9气孔及夹杂、偏析

第三章铸件中的气孔
3.1 铸件中气体的存在形态：
原子、化合物、分子。

以氮为例子：原子的氮：固溶体，氮与金属反应，氮化物，氮以气体方式存在：氮气，形成气孔。

前两种方式：不是咱们本节讨论的问题，因此不予讨论。

本节主要讨论以分子方式存在所产生的问题。

3.2铸件中的气孔的种类
概念：气孔：铸件在凝固过程中气体残留在铸件中形成的孔洞---气孔
（1）析出性气孔：
在金属溶液中，--------温度高，------气体的溶解度高，-------温度降低，---- -金属溶解度降低--——气体析出——析出的气体来不及排出——残留在铸件内部——形成气孔。

这种气孔主要是由溶液中析出的，因此称为析出性气孔。

形成部位：气体在溶液中各个部位均有溶解，因此，析出性气孔在铸件整个断面上均有，可以呈现大面积分布。

在冒口、铸件厚壁部位：溶液凝固较晚，气体容易向此处转移，因此，在此部位容易出现析出性气孔的聚集，在此部位分布比较密集。

形状：球团形、多角裂纹形，断续裂纹形或混合型。

（2）反应性气孔：
金属液与铸型或金属液内部各种成分之间产生化学反应，产生一定的气体，这些气体在金属液凝固过程中来不及排出铸件之外，在铸件中形成气孔。

C+O2 CO
NH3 N2+H2
气体是由化学反应造成的，因此成为反应性气孔。

产生部位：主要原因：与铸型之间的反应：因此一般在铸件表面或铸件表面1~3毫米以下。

出现在铸件表面以下：一般称为皮下气孔。

（主要原因：金属液与助兴之间的反应产生）
金属液内部各成分之间产生的反应，在整个断面上出现，因此，气孔也出现在整个断面上。

形状：一般应该为圆形，产生后有向铸件外逸出的趋势，因此在向外逸出的过程中
（3）侵入性气孔
金属液外部的气体进入到金属液内部，在金属液凝固过程中来不及逸出到金属液外部而残留在铸件内部，所形成的气孔，称为侵入性气孔。

最主要原因：水分：受热后液态变为气态，体积大大膨胀，产生非常高的压力，在压力作用下进入金属液内部。

特点：在整个铸件断面上分布，但靠近铸件表面分布密集。

形状一般为梨形。

3.3 气孔对铸件质量的影响
（1）减少铸件的有效截面积，
（2）造成应力集中，降低铸件的疲劳强度；
（3）降低铸件的气密性:有些铸件，要求防渗，前面举过的发动机的例子：一方面是水，一方面是燃烧的油，如果有气孔，可以想象会出现什么问题。

（4）金属中含有气体，会影响金属的流动性，降低金属液的充型能力。

（5）金属凝固过程中析出的气体，会阻碍金属液的补缩，加剧铸件中缩孔的形成，有些情况下会进一步形成气缩孔。

进一步恶化铸件的缺陷。

因此铸件中要防止气孔的出现。

3.4 析出性气孔
3.4.1析出性气孔的形成机理
铸件浇入铸型之后，在溶液中溶解有气体，液相中溶解的气体可以看作是溶液的溶质，如图所示，随着金属凝固的进行，气体溶质在固体中的溶解度大大降低，而在溶液中的溶解度也大大提高，这种情况与二元合金的凝固过程是相似的，因此，
根据朱老师给大家讲的有关溶质再分配的理论，我们先进行如下的假设：
液体中溶质（气体）只存在有限扩散，无对流、无搅拌
而固相中溶质（气体）的扩散忽略不计，
在这些假设条件下，固液界面前液相中溶质（气体）的分布可应用下式来描述：
⎥⎦⎤⎢⎣
⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=D RX -EXP k k 11C C 0L 在式中： k: 是气体溶质平衡分配系数； D: 是气体在金属液中的扩散系数， R: 是
凝固速度； x: 是液体中距离液固界面的距离。

