吉大复试,材料成形原理13

材料成形原理
材料成型与控制专业
第一节气孔的种类
•二、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。

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。

第二节气孔的形成机理
•一、析出性气孔的形成机理
•1．凝固时溶质再分配导致气孔形成。

在铸造过程中，金属凝固时，由于溶质再分配，在固液界面前沿有气体溶质的富集。

当气体浓度超过它的饱和浓度时，就容易析出气泡，该气泡若不能排除，保留下来就形成气孔。

•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—铸型界面上的气压增大。

当界面上局部气体的压力足够大时，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。

二、反应性气孔的形成机理
•(一)金属与铸型间反应性气孔
金属与铸型间反应性气孔的成因有三种说法：
（1）氢气说
（2）氮气说
（3）CO说
•1．氢气说
通常金属液—铸型界面处气相中含有较高的氢，使金属液表层氢的浓度增加。

另外，凝固时液固界面前沿气体浓度易过饱和。

金属液—铸型界面处的化学反应在金属液表面产生的各种氧化物(如FeO、Al2O3、MgO等)以及铸铁中的石墨都能使气体附着，形成气泡。

液相中的氢等都向气泡扩散，使气泡沿枝晶间长大，形成皮下气孔。

•2．氮气说
一些研究者认为，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
一些研究者认为，金属与铸型表面处金属液与水蒸气或C0
相互作用，使铁
2液生成FeO，铸件凝固时由于结晶前沿枝晶内液相碳浓度的偏析，将产生反应
[FeO]+[C]→[Fe]+[CO]↑
CO气泡可依附晶体或非金属夹杂物形成，这时氢、氮均可扩散进入该气泡，气泡沿枝晶生长方向长大，形成皮下气孔。

•(二)金属液内反应性气孔
•1．渣气孔
金属在凝固过程中，如果存在氧化夹杂物，其中的FeO可以与液相中的石墨或富集的碳反应:
(FeO)+C→Fe+CO↑
(FeO)+[C]→Fe+CO↑
形成渣气孔。

渣气孔的特点是气孔和熔渣依附在一起。

•2．金属液中元素间反应性气孔
(1)碳氧反应气孔：钢液脱氧不全或铁液严重氧化，氧与碳相遇，将产生CO
气泡。

CO气泡上浮时，吸入氢和氧，使其长大。

凝固前来不及排出，就产生蜂窝状气孔。

0气泡， (2)水蒸气反应气孔：金属液中溶解的[O]和[H]，如果相遇就会产生H
2凝固前来不及排出，就会产生气孔。

(3)碳氢反应气孔：铸件最后凝固部位液相中的偏析，含有较高浓度的[H]和
，形成局部性气孔。

[C]，凝固过程中产生CH
4
第三节影响气孔的因素及防止措施
•一、析出性气孔的影响因素及防止措施
•(一)影响因素
•1．金属液原始含气量C0
C
过高时，凝固前沿的液相能较早析出气泡。

C
不太高时，就依附缩孔较迟析出。

•2．冷却速度
冷却速度愈快，凝固区域就愈小，枝晶不易封闭液相，气体易排出；
凝固速度愈大，气体来不及扩散，气孔不易形成。

•3．合金成分
不同成分的合金，原始含气量C
0、分配系数k
、扩散系数D
L
、合金收缩大小和
凝固区域各不相同。

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。

•4．气体性质
气体的扩散系数D L大，扩散速度快，则容易析出，不易产生气孔。

(二)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
(1)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。

(2)对金属液进行除气处理，常用的方法有：
• 1) 浮游去气，即向金属液中吹入不溶于金属的气体，如惰性气体、氮气及加入氯盐等，使溶解的气体进入气泡而排除。

•2) 氧化去气，对能溶解氧的金属液，可先吹氧去氢，然后再脱氧。

•2．阻止金属液中气体析出
•(1)提高铸件冷却速度，如金属型铸造等方法。

•(2)提高铸件凝固时的外压，如密封加压等方法。

•3．型(芯)砂处理
•(1)减少砂型(芯)在浇注时的发气量。

•(2)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。

二、防止皮下气孔产生的措施
•(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，有利于气体排出。

•(5)工艺方案设计中，尽量保证金属液平稳进入铸型内，减少金属液的氧化。

第四节夹杂物
•一、液态金属中非金属夹杂物的来源与类型
•(一)夹杂物的来源（5个）
•1、金属在熔炼与铸造过程中，原材料本身所含有的夹杂物，如金属炉料表面粘砂，氧化锈蚀，随同炉料一起进入熔炉的泥砂，焦炭中的灰分等。

