气孔与夹杂

不同二面角晶间夹杂物的形状示意图
σ 11 cos = 2 2σ 12
θ
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钢中MnS夹杂物引起的裂纹源及扩张过程 夹杂物引起的裂纹源及扩张过程 钢中 a)原始状态 b)受力后产生裂纹 c)d)裂纹继续扩展 原始状态 受力后产生裂纹 裂纹继续扩展
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。 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 夹杂物容易聚合、 • 防止措施： 防止措施： • （1）加溶剂 ）加溶剂——吸收夹杂 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 ）
第十三章 气孔与夹杂
Chapter 13 Gas-holes(or pinholes) and Inclusions
§13-1 气孔的种类 13• 1、析出性气孔 、
•
在冷却及凝固过程中， 在冷却及凝固过程中，因 气体溶解度下降，析出气体， 气体溶解度下降，析出气体， 来不及从液面排出而形成气 孔。
°长大到颈缩后才能脱离
• 动力学条件： 动力学条件： 条件
取决于： 上浮速度V 与凝固速度R 取决于： 上浮速度 e与凝固速度 当Ve < R时 时 • R↑ 气孔↑ 气孔 • η↑ Ve ↓ 气孔 气孔↑ 气孔↓ 气孔 气泡残留于金属中 Ve =2(ρL-ρg)gr2/9η
• △ρ(实际上为 L )↑ Ve ↑ 实际上为ρ 实际上为
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： 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。 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 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 大气压的压缩空气的压力宝中凝固, ～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 大气压的压缩空气的压力宝中凝固 铸件中的气孔。 铸件中的气孔。
可从以下途径来防止或减少它的产生。 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 0 ．减少金属液的原始含气量C ①减少金属液的吸气量 尽量减少或防止气体进入金属内。 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 浮游去气，即向金属液中吹入不溶于金属的气体， （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； 的气体进入气泡而排除； 采用真空去气； （b）采用真空去气； 氧化去气，对能溶解氧的金属液（如铜液）， ），可先吹氧去 （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； 然后再脱氧； 冷凝除气法，即缓慢冷到凝固温度， （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。 温度。
4、二次氧化夹杂物的形成及防止措施 、
（1）形成 ）形成——浇注及填充铸型的过程中氧化形成 浇注及填充铸型的过程中氧化形成 合理的浇注工艺及浇冒口系统， （2）防止 ）防止——合理的浇注工艺及浇冒口系统，平稳充型 合理的浇注工艺及浇冒口系统 ——控制金属液的易氧化元素 控制金属液的易氧化元素 ——铸型内造还原型气氛 铸型内造 铸型内
5、次生夹杂物 、
凝固过程中，溶质再分配，溶质富集， 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： 中富集 中富集Mn和 时 例如：Fe中富集 和S时：
图 夹杂物粘附晶体示意图 （a)粘附后 （b)粘附前 粘附后 粘附前 粘附发生的条件： 粘附发生的条件：
σ ic < σ Li + σ Lc
（2）金属液内反应性气孔 ） 1）渣气孔 ） 不溶， 例 钢中 CO不溶，但氧或氧化物与碳反应形成 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) O） (气 2）金属液中元素间反应性气孔 ） ＃碳氧反应气孔 ＃水蒸气反应气孔 ＃碳氢反应气孔
§13-3 影响气孔的因素及防止措施 131、危害 、 有效工作断面 ↓→ σb↓ δ↓ 应力集中 →裂纹 裂纹 疏松 → δ↓气密性 ↓ 耐蚀性 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： 以下主要因素影响析出性气孔的形成： 金属液原始含气量C 含量愈高， 都将增大， ①金属液原始含气量C0 C0含量愈高，CL、∆x和∆t都将增大，C0 和 都将增大 高时，凝固前沿的液相能较早析出气泡。 不高时， 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。 迟析出。 冷却速度愈快，凝固区域就愈小， 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 凝固速度V愈大 愈大， 愈小， 相，凝固速度 愈大，则∆x和∆t愈小，气体来不及扩散，因而气孔 和 愈小 气体来不及扩散， 不易形成。 不易形成。 影响原始含气量C 决定分配系数k和扩散系数 和扩散系数D ③合金成分 影响原始含气量 0 ，决定分配系数 和扩散系数 L 以及合金收缩大小及凝固区域。 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
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 金属液－铸型之间、 的气孔
UCSD MAE-1 Fluid Dynamics Focus Area Lecture Notes, G.R. Tynan
溶质分布方程： 溶质分布方程：
1− k v CL ( x) = C0 1 + exp(− x) k DL
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： 晶界残留较多夹杂物时的形状：
σ 23 σ 13 σ 12 = = sin θ 12 sin θ 23 sin θ 13
σ 11 cos = 2 2σ 12
θ
σ 12 = σ 23 = σ 13
θ 12 = θ 23 = θ 13 = 120 o
r ↓ Pσ ↑ 难长大 r ↑ Pσ ↓ 利于长大 异质形核 条件： （3）上浮条件： 气泡脱离现成表面而上浮 ）上浮条件 取决于液、 取决于液、气、固三者间的表面张力
σ 1, g − σ 1, 2 cos θ = σ 2, g
θ —气泡与现成表面的润湿角
(a)
θ<90°容易脱离 °
(b) θ>90
液相中气体浓度超过某饱和气体浓度S 液相中气体浓度超过某饱和气体浓度 L 才析出气泡， 时，才析出气泡，则产生过饱和浓度区 ΔX（x=Δx，CL=SL）： （ Δ ，
∆x =
DL 1− k ln v S k L − 1 C0
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 —Hale Waihona Puke Baidu大气压 PM—金属静压力γH Pσ —表面压力的附加压力 Pσ=2σ/r 即： P气>Pa+ γH＋ 2σ/r
§13-4 夹杂物 131、来源： 、来源： 内生夹杂：熔化与凝固过程冶金反应产物 内生夹杂： 脱O P S 产物 N2 、 O2 、 P 溶解 偏析 形成第二相 外来夹杂： 外来夹杂： 熔炉耐火材料 、造型材料
按形成时间先后： 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： 、危害： 连续性，均匀性破坏＝ 机械性能 致密性 致密性↓ 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） 热裂（低熔点相） 热裂 裂纹源 成分、性能、形状、大小、数量、 决定于夹杂物的 成分、性能、形状、大小、数量、分布 =>硬脆 硬脆→δαk 硬脆 球形 →影响 ；针状、尖角 影响 （应力集中） 影响↓；针状、 影响↑↑（应力集中） 影响 事物的另一方面： 事物的另一方面： 高熔点、细小颗粒 高熔点、细小颗粒→ 好的作用 非自发形核核心→ 非自发形核核心 细化 沉淀强化—N化物弥散 化物弥散 沉淀强化 新学科的产生→ 新学科的产生 MMC，人为的加入高性能陶瓷相 ，
－－轻金属易产生气孔（ －－轻金属易产生气孔（铝、镁） 轻金属易产生气孔
侵入型气孔的形成机理与此相似 （4）从铸型侵入型气孔的形成机理与此相似 ）从铸型侵入型气孔
P气>Pa+ γH＋ 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 ）金属液与铸型（ （皮下气孔） 皮下气孔） 原因：铸型水分高、透气性低； 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（ 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。 一定中等壁厚范围内。 机理： 机理：氢气说 氮气说——有树脂粘结剂时 有树脂粘结剂时 氮气说 CO说 说