C C C 三个符号的意义。

关于这个公式，记住就行，先不用怎么得来，后面如有时间再仔细讲。

将上述关系用图示的方式表示，如图13-1所示。

图中，只表示液相中的气体溶质的，固相中的k c 表示起点，在界面处，先不用关心，回头再讲。

在刚开始凝固时，液相中的气体溶质的浓度为C0，因此凝固的固体中的气体的溶质的浓度为：C0K0，富余的溶质元素在界面上累积，因此界面上的溶质元素的含量大大提高。

画图表示。

在界面上溶质元素含量高，因此就容易析出。

但是否真正析出，主要看气体溶质是否超过其过饱和浓度，如果超过其过饱和浓度则析出，如果低于，则不析出。

假设临界浓度为S L , 则产生的过饱合浓度X ∆ 的区域的长度可由上式推出：
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=∆1C S k k 1ln R D x 0L 另一方面，气体是否析出还决定于X ∆区域存在的时间τ∆ 的
该区域存在的时
间越长，则越有利于气泡的形成， 该时间可由下式推出：
）（1C S k k 1ln R D R 0L 2--=∆X =∆τ 由此可见：液体中的气体溶质是否析出，主要由如下因素决定：凝固速度、分配系数、扩散系数、原始气体浓度等。

金属凝固过程中，若液相被周围树枝晶所封闭，这时被封闭的液相体积，通常是很小的，可以认为液相中气体浓度是均匀的。

液相封闭后，再继续结晶，剩余的液相中的气体浓度将不断增加，后结晶的固相中的气体浓度也相应的不断提高，凝固后期的液相和固相中的气体含量也越高，析出压力也不断加大，到结晶末期将达到最大。

同时，由于液体的收缩，在枝晶间产生微观缩孔由于是全封闭状态，因此应该是真空状态，有利于气体的析出，因此容易产生析出性气孔
3.4.2析出性气孔的主要影响因素：
（1）金属液原始含气量：越高，都将增大，因此，越容易出现析出性气孔。

非常高时，凝固前沿的液相中能较早析出气泡，因此，气孔的形状接近于球团形，当不太高时，气体析出难度较大，因此有可能依附缩孔在最后凝固不为析出。

（2）冷却速度：铸件冷却速度越快，凝固区域越小，枝晶不易封闭液相，且凝固速度越大，则越小，气体来不及扩散，部分可能被固溶在固体中，因此，气孔不易形成。

（4）气体在溶液中的扩散系数：越大，越容易出现气孔，反之，也然。

氢气和氮气，
氢比氮的扩散系数大，因此在铸件中氢气孔出现的概率远远大于氮气孔，同时氮气孔主要出现在最后凝固的热节和厚大断面处，
（5）分配系数：越大，合金的凝固温度范围越小，越不容易出现析出性气孔。

越小，越容易出现。

（6）合金收缩率：合金的收缩越大，越容易出现析出性气孔，反之也然。

3.4.3防止析出性气孔产生的途径
（1）减少金属液的原始含气量防止在熔炼、浇注、冷却过程中带入气体：
（2）浇注前对金属液进行除气处理，其方法有：（1）浮游去气，即向金属中吹入不溶于金属的气体，使溶解的气体进入气泡而排出：常用:吹入惰性气体、氮气。

在铝合金溶液中加入卤烟，形成不溶气泡，将气体带出。

（3）真空除气
（4）氧化去气：
第四章铸件中非金属夹杂物
非金属夹杂物有不同类型和形态，它们对金属的性能和铸件质量有不同程度的影响。

本章着重讲述非金属夹杂物的形成条件，影响因素以及防止和减少非金属夹杂物的途径。

同时还涉及到非金属夹杂物的大小、形状、分布及控制问题。

4.1概述
有一个课题，双金属复合锤头，中间有一次想到，能不能在铸件中的局部部位添加一定的耐磨材料，如碳化钨，这样就可以提高铸件在局部的耐磨性能。

如前面所说的锤头：要求两方面的性能，锤端：耐磨性能，锤柄：韧性，
工作过程：旋转，头部，柄部，要求：头部：耐磨性能，柄部：韧性。

为了达到上书的要求，在端部加一些碳化钨，其他部位还是一般的高锰钢材料，具有非常高的韧性，而在锤头部位由于复合有碳化钨，因此耐磨性能应该非常好，随后就进行了试验，
试验过程：
结果：将头部剖开，看金相：有好多小黑点，很高兴，就是碳化钨颗粒。

