鑄件成形原理第10章氣孔和夾雜的形成與控制10.1引言

10.2鑄件中的氣孔

10.3鑄件中的夾雜10.1引言1.氣體對鑄件質(zhì)量的影響

2.非金屬夾雜物對鑄件質(zhì)量的影響1.氣體對鑄件質(zhì)量的影響鑄造合金中的氣體元素主要有三種存在狀態(tài)：①以分子態(tài)存在于鑄件中，形成氣孔；②以原子態(tài)溶解在金屬中，形成固溶體；③與金屬中其他元素形成化合物。氣孔是鑄件中一種最常見的缺陷，它作為一種孔洞，破壞了鑄件微觀結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，減小了有效承載面積，并在其周圍造成局部應(yīng)力集中，成為零件斷裂的裂紋源，顯著降低鑄件的強(qiáng)度、塑性、疲勞極限和斷裂韌度。氣孔被認(rèn)為是對抗疲勞與抗斷裂性能最有害的缺陷之一［1］。氣孔在鑄件中的存在部位與形狀不同，對鑄件性能的影響也有區(qū)別。位于鑄件中心的大氣泡，可能對力學(xué)性能和疲勞強(qiáng)度的影響并不大，但是接近于表面的非常小的氣泡卻能產(chǎn)生顯著的影響；氣孔形狀越不規(guī)則，尖角處的應(yīng)力集中效應(yīng)越顯著，對鑄件力學(xué)性能破壞越大；另外，彌散性氣孔導(dǎo)致鑄件組織不致密，使鑄件氣密性降低。2.非金屬夾雜物對鑄件質(zhì)量的影響宏觀夾雜物對鑄件質(zhì)量影響較大，為了獲得優(yōu)質(zhì)鑄件，對鑄件宏觀夾雜物的數(shù)量、大小等有較嚴(yán)格的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。但是，各種“合格”的鑄件中除了含有宏觀非金屬夾雜物之外，通常不可避免地含有107~108/cm3數(shù)量級的微觀夾雜物，嚴(yán)重影響鑄件的力學(xué)性能。夾雜物的存在會降低鑄件的塑性、韌性和疲勞極限。夾雜物對鑄件質(zhì)量的影響取決于其類型、形狀、大小、分布和數(shù)量等因素。10.2鑄件中的氣孔10.2.1氣孔的分類及特征

10.2.2氣體在金屬中的析出

10.2.3析出型氣孔

10.2.4侵入型氣孔

10.2.5反應(yīng)型氣孔10.2.1氣孔的分類及特征1.析出型氣孔

2.侵入型氣孔

3.反應(yīng)型氣孔1.析出型氣孔圖10-1析出型氣2.侵入型氣孔1)鑄型(型芯)中的水分、添加物或樹脂粘結(jié)劑在高溫金屬液的作用下汽化、分解或燃燒所產(chǎn)生的氣體侵入金屬液，侵入型氣孔大多是由于這種原因造成的。

2)澆注系統(tǒng)設(shè)計不合理，在澆注過程中由澆口、型腔卷入金屬液的氣體。

3)金屬液和冷鐵、芯撐等表面的水分、氧化皮相互作用而產(chǎn)生的氣體侵入金屬液。2.侵入型氣孔圖10-2侵入型氣3.反應(yīng)型氣孔金屬液與鑄型、熔渣之間或金屬液內(nèi)部某些元素、化合物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生氣體，形成氣泡所產(chǎn)生的氣孔稱為反應(yīng)型氣孔。金屬與砂型、砂芯、冷鐵等外部因素之間發(fā)生反應(yīng)生成的氣孔通常分布在鑄件表面皮下1~3mm，經(jīng)清理或機(jī)加工后會清晰地顯露出來，形狀有球形或梨形，孔徑為1~3mm，但多呈長條狀垂直于鑄件表面，深度可達(dá)10mm，這類氣孔亦稱為皮下氣孔或皮下針孔。金屬內(nèi)部的化學(xué)元素之間或組元與非金屬夾雜物之間發(fā)生反應(yīng)也會產(chǎn)生反應(yīng)型氣孔，一般為蜂窩狀，呈梨形或球團(tuán)形均勻分布。這類反應(yīng)型氣孔通常出現(xiàn)在薄壁鑄件的底面或厚壁鑄件的上表面，鑄件粘砂部位和澆冒口附近較多。10.2.2氣體在金屬中的析出1.金屬液中氣體的析出

