1、第6章 鑄件中的氣體,第1節(jié) 氣體的來源與在鑄件中的存在形式 第2節(jié) 氣體在金屬中的溶解 第3節(jié) 氣孔的形成與防止 重點：氣體的溶解度、析出性氣孔的形成與防止 難點：析出性氣孔的形成機理,第1節(jié) 氣體的來源與在鑄件中的存在形式,一、鑄件中的氣體對鑄件質(zhì)量的影響 形成的氣孔是鑄件中最常見的缺陷。 影響：減小鑄件的有效工作斷面，產(chǎn)生 應(yīng)力集中，成為零件斷裂的裂紋源，降低鑄件的強度和塑性；不規(guī)則氣孔不僅增加缺口敏感使金屬強度降低，而且還降低鑄件的疲勞強度；彌散氣孔使鑄件組織疏松，降低鑄件的氣密性。,二、氣體的來源 （1）熔煉過程中：來自爐料、爐氣、爐襯、工具、熔劑及周圍氣氛中的水分 （2）鑄型：來自

2、鑄型中的氣體主要是型砂的水分 （3）澆注過程：澆包未干，鑄型澆注系統(tǒng)設(shè)計不當(dāng)，鑄型透氣性差，澆注速度控制不當(dāng)，型腔內(nèi)氣體不能及時排除等,三、氣體的存在形式 氣體元素在金屬中主要三種存在形態(tài)： 固溶體：氣體以原子狀態(tài)溶解于金屬中 化合物：氫、氮、氧及其化合物 氣態(tài)：H2、CO、CO2,第2節(jié) 氣體在金屬中的溶解一、金屬的吸氣過程,吸附階段：氣體分子撞擊金屬表面，某些氣體分子離解為原子，并吸附在金屬表面 擴散階段：氣體原子經(jīng)擴散進入金屬內(nèi)部，在金屬內(nèi)均勻化 金屬溫度越高，氣體與金屬接觸的時間愈長，吸收的氣體就愈多。,二、單質(zhì)氣體在金屬中的溶解,影響單質(zhì)氣體溶解度的主要因素：氣體中該氣體的氣壓、溫度

3、、合金的化學(xué)成分 溫度和壓力的影響：不考慮金屬蒸汽壓時： S：氣體溶解度 R： 氣體常數(shù) P：與液相平衡的氣體中氣體分壓 T：熱力學(xué)溫度 H：氣體 溶解熱 K0：系數(shù),氫在Fe Cu Al 的溶解度 氫在Ti Zr V中的溶解度,2 金屬蒸氣壓的影響： 氣體在金屬中的溶解度隨金屬蒸氣的升高而降低。 對易揮發(fā)金屬，T（過熱度），S 而對難揮發(fā)金屬：Fe-C,銅合金等，在正常過熱度下，蒸氣壓很小，對氣體溶解度不大。,氣體在金屬中的溶解度 （a）難揮發(fā)金屬 （b）易揮發(fā)金屬 -不考慮金屬蒸汽壓時的溶解度；-由于金屬蒸汽壓的影響溶解度的減少量；-考慮金屬蒸汽壓時的溶解度,3.合金成分的影響： （1）合

4、金影響氣體的活度系數(shù)，而影響其溶 解度： 例：1/2H2 H 1/2N2 N 平衡常數(shù) KH KN,所以 活度系數(shù) 影響,凡是增加H N活度系數(shù)的元素，都使合金液 中H N的溶解度減小，反之亦然。,（2）合金生成化合物的情況 與金屬化合生成穩(wěn)定的化合物，又不溶于 該金屬，形成化合物的這部分金屬原子失去吸氣能力，氣體溶解度降低。 元素與氣體化合，生成的化合物又溶解于 金屬液中，使溶解度增加 （3）合金對金屬表面膜的影響 Al合金中：Mg Na Ca等，使合金液表示膜疏松，吸氣快 Al-Mg：Be 使合金液表示膜致密，吸氣慢。,（4）脫氧能力強的元素使水蒸氣還原出氧原子，并溶解于合金液中，增加吸氣

