材料成型理論基礎(chǔ)課件 成形原理51

§5-3氣孔與夾雜的形成機理及控制一、氣孔危害：氣孔是鑄件或焊件最常見的缺陷之一。氣孔減小金屬

的有效承載面積、造成應(yīng)力集中，成為裂紋源。形狀

不規(guī)則的氣孔，降低抗疲勞能力。1.氣孔的分類及特征按氣體來源：析出性氣孔、侵入性氣孔和反應(yīng)性氣孔。按氣體種類：可分為H2、N2、CO氣孔。12（1）析出性氣孔冷卻凝固過程中，因氣體溶解度下降，析出的氣體來不及逸出而產(chǎn)生的氣孔（H2、N2氣孔）。MgNiFeAlCu3特點：在鑄件斷面大面積分布，或在鑄件靠近冒口、熱節(jié)

等溫度較高的區(qū)域呈團球形密集分布（尺寸小）。Al-Si合金中的析出性氣孔微觀結(jié)構(gòu)壓鑄件中的析出性氣孔4（2）侵入性氣孔

砂型、砂芯等在液態(tài)金屬高溫作用下產(chǎn)生的氣體（無明顯化學(xué)反應(yīng)），侵入金屬內(nèi)部所形成的氣孔。特點：數(shù)量少體積大、孔壁光滑，常出現(xiàn)在鑄件表層或近表層。

多呈梨形或圓形（H2O、CO、CO2、H2、N2）。球形氣孔梨形氣孔5（3）反應(yīng)性氣孔

——液態(tài)金屬內(nèi)部或與鑄型之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的氣孔。特點：金屬-鑄型間反應(yīng)性氣孔常在鑄件表面皮下1~3mm處，

表面加工或清理后，暴露出來，通稱為皮下氣孔。圖5-10固液界面前沿氣體含量分布飽和溶解度SLC062.氣泡的形成機理（1）析出性氣孔的形成機理

固相無擴散，液相無對流、只有有限擴散，固/液界面氣體溶質(zhì)的分布：氣體溶質(zhì)在凝固界面前沿聚集引發(fā)。氣體從金屬中析出的三種形式：①擴散逸出；②與金屬元素形成化合物；③以氣泡形式從金屬液逸出。7a）氣泡的生核

氣泡生核條件：金屬液中存在過飽和氣體、現(xiàn)成表面。氣泡依附于現(xiàn)成表面生核所需能量E為：Aa/A值最大的地方（相鄰枝晶間的凹陷處）是氣泡最可能生核之處；Aa/A值一定時，θ角越大，形成氣泡核所需能量越小，氣泡越易生核。以氣泡形式析出過程包括：形核、長大、上浮三個階段。式中：ph——氣泡內(nèi)氣體的壓力；pL——液體對氣體的壓力；Aa——吸附力作用面積。8

——金屬液中溶解的氣體向氣泡內(nèi)析出的過程。

b）氣泡的長大式中：Ph——氣泡內(nèi)各氣體分壓的總和；p0——氣泡所受外部壓力總和。

r↓，Pσ↑難長大；r↑Pσ↓利于長大。長大熱力學(xué)條件：各氣體分壓總和＞外界壓力pσpbpa9c）氣泡的上浮θ<90oθ>90o脫離現(xiàn)成表面，上浮長大過程細頸殘留氣泡核θ<90o時，氣泡直徑較小時，即可脫離、上浮；θ>90o時，長大到產(chǎn)生縮頸方可脫離，生長時間長，逸出困難→氣孔。10上浮動力學(xué)條件η↑,則Vt

↓

，易產(chǎn)生氣孔；△ρ(實際上為ρL)↑

，則Ve↑，難產(chǎn)生氣孔。－－輕金屬（鋁、鎂）易產(chǎn)生氣孔。當Vt<

R時，氣泡殘留于金屬中形成氣孔。取決于上浮速度Vt與凝固速度R。11綜上，析出性氣孔的形成機理為：結(jié)晶前沿，溶質(zhì)聚集區(qū)中氣體含量超過其飽和含量SL，(枝晶間氣體富集程度更高，析出動力大)在液-固界面處又存在其他溶質(zhì)的偏析及非金屬夾雜物（形核基底）枝晶間封閉液相在凝固初期處于真空狀態(tài)（長大熱力學(xué)條件好）。枝晶間極易析出氣泡，但很難排除，從而保留下來形成氣孔。圖5-11侵入性氣孔形成過程12（2）侵入性氣孔的形成機理氣體侵入條件：界面處氣體壓力＞外界壓力。

——由砂型、砂芯在高溫金屬液作用下產(chǎn)生的氣體侵入金屬液內(nèi)部而形成。氣體在金屬已開始凝固時侵入液態(tài)金屬，易形成梨形氣孔。13（3）反應(yīng)性氣孔的形成機理a）

金屬液與鑄型（芯）反應(yīng)性氣孔皮下氣孔是典型的金屬-鑄型間反應(yīng)性氣孔，三種形成機理：CO說（FeO）+[C]=[Fe]+CO↑

氫氣說m[Me]+nH2O→MemOn+nH2↑

氮氣說（氮氣孔）鑄型或型芯采用各種含氮樹脂做粘結(jié)劑，分解反應(yīng)造成界面處氣相N2濃度增加。14b）金屬液內(nèi)反應(yīng)氣孔渣氣孔例：鋼中CO不溶，但氧或氧化物與碳反應(yīng)形成CO（FeO）+[C]=CO+[Fe]（MnO）+[C]=CO+[Mn]（SiO2）+2[C]=2CO+[Si]（Cu2O）+2[H]=2[Cu]+H2O(氣)金屬液中元素間反應(yīng)性氣孔碳氧反應(yīng)氣孔→CO，鋼脫氧不足氫氧反應(yīng)氣孔→H2O，溶解了[H]、[O]碳氫反應(yīng)氣孔→CH4，偏析處[H]、[C]含量較高15危害：有效工作斷面↓，導(dǎo)致σb↓、δ↓；

