材料成型原理上册 第十一章 第二节 气孔与夹杂

（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 于对流或密度差上浮或下沉， 在对金属进行脱氧、脱硫和孕育处理时， 在对金属进行脱氧、脱硫和孕育处理时，从液态 机械粘连。夹杂物粗化后运动速度加快， 机械粘连。夹杂物粗化后运动速度加快，以更高的 金属中偏晶析出，使金属中杂质元素含量降低： 金属中偏晶析出，使金属中杂质元素含量降低： 速度与其他夹杂物碰撞、聚合长大。 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、 + A B 杂物会重新熔化，尺寸大、密度小的夹杂物则会浮 L1 T 0 → L 2 m n 到液态金属表面。 到液态金属表面。
第十一章 凝固缺陷与控制 19
二次氧化夹杂物
液态金属与大气或氧化性气体接触时 液态金属与大气或氧化性气体接触时，会很快氧 与大气或氧化性气体接触 化形成氧化薄膜。在浇注及充型过程中，表面氧 形成氧化薄膜。 过程中， 化膜会被卷入液态金属内部 卷入液态金属内部， 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， 降较快，卷入的氧化物在凝固前来不及上浮到表面， 便在金属中形成二次氧化夹杂物。 便在金属中形成二次氧化夹杂物。这类夹杂物常出 铸件上表面、 现在铸件上表面 型芯下表面或死角处。 现在铸件上表面、型芯下表面或死角处。
第十一章 凝固缺陷与控制 22
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） 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、 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； 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 注意工艺操作 ， 如选择合适的工艺参数 ； 摆动焊条以便于熔渣浮出；加强熔池保护， 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。 空气侵入；多层焊时清除前一道焊缝的熔渣等。
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第十一章 凝固缺陷与控制
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 液态金属与铸型间的化学冶金作用， 气孔主要是高温液态金属对铸型的物理作用。 气孔主要是高温液态金属对铸型的物理作用。 Fe ] + { H2O } → [ FeO ] + H2 金属-铸型间反应性气孔常分布在铸件表面皮下 金属 [铸型间反应性气孔常分布在铸件表面皮下 含氮树脂砂分解 → N2 1～3 mm 处，通称为皮下气孔，其形状有球状和 ～ 通称为皮下气孔， 金属(或铸型 ～ 金属 或铸型)中的 梨状， 或铸型 中的 C 氧化 → CO 有些皮下气孔呈细长状， 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， 左右。 垂直于铸件表面，深度可达 10 mm 左右。
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、 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； 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，呈团球形。 含气量较多时，气孔较大，呈团球形。 焊缝金属产生的析出性气孔多数出 现在焊缝表面。 现在焊缝表面。氢气孔的断面形状如 同螺钉状， 同螺钉状，从焊缝表面上看呈喇叭口 形，气孔四周有光滑的内壁。氮气孔 气孔四周有光滑的内壁。 一般成堆出现，形似蜂窝。 一般成堆出现，形似蜂窝。
第十一章 凝固缺陷与控制
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次生夹杂物
由于偏析， 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 液相内，处于过饱和状态而发生偏晶反应： ＋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。 析液相中产生的，因此又称为偏析夹杂物。
第十一章 凝固缺陷与控制
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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、 侵入性气孔的特征是数量较少、体积较大、 数量较少 孔壁光滑、表面有氧化色，常出现在铸件表 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， 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。 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、 一般是水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、氢、 氮和碳氢化合物等。 氮和碳氢化合物等。
→ CaO + CO
2
CO 2 + Fe → FeO + CO ↑ 熔渣作为气孔形核的基底， 熔渣作为气孔形核的基底，最终形成的气孔内含有
残渣所以又称为渣气孔。 白色的 CaO 与 FeO 残渣所以又称为渣气孔。
第十一章 凝固缺陷与控制 12
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 气泡， 溶解在液态金属中的氧与碳反应，生成CO气泡，凝固 气泡 气孔。 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 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。 沿结晶方向的条虫状。 （2）氢-氧反应性气孔 溶解在液态金属中的[O]和 气泡， 溶解在液态金属中的 和[H] 反应生成 H2O 气泡，产 水气孔。这类气孔主要出现在铜合金铸件中。 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 铸件最后凝固的液相中， 铸件最后凝固的液相中，含有较高浓度的 [ H ] 和 [ C ] 将生成甲烷 甲烷（ 气孔。 时，将生成甲烷（CH4）气孔。
第十一章 凝固缺陷与控制 11
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（ 当液态金属中含有混入的熔渣（ FeO）时，会和液 ） 态金属（或铸型） 反应： 态金属（或铸型）中的 C 反应：
(FeO ) + [C ] →
CaCO
3
Fe + CO ↑
↑
当采用石灰石砂型时， 会发生： 当采用石灰石砂型时，若有砂粒进入钢液 会发生：
第十一章 凝固缺陷与控制
2
一、气孔的分类及形成机理 二、夹杂物的形成及防止措施
第十一章 凝固缺陷与控制
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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
4
第十一章 凝固缺陷与控制
1、析出性气孔
液态金属在冷却凝固过程中， 气体溶解度下降， 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 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， 平均浓度，且由于此时液态金属中杂质元素的浓度 也很高，便为析出性气体的形核创造了有利条件。 也很高，便为析出性气体的形核创造了有利条件。
第十一章 凝固缺陷与控制
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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， 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Fe ， 于低碳钢和低合金钢，主要的氮化物是 4N，在时 效过程中过饱和析出， 效过程中过饱和析出，并以针状分布在晶粒上或贯 穿晶界。 穿晶界。 焊缝中的硫化物夹杂主要有MnS和FeS两种。FeS通 和 两种。 焊缝中的硫化物夹杂主要有 两种 通 常沿晶界析出，并与 或 形成低熔点共晶。 常沿晶界析出，并与Fe或FeO形成低熔点共晶。 形成低熔点共晶 低碳钢焊缝存在的氧化物夹杂主要是SiO2、MnO、 低碳钢焊缝存在的氧化物夹杂主要是 、 一般以硅酸盐的形式存在。 TiO2和Al2O3等，一般以硅酸盐的形式存在。
第十一章 凝固缺陷与控制 7
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 将液态金属浇入砂型时 ， 砂型或砂芯 在金属液的 产生大量气体， 高温作用下会产生大量气体 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 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 当界面上局部气体的压力高于外界阻力时， 体就会侵入液态金属，在型壁上形成气泡。 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 成后将脱离型壁，浮入型腔液态金属中。 当气泡来 脱离型壁 不及上浮逸出时 就会在金属中形成侵入性气孔。 不及上浮逸出时，就会在金属中形成侵入性气孔。
第十一章 凝固缺陷与控制 5
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： 中气体的析出方式有：
气泡
扩散析出； 扩散析出； 形成化合物析出； 形成化合物析出； 聚集成气泡析出。 聚集成气泡析出。
气泡 a)
后者析出过程为： 后者析出过程为：
形 核
b)
长 大 上 浮
图11-11 气泡脱离现成表面示意图 a）θ＜90° b）θ＞90° ） ＜ ° ） ＞ ° 第十一章 凝固缺陷与控制 6
第十一章 凝固缺陷与控制 9
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 气孔， 焊缝金属中存在的反应性气孔通常是 CO气孔， 气孔 直接反应生成。 的反应性气孔： 是由液态金属中的 [O] 与 [C] 直接反应生成。 的反应性气孔：
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
第十一章 凝固缺陷与控制 13
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
第十一章 凝固缺陷与控制
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1、夹杂物的来源及分类
炉料中的杂质
自身杂质