•2、金属熔炼时，脱氧、脱硫、孕育、球化等处理过程，产生大量的MnO、SiO2、Al2O3等夹杂物。

•3、液态金属与炉衬、浇包的耐火材料以及溶渣接触时，会发生反应，产生大量MnO、Al2O3等夹杂物。

•4、在精炼后转包及浇注过程中，金属液表面与空气接触，很快形成一层氧化膜。

若其受到紊流、涡流等破坏而卷入金属中，可形成二次氧化夹杂物。

•5、金属在凝固过程中，进行的各种物理化学反应所形成的内生夹杂物，如Al203、FeO、FeS等。

•(二) 非金属夹杂物的类型
•1、按物质分：氧化物，硫化物，硅酸盐。

•2、按形成时间分：初生夹杂物，次生夹杂物，二次氧化夹杂物。

•（1）初生夹杂物是在金属熔炼及炉前处理过程中产生的。

•（2）次生夹杂物是在金属凝固过程中产生的。

•（3）在浇注过程中因氧化而产生的夹杂物称为二次氧化夹杂物。

•（三）夹杂物的形状
•1、夹杂物的形状可分为球形、多面体、不规则多角形、条状及薄板形、板形等。

•2、氧化物一般呈球形或团状。

•3、同一类夹杂物在不同铸造合金中也有不同形状，如Al2O3在钢中呈链球多角状，在铝合金中呈板状。

•4、同一类型夹杂物，含有不同的成分，形态也不相同，如MnS在钢中通常有球形、枝晶间杆状、多面体结晶形三种形态。

二、非金属夹杂物对铸件质量的影响
•1、降低铸件的塑性、韧性和疲劳性能。

•2、金属液内含有的悬浮状难熔夹杂物显著降低其流动性。

•3、易熔的夹杂物(如钢铁中的FeS)，往往分布在晶界，导致铸件产生热裂。

也促进微观缩孔的形成(如钢中FeO) 。

•4、夹杂物有时也有好的一面：如铝合金液中加入Ti，形成TiAl3，可作为铝合金的非均质核心，使组织细化。

三、初生夹杂物的形成及防止措施
•(一)初生夹杂物的形成
1．夹杂物的偏晶结晶
金属熔炼过程及炉前处理，都会在金属液内产生大量一次非金属夹杂物，该
过程属于偏晶反应（L
1 S+L
2
）。

2．夹杂物的聚合长大
初生夹杂物刚析出时，尺寸非常小，仅有几个微米。

但它的生长速度非常快。

原因：生长机理是粒子的碰撞和聚合。

•(二)去除初生夹杂物的途径
•1．加熔剂
金属液表面覆盖一层熔剂，上浮的夹杂物被它吸收。

如铝合金精炼时加入氯盐。

球墨铸铁加珍珠岩。

•2．过滤法
通过过滤达到去除夹杂物的目的。

过滤器分两类：
（1）非活性：只起机械作用，如用石墨、镁砖、陶瓷碎屑等；
（2）活性：多一种吸附作用，排渣效果更好，如用NaF、CaF、Na3A1Fe6等。

•3．采用去气的措施，同样也能达到排除和减少夹杂物的目的，如合金液静置处理、浮游法净化、真空浇注等。

四、二次氧化夹杂物的形成及防止措施
•(一)二次氧化夹杂物的形成
1、形成过程
金属液在浇注及充型过程中，产生的氧化物称二次氧化夹杂物。

液态金属与大气接触时，表面很快会形成一层氧化薄膜，并不断增厚。

在浇注及充型过程中，表面氧化物会被卷入金属液内部，因温度下降很快，来不及上浮到表面，留在金属中形成二次氧化夹杂物。

二次氧化夹杂物常常出现在铸件上表面、型芯下表面及死角部分，是铸件非金属夹杂缺陷的主要来源。

•2、影响因素
•（1）化学成分
二次氧化夹杂物的形成，取决于金属中各氧化元素的热力学及动力学条件。

•1）金属液中要含有强氧化性元素。

元素氧化性越强，生成二次氧化夹杂物的可能性越大。

•2）氧化反应的速度。

与合金元素的活度有关。

通常合金液可以看作稀溶液，可用浓度近似代替它的活度。

因此，被氧化元素的含量多少就直接影响二次氧化夹杂物的速度和数量。

•（2）金属液流
金属液与大气接触的机会越高、接触面积越大、接触时间越长，产生的二次氧化夹杂物就越多。

金属液若是紊流运动，以及金属液产生的涡流、对流会使金属液表面产生波动，增加了与大气接触机会，容易产生二次氧化夹杂物。

•（二）防止和减少二次氧化夹杂物的途径
•1、必须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。

•2、正确选择合金成分，严格控制易氧化元素的含量。

•3、严格控制铸型水分，加入煤粉等碳质材料，或使用涂料，形成还原性气氛。

•4、对要求高的重要铸件或易氧化的合金铸件，可以在真空或在保护性气氛下浇注。

五、次生夹杂物
（一）形成
次生夹杂物是指合金凝固过程中，金属相结晶的同时伴生的非金属夹杂物。

合金结晶时，由于溶质再分配，在凝固区域内合金及杂质元素将高度富集在枝晶间的液相内，在某温度下靠液固界面的“液滴”有可能具备产生某种夹杂物的条件，产生偏晶结晶，析出夹杂物。

这种夹杂物是从偏析液相中产生的，又称为偏析夹杂物。

各枝晶间偏析的液相成分不同，产生的偏析夹杂物也就有差异。

（二）分布
有两种分布情况：
1、偏析夹杂物被枝晶粘附陷入晶内，分布较均匀。

2、偏析夹杂物被生长的晶体推移到液相内，并产生碰撞、聚合而粗化。

凝
固完毕时，被排挤到初晶晶界上，大多密集分布在断面中心部分或铸件上部。

•（三）影响因素
偏析夹杂物的大小决定于合金的结晶条件和成分。

1、凡是能使晶粒细化的条件都能减小偏析夹杂物的尺寸。

2、形成夹杂物的元素原始含量愈高，枝晶间偏析液相中富集该元素的数量愈大。

同样结晶条件下，产生的夹杂物愈大，数量也愈多。