第二節(jié)氣孔與夾雜第1頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、氣孔的分類及形成機(jī)理二、夾雜物的形成及防止措施第2頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、氣孔的分類及形成機(jī)理

析出性氣孔

侵入性氣孔

反應(yīng)性氣孔第3頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1、析出性氣孔

液態(tài)金屬在冷卻凝固過(guò)程中，因氣體溶解度下降，析出的氣體來(lái)不及逸出而產(chǎn)生的氣孔稱為析出性氣孔。這類氣孔主要是氫氣孔和氮?dú)饪?。溶解在液態(tài)金屬中的氣體元素在凝固時(shí)也會(huì)出現(xiàn)偏析。一般最后凝固部位的枝晶間氣體濃度遠(yuǎn)高于平均濃度，且由于此時(shí)液態(tài)金屬中雜質(zhì)元素的濃度也很高，便為析出性氣體的形核創(chuàng)造了有利條件。第4頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期三高溫下溶解在液態(tài)金屬中氣體元素的析出方式有：擴(kuò)散析出；形成化合物析出；聚集成氣泡析出。后者析出過(guò)程為：

形核

長(zhǎng)大上浮圖11-11氣泡脫離現(xiàn)成表面示意圖a）θ＜90°b）θ＞90°b)氣泡氣泡a)氣泡依附于現(xiàn)成表面生核可以降低形核功，相鄰枝晶間的凹陷部位最容易形核。氣泡內(nèi)各氣體分壓的總和大于氣泡所受的外部壓力總和時(shí)氣泡才能長(zhǎng)大。氣泡尺寸越小，由表面張力所產(chǎn)生的附加壓力越大。氣泡的半徑越小，或液態(tài)金屬的密度越小、粘度越大，氣泡上浮速度越小。若氣泡上浮速度小于結(jié)晶速度，氣泡就會(huì)滯留在凝固金屬中形成氣孔。氣體的析出過(guò)程第5頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期三析出性氣孔的特征

析出性氣孔通常分布在鑄件的整個(gè)斷面或冒口、熱節(jié)等溫度較高的區(qū)域。當(dāng)金屬含氣量較少時(shí)，呈裂紋多角形狀；而含氣量較多時(shí)，氣孔較大，呈團(tuán)球形。

焊縫金屬產(chǎn)生的析出性氣孔多數(shù)出現(xiàn)在焊縫表面。氫氣孔的斷面形狀如同螺釘狀，從焊縫表面上看呈喇叭口形，氣孔四周有光滑的內(nèi)壁。氮?dú)饪滓话愠啥殉霈F(xiàn)，形似蜂窩。第6頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2、侵入性氣孔

將液態(tài)金屬澆入砂型時(shí)，砂型或砂芯在金屬液的高溫作用下會(huì)產(chǎn)生大量氣體，隨著溫度的升高和氣體量的增加，金屬-鑄型界面處氣體的壓力不斷增大。當(dāng)界面上局部氣體的壓力高于外界阻力時(shí)，氣體就會(huì)侵入液態(tài)金屬，在型壁上形成氣泡。氣泡形成后將脫離型壁，浮入型腔液態(tài)金屬中。當(dāng)氣泡來(lái)不及上浮逸出時(shí)，就會(huì)在金屬中形成侵入性氣孔。第7頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期三侵入性氣孔的特征

侵入性氣孔的特征是數(shù)量較少、體積較大、孔壁光滑、表面有氧化色，常出現(xiàn)在鑄件表層或近表層。形狀多呈梨形、橢圓形或圓形，梨尖一般指向氣體侵入的方向。侵入的氣體一般是水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳、氫、氮和碳?xì)浠衔锏?。?頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

焊縫金屬中存在的反應(yīng)性氣孔通常是CO氣孔，是由液態(tài)金屬中的[O]與[C]直接反應(yīng)生成。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)生的反應(yīng)性氣孔：

金屬與鑄型間的反應(yīng)性氣孔

金屬與熔渣間的反應(yīng)性氣孔

液態(tài)金屬內(nèi)元素間的反應(yīng)性氣孔第9頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期三金屬與鑄型間的反應(yīng)性氣孔

與侵入型氣孔的區(qū)別在于反應(yīng)性氣孔來(lái)源于液態(tài)金屬與鑄型間的化學(xué)冶金作用，而侵入型氣孔主要是高溫液態(tài)金屬對(duì)鑄型的物理作用。

[Fe]+{H2O}→[FeO]+H2

含氮樹脂砂分解→N2

金屬(或鑄型)中的C氧化→CO

金屬-鑄型間反應(yīng)性氣孔常分布在鑄件表面皮下1～3mm處，通稱為皮下氣孔，其形狀有球狀和梨狀，孔徑約1～3mm。有些皮下氣孔呈細(xì)長(zhǎng)狀，垂直于鑄件表面，深度可達(dá)10mm左右。第10頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期三金屬與熔渣間的反應(yīng)性氣孔當(dāng)液態(tài)金屬中含有混入的熔渣（FeO）時(shí)，會(huì)和液態(tài)金屬（或鑄型）中的C反應(yīng)：當(dāng)采用石灰石砂型時(shí)，若有砂粒進(jìn)入鋼液會(huì)發(fā)生：熔渣作為氣孔形核的基底，最終形成的氣孔內(nèi)含有白色的CaO與FeO殘?jiān)杂址Q為渣氣孔。

第11頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期三液態(tài)金屬內(nèi)元素間的反應(yīng)性氣孔（1）碳-氧反應(yīng)性氣孔