做一些微区分析，氧的含量非常高，不含碳，因此可以断定不是碳化钨，而是氧化物。

夹杂：
产生原因：理论基础不行，没有进行认真的分析。

在大气环境下，碳化钨非常容易分解，不可能以原有的状态存在，失败。

为什么会出现很多小的黑色的颗粒，复合过程中带入。

同时碳化钨分解也会产生一部分。

因此在以后观察金相组织时，对这一方面非常重视，又发现了另外一个问题，一般铸件的金相组织中，都有一些黑点。

我仔细观察了咱们试验室作为样品的一些金相照片，发现里边也不同程度的存在一些小的黑点，只不过相对于铸件来说，要少得多。

一般用的钢材，有标准的，还有优质的，即一般所说的优质钢，它里边的黑点就少得多。

当然，优质钢除了夹杂外，其他如成分的要求和控制也都比较高。

下面咱们来分析一下什么是夹在。

夹杂物：夹在铸件中间，作为一种杂质存在。

对铸件的性能有不利的影响。

材料的一般分类：金属材料，无机非金属材料，高分子材料。

铸件：一般针对金属而言，因此，金属一般不作为夹杂物，而一般来说，铸造需要在高温下熔炼，因此，高分子材料（有机材料）也不可能以原有状态存在，因此，铸件中的夹杂物只能是是无机非金属材料。

4.2 非金属夹杂物的来源和分类
4.2.1按来源分类
各种铸件在熔炼和铸造过程中通常会带来各种非金属夹杂物，就其来源可分为：
l）内在夹杂物
它是在熔炼和铸造过程中，金属与非金属元素发生化学反应而产生的各种化合物。

如铁碳合金液能溶解一定数量的硫，在液态或凝固过程中能形成FeS，MnS等硫化物。

2）外来夹杂物
它是金属在熔炼与铸造过程中，与外界物质接触发生相互作用所产生的非金属夹杂物，如金属炉料表面粘砂、粘土、锈蚀、焦炭中的灰分，熔化后变为熔渣，金属液与炉衬、浇包
等耐火材料接触，同样会发生相互作用。

如钢水中的锰和铝可与耐火砖中的SiO2发生下列反应：
Si02：＋2（Mn〕2（Mn0）＋〔Si〕
SiO2＋-（AI）（Si）＋(Al2O3)
产生的非金属夹杂物（MnO）和(A1203,)将进入金属液内，同时炉衬和浇包也不断受到钢水的侵蚀。

经统计，使用一次浇包，包衬侵蚀所产生的非金属夹杂物占钢水重量的0.2- 0.5％，如浇注高锰钢则达5％。

金属与炉气或大气的相互作用，将产生各种氧化物和氮化物。

与铸型相互作用，产生的砂孔、夹砂、粘砂等缺陷，严格说，也属于非金属夹杂物。

4.2.2 按夹杂物的组成分类
按夹杂物的成分组成可分氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物、磷化物和碳化物等以及它们组成多种元素的复杂化合物。

但在钢铁中的氮化物、碳化物、磷化物、硼化物往往不作为夹杂物，而视为一个组成相，在这种情况下，他们对铸件的性能有有利的。

铸铁和石墨钢中的石墨实际上也是非金属夹杂物，但一般也视为一组成相。

复杂化合物乃是溶解多种元素的化合物固溶体或由二种以上化合物组成的共晶体或复合物。

如铝酸盐一铁尖晶石(FeO*A1,0,)，铁与锰的氧化物共晶体(FeO-MnO)等。

硅酸盐的成分比较复杂，它含有Si02的成分，是一种玻璃体夹杂物，常见有FeO* Si02，Fe2SiO4，MnSiO4,，FeO·A l2O·Si03，nFeO·mMn0·pSiO2等。