2.氣泡的上浮

3.溶質(zhì)再分配與氣體析出的關(guān)系1.金屬液中氣體的析出(1)氣泡的形核過程金屬液中氣泡的形核條件為：①氣體處于過飽和狀態(tài)且有析出分壓力；②氣泡內(nèi)的分壓力之和大于局部的外部阻力。

(2)氣泡的長大過程當(dāng)氣體在金屬液中有足夠大的過飽和度、析出壓力足以克服外部阻力時，氣泡才能穩(wěn)定存在并繼續(xù)長大。1.金屬液中氣體的析出圖10-3氣體溶解度與溫

度及熱效應(yīng)關(guān)系示意圖

1—溶解吸熱過程2—溶解放熱過程2.氣泡的上浮圖10-4氣泡脫離襯底表面示意圖

a)θ<90°b)θ>90°3.溶質(zhì)再分配與氣體析出的關(guān)系圖10-5金屬凝固時氣體在固相及

液相中的濃度分10.2.3析出型氣孔1.析出型氣孔的形成機(jī)理

2.形成析出型氣孔的主要影響因素

3.防止和減少析出型氣孔的途徑1.析出型氣孔的形成機(jī)理析出型氣孔的形成機(jī)理為：在合金的冷卻凝固過程中，由于溫度的降低和液態(tài)向固態(tài)的物態(tài)變化，使得氣體溶解度急劇下降，并由于溶質(zhì)再分配，氣體溶質(zhì)在固-液界面前方的液相中富集，當(dāng)其濃度達(dá)到過飽和時，會產(chǎn)生很大的析出動力，氣體在現(xiàn)成的襯底上析出，并形成氣泡，保留在鑄件中成為析出型氣孔。顯然，析出型氣孔不但取決于金屬液中的氣體濃度，還與合金的結(jié)晶特性緊密相關(guān)。2.形成析出型氣孔的主要影響因素(1)液態(tài)合金的原始?xì)怏w溶質(zhì)濃度C0

C0越大，凝固前沿液相中氣體的溶質(zhì)濃度越高，氣體越容易達(dá)到過飽和狀態(tài)，越容易形成析出型氣孔。

(2)合金的結(jié)晶特點(diǎn)在原始含氣量一定的條件下，合金的平衡分配系數(shù)K0決定了凝固時液相氣體溶質(zhì)的富集程度，在K0<1的情況下，氣體元素向液相中富集，K0偏離1越遠(yuǎn)，液相中的氣體越容易富集，氣體也越容易達(dá)到過飽和而析出氣孔。

(3)合金成分合金成分決定合金的收縮值及結(jié)晶溫度范圍，收縮量大、結(jié)晶溫度范圍寬的合金在凝固時易形成封閉液相區(qū)并收縮為微觀縮孔。2.形成析出型氣孔的主要影響因素(4)冷卻速度鑄件的冷卻速度越快，凝固區(qū)域越窄，凝固界面前沿的液相始終受到大氣壓力和合金液靜壓力的作用，液相中溶解的氣體不易析出。

