铸造凝固中的气体与气孔分解

析出性气孔的形成
1. 析出性气孔的形成机理
（1）金属凝固时，气体溶解度急剧下降。 （2）凝固过程中液相，固相中气体溶质的浓度分 布： 可认为：液相中气体溶质只存在有限扩散，无对 流，搅拌，而固相中气体溶质的扩散可忽略不计。 即使金属中气体原始浓度C0小于饱和浓度，由于 金属凝固时存在溶质再分配，在某时刻，凝固过 程中固—液界面处液相中所富含的气体溶质将大 于饱和浓度，而析出气体。
第二节 铸件中的气体
一、概论
常见气体在铸件中的存在形式
气体的来源 气体溶解度的表示方法 气体对铸件质量的影响
（一）常见气体在铸件中的存在形式
• 固溶体： H溶解于各种合金中； N 铸钢 铸铁有一定溶解度 。
化合物：O与许多元素化合，以化合物形 成存在于合金中。 气态：H2 N2 CO CO2 等
S：气体溶解度 P：与液相平衡的气体中气体分压 △H：气体 溶解热 R： 气体常数 T：热力学温度 K0：系数
2、合金成分的影响： （1）合金成分影响气体的活度系数，从而影响其溶解度。凡是增加H N活 度系数的元素，都使合金液中H N的溶解度减小，反之亦然。 （2）生成化合物的情况 与金属化合生成稳定的化合物，又不溶于 该金属，形成化合物的这部分金 属原子失去吸气能力，气体溶解度降低。 元素与气体化合，生成的化合物又溶解于金属液中，使溶解度增加。
金属与铸型间的反应性气孔（皮下 气孔）
1.氢气孔（铸铁中） 2.CO气体 3.氮气孔 4.形成皮下气孔的共同特点： ①铸型水分高，透气性差， 采用含氮高的树脂砂 ②原始 含气量C0高，钢水脱氮不良 ③中等壁厚的铸件 ④合金中 含易氧化成成分 ⑤熔点高的 合金；浇注温度高
（3）合金对金属表面膜的影响 Al合金中：Mg Na Ca等，使合金液表面膜疏松，吸气快 Al-Mg：Be 使合金液表示膜致密，吸气慢。 （4）脱氧能力强的元素使水蒸气还原出氧原子，并溶解于合金液中，增加 吸气量。
（三）气体的析出
气体析出的三种形式： ①扩散逸出 ②与金属内的某元素形成化合物（夹杂物） ③以气泡形式从金属液逸出
（四）气体对铸件质量的影响
• 气孔：气孔——常见缺陷：减小铸件的有效工作 面，产生应力集中，成为零件的裂纹源，降低强 度、塑性。 不规则形状的气孔：增加敏感性，降低铸 件的疲劳强度； 弥散型气孔：组织疏松，降低铸件气密性。 • 固溶体：O N——σ δ↓↓， 铜，钢中的H—使合 金变脆（细化裂纹） • 液态金属中溶解的气体：流动性变差 析出压力影响补缩
3、防止析出性气孔的途径 : ①减少金属液的原始含气量 • 减少各种气体的来源 炉料要干净 ；附加物，孕育剂等使用等预热； 炉衬，浇包烘干；控制型砂，芯砂的水分； 限制有机粘结剂用量； • 控制熔炼温度金属温度过高易吸气。 • 采用真空熔炼，或熔炼时金属液表示覆盖。 ②对金属液除气处理 ③阻止气体析出
二、气体在金属中的溶解与析出
（一）金属的吸气过程
• 吸附阶段：气体分子撞击金属表面，某些气体分子离解为 原子，并吸附在金属表面 • 扩散阶段：气体原子经扩散进入金属内部，在金属内均匀 化 • 金属温度越高，气体与金属接触的时间愈长，吸收的气体 就愈多。
（二）气体在金属中的溶解
• 影响单质气体溶解度的主要因素：气体中该气 体的气压、温度、合金的化学成分 1. 温度和压力的影响：不考虑金属蒸汽压时： H S KO P exp(1 ) 2RT
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（二）气体的来源
• 熔炼过程：金属液与炉气接触-----吸气的主 要途径； • 炉料不干净：导致炉气中H2O H2 SO2含 量增加； • 合金液与铸型相互作用 • 工艺因素：浇注系统设计不当，铸型透气 性浇注速度等，浇注过程中空气卷入。
（三）气体溶解度的表示方法
气体溶解度常用100g金属所能溶解的气体在标准 状态下的体积表示，即cm3/(100g)，或用质量分 数：百万分之一，即ppm。
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提高铸件冷却速度，如铝合金采用金属型。 提高金属凝固时的外压：在压缩空气中凝固。
四、反应性气孔
• 定义：金属液与铸型之间，金属与熔渣之间或金属液内部某 些元素，化合物之间发生化学反应能产生的气孔，称反应性 气孔。 ⑴金属与铸型间反应性气孔：皮下13mm， 又称皮下气孔。 • 形状：球状，梨形，长条形。 ⑵金属内部组元之间或组元与非金属夹杂物反应生成的气孔 。 蜂窝状，梨状或团球状，分布均匀
2、影响析出性气孔的主要因素
• （1）合金液原始含气量 ： C0上升，且固态、液态中气体 溶解度差值越大，凝固前沿实集气体多，易形成气孔。 • （2）合金成分：收缩量大，结晶温度范围宽的合金易产 生析出性气孔，且影响原始含气量。 • （3）气体性质：氢比氧易析出且扩散速度快，氢比氧容 易形成析出性气孔。 • （4）外界压力：P0越小，越易产生析出性气孔。 • （5）铸件的凝固方式： • 逐层凝固方式， P0较大，不易析出易于上浮； • 体积凝固方式，枝晶间液体封闭，产生析出性气孔可能性 大；
②以气泡形式从金属液中析出：
气泡生核；气泡的长大 ；气泡的上浮
气泡脱离衬底表面示意图
1—衬底
2—液体
三、析出性气孔
定义：金属液凝固过程中，因气体溶解度下降析出气体，形成气泡 未能排除而形成的气孔，称为析出性气孔。 2、分布：铸件断面上大面积均匀分布，而在铸件最后凝固部位，冒口附 近，热节中心部分最为密集。 3、形状：团球形；多角形；断续裂纹状；混合形。析出性气孔常发生在 同一炉或同一包浇注的全部或大多数铸件中。 1.
①扩散逸出 金属T T’(T’<T) 若S不变，气体的析出分压力△P：
H 1 1 p p ' p p[exp ห้องสมุดไป่ตู้ )-1] R T' T
P：T温度下金属内 外气体的分压力 （处于平衡） P’：T’温度下金属内气压的分压力 当△H>0时（溶解吸热），T’越低，△P越大，气体越易向外界扩散。 如果减少金属外部的气体压力（真空铸造）△P↑，金属液中气体不断析出。 注意：气体以扩散方式析出，只有在非常缓慢冷却的条件下才能充分进行， 实际生产条件下往往难以实现。