第13章 气孔与夹杂

2．阻止气体析出
阻止浇入铸型内的金属液析出气体的方法有：
①提高铸件冷却速度 对易产生析出性气孔的铝合金尽量采用金属型铸造。 ②提高铸件凝固时的外压 这可以有效阻止气体的析出。如将浇注的铝合金铸型放在通入4 ～6大气压的压缩空气的压力宝中凝固,可有效地减少或消除铝合金 铸件中的气孔。
§13-4
夹杂物
——铸型内造还原型气氛
5、次生夹杂物
凝固过程中，溶质再分配，溶质富集，偏晶结晶析出夹杂物 例如：Fe中富集Mn和S时：
图 夹杂物粘附晶体示意图 （a)粘ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ后 （b)粘附前 粘附发生的条件：
ic Li Lc
图 偏析夹杂物被粘附陷入晶内示意图
夹杂物被排斥推入液相示意图
晶界残留较多夹杂物时的形状：
＃碳氧反应气孔
＃水蒸气反应气孔 ＃碳氢反应气孔
§13-3
1、危害
影响气孔的因素及防止措施
有效工作断面 ↓→ σb↓ δ↓ 应力集中 →裂纹 疏松 → δ↓气密性 ↓ 耐蚀性↓ 2、防止措施
针对形成原因
3．析出性气孔的防止 以下主要因素影响析出性气孔的形成： ①金属液原始含气量C0 C0含量愈高，CL、Δx和Δt都将增大，C0 高时，凝固前沿的液相能较早析出气泡。C0不高时，就依附缩孔较 迟析出。 ②冷却速度 冷却速度愈快，凝固区域就愈小，枝晶不易封闭液 相，凝固速度V愈大，则Δx和Δt愈小，气体来不及扩散，因而气孔 不易形成。 ③合金成分 影响原始含气量C0 ，决定分配系数k和扩散系数DL 以及合金收缩大小及凝固区域。 ④气体性质 氢比氮的扩散速度快
3、初生夹杂物的形成及防止措施
• 浇注前的熔炼及熔体处理中，冶金反应产生。 • 夹杂物容易聚合、长大 • 防止措施： • （1）加溶剂——吸收夹杂 • （2）除气处理时也可将夹杂物携带上浮排出 • （3）过滤法
4、二次氧化夹杂物的形成及防止措施
（1）形成——浇注及填充铸型的过程中氧化形成 （2）防止——合理的浇注工艺及浇冒口系统，平稳充型 ——控制金属液的易氧化元素
的气孔
溶质分布方程：
1 k v CL ( x) C0 1 exp( x) k DL
液相中气体浓度超过某饱和气体浓度SL 时，才析出气泡，则产生过饱和浓度区 Δ X（x=Δ x，CL=SL）：
x
DL 1 k ln v SL k 1 C0
23 13 12 sin 12 sin 23 sin 13
11 cos 2 2 12

12 23 13
12 23 13 120
不同二面角晶间夹杂物的形状示意图
11 cos 2 2 12

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铸件中气孔的形成示意图
（2）长大条件：
气体内部各气体分压总和>外界压力 内部压力 P气=PH2+PN2+PO2+PH2O… 外界压力 Pn=Pa+PM+Pσ Pa —为大气压 PM—金属静压力H Pσ —表面压力的附加压力 Pσ=2σ/r 即： P气>Pa+ H＋ 2σ/r
r ↓ Pσ ↑ 难长大 异质形核 r ↑ Pσ ↓ 利于长大 （3）上浮条件： 气泡脱离现成表面而上浮 取决于液、气、固三者间的表面张力
第十三章 气孔与夹杂
Chapter 13 Gas-holes(or pinholes) and Inclusions
§13-1
气孔的种类
• 1、析出性气孔
•
在冷却及凝固过程中，因 气体溶解度下降，析出气体， 来不及从液面排出而形成气 孔。
含 氢 量
2、反应性气孔
• 金属液－铸型之间、金属液内部发生化学反应所产生
1、来源：
内生夹杂：熔化与凝固过程冶金反应产物 脱O P S 产物 N2 、 O2 、 P 溶解 偏析 形成第二相 外来夹杂： 熔炉耐火材料 、造型材料
按形成时间先后：初生夹杂物
次生夹杂物
二次氧化夹杂物
2、危害： 连续性，均匀性破坏＝>机械性能 ↓致密性↓ 红脆 —热裂（低熔点相） 裂纹源 耐蚀性能
可从以下途径来防止或减少它的产生。 1．减少金属液的原始含气量C0 ①减少金属液的吸气量 尽量减少或防止气体进入金属内。 ②对金属液采取除气处理 （a）浮游去气，即向金属液中吹入不溶于金属的气体，使溶解 的气体进入气泡而排除； （b）采用真空去气； （c）氧化去气，对能溶解氧的金属液（如铜液），可先吹氧去 氢，然后再脱氧； （d）冷凝除气法，即缓慢冷到凝固温度，然后迅速加热至浇注 温度。
气孔↓
－－轻金属易产生气孔（铝、镁）
（4）从铸型侵入型气孔的形成机理与此相似
P气>Pa+ H＋ 2σ/r
2、反应性气孔形成机理
（1）金属液与铸型（芯）反应性气孔 （皮下气孔） 原因：铸型水分高、透气性低； 合金中有易氧化成分；熔点较高的合金（钢、铁。 铜）
一定中等壁厚范围内。
机理：氢气说 氮气说——有树脂粘结剂时 CO说
决定于夹杂物的 成分、性能、形状、大小、数量、分布 =>硬脆→δαk 球形 →影响↓；针状、尖角 影响↑↑（应力集中） 事物的另一方面： 高熔点、细小颗粒→ 好的作用
非自发形核核心→ 细化
沉淀强化—N化物弥散 新学科的产生→ MMC，人为的加入高性能陶瓷相
钢中MnS夹杂物引起的裂纹源及扩张过程 a)原始状态 b)受力后产生裂纹 c)d)裂纹继续扩展
1, g 1, 2 cos 2, g
θ —气泡与现成表面的润湿角
(a)
θ<90°容易脱离
(b) θ>90
°长大到颈缩后才能脱离
• 动力学条件：
取决于： 上浮速度Ve与凝固速度R 当Ve < R时 气泡残留于金属中 Ve =2(ρL-ρg)gr2/9η
• R↑ 气孔↑ • η↑ Ve ↓ 气孔↑ • △ρ(实际上为ρL )↑ Ve ↑
（2）金属液内反应性气孔
1）渣气孔 例 钢中 CO不溶，但氧或氧化物与碳反应形成CO •（FeO）+[C] = CO+[Fe] •（MnO）+[C] = CO+[Mn] •（SiO2）+2[C] = 2CO+ [Si] •（Cu2O）+2[H] = 2[Cu]+H2O (气) 2）金属液中元素间反应性气孔