(5)外界壓力外界壓力越大，氣泡形成阻力越大，越不易形成析出型氣孔。

(6)氣體性質(zhì)氣體原子在金屬中的擴(kuò)散速度越快，越容易產(chǎn)生析出型氣孔。3.防止和減少析出型氣孔的途徑(1)減少合金液的原始含氣量

(2)進(jìn)行脫氣處理，降低合金液的含氣量

(3)阻止氣體析出(1)減少合金液的原始含氣量1)控制鑄造原材料質(zhì)量，盡量減少氣體溶入合金液的量。合金爐料應(yīng)干燥、無銹蝕、無油脂，以降低固態(tài)原始含氣量；爐襯、包襯應(yīng)充分烘干；各種添加劑(如球化劑、孕育劑、覆蓋劑等)應(yīng)保持干燥，濕度高時要烘干后才能使用；應(yīng)控制造型材料的水分和有機(jī)粘結(jié)劑的用量。2)減少合金熔煉時與爐氣接觸時的吸氣量。溫度越高，合金液的氣體溶解度越大，吸氣量越大，應(yīng)控制熔煉溫度，不能過高；減少合金液直接與大氣接觸的機(jī)會，如使用覆蓋劑、真空熔煉等。(2)進(jìn)行脫氣處理，降低合金液的含氣量1)浮游脫氣處理。向合金液中通入不溶解氣體，形成大量浮游氣泡。溶解氣體在氣泡內(nèi)的分壓低，易擴(kuò)散到浮游氣泡中而隨之上浮逸出，從而降低合金液的含氣量。若合金液與非金屬夾雜物不潤濕，合金液會將夾雜物擠向浮游氣泡，使夾雜物吸附在浮游氣泡表面并隨之上浮而去除，即浮游脫氣還有去除夾雜物的作用。2)真空脫氣處理。在真空狀態(tài)下對合金液進(jìn)行脫氣，降低金屬液的含氣量，作為爐外精煉的一種，在冶金工業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。3)氧化脫氣處理。對于不易氧化的合金液(如銅合金)，根據(jù)氧和氫在合金液中溶解度的平衡關(guān)系，可采用先吹氧去氫，然后再脫氧的熔煉工藝。(3)阻止氣體析出1)提高合金凝固時的外界壓力，增大氣體析出阻力。例如，采用密封通入壓縮氣體法加壓或采用壓鑄法可有效防止在鋁合金內(nèi)形成析出型氣孔。2)提高鑄件的冷卻速度，使金屬液中溶解的氣體來不及形核析出，如采用金屬型鑄造方法。10.2.4侵入型氣孔1.侵入型氣孔的形成機(jī)理

2.形成侵入型氣孔的主要影響因素

3.防止和減少侵入型氣孔的途徑1.侵入型氣孔的形成機(jī)理圖10-6侵入型氣孔形成過程示意圖

a)氣體通過砂型逸出b)壓力增加c)侵入金屬液

d)產(chǎn)生縮頸e)形成氣泡2.形成侵入型氣孔的主要影響因素(1)型(芯)砂的發(fā)氣性高溫條件下型(芯)砂的發(fā)氣量和發(fā)氣速度稱為發(fā)氣性，它主要取決于含水量或有機(jī)粘結(jié)劑含量、澆注溫度和雜質(zhì)含量等因素。

(2)型砂的透氣性緊實(shí)的型砂能讓氣體通過而逸出的能力稱為透氣性。

(3)金屬液的充型速度充型速度過快時會在金屬液周圍產(chǎn)生負(fù)壓，并形成表面湍流，容易造成卷氣，氣體來不及上浮時也會在鑄件中形成侵入型氣孔。(1)型(芯)砂的發(fā)氣性圖10-7型砂發(fā)氣性對形成侵入型氣孔的影響示意

a)發(fā)氣速度較快時b)發(fā)氣速度較慢時3.防止和減少侵入型氣孔的途徑1)盡量采用發(fā)氣量低的造型材料。

2)采用發(fā)氣慢的造型材料。

3)提高鑄型的排氣能力。

4)防止卷入氣體。

5)適當(dāng)提高澆注的溫度，可以使侵入金屬液的氣體有充分的時間上浮排出。10.2.5反應(yīng)型氣孔1.反應(yīng)型氣孔的形成機(jī)理

2.防止和減少反應(yīng)型氣孔的措施1.反應(yīng)型氣孔的形成機(jī)理(1)金屬與鑄型間的反應(yīng)型氣孔高溫合金液與砂型、砂芯、冷鐵或氧化皮等發(fā)生反應(yīng)，生成的氣體溶解于合金液中，使鑄件表層金屬液中的氣體含量增高，在凝固過程中形成氣泡，氣泡受到側(cè)面柱狀枝晶限制而形成針狀，因來不及排出而產(chǎn)生的氣孔稱為反應(yīng)型氣孔。

(2)金屬液內(nèi)的反應(yīng)型氣孔根據(jù)金屬液內(nèi)部參與反應(yīng)的物質(zhì)不同，可將金屬液內(nèi)的反應(yīng)型氣孔分為兩類：一類為金屬液與熔渣相互作用生成氣體而形成的渣氣孔；另一類為金屬液內(nèi)部元素發(fā)生反應(yīng)生成氣體而形成的氣孔。(1)金屬與鑄型間的反應(yīng)型氣孔(1)金屬與鑄型間的反應(yīng)型氣孔圖10-8皮下氣(2)金屬液內(nèi)的反應(yīng)型氣孔2.防止和減少反應(yīng)型氣孔的措施1)合金方面。