溶解在液態(tài)金屬中的氧與碳反應(yīng)，生成CO氣泡，凝固時(shí)來(lái)不及浮出的氣泡形成CO氣孔。鑄件中的CO氣孔多呈蜂窩狀（其周圍出現(xiàn)脫碳層），而焊縫中的CO氣孔為沿結(jié)晶方向的條蟲狀。（2）氫-氧反應(yīng)性氣孔

溶解在液態(tài)金屬中的[O]和[H]反應(yīng)生成H2O氣泡，產(chǎn)生水氣孔。這類氣孔主要出現(xiàn)在銅合金鑄件中。（3）碳-氫反應(yīng)性氣孔

鑄件最后凝固的液相中，含有較高濃度的[H]和[C]時(shí)，將生成甲烷（CH4）氣孔。第12頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、夾雜物的形成及防止措施

夾雜物的來(lái)源及分類

鑄件中的夾雜物焊縫中的夾雜物第13頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1、夾雜物的來(lái)源及分類自身雜質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)物主要來(lái)源爐料中的雜質(zhì)焊材、母材中的雜質(zhì)熔煉過(guò)程反應(yīng)產(chǎn)物與周圍介質(zhì)（氣、固、液態(tài)）間的反應(yīng)產(chǎn)物第14頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期三夾雜物的分類按夾雜物化學(xué)成分

按夾雜物形成時(shí)間

按夾雜物形狀

氧化物硫化物硅酸鹽

初生夾雜物次生夾雜物二次氧化夾雜物

球形多面體不規(guī)則多角形條狀

第15頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期三夾雜物對(duì)金屬性能的影響

夾雜物破壞了金屬的連續(xù)性，使強(qiáng)度和塑性下降；尖角形夾雜物易引起應(yīng)力集中，顯著降低沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度；易熔夾雜物分布于晶界，不僅降低強(qiáng)度且能引起熱裂；

促進(jìn)氣孔的形成，既能吸附氣體，又促使氣泡形核；在某些情況下，也可利用夾雜物改善金屬的某些性能，如提高材料的硬度、增加耐磨性以及細(xì)化金屬組織等。第16頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2、鑄件中的夾雜物

初生夾雜物二次氧化夾雜物

次生夾雜物第17頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期三初生夾雜物

在金屬熔煉過(guò)程中及爐前處理時(shí)形成，經(jīng)歷偏晶析出和聚合長(zhǎng)大兩個(gè)階段。（1）夾雜物的偏晶析出

在對(duì)金屬進(jìn)行脫氧、脫硫和孕育處理時(shí)，從液態(tài)金屬中偏晶析出，使金屬中雜質(zhì)元素含量降低：（2）夾雜物的聚合長(zhǎng)大夾雜物從液相中析出時(shí)尺寸很?。▋H有幾個(gè)微米），數(shù)量卻很多（數(shù)量級(jí)可達(dá)108個(gè)/cm3）。由于對(duì)流或密度差上浮或下沉，發(fā)生高頻率的碰撞和機(jī)械粘連。夾雜物粗化后運(yùn)動(dòng)速度加快，以更高的速度與其他夾雜物碰撞、聚合長(zhǎng)大。熔點(diǎn)較低的夾雜物會(huì)重新熔化，尺寸大、密度小的夾雜物則會(huì)浮到液態(tài)金屬表面。第18頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二次氧化夾雜物

液態(tài)金屬與大氣或氧化性氣體接觸時(shí)，會(huì)很快氧化形成氧化薄膜。在澆注及充型過(guò)程中，表面氧化膜會(huì)被卷入液態(tài)金屬內(nèi)部，而此時(shí)液體的溫度下降較快，卷入的氧化物在凝固前來(lái)不及上浮到表面，便在金屬中形成二次氧化夾雜物。這類夾雜物常出現(xiàn)在鑄件上表面、型芯下表面或死角處。第19頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期三次生夾雜物

次生夾雜物是指合金凝固過(guò)程中，由于偏析，溶質(zhì)元素及雜質(zhì)元素將富集于枝晶間尚未凝固的液相內(nèi)，處于過(guò)飽和狀態(tài)而發(fā)生偏晶反應(yīng)：L1→β＋L2，析出非金屬夾雜物β。由于夾雜物是從偏析液相中產(chǎn)生的，因此又稱為偏析夾雜物。第20頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3、焊縫中的夾雜物焊縫中的氮化物夾雜多在焊接保護(hù)不良時(shí)出現(xiàn)，對(duì)于低碳鋼和低合金鋼，主要的氮化物是Fe4N，在時(shí)效過(guò)程中過(guò)飽和析出，并以針狀分布在晶粒上或貫穿晶界。焊縫中的硫化物夾雜主要有MnS和FeS兩種。FeS通常沿晶界析出，并與Fe或FeO形成低熔點(diǎn)共晶。低碳鋼焊縫存在的氧化物夾雜主要是SiO2、MnO、TiO2和Al2O3等，一般以硅酸鹽的形式存在。第21頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期三防止焊縫產(chǎn)生夾雜物的措施

正確地選擇原材料（包括母材和焊接材料），母材、焊絲中的夾雜物應(yīng)盡量少，焊條、焊劑應(yīng)具有良好的脫氧、脫硫效果；注意工藝操作，如選擇合適的工藝參數(shù)；適當(dāng)擺動(dòng)焊條以便于熔渣浮出；加強(qiáng)熔池保護(hù)，防止空氣侵入；多層焊時(shí)清除