 3）金属液的充型速度,图10-7 发气性对侵入型气孔的影响,4

11、.防止途径 1）尽量采用发气性低的造型材料 2）采用发气慢的材料 加煤粉 3）提高铸型的排气能力 4）防止卷入气体 5）适当提高浇注温度,夹杂物是指金属内部或表面存在的与基体金属成分不同的物质，主要讨论金属元素与非金属元素形成的夹杂物（如氧化物、硫化物等）。 非金属夹杂物是在金属的熔炼及铸造或焊接过程中所产生的，在凝固后仍分散存在于金属材料中的非金属相。主要包括：氧化物、氮化物和硫化物等。,（一）概述,压铸AZ91D镁合金箱体件中的MgO夹杂物,二、铸件中的夹杂,夹杂物的存在将影响金属的力学性能，它会降低铸件的塑性、韧性和疲劳性能。此外，金属液内含有的悬浮状难熔固体夹杂物显著降低其流动性。易熔

12、的夹杂物（如钢铁中的FeS），往往分布在晶界，导致铸件或焊件产生热裂；收缩大，熔点低的夹杂物（如钢中FeO），将促进微观缩孔形成。 在某些情况下，可以利用夹杂物来改善合金某些方面的性能。钢当中的微量钙和硫形成球形硫化物，分布于晶内，对机械性能影响不大，却能改善其切削加工性能。,1. 非金属夹杂物对金属的影响,夹杂物作为常见的凝固缺陷类型，存在诸多种类、形态，通常可按其化学组成、形成特征及来源进行分类，以便于研究。 夹杂物按其来源可分为内在夹杂物和外来夹杂物。前者是指在熔炼、成形过程中，金属与其内部非金属发生化学反应而产生的化合物；后者是指金属与外界物质（如炉衬、环境气体等）接触发生相互作用所产

13、生的非金属夹杂物。,2. 夹杂物的分类,按夹杂物的化学组成可分为： 氧化物，如FeO、MnO、SiO2、Al2O3等； 硫化物，如FeS、MnS、Cu2S等； 硅酸盐，成分较复杂，是一种玻璃体夹杂物，如FeOSiO2、Fe2SiO4、Mn2SiO4、FeOAl2O3SiO2、nFeOmMnOpSiO2等。,夹杂物还可按其形成的时间可分为初生夹杂物、二次氧化夹杂物以及次生（偏析）夹杂物。 初生夹杂物是在金属熔炼及炉前处理过程中产生的非金属夹杂物；而在浇注过程中因氧化而产生的夹杂物称为二次氧化夹杂物；次生夹杂物是在金属凝固过程中由于溶质再分配作用析出的低熔点相。,金属在熔炼与铸造过程中，原材料本身

14、所含有的夹杂物。如金属炉料表面粘砂，氧化锈蚀，随同炉料一起进入熔炉的泥砂，焦炭中的灰分等，熔化后变为熔渣。 金属熔炼时，脱氧、脱硫、孕育、球化等处理过程，产生大量的MnO、SiO2、Al2O3等夹杂物。 液态金属与炉衬、浇包的耐火材料以及熔渣接触时，会发生相互作用，产生大量MnO、Al2O3等夹杂物。 金属在熔化、熔体处理及转运、浇注过程中，因金属液表面与空气接触，形成的氧化物。 金属在凝固过程中，进行的各种物理化学反应所形成的如Al2O3、FeO、FeS等内生夹杂物。,3. 夹杂物的来源,（二）初生夹杂物,1.初生夹杂物的生成 1）内在夹杂物 金属在液态和凝固过程中，由于复杂的冶金化学反应生

