第13章 气孔与夹杂

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• (二)金属液内反应性气孔 • 1．渣气孔 金属在凝固过程中，如果存在氧化夹杂物， 其中的FeO可以与液相中富集的碳产生反应: (FeO)+[C]Fe+CO 当碳和 FeO 的量较多时，就可能形成渣气 孔。如果铁液中存在石墨相，将发生下列反应 : (FeO)+CFe+CO 反应生成的 CO 气体，依附在 FeO 熔渣上， 就形成了渣气孔，其明显的特点是气孔和熔渣 依附在一起。
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三、初生夹杂物的形成及防止措施
• (一)初生夹杂物的形成 1．夹杂物的偏晶结晶 金属熔炼过程及炉前处理，都会在金属液内产生大 量一次非金属夹杂物，从金属液中析出固相夹杂物是 一个结晶过程，夹杂物往往是结晶过程中最先析出相， 属于偏晶反应。 2．夹杂物的聚合长大 初生夹杂物刚析出时，尺寸非常小，仅有几个微米。 但是，它的成长速度非常快。试验证明，钢液中加入 脱氧剂10s 钟后，Si02 夹杂就长大了一个数量级。长大 如此迅速，一个重要原因是夹杂物粒子的碰撞和聚合。
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第三节 影响气孔的因素及防止措施
• 一、析出性气孔的影响因素及防止措施 • (一)影响因素 • 1．金属液原始含气量C0 C0 过高时，凝固前沿的液相能较早析出气泡，形状 接近团球形。C0不太高时，就依附缩孔较迟析出。 • 2．冷却速度 铸件冷却速度愈快，凝固区域就愈小，枝晶不易封 闭液相，且凝固速度愈大，气体来不及扩散，所以气 孔不易形成。
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二、防止皮下气孔产生的措施
• (1) 采取烘干、除湿等措施，防止和减少气体进入金属 液。 • (2) 严格控制合金中氧化性较强元素的含量，如球墨铸 铁中的镁及稀土元素；铸钢中用于脱氧的铝。 • (3) 砂型(芯 ) 要严格控制水分，重要铸件可采用干型或 表面烘干型，含氮树脂砂要尽量减少尿素含量，控制乌 洛托品固化剂的加入量，保证铸型有良好的透气性。 • (4) 适当提高浇注温度，能够降低凝固速度，有利于气 体排除。 • (5) 工艺方案设计中，尽量保证金属液平稳进入铸型内， 减少金属液的氧化。
，因金属液表面与空气 接触，其表面很快地形成一层氧化膜，当其受到紊流、 涡流等破坏而卷入金属中，可形成二次氧化夹杂物。 • 5、金属在凝固过程中，进行的各种物理化学反应所形 成的如Al203、FeO、FeS等内生夹杂物。 • • • • (二)常见的非金属夹杂物 (1)氧化物：如FeO、MnO、Si02、A1203等。 (2)硫化物：如FeS、MnS、Cu2S等。 (3) 硅酸盐：成分较复杂，是一种玻璃体夹杂物，如 FeO·Si02 、 Fe2Si04 、 Mn2Si04 、 FeO·Al203·Si02 、 nFeO·mMnO·pSi02等。
• 1．减少金属液的原始含气量C0 (1)减少金属液的吸气量，采取烘干、除湿等措施， 防止炉料、空气、铸型、浇包等方面的气体进入金属 液。 (2)对金属液进行除气处理，常用的方法有： • 1) 浮游去气，即向金属液中吹入不溶于金属的气 体，如惰性气体、氮气及加入氯盐等，使溶解的气体 进入气泡而排除。 • 2)氧化去气，对能溶解氧的金属液，可先吹氧去 氢，然后再脱氧。
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• 3．合金成分 不同成分的合金，原始含气量C0、分配系数k0，扩 散系数 DL 以及合金收缩大小和凝固区域各不相同。 k0 愈小，合金液收缩愈大，结晶温度范围愈大的合金， 容易产生气孔和气缩孔。 • 4．气体性质 气体的扩散系数DL大，扩散速度快，则容易析出，
不易产生气孔。
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(二)防止或减少析出性气孔的措施
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四、二次氧化夹杂物的形成及防止措施
• (一)二次氧化夹杂物的形成 1、形成过程 金属液在浇注及填充铸型的过程中，所产生的氧化 物称二次氧化夹杂物。 液态金属与大气接触时，表面很快会形成一层氧化 薄膜，并不断增厚。在浇注及充型过程中，表面氧化物 会被卷入金属液内部，因温度下降很快，来不及上浮到 表面，留在金属中形成二次氧化夹杂物。 二次氧化夹杂物常常出现在铸件上表面、型芯下表 面及死角部分，是铸件非金属夹杂缺陷的主要来源。