内在夹杂物通常是简单的氧化物、硫化物等。

简单氧化物也可能转变为复杂氧化物或硅酸盐。

4.2.3．按夹杂物形成的时间分类
按形成时间可分为一次和二次夹杂物。

一次夹杂物是浇注前，即金属熔炼及炉前处理过程中形成的。

二次夹杂物是液态金属在铸造过程中形成的。

4.2.4此外，还可根据夹杂物的大小分为宏观和微观夹杂物。

按熔点高低，可分为难溶与易熔夹杂物。

4.2.5夹杂物的形状可分为球形、多面体、不规则多角形、条状及薄膜形、板形等。

氧化物多呈球形或团形。

同一类夹杂物在不同铸造合金中也有不同形状，如A12O3在钢中呈链球多角形，在铝合金呈板状。

同一类型夹杂物，含有不同成分，形态也不相同，如MnS在钢中就有三种形态MnS- I型（球形），MnS-1I型（枝晶间杆状）及MnS- lIf型（多面体结晶形）（见图也可用各种方法给予鉴定，这些可在有关专著中查阅。

4.2.6 夹杂物的分布可分为：晶内、晶界及局部区域，前两者属于微观夹杂物，如MnS—I 和MnS—III分布在晶内，MnS—II分布在晶界。

在铸件上部及靠近冒口的部位，多分布硅酸盐及复杂化合物、无规则形状的宏观夹杂物。

4.3 非金属夹杂物对铸件质量的影晌
4.3.1．对机械性能的影响
宏观夹杂物对机械性能的影响是显而易见的。

为保证铸件质量，对它存在的数量、大小等应有较严格的检验标准。

但各种“合格”铸件中通常不可避免地含有约10^7~10^8／CM^2数量级的微观夹杂物，其实这对机械性能影响也很大。

有人曾试验，经陶瓷过滤后净化的铝镁合金，强度可提高50％，延伸率提高一倍以上。

夹杂物对塑性、冲击韧性影响很大，．尤其对材料的疲劳强度影响更严重。

如有人统计汽车零件由于技术原因产生的断裂，90％是疲务裂纹造成的。

试验证明疲劳裂纹源主要发生在
非金属夹杂物处，（图）。

这是由于夹杂物与金属基体之间的弹性模量和膨胀系数相差很大，夹杂物与金属基体相比，弹性模量越大，膨胀系数越小，使基体产生的拉应力越大，此时在夹杂物的夹尖角处将出现应力集中，从而降低材料的抗疲劳性能。

夹杂物与金属基体有着不同的弹性模量和膨胀系数（加表）。

夹杂物的形状：尖角形：求团形，哪一种有利？
4.3.2. 对铸造性能的影响
金属液内含有悬浮状难溶固体夹杂物将显著降低它的流动性，
易溶夹杂物分布在晶界上（如刚中的FeS），往往是引起铸件热裂的主要原因之一。

夹杂物还造成局部残余应力：为什么产生？有一个高熔点小颗粒，周围金属凝固时受到阻碍作用，
收缩大，熔点低的夹杂物（如钢中的FeO），将促进微观缩孔的形成。

对铸件的有利影响：如钢中的氮化物（TiN），碳化物，铸铁中的磷共晶，可提高材料的硬度，增加耐磨性。

易切削钢中含有微量的Ca，S，形成球形硫化物，直径在10微米以下，分布在晶内，对钢的机械性能影响不大，但却能大大改善港的切削性能。

润滑、降低塑性。

有些难溶夹杂物能成为自发结晶的核心，从而可以细化晶粒—铸件的组织。

4.4 排出金属液中夹杂物的途径
排出金属液中气体或气泡的措施，同样能达到排除和减少夹杂物的目的。

生产上采取的工艺措施，往往同时达到上述两个目的。

如合金液静置处理、浮游法净化、真空浇注，等。

但是两者之间也有一定的差别
夹杂物的比重比气体大的多，加上液体的流动，夹杂物的排出困难的多，
特别是一些颗粒尺寸小的夹杂物排出更为困难，因此还要采取一些更加有效的措施：
4.4.1加溶剂
合金液表面覆盖一层熔剂，上浮的夹杂物能被它吸收，使分散的夹杂团聚在一起，从而便于排出。