2)在鑄型方面應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①控制型砂水分；②樹脂砂要盡量減少有機(jī)粘結(jié)劑含量，特別要控制含氮樹脂的含量；③提高鑄型透氣性；④濕型砂應(yīng)添加煤粉、重柴油等附加物以增加鑄型的還原性氣氛，防止金屬液氧化；⑤冷鐵、芯撐應(yīng)嚴(yán)格除油、除銹和干燥；⑥生產(chǎn)球墨鑄鐵件時可向澆包液面或型腔中撒入冰晶石粉。

3)根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)和氣孔的產(chǎn)生特點(diǎn)，采用合理的鑄造工藝。10.3鑄件中的夾雜10.3.1概述

10.3.2夾雜物的形成原因

10.3.3夾雜物的長大、分布及形狀

10.3.4夾雜物的防止措施10.3.1概述1.夾雜物的分類

2.夾雜物的來源1.夾雜物的分類(1)按化學(xué)成分分類

(2)按形成時間分類

(3)按夾雜物形狀分類(1)按化學(xué)成分分類1)簡單氧化物，如FeO、MnO、Cr2O3、Al2O3、SiO2以及鈦、釩、鈮的氧化物等。2)復(fù)雜氧化物，又稱為尖晶石類夾雜物，通常用化學(xué)式AO·B2O3表示(化學(xué)式中A表示二價金屬，如鎂、錳、鐵等；B表示三價金屬，如鐵、鉻、鋁等)。3)硅酸鹽及硅酸鹽玻璃，通用化學(xué)式可寫成lFeO·mO·nAl2O3·pSiO2。4)硫化物，主要是FeS、MnS，此外，根據(jù)情況不同，還可能出現(xiàn)CaS、TiS、稀土硫化物等。5)氮化物，如VN、TiN、AlN、ZrN、NbN等。(2)按形成時間分類1)初生夾雜物，是在金屬熔煉及爐前處理過程中產(chǎn)生的非金屬夾雜物。2)二次氧化夾雜物，是在澆注及充型過程中因氧化而產(chǎn)生的夾雜物。3)次生夾雜物，是在金屬凝固過程中產(chǎn)生的，又稱為偏析夾雜物。(3)按夾雜物形狀分類可分為球形、多面體、不規(guī)則多角形、條狀及薄板形、板形等。同一類型夾雜物在不同的鑄造合金中會呈現(xiàn)出不同的形狀，如Al2O3在鋼中呈鏈球多角狀，而在鋁合金中則呈板狀；同一類型夾雜物的成分不同時，其形態(tài)也不相同，如MnS在鋼中通常有球形、枝晶間桿狀和多面體結(jié)晶形三種形態(tài)。

2.夾雜物的來源1)脫氧、脫硫、孕育及球化等爐前處理過程中產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物，特別是一些密度大的脫氧產(chǎn)物，因不易上浮而留在鑄件中。

2)爐料中的硫、氧、氮等雜質(zhì)元素在熔煉時溶解于金屬液中，在凝固過程中隨著溫度的降低溶解度下降，達(dá)到過飽和，這些處于過飽和狀態(tài)的元素通常形成低熔點(diǎn)共晶或化合物并殘留在鑄件中。

3)金屬液與外界物質(zhì)相互作用生成的非金屬夾雜物，如金屬表面的粘砂、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等。

4)在熔煉及澆注過程中金屬液與空氣接觸，在金屬液面發(fā)生氧化反應(yīng)生成的氧化物。10.3.2夾雜物的形成原因1.非金屬夾雜物形成的熱力學(xué)條件