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2．阻止金属液中气体析出 (1)提高铸件冷却速度，如金属型铸造等方法。 (2)提高铸件凝固时的外压，如密封加压等方法。 3．型(芯)砂处理 (1)减少砂型(芯)在浇注时的发气量。 (2)使浇注时产生的气体容易从砂型(芯)中排出。例如 多扎排气孔；使用薄壁或空心和中间填焦炭块的砂芯 等方法。
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气体由砂型表面进入金属液中形成气泡的形 态决定于润湿角 、微孔在空间的位置和它的孔 径。 出现在接触表面上的孔隙曾经有过气相的地 方，可以看成是准备好的气泡核，最容易形成气 泡。
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润湿面气泡的形成表现为气泡的基底固定 不变，垂直向上的力使气泡长大脱离基底。 • 非润湿面气泡的形成则是气泡的基底不断 扩大，沿表面展开，使球状表面发生变形出现 细腰而断开所致。
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• (三)夹杂物的类型 夹杂物按其形成的时间可分为初生和次生夹杂 物，以及二次氧化夹杂物。 • 1 、初生夹杂物是在金属熔炼及炉前处理过程中产生 的。 • 2、次生夹杂物是在金属凝固过程中产生的。 • 3 、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。
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• （四）夹杂物的形状 • 1、夹杂物的形状可分为球形、多面体、不 规则多角形、条状及薄板形、板形等。 • 2、氧化物一般呈球形或团状。 • 3、同一类夹杂物在不同铸造合金中也有不 同形状，如Al2O3在钢中呈链球多角状，在 铝合金中呈板状。 • 4、同一类型夹杂物，含有不同的成分，形 态也不相同，如MnS在钢中通常有球形、 枝晶间杆状、多面体结晶形三种形态。
材料成形原理 第十三章 气孔与夹杂
材料成型与控制专业
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第一节 气孔的种类
• 形成过程： • 金属在熔炼、浇注及凝固过程中，炉料、铸型、浇 包、空气及化学反应产生的各种气体会溶入到液态金属 中，随温度下降气体会因在金属中的溶解度的显著降低 而析出。尚未从金属中逸出的气体会以分子的形式残留 在固体金属内部而形成气孔。 • 危害： • 气孔的存在不仅能减少铸件的有效面积，且能使局 部造成应力集中成为零件断裂的裂纹源。一些不规则的 气孔，增加缺口敏感性，使金属强度下降，零件的抗疲 劳能力降低。
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第二节 气孔的形成机理
• 一、析出性气孔的形成机理 • 1 ．凝固时溶质再分配导致 气孔形成。 在铸造过程中，金属凝 固时，由于溶质再分配，在 固液界面前沿有气体溶质的 富集。当气体浓度超过它的 饱和浓度时，就容易析出气 泡，该气泡若不能排除，保 留下来就形成气孔。
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• 2．侵入性气孔的形成 • 将金属液浇入砂型中时，由于各种原 因会产生大量的气体。气体的体积随着温 度的升高而增大，造成金属—铸型界面上的 气压增大。当界面上局部气体的压力足够 大时，气体就能在铸件开始凝固的初期侵 入金属液中成为气泡，气泡不能上浮逸出 时就形成梨形气孔。
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金属中的气孔可以分为二类： (1)析出性气孔 (2)反应性气孔 一、析出性气孔 金属液在冷却及凝固过程中，因气体溶解 度下降，析出的气体来不及从液面排除而产生 的气孔称为析出性气孔。 这类气孔在铸件断面上大面积分布，靠近 冒口、热节等温度较高的区域，其分布较密集， 形状呈团球形、裂纹多角形、断续裂纹状或混 合型。
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二、非金属夹杂物对铸件质量的影响
• 1 、夹杂物的存在将降低铸件的塑性、韧性和疲 劳性能。 • 2 、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。 • 3、易熔的夹杂物(如钢铁中的FeS)，往往分布在 晶界，导致铸件产生热裂，收缩大。 • 4、熔点低的夹杂物(如钢中FeO)，将促进微观缩 孔形成。 • 5 、有时可以利用夹杂物来改善合金某些方面的 性能：如铝合金液中加入 Ti ，可形成 TiAl3 ，可 作为铝合金的非均质核心，使组织得以细化。