5、量，F(xiàn)e中的Al，加速H2Og在鐵水表面分解，增加氫在鐵水中的溶解 Fe中的Mg，易揮發(fā)，提高鐵水的蒸氣壓，使氣體溶解度顯著降低， 2Al+3H2O Al2O3+6H,三、復(fù)合氣體在金屬中的溶解,復(fù)合氣體：CO CO2 H2O NH3 SO2 H2S 均不能直接溶解在金屬液中，首先分解成原子，才能為金屬所吸收。 與單質(zhì)氣體的區(qū)別：溶解的組元彼此相關(guān)。 XmYn(g) mX+nY XmYn=K Pxmy n 當(dāng)Pxmy n一定時，X增加，Y則減少,四、氣體的析出,氣體析出的三種形式： 擴散逸出 與金屬內(nèi)的某元素形成化合物（夾雜物） 以氣泡形式從金屬液逸出,1.擴散逸出 金屬T T(TT) 若S不

6、變，氣體的析出分壓力P：,P：T溫度下金屬內(nèi) 外氣體的分壓力 （處于平衡） P：T溫度下金屬內(nèi)氣壓的分壓力,2.以氣泡形式從金屬液中析出： 氣泡生核 氣泡的長大 氣泡的上浮,2、以氣泡形式從金屬中析出 （1）氣泡生核,（2）氣泡長大,（3）氣泡上浮,第3節(jié) 氣孔的形成與防止,氣孔：因氣體分子聚集而產(chǎn)生的孔洞 氣孔的分類及特征,分類,按氣體來源,侵入性氣孔,析出性氣孔,反應(yīng)性氣孔,一氧化碳氣孔,氮氣孔,按氣體種類,氫氣孔,一、侵入性氣孔,侵入性氣孔 侵入性氣孔是由于鑄型表面聚集的氣體侵入金屬液中而形成的孔洞。 特征 多位于鑄件的上表面附近，尺寸較大，呈橢圓形或梨形，孔壁光滑，表面有光澤或有輕微氧

7、化色。,侵入性氣孔的形成機理,侵入性氣孔主要是由鑄型或砂芯在液態(tài)金屬高溫作用下產(chǎn)生的氣體侵入到液態(tài)金屬內(nèi)部形成的。,侵入性氣孔形成過程示意圖,將液態(tài)金屬澆入砂型時 , 砂型或砂芯在金屬液的高溫作用下會產(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戶氣滿足式 (11-4) 所示的條件時 , 氣體就會在金屬凝 固之前或凝固初期侵入液態(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)氣泡來不及上浮逸出時 , 就會在金屬中形成侵入性氣 孔。氣泡形成的條件為 P氣 P靜+P阻+ P腔(11-4),當(dāng)液態(tài)金屬不

8、潤濕型壁 ( 即表面張力小 ) 時 , 侵入氣體容易在型壁上形成氣泡 , 從而增大了侵入性氣孔的形成傾向。 當(dāng)液態(tài)金屬的粘度增大時 , 氣體排出的阻力加大 , 形成侵入性氣孔的傾向也隨之增大。,氣體在金屬己開始凝固時侵入液態(tài)金屬易形成梨形氣孔 , 氣孔較大的部分位 于鑄件內(nèi)部 , 其細小部分位于鑄件表面。這是因為氣體侵入時鑄件表面金屬己凝 固 , 不易流動 , 而內(nèi)部金屬溫度較高 , 流動性好 , 侵入的氣體容易隨著氣體壓力 的增大而擴大 , 從而形成外小內(nèi)大的梨形。,有的侵入性氣孔為什么呈梨形？,防止侵入性氣孔的措施？,(1) 控制侵入氣體的來源嚴格控制型砂和芯砂中發(fā)氣物質(zhì)的含量和濕型的水分

9、。干型應(yīng)保證烘干質(zhì)量 , 并及時澆注。冷鐵或芯鐵應(yīng)保證表面清潔、干燥。澆口圈和冒口圈應(yīng)烘干后使用。,(2) 控制砂型的透氣性和緊實度砂型的透氣性越差、緊實度越高 , 侵人性 氣孔的產(chǎn)生傾向越大。在保證砂型強度的條件下 , 應(yīng)盡量降低砂型的緊實度。采用面砂加粗背砂的方法是提高砂型透氣性的有效措施。,(3) 提高砂型和砂芯的排氣能力鑄型上扎排氣孔幫助排氣 , 保持砂芯排氣孔的暢通 , 鑄件頂部設(shè)置出氣冒口。 采用合理的澆注系統(tǒng)。,(4) 適當(dāng)提高澆注溫度提高澆注溫度可使侵入氣體有充足的時間排出。燒注時應(yīng)控制澆注高度和澆注速度 , 保證液態(tài)金屬平穩(wěn)地流動和充型。,(5) 提高液態(tài)金屬的熔煉質(zhì)量盡量降

