第五章 铸件凝固组织的形成与控制 第三四五节

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(2) 防止或减少析出性气孔的措施 ① 减少金属液的原始含气量C0 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。 对金属进行除气处理 ② 阻止气体析出 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。 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。 ③ 型(芯)砂处理
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(一) 气孔的分类与特征
(1) 析出性气孔 冷却及凝固过程中，气体 溶解度下降，析出气体，来 不及从液面排出而形成气孔 。主要是氢气孔和氮气孔。 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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Al-Si合金铸件中的针孔
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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Baidu Nhomakorabea 3. 反应性气孔的形成机理
(1) 金属液与铸型(芯)反应性气孔(皮下气孔)
在高温下各气相达到平衡时，金属液—铸型界面处的气相成分中H2和 CO的含量较多，CO2较少。 反应性气孔的成因目前尚无统一的说法，主要有以下三种理论。
液态金属从浇注温度冷却到常温要经历三个阶段：液态收缩 阶段（ Ⅰ）、凝固收缩阶段（ Ⅱ）和固态收缩阶段（Ⅲ）。在 不同的阶段，金属具有不同的收缩特性。
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1. 液态收缩：
v液 v液 (T浇 TL ) 100%
v液
液
液态体收缩率（％）
T浇：液态金属的浇注温度（℃）
金属液体收缩系数（℃-1） TL：液相线的温度（℃）
DL 1 k x ln R SL k 1 C0
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析出气泡还决定于Δx存在时间Δt的长短，Δt愈长，愈有利气孔 的生成：
t x DL 1 k 2 ln R R SL k 1 C0
当合金成分一定时，Δt主要由凝固速度R决定，而Δx是枝晶间 尚待凝固的液相内气体溶质的富集区。因而凝固速度 R，分配系 数k，扩散系数DL及原始气体浓度 C0都会影响到Δx，Δt和液相中 气体浓度的分布。 即使金属液中气体原始浓度小于饱和浓度 , 由于金属凝固时存 在溶质再分配 , 在凝固过程中所富集的气体浓度将可能大于过饱 和浓度，而析出气体
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，后者还多一种吸附作用，排渣 效果更好.
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珍珠岩及处理后形成的渣
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过滤网
泡沫陶瓷过滤器 过滤片(直孔)
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(三) 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) 防止措施: 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。
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(二) 一次夹杂物
1. 夹杂物的形成 在金属熔炼及炉前处理过程中，液态金属内会产生大量的一 次非金属夹杂物。形成大致经历了夹杂物的偏晶析出和聚合长 大。 (1) 夹杂物的偏晶析出
T0 L1 L2 Am Bn
(2) 夹杂物的聚合长大 3Al2O3 +2SiO2 3Al2O3 2SiO2
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气孔的形成过程：
形核、长大、上浮三阶段 上浮受阻→保留于凝固金属→气孔
铸件中气孔的形成示意图
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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，造成金属一铸型界面上的 气压增大。当界面上局部气体的压力P气满足下列条件：
P 阻 P 气 P 静 P 腔
1580℃ L1 (33.2%S ) L2 (0.3%S ) MnS
图 夹杂物粘附晶体示意图 （a)粘附后 （b)粘附前
粘附发生的条件：
ic Li Lc
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第四节 缩孔与缩松
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一、合金的收缩
金属在液态、凝固态和固态冷却过程中发生的体积减小现象
，称为收缩。它是金属本身的物理性质，也是引起缩孔、缩松 、应力、变形、热裂和冷裂等缺陷的重要原因。
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a. FeS夹杂物
b. Al2O3夹杂物
c. 球形夹杂物
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夹杂物的危害
连续性、均匀性破坏→机械性能↓致密性↓ 耐蚀性能 红脆 —热裂(低熔点相) 裂纹源 决定于夹杂物的 成分、性能、形状、大小、数量、分布 硬脆→ δ、αk 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→ 人为的加入高性能陶瓷相——复合材料
减少砂型(芯)在浇注时的发气量，
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。 15
2. 防止皮下气孔产生的措施
通过金属液一铸型界面间和金属液内部气相反应的分析，可以 从以下几方面来防止皮下气孔的生成：
(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人铸型内，减少金 属液的氧化。
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二、夹杂物
(一) 夹杂物的来源与类型 来源： 炉料、熔炼处理产生、液态金属与耐火材料反应、金 属表面的氧化、金属内部反应。
分类
按来源分类(内在夹杂物、外来夹杂物) 按夹杂物的组成分类(氧化物、硫化物、硅酸盐) 按夹杂物形成的时间分类(一次夹杂物是浇注前，即金属熔 炼及炉前处理过程中形成的。二次夹杂物是液态金属在铸造过 程中形成的。) 按夹杂物的形状分类(球形、多面体、条状、板形) 按夹杂物的分布分类