如铝合金熔炼的时候，加入氯盐和氟盐，黑色合金熔炼的时候，都要加造渣剂。

加入溶剂与夹杂物形成比重更小的夹杂物，以利于排出。

4.4.2 过滤法
金属液通过过滤器达到去除夹杂物的目的。

过滤网，过滤器。

4.4.3 防止金属液在浇注过程中产生氧化，在铸型内造成还原性气氛。

铸造的特点：黑为什么原来用的砂型，均含有煤粉，为什么，防止粘砂，另外，也可以造成还原性气氛，从而防止铸件在浇注过程中氧化，从而减少氧化物夹杂。

真空浇注：钛合金，钛，非常容易氧化，怎么办，真空状态下浇注，保护性气氛下（氩气）。

材料：重点学科，为什么，非常重要。

第五章铸件中化学成分的不均匀性
铸件凝固之后，
3.4.1单相合金凝固过程中固—液界面前沿溶质的再分配
3.4.1.1单相合金结晶过程的特点
概念：单相合金：在铸造生产中，指互相无限固溶或虽非无限固溶，但合金元素含量较低，在凝固时只形成单一固溶体的合金。

在固溶体中合金元素的原子以间隙或置换的方式存在于基体原子的点阵中，一般称为溶质元素。

液态时原子集团内比较松散，原子间存在空穴，而固态原子集团堆积紧密，空穴数量远少于液态，因此液态金属溶解溶质元素的能力比固态大得多，这样合金在固---液转变时出现溶解能力的突变，从而造成铸件各个部位化学成分的部均匀。

4.1偏析：各种合金铸造时，要获得化学成分完全均匀的铸件或铸锭是十分困难的，铸件（特别是厚壁铸件）凝固之后，截面上不同部位，以致晶粒内部，产生化学成分不均匀的现象，称为偏析。

偏析产生的原因：合金在结晶过程中溶质再分配的结果。

偏析的种类：两大类：微观偏析：晶内偏析（枝晶偏析），晶界偏析
宏观偏析：正偏析、逆偏析、V型偏析和逆V型偏析、带状偏析、
重力偏析。

4.2晶内偏析（枝晶偏析）：
4.2.1概念：在实际铸造条件下，由于铸件冷却速度较快，溶质来不及充分扩散，凝固后所得的固溶体中，每一个晶粒内部的成分都是不均匀的，晶粒内先结晶的部分和后结晶的部分的成分是不同的，这就是晶内偏析。

工业上具有应用价值的合金，其固溶体组织一般以树枝晶生长方式结晶，对于树枝晶组织，先结晶的枝干中心溶质含量低（k<1），后结晶的分支溶质含量高，枝晶间的溶质含量更高，树枝晶中这种化学成分不均匀的现象，称为枝晶偏析，由于它属于一个晶粒范围的成分不均匀，所以也属于晶内偏析。

4.2.2 产生过程：
单相合金：在铸造生产中，指互相无限固溶或虽非无限固溶，但合金元素含量较低，在凝固时只形成单一固溶体的合金。

平衡条件下：t0开始凝固，但在铸造条件下，冷却速度较快，因此，将形成不平衡结晶，从t1开始到t4，界面的成分沿a1----a4，固体平均成分从a1---a4撇，液相成分从L1---L4撇。

4.2.3枝晶偏析的影响因素
（1）冷却速度：两重性：快：溶质扩散不充分，境内偏析严重；
晶粒细化:，晶粒尺寸减小，晶内偏析减轻。

具体的影响，根据具体情况确定。

（2）扩散能力：扩散能力越强，则晶内偏析越小。

（3）分配系数：k<1 ,越小，固液界面的溶质越富集，固相和液相中的溶质浓度差越大，因此，偏西越严重。

4.2.4 减少或消除枝晶偏析的措施
（1）减少：对合金进行孕育处理，或是加入某些元素，往往能使树枝晶的尺寸或单位面积上的树枝晶的数量发生变化，这样就能够改变枝晶内的溶质分布，减少偏西的程度。

(2) 消除：晶内偏析是不平衡结晶的结果，在热力学上是不平衡的，如能够设法使
溶质进行充分的扩散，就能消除晶内偏析，
在生产上，为了消除晶内偏析，一般将铸件加热到低于固相线100~200度的温度，进行长时间保温，使偏析元素充分扩散，以达到均匀化的目的，这种方法：扩散退火或是均匀化退火。