鑄件形成理論12(第八章)

第八章鑄件中的非金屬夾雜物

§8-1概述一、非金屬夾雜物的分類二、非金屬夾雜物的來源三、非金屬夾雜物對鑄件質量的影響

第八章鑄件中的非金屬夾雜物

§8-1概述一、非金屬夾雜物的分類1)簡單氧化物如FeO、CuO、Al2O3、MnO、SiO2等；2)復雜氧化物通常用AO?B2O3表示，如MnO?Al2O3、MnO?Fe2O3、FeO?Al2O3等。這類夾雜物又稱尖晶石；3)硅酸鹽通用化學式為lFeO?mMnO?nAl2O3?pSiO2，其中l(wèi)、m、n、p為系數(shù)；4)硫化物如FeS、MnS和稀土硫化物；5)氮化物如VN、TiN、AlN等。前三類非金屬夾雜物統(tǒng)稱為氧化夾雜物。BACK第八章鑄件中的非金屬夾雜物

§8-1概述二、非金屬夾雜物的來源1)脫氧、脫硫產物，特別是一些密度大的脫氧產物未及時排除；2)隨著金屬液溫度的降低，硫、氧、氮等元素的溶解度相應下降，達到過飽和，過飽和析出的組元常以低熔點共晶或化合物的形式殘留在金屬中。3)金屬與外界物質相互作用生成的非金屬夾雜物，如金屬料表面的粘砂、銹蝕、焦炭中的灰分熔化后成為熔渣，爐襯和澆包受金屬液侵蝕生成的非金屬夾雜物；4)金屬液被大氣氧化生成的氧化物。前兩類非金屬夾雜物稱為內生夾雜物，后兩類夾雜物稱為外來夾雜物。BACK第八章鑄件中的非金屬夾雜物

§8-1概述三、非金屬夾雜物對鑄件質量的影響1對力學性能的影響：使沖擊韌性下降，疲勞極限降低。夾雜物越粗大，材料的疲勞極限越低。據(jù)統(tǒng)計，汽車零件的斷裂90％是由疲勞裂紋造成的，其裂紋源為非金屬夾雜物。尖角形的夾雜物引起應力集中，促使微裂紋的產生，加速零件破壞。2對鑄造性能的影響：金屬液中含有固體夾雜物時，其流動性顯著降低。分布在晶界上的低熔點夾雜物是鑄件產生熱裂紋的主要原因之一。低熔點夾雜物(如鋼中的FeO)促進鑄件產生微觀縮孔和縮氣孔(圖)。

第八章鑄件中的非金屬夾雜物

§8-1概述a)鋼中FeO產生的縮孔b)可鍛鑄鐵中MnS產生的縮氣孔第八章鑄件中的非金屬夾雜物

§8-1概述3

在某些情況下，鑄件中的非金屬夾雜物對鑄件質量有良好作用。例如，鋼中的氧化物、碳化物和鑄鐵中的磷共晶能提高材料的硬度、增加耐磨性。鋼中微量的鈣和硫形成球形硫化物，分布在晶內，對機械性能影響不大，卻能改善鋼的切削性能。有些難熔的非金屬夾雜物可成為非自發(fā)結晶的核心，細化鑄件的宏觀組織。第八章鑄件中的非金屬夾雜物

§8-2非金屬夾雜物的生成一、澆注前形成的非金屬夾雜物二、澆注時形成的非金屬夾雜物三、凝固時形成的非金屬夾雜物第八章鑄件中的非金屬夾雜物

§8-2非金屬夾雜物的生成一、澆注前形成的非金屬夾雜物金屬在熔煉和爐前處理時，產生的非金屬夾雜物可能是脫氧、脫硫產物，也可能是金屬液與爐襯相互作用的產物。澆注前許多尺寸較大的夾雜物上浮到金屬液表面，經多次扒渣，大部分被清除。但仍有數(shù)量可觀、尺寸較小的非金屬夾雜物殘留在金屬液內，隨液流一起注入型腔，鑄件凝固后，殘留在鑄件的內部，成為非金屬夾雜物。常見的脫氧元素形成的非金屬夾雜物硅鐵對鋼液脫氧時：同一種脫氧劑能生成不同的產物：

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§8-2非金屬夾雜物的生成二、澆注時形成的非金屬夾雜物1形成過程在澆注及充型過程中生成的非金屬夾雜物主要是氧化物，故又稱為二次氧化夾雜物。（金屬液與大氣接觸）在澆注過程中，金屬液的斷流、在充型過程中產生的渦流、飛濺等都會把氧化膜卷入金屬液內產生氧化夾雜。脫氧后，剛出爐的金屬液與鑄件的含氧量對比發(fā)現(xiàn)，鑄件的含氧量明顯增加。因此，澆注過程中的二次氧化是鑄件產生非金屬夾雜物的主要途徑。2影響二次氧化夾雜物形成的因素合金成分金屬液流

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§8-2非金屬夾雜物的生成三、凝固時形成的非金屬夾雜物合金液在凝固過程中，由于溶質再分配的結果，液相中的溶質濃度不斷增高，出現(xiàn)偏析液相。當枝晶間的偏析液達到過飽和時，則析出非金屬夾雜物，又稱偏析夾雜物。以Fe－C合金為例，討論偏析夾雜物的形成過程。假定該合金只存在Mn、S兩種雜質。在合金凝固過程中，由于溶質再分配，枝晶間的液相中富集Mn、C、S等溶質。當Mn和S達到過飽和濃度時，發(fā)生如下反應[Mn]+[S]MnS隨著溫度的不斷下降，枝晶間液相中的Mn和S進一步富集，且在合金液中的溶解度隨之降低，促使MnS不斷長大或生成新的MnS。第八章鑄件中的非金屬夾雜物