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(2) 不能作为非自发结晶核心的微小固体夹杂物 这类夹杂物的分布取决于液态金属 L、晶体 C和夹杂物 I 之间 的界面能关系。当凝固区域中的固态夹杂物与正在成长的树
枝晶发生接触时，如果满足
IC LI LC
相互粘附后能使能量降低，则微小夹杂物就会被树枝晶所粘 附而陷入晶内，否则夹杂物就会被凝固界面所推开。夹杂物
2) 氢－氧反应性气孔
金属液中溶解的[O]和[H]，若相遇就产生H2O气泡，凝固前如 来不及排除，则产生气孔。
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3) 碳氢反应气孔
铸件最后凝固部位的偏析液相中，含有较高浓度的［ H］和[C] ，凝固过程中，将产生CH4。这主要在铸钢件断面中心部位，产 生局部性气孔。
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(三) 影响气孔的因素及防止措施
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(2) 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。 金属一铸型间反应性气孔，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。
被晶体粘附的先决条件是两者必须发生接触。夹杂物越小（ 运动速度越慢），晶体成长速度越快，两者越容易发生接触 ，夹杂物被晶体粘住的可能性越大。通常，陷入晶内的夹杂 物分布比较均匀，被晶体推走的夹杂物常聚集在晶界上。
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(3) 能上浮的液态和固态夹杂物 液态金属不溶解的夹杂物也会产生沉浮运动，发生碰撞、
1、析出性气孔的影响因素及防止措施 (1) 影响因素 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。 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。气体来不及扩散，所以气孔不易形成。
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。k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。 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。
① 氢气说(氢气孔) m[Me] + nH2O → MemOn + nH2 ② 氮气说(氮气孔) 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 (C6H12N4 ) 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。
③ CO说(CO气孔)
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(二)气孔的形成机理
1. 析出性气孔的形成
(1) 凝固时气体溶质的再分配
金属凝固时气体溶解度将急剧下降，在凝固温度下液固相中气 体溶解度的变化，同样可以用溶质再分配的理论加以说明。 溶质分布方程：
1 k R 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Δx(x=Δx，CL=SL)：
第五章 铸件凝固组织的 形成与控制
第三节 气孔与夹杂的形成机理及控制
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一、气孔
金属在熔炼、浇注、凝固过程中，以及炉料、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，并随温 度下降，气体会因在金属中溶解度的显著降低而形成分子状态 的气泡存在于液态金属中而逐渐排入大气。 由于铸造生产中铸件凝固速度较快，部分尚未从金属液中排 出的气泡残留在固体金属内部而形成气孔。气孔是铸件或焊件 最常见的缺陷之一。气孔的存在不仅能减少金属的有效承载面 积，而且使局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹源。一些 形状不规则的气孔，则会增加缺口的敏感性，使金属的强度下 降和抗疲劳能力降低。
SiO2 +FeO FeSiO3
不能产生化学反应的同种夹杂物相遇后，可机械粘连在一起， 组成各种成分不均匀、形状不规则的复杂夹杂物。
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2. 一次夹杂物的分布
(1) 能作为金属非均质形核核心的夹杂物 这类夹杂物因结晶体与液态金属存在密度差而下沉，故
在铸件底部分布较密集，且多数分布在晶内。显然，冷却 速度或凝固速度越快、铸件断面越小、浇注温度越低，这 些微小晶体下沉就越困难，夹杂物的分布就越均匀。
聚合而粗化。若夹杂物密度小于液态金属的密度，则夹杂物 的粗化将加快其上浮速度。铸件凝固后，这些夹杂物可能移 至冒口而排除，或保留在铸件的上部及上表面层。
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3. 排除液态金属中一次夹杂物的途径
(1) 加熔剂 金属液表面覆盖一层熔剂，上浮的夹杂物能被它吸收。如铝 合金精炼时加入氯盐和氟盐。或者加入熔剂与夹杂物形成重度 更轻的夹杂物，以有利于排除。如球墨铸铁加冰晶石熔剂，可 降低夹杂物的熔点,而有利于减少铸件产生夹杂物缺陷。 (2) 过滤法
[FeO] + [C] → [Fe] + [CO]
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(2) 金属液内反应性气孔
① 渣气孔
(FeO) + [C] → [Fe] + CO (FeO) + C(石墨) → [Fe] + CO 产生的CO气体，依附在(FeO)熔渣上，就形成了渣气孔 ② 金属液中元素间的反应性气孔
1) 碳氧反应气孔 钢水脱氧不全或铁水严重氧化，溶解的氧若与铁液中的碳相 遇，将发生CO气泡而沸腾，由于铸件凝固较快，许多CO气 泡来不及浮出铸件表面，而形成气孔。
正确选择合金成分，严格控制易氧化元素的含量。
严格控制铸型水分，加入煤粉等碳质材料，或采用涂料
，形成还原性气氛。
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。
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(四) 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：
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(2) 侵入性气孔 定义：铸型和型芯等在液态金属高温作用下产生的气体（并无 明显的化学反应），侵入金属内部所形成的气孔，称为侵入性
气孔。
特征：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。