15、成的各种化合物。 夹杂物的形成也有形核和长大两阶段。 均质形核很难，通常为非均质形核。 2）外来夹杂物 与炉衬材料发生反应或金属炉料铸型材料带入的夹杂物,外形规则，尺寸较小，颗粒状或薄膜状,外形不规则，尺寸较大，出现的位置不确定,2. 夹杂物的长大及粗化 初生夹杂物从液相中析出，并在液相包围下长大，初生时，基本尺寸非常小，仅有几微米大小，但是数量惊人，每1cm3合金液中夹杂物的数量可达108，并以极快的速度长大。 试思考：仅靠熔体的扩散，夹杂物能否具有如此大的长大速度？,1）夹杂物的碰撞 金属液与夹杂物之间存在密度差，因此会产生上浮或下沉运动。 夹杂物的大小不同，上浮速度不同，且由于金属液中夹

16、杂物的数量极多，粒子间发生碰撞的几率很大，粒子只需移动几十微米，相互之间就会发生一次碰撞。而碰撞正是夹杂物长大的前提。,夹杂物发生碰撞后能否聚合在一起，取决于夹杂物的表面性质，金属液的温度、夹杂物的熔点及大小。 夹杂物表面性质： 聚合自发进行的条件： G = G2-G1 = 夹1-夹2-（ 液-夹1+ 液-夹2）0 金属与夹杂物间的界面张力越大，夹杂物自发聚合的趋势越大。,2）聚合与粘附,金属液温度、夹杂物熔点 金属液温度高，夹杂物熔点低： 夹杂物处于液滴状态，此时碰撞几乎能百分百聚合（同类夹杂物），聚合后两个液滴成为一个完整的球状夹杂物。 金属液温度低，夹杂物熔点较高： 夹杂物此时呈固态，碰

17、撞时粘结在一起，呈粗糙的群落状或形成多链球状。,非同类的两个夹杂物相碰： （1）发生反应组成更复杂的化合物，如硅酸盐夹杂物，但其熔点都比简单氧化物低，又可能成为液态夹杂物。若液态夹杂物的粘度较小，易粘附于固相夹杂物，且沿固相夹杂物表面流散，或进一步反应或粘附在固相夹杂物的周围。 （2）若相遇后不产生化学反应，也可机械连在一起，组成成分分布不均匀、形状极不规则的复杂化合物。 夹杂物的粗化、长大过程是伴随着运动进行的，因此，这些运动着的夹杂物时而在某处长大，时而在某处因发生反应形成低熔点成分又部分熔化。,加熔剂 在液态金属表面覆盖一层能吸收上浮夹杂物的熔剂（如铝合金精炼时加入氯盐）或加入能降低夹杂

18、物密度或熔点的熔剂（如球墨铸铁加冰晶石粉），有利于初生夹杂物的排除。 过滤法 使金属液通过过滤器达到去除夹杂物的目的。过滤器分非活性与活性两种，前者起机械作用，如用石墨、镁砖、陶瓷碎屑等，后者还多一种吸附作用，排渣效果更好，如用NaF、CaF、Na3AlF6等。 炉外精炼 复合脱氧剂,3. 防止或排除金属液中初生夹杂物的途径,（三）二次氧化夹杂物,1. 形成机理 在浇注过程中，金属液与大气接触，表面氧化，浇注时氧化膜破坏，卷入金属液中而形成。 2. 影响因素 1）合金成分 合金中有易氧化的成分，如Re、Mg等 2） 金属液流 与大气接触的机会多，接触面积大，接触时间长，则易形成二次氧化夹杂物。,3. 防止和减少二次氧化夹杂物的途径,正确选择合金成分，严格控制易氧化元素的含量。 合理选择造型材料，如湿型铸造中，需严格控制水分、加入煤粉等碳质材料或采用涂料，形成还原性气氛。 必须采取合理的浇注工艺及浇冒口系统，保持金属液充型过程平稳流动。对要求高的重要铸件或易氧化的合金铸件，可以采用真空或在保护性气氛下浇注。 在液态金属表面加入熔剂。 在真空或保护气氛下浇注。,1.可作为外来核心的非金属夹杂物 夹杂物的尺寸和晶格类型与金属晶体类似，则