§8-2非金屬夾雜物的生成三、凝固時形成的非金屬夾雜物事實上，偏析液的成分是復雜的，且各枝晶間液相的成分也不同。因此，生成的夾雜物也不相同，既可能生成MnS、MnO、SiO2、Al2O3等固態(tài)夾雜物，也可能生成硅酸鹽等液態(tài)夾雜物。枝晶間殘留的偏析液，通常是易熔成分，最后將進行二元和三元共晶反應，生成物以網狀存在于晶界上。例如，鋼中的硫，在凝固末期發(fā)生共晶反應，生成Fe＋FeS共晶。如果鋼液脫氧不良，F(xiàn)eO含量較多，將形成熔點更低(940℃)的三元共晶(Fe＋FeS＋FeO)。這種共晶體對鋼的危害更大，是鑄件產生熱裂的主要原因。為了消除S的有害作用，可加入Mn。Mn與S的親合力比較大，優(yōu)先生成MnS。研究表明，當[%Mn]／[％S]＞7時，95％的硫化物以MnS形式存在。第八章鑄件中的非金屬夾雜物

§8-3夾雜物的長大、分布和形狀一、夾雜物的聚合長大剛從液相中析出的夾雜物尺寸非常小，僅有幾微米。長大的速度非常快。金屬液的對流以及夾雜物與液體的密度差而產生的上浮或下沉，使懸浮在液體中的夾雜物雜亂無章地運動，夾雜物相互碰撞，聚合長大。液態(tài)夾雜物的粘度較低，彼此碰撞，則容易聚合成一個完整的球狀夾雜物(圖)

。當金屬液溫度較低時，夾雜物的粘度增大，碰撞后可粘連在一起，或單個靠在一塊，即使聚合在一起也呈粗糙的多鏈球狀(圖)。非同類夾雜物相碰撞，經燒結，組成成分更為復雜的夾雜物。第八章鑄件中的非金屬夾雜物

§8-3夾雜物的長大、分布和形狀鐵基合金中的SiO2形態(tài)a多鏈球狀b

單球第八章鑄件中的非金屬夾雜物

§8-3夾雜物的長大、分布和形狀二、夾雜物的分布1)能作為金屬非自發(fā)結晶核心的非金屬夾雜物分布在晶內。2)能上浮到鑄件表面的夾雜物、不溶解于金屬液中的液態(tài)夾雜物(如各種硅酸鹽)，及固態(tài)夾雜物在金屬液中運動、碰撞、聚合，尺寸不斷加大。若夾雜物的密度小于金屬液的密度，上浮速度逐漸加快。它們可能集中到冒口中被排除，或保留在鑄件上部、上表面層和鑄件的拐角處。3)處在金屬疑固區(qū)內的高熔點固態(tài)微小夾雜物，可能被枝晶粘附，分布于晶內；否則分布于晶界。第八章鑄件中的非金屬夾雜物

§8-3夾雜物的長大、分布和形狀三、夾雜物的形狀尺寸較大的低熔點夾雜物能上浮到鑄件表面。在合金凝固即將結束時，匯集于晶界的低熔點偏析夾雜物，其形狀在很大程度上受界面張力的影響。設夾雜物—晶體的界面張力為

IC，金屬晶體間的界面張力為

CC，平衡條件為

晶體晶體夾雜物雙邊角第八章鑄件中的非金屬夾雜物

§8-3夾雜物的長大、分布和形狀三、夾雜物的形狀

只有當2

IC

CC時，才能處于平衡狀態(tài)。雙邊角(兩晶體間的夾角)

決定夾雜物的形狀。

從0°～180°變化，夾雜物形狀由尖角狀逐漸變化為球形(圖)。如果2

IC

<

CC，平衡狀態(tài)遭到破壞，夾雜物以薄膜分布在晶界上。晶體晶體夾雜物雙邊角第八章鑄件中的非金屬夾雜物

§8-3夾雜物的長大、分布和形狀不同雙邊角間夾雜物形狀示意圖第八章鑄件中的非金屬夾雜物

§8-4減少和排除夾雜物的途徑(1)正確地選擇合金成分，嚴格控制易氧化元素的含量。(2)加熔劑金屬液表面覆蓋一層熔劑，能吸收上浮的夾雜物(如鋁合金熔煉時加氯鹽、氟鹽)，或向金屬液中加入熔劑，使之與夾雜物形成密度更小的液態(tài)夾雜物，如向球鐵液中加入冰晶石，可降低夾雜物熔點，便于聚合和上浮。(3)采用復合脫氧劑采用單一脫氧劑，由于脫氧產物熔點高，易成為夾雜物殘存在鑄件中。如采用復合脫氧劑，當配比適當時，可以生成密度小、熔點低的液態(tài)脫氧產物，易聚合成大液滴，利于上浮、排除。第八章鑄件中的非金屬夾雜物

§8-4減少和排除夾雜物的途徑(4)采用真空或在保護氣氛下熔煉和澆注。(5)應避免金屬液在澆注和充型時發(fā)生飛濺和渦流，盡可能保證充型平穩(wěn)。(6)過濾法