應(yīng)力集中→裂紋；疏松→δ↓、氣密性↓、耐蝕性↓

3.氣孔的危害及防止措施防止措施：針對形成原因:析出型或是反應(yīng)型？反應(yīng)型的原因？析出型的原因？侵入型的原因？

16消除氣體來源（H、O、N）

保持爐料清潔、控制砂芯水分和粘結(jié)劑用量、隔絕空氣（真空熔煉）。（1）析出性氣孔的防止控制熔煉溫度，降低原始含氣量對金屬液進行除氣處理

浮游除氣（通惰性氣體、N2氣）；

氧化除氣（Cu液通O2氣）。阻止金屬液內(nèi)氣體析出

提高冷卻速度；

壓力下凝固（擠壓鑄造、液面壓縮空氣）。17（2）侵入性氣孔的防止控制侵入氣體的來源

發(fā)氣物質(zhì)的含量、濕型的水分?？刂粕靶偷耐笟庑院途o實度

保證砂型強度條件下，盡量降低緊實度。提高砂型和砂芯的排氣能力

扎排氣孔、設(shè)置出氣冒口。適當提高澆注溫度

保證充足的排氣時間。提高液態(tài)金屬的熔煉質(zhì)量

降低鐵液中硫含量，提高流動性→減小排氣阻力。18二、夾雜物1.夾雜物的來源及分類——金屬內(nèi)部或表面存在的和基本金屬成分不同的物質(zhì)。

內(nèi)生夾雜：熔化、凝固過程冶金反應(yīng)的化合物

脫O、P、S產(chǎn)物；O2、N2、P溶解；偏析形成第二相。外來夾雜：與外界物質(zhì)接觸而產(chǎn)生的非金屬物質(zhì)

熔爐耐火材料、造型材料。來源：19按形成時間：一次夾雜物——熔煉及處理過程中產(chǎn)生；

二次氧化夾雜物——澆注、充型過程中產(chǎn)生；

偏析夾雜物——凝固過程中產(chǎn)生。按夾雜物組成：可分為氧化物、硫化物、硅酸鹽等SiO2、MnO、FeS、Fe2SiO4按夾雜物形狀：可分為球形、多面體、不規(guī)則多角形、條

狀及薄板形、板形等。分類：20幾種氧化物的熔點、密度幾種硫化物的熔點、密度21破壞材料的連續(xù)性、均勻性2.夾雜物的危害裂紋源（應(yīng)力集中）取決于夾雜物的性能、形狀、大小、分布硬脆→δ、αk↓；球形→影響↓；針狀、尖角→影響↑↑力學(xué)性能↓、致密性↓、耐蝕性能↓熱裂（低熔點相）鋼中MnS夾雜物引起的裂紋源及擴張過程a)原始狀態(tài)，b)受力后產(chǎn)生裂紋，c)d)裂紋繼續(xù)擴展22事物的另一面利：

高熔點、細小顆粒→異質(zhì)核心→細化晶粒；沉淀強化—N化物（如TiN）彌散分布。新學(xué)科的產(chǎn)生——促進生成高性能陶瓷相，形成金屬基復(fù)合材料MMC。TiB2/Al復(fù)合材料組織233.一次夾雜物的形成及防止?jié)沧⑶暗娜蹮捈叭垠w處理中，冶金反應(yīng)產(chǎn)生。夾雜物容易聚合、長大析出固相夾雜物是一個結(jié)晶過程，夾雜物往往是最先析出的相，并且大多屬于偏晶反應(yīng)。異類夾雜物碰撞后，可產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成更復(fù)雜的化合物：惡劣：不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的同種夾雜物相遇后，可機械粘連在一起，組成各種成分不均勻、形狀不規(guī)則的復(fù)雜夾雜物。24防止措施：（1）加溶劑——吸收夾雜珍珠巖及處理后形成的渣25（2）過濾法（3）除氣處理——將夾雜物攜帶上浮排出陶瓷過濾器26

形成——澆注及填充鑄型的過程中氧化形成。防止4.二次氧化夾雜物的形成及防止液態(tài)金屬與大氣或氧化性氣體接觸時，其表面會形成一層氧化薄膜。在澆注及充型過程中，因金屬流動時產(chǎn)生的紊流、渦流及飛濺等，氧化膜被卷入液態(tài)金屬內(nèi)部。合理的澆注工藝及澆冒口系統(tǒng)，平穩(wěn)充型；控制金屬液的易氧化元素；鑄型內(nèi)營造還原型氣氛；275.偏析夾雜物的形成凝固過程中，溶質(zhì)再分配，雜質(zhì)元素高度富集于枝晶間液相中，一定條件下，發(fā)生偏晶反應(yīng)析出夾雜物。例如：Fe中富集Mn和S時，產(chǎn)生偏晶反應(yīng)：L1（33.2S%）L2（0.3%S）+MnS1580℃

形成——溶質(zhì)富集，偏晶反應(yīng)生成。防止