2.澆注前形成的非金屬夾雜物

3.澆注時形成的非金屬夾雜物

4.凝固時形成的非金屬夾雜物1.非金屬夾雜物形成的熱力學(xué)條件1.非金屬夾雜物形成的熱力學(xué)條件圖10-9氧化物、硫化物、

氮化物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能-溫度圖2.澆注前形成的非金屬夾雜物金屬在熔煉和爐前處理時產(chǎn)生的非金屬夾雜物可能是脫氧、脫硫、孕育、球化的反應(yīng)產(chǎn)物，也可能是金屬液與爐襯、包襯相互作用的產(chǎn)物。澆注前許多尺寸較大的夾雜物會上浮到金屬液表面，經(jīng)過反復(fù)扒渣，大部分會被清除。但金屬液內(nèi)仍殘留有大量尺寸較小的非金屬夾雜物，澆注時隨液流一起充填入型腔，在金屬凝固時來不及上浮而殘留在鑄件內(nèi)部，成為非金屬夾雜物，也稱為初生夾雜物。3.澆注時形成的非金屬夾雜物在澆注和充型過程中生成的非金屬夾雜物主要是氧化物，又稱為二次氧化夾雜物。金屬液與大氣接觸，表面生成氧化膜，在澆注過程中由金屬液的斷流、充型產(chǎn)生的渦流、飛濺將氧化膜卷入金屬液中形成氧化夾雜物。二次氧化夾雜物的形成與合金液的成分、液流特征、澆注工藝和鑄型條件等因素有關(guān)。合金液中合金元素的性質(zhì)和含量直接影響二次氧化夾雜物生成的數(shù)量和組成，其影響可從氧化難易程度、含量多少、結(jié)膜溫度、逸出氣體等幾方面綜合考慮。金屬液流與大氣接觸時間越長、接觸面積越大、流動越強(qiáng)烈，就越容易產(chǎn)生二次氧化夾雜物。還原性的鑄型氣氛可減少此類夾雜物的產(chǎn)生。4.凝固時形成的非金屬夾雜物熔煉時爐料中的硫、氧、氮等雜質(zhì)元素溶解于金屬液中，這些元素降低合金熔點(diǎn)，其平衡分配系數(shù)K0＜1。在合金液的凝固過程中，由于溶質(zhì)再分配的結(jié)果，液相中溶質(zhì)濃度不斷增高，出現(xiàn)偏析液相。當(dāng)枝晶間的偏析液達(dá)到過飽和或反應(yīng)熱力學(xué)條件時，則析出非金屬夾雜物，稱為次生夾雜物，又稱為偏析夾雜物。一般情況下，枝晶間殘留的偏析液是易熔成分，最后將進(jìn)行二元和三元共晶反應(yīng)，生成物以網(wǎng)狀存在于晶界上。例如，鋼中的硫極易偏析，在凝固末期發(fā)生共晶反應(yīng)，生成二元共晶產(chǎn)物(Fe+FeS)或三元共晶產(chǎn)物(Fe+FeS+FeO)，以網(wǎng)狀分布于晶界，增大了鑄件的熱裂傾向。10.3.3夾雜物的長大、分布及形狀1.夾雜物的聚合長大

2.夾雜物的分布

3.夾雜物的形狀1.夾雜物的聚合長大在滿足熱力學(xué)的條件下，溶有非金屬的金屬液中會生成非金屬夾雜物，從金屬液中剛剛析出的夾雜物尺寸非常小，僅有幾微米，在密度差造成的浮力和金屬液對流的作用下產(chǎn)生上浮或下沉運(yùn)動，會使夾雜物之間發(fā)生碰撞、聚合長大［27］。夾雜物相互碰撞后能否聚合在一起，取決于夾雜物表面的性質(zhì)、熔點(diǎn)和溫度等條件。夾雜物的粘度越低、與金屬液的表面張力越大、熔點(diǎn)越低、金屬液溫度越高，越容易聚合長大。2.夾雜物的分布1)能夠作為金屬非自發(fā)結(jié)晶核心的非金屬夾雜物分布在晶內(nèi)。

2)不溶解于金屬液中的夾雜物，若其密度小于金屬液，則可能最后上浮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)處在金屬凝固區(qū)內(nèi)的高熔點(diǎn)固態(tài)微小夾雜物可能被枝晶粘附，分布于晶內(nèi)；不能被枝晶粘附又未上浮至鑄件表面的夾雜物被生長的枝晶推擠到晶間，分布于晶界。3.夾雜物的形狀匯集于晶界的低熔點(diǎn)夾雜物，其形狀在很大程度上受界面張力的影響。夾雜物與固態(tài)金屬間的界面張力越大，越傾向于形成球狀；界面張力越小，越傾向于以薄膜狀