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• (二)排除金属液中初生夹杂物的途径
• 1．加熔剂 金属液表面覆盖一层熔剂，上浮的夹杂物被它吸 收。如铝合金精炼时加入氯盐。球墨铸铁加珍珠岩。 • 2．过滤法 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、Na3A1Fe6等。 • 3．采用排除和减少金属液中气体的措施，同样也能达 到排除和减少夹杂物的目的，如合金液静置处理、浮 游法净化、真空浇注等。
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• 3．CO说 一些研究者认为，金属与铸型表面处金属液与水 蒸气或C02 相互作用，使铁液生成 FeO ，铸件凝固时由于 结晶前沿枝晶内液相碳浓度的偏析，将产生反应 [FeO]+[C][Fe]+[CO] CO 气泡可依附晶体或非金属夹杂物形成，这时氢、 氮均可扩散进入该气泡，气泡沿枝晶生长方向长大，形 成皮下气孔。
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第四节 夹杂物
• 一、液态金属中非金属夹杂物的来源与类型 • (一)夹杂物的来源 • 1 、金属在熔炼与铸造过程中，原材料本身所含有的夹 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，熔化后变为溶渣。 • 2 、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。 • 3 、液态金属与炉衬、浇包的耐火材料以及溶渣接触时， 会发生相互作用，产生大量MnO、Al2O3等夹杂物。
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• 2、影响因素 • （1）化学成分 二次氧化夹杂物的形成，取决于金属中各氧化元 素的热力学及动力学条件。 • 1 ）金属液中要含有强氧化性元素，氧化物的标准生成 吉布斯能越低，氧化反应的自发倾向越大，表明该元素 氧化性越强，生成二次氧化夹杂物的可能性越大。 • 2 ）二次氧化夹杂物的生成还取决于氧化反应的速度， 即与合金元素的活度有关。通常合金元素含量都不大， 合金液可以看作稀溶液，可用浓度近似代替它的活度。 因此，被氧化元素的含量多少就直接影响二次氧化夹杂 物的速度和数量。
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• 2．金属液中元素间反应性气孔 (1) 碳氧反应气孔，钢液脱氧不全或铁液 严重氧化，溶解的氧若与铁液中的碳相遇，将 产生CO气泡而沸腾，CO气泡上浮中，吸入氢和 氧，使其长大，由于型内温度下降快，凝固时 气泡来不及完全排除，最终产生蜂窝状气孔。 (2)水蒸气反应气孔，金属液中溶解的 [O] 和 [H] ，如果相遇就会产生 H20 气泡，凝固前来 不及析出，就会产生气孔。 (3) 碳氢反应气孔，铸件最后凝固部位液 相中的偏析，含有较高浓度的[H]和[C]，凝固 过程中产生CH4，形成局部性气孔。
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• 二、反应性气孔 金属液和铸型之间或在金属液内部发 生化学反应所产生的气孔，称为反应性气 孔。 反应性气孔通常分布在铸件表面皮下 1—3mm ，表面经过加工或清理后，就暴露 出许多小气孔，所以通称皮下气孔。形状 有球状、梨状。 另一类反应性气孔是金属内部化学成 分之间或与非金属夹杂物发生化学反应产 生的，呈梨形或团球形，均匀分布。
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二、反应性气孔的形成机理
• (一)金属与铸型间反应性气孔 在高温下各气相反应达到平衡状态时，金属 液—铸型界面处的气相成分中H2和CO的含量较多， C02较少。 反应性气孔的成因目前尚无统一说法： （1）氢气说 （2）氮气说 （3）CO说
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• 1．氢气说 金属液浇入铸型后，由于金属液—铸型界面处气 相中含有较高的氢，使金属液表面层氢的浓度增加， 凝固过程中，液固表面前沿易形成过饱和气体浓度和 很高的气体析出压力，金属液—铸型界面处的化学反 应在金属液表面所产生的各种氧化物如FeO、Al2O3、 MgO等，以及铸铁中的石墨固相能使气体附着它形成 气泡，表面层气泡一旦形成后，液相中的氢等气体都 向气泡扩散，随着金属结晶沿枝晶间长大，形成皮下 气孔。 • 2．氮气说 一些研究者认为，铸型或型芯采用各种含氮树脂 做粘结剂，分解反应造成界面处气相氮气浓度增加。 提高树脂及乌洛托品含量，也会导致型内气相中氮含 量增加，当氮含量达到一定浓度，就会产生皮下气孔。