第二节 气孔与夹杂
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CaCO CaO CO 2
发生：
3
CO 2 Fe FeO CO
• 熔渣作为气孔形核的基底，最终形成的气孔
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
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
气体的析出过程
高温下溶解在液态
金属中气体的析出
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： • •
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。
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。
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 、
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
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
1、夹杂物的来源及分类
自身杂质
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
反应产物
与周围介质（气、固、 液态）间的反应产物
夹杂物的分类
按夹杂物化学成
氧化物 硫化物 硅酸盐
Βιβλιοθήκη Baidu
分
初生夹杂物 次生夹杂物 二次氧化夹杂物
按夹杂物形成时
球形 多面体 不规则多角形 条状
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
梨状，孔径约 1～3 mm 。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。
[ 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： FeO C Fe CO • 当采用石灰石砂型时，若有砂粒进入钢液 会
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；多层焊时清除前一 道焊缝的熔渣等。
SH/mL.(100g)-1 T/℃ 氢在不同金属中的溶解度
性，使金属的强度下降和抗疲劳能力降低。
成孔洞。这种因气体分子聚集而产生的 孔洞称为气孔。
一、气孔的分类及形成机理 二、夹杂物的形成及防止措 施
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
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
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
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
金属-铸型间反应性气孔常分布在铸件表面皮下 的物理作用。 1～3 mm 处，通称为皮下气孔，其形状有球状和
•
气孔是铸件或焊件最常见的缺陷之一。气孔 气体在金属中的含量超过其溶解度，
的存在不仅减小金属的有效承载面积，而且使 或侵入的气体不被金属溶解时，会以分 局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹源。 子状态的气泡存在于液态金属中。若凝
一些形状不规则的气孔，则会增加缺口的敏感 固前气泡来不及排除，就会在金属内形
从液态金属中偏晶析出，使金属中杂质元素 T0
1 2 m n
含量降低： 到液态金属表面。
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
b) 图11-11 气泡脱离现成表面示意图 a）θ＜90° b）θ＞90° a)
气泡
气泡
形 核 长 大
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
焊缝金属产生的析出性气孔多数出 球形。 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
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；
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
初生夹杂物
（2）夹杂物的聚合长大 在金属熔炼过程中及炉前处理时形成，
夹杂物从液相中析出时尺寸很小（仅有几个微 经历偏晶析出和聚合长大两个阶段。
米），数量却很多（数量级可达108个/cm3）。由
（1）夹杂物的偏晶析出 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 在对金属进行脱氧、脱硫和孕育处理时， 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 L L A B
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
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 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。 的反应性气孔：
形，气孔四周有光滑的内壁。氮气孔
一般成堆出现，形似蜂窝。
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。
发生：
3
CO 2 Fe FeO CO
• 熔渣作为气孔形核的基底，最终形成的气孔
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
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
气体的析出过程
高温下溶解在液态
金属中气体的析出
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： • •
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。
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。
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 、
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
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
1、夹杂物的来源及分类
自身杂质
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
反应产物
与周围介质（气、固、 液态）间的反应产物
夹杂物的分类
按夹杂物化学成
氧化物 硫化物 硅酸盐
Βιβλιοθήκη Baidu
分
初生夹杂物 次生夹杂物 二次氧化夹杂物
按夹杂物形成时
球形 多面体 不规则多角形 条状
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
梨状，孔径约 1～3 mm 。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。
[ 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： FeO C Fe CO • 当采用石灰石砂型时，若有砂粒进入钢液 会
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；多层焊时清除前一 道焊缝的熔渣等。
SH/mL.(100g)-1 T/℃ 氢在不同金属中的溶解度
性，使金属的强度下降和抗疲劳能力降低。
成孔洞。这种因气体分子聚集而产生的 孔洞称为气孔。
一、气孔的分类及形成机理 二、夹杂物的形成及防止措 施
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
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
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
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
金属-铸型间反应性气孔常分布在铸件表面皮下 的物理作用。 1～3 mm 处，通称为皮下气孔，其形状有球状和
•
气孔是铸件或焊件最常见的缺陷之一。气孔 气体在金属中的含量超过其溶解度，
的存在不仅减小金属的有效承载面积，而且使 或侵入的气体不被金属溶解时，会以分 局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹源。 子状态的气泡存在于液态金属中。若凝
一些形状不规则的气孔，则会增加缺口的敏感 固前气泡来不及排除，就会在金属内形
从液态金属中偏晶析出，使金属中杂质元素 T0
1 2 m n
含量降低： 到液态金属表面。
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
b) 图11-11 气泡脱离现成表面示意图 a）θ＜90° b）θ＞90° a)
气泡
气泡
形 核 长 大
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
焊缝金属产生的析出性气孔多数出 球形。 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
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；
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
初生夹杂物
（2）夹杂物的聚合长大 在金属熔炼过程中及炉前处理时形成，
夹杂物从液相中析出时尺寸很小（仅有几个微 经历偏晶析出和聚合长大两个阶段。
米），数量却很多（数量级可达108个/cm3）。由
（1）夹杂物的偏晶析出 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 在对金属进行脱氧、脱硫和孕育处理时， 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 L L A B
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
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 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。 的反应性气孔：
形，气孔四周有光滑的内壁。氮气孔
一般成堆出现，形似蜂窝。
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。