10、低鐵液中的硫含量 , 保證鐵液的流動性。防止液態(tài)金屬過分氧化 , 減小氣體排出的阻力。,二、析出性氣孔的形成與防止,析出性氣孔 在金屬凝固過程中，隨著溫度降低，氣體溶解度降低，氣體就會析出，如果析出的氣體以分子狀態(tài)存在，就形成了氣泡，這種氣泡保留在凝固以后的金屬中，就是析出性氣孔。,析出性氣孔的特征,3、氣體成分：氫氣、氮氣。,1、形狀特征：多為分散小圓孔，直徑0.52mm，或者更大，肉眼能觀察到麻點狀小孔，表面光亮。,2、位置分布：在鑄坯斷面上呈大面積、均勻分布，而在最后凝固的部位較多。,4、出現(xiàn)規(guī)律：往往一爐金屬液中全部或多數(shù)出現(xiàn)這種氣孔。,5、敏感合金：鋁合金和鋼比較容易出現(xiàn)這種氣孔。,

11、6、伴生現(xiàn)象：冒口中縮孔減小，并有不同程度的冒口上漲現(xiàn)象。,析出性氣孔的特征,析出性氣孔的形成過程,1、溶解氣體的析出（氣泡核的形成）,1) 液態(tài)：隨溫度降低，氣體溶解度降低，當(dāng)開始凝固溫度時，一般溶解度驟降。,溫度,溶解度,2) 凝固過程：氣體元素的溶質(zhì)再分配。,上述原因?qū)е氯芙庠诮饘僖褐械臍怏w析出，并形成氣胞核。,3、氣孔的形成 氣泡形成后來不及排除，金屬液已經(jīng)開始凝固，留在金屬內(nèi)成為氣孔。,2、氣泡核的長大 氣胞核能否長大取決于氣泡內(nèi)的壓力是否大于外部壓力之和。,影響析出性氣孔的主要因素,3、合金成分。收縮量大和結(jié)晶溫度范圍寬的合金容易形成析出性氣孔。,1、合金溶液中原始含氣量Cg。Cg

12、愈大，氣孔形成可能愈大。,2、液 、固相氣體溶解度差S。SSL-SS, S愈大，愈易形成析出性氣孔。,4、氣體性質(zhì)。擴散速度快的氣體（如氫）容易形成析出性氣孔。,5、外界壓力。外界壓力降低，析出性氣孔析出可能增大。,6、凝固速度。提高凝固速度，不易形成析出性氣孔。,7、鑄件凝固方式 逐層凝固：液體始終處于大氣壓力和金屬靜壓力下，氣體不易析出。體積凝固：枝晶很早將液體封閉，產(chǎn)生析出性氣孔的可能性很大，氣孔均勻分布。,防止析出性氣孔的途徑,1、減少原始含氣量。,2、除氣處理。,(1)浮游去氣：向金屬液中吹入不溶氣體，產(chǎn)生大量氣泡。,(2)真空去氣：降低外界壓力，使氣體蒸發(fā)。,爐料、爐襯、澆包、中間

13、包、添加干燥劑,防止析出性氣孔的途徑,(2) 提高金屬凝固時的外壓。,3、阻止氣體析出。,(1) 提高冷速,(3)氧化去氣：用于不易氧化的金屬，如銅合金，氧和氫在銅中相互制約，加氧去氫，再脫氧。,(4)冷凝除氣：降低溫度除氣，再快速升溫澆注。,三、反應(yīng)氣孔,反應(yīng)性氣孔 金屬液與鑄型之間，金屬與熔渣之間或金屬液內(nèi)部某些元素，化合物之間發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的氣孔，稱為反應(yīng)氣孔。 金屬液與鑄型之間-皮下氣孔 液態(tài)金屬內(nèi)部合金元素之間或與非金屬夾雜物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)-蜂窩狀氣孔,1、金屬與鑄型間的反應(yīng)性氣孔（皮下氣孔）,1.氫氣孔（鑄鐵中） 2.CO氣體 3.氮氣孔 4.形成皮下氣孔的共同特點： 鑄型水分高，透氣性差，采用含氮高的樹脂砂 原始含氣量C0高，鋼水脫氮不良中等壁厚的鑄件 合金中含易氧化成成分 熔點高的合金；澆注溫度高,皮下氣孔形狀,2、金屬液內(nèi)反應(yīng)性氣孔,一、渣氣孔： 金屬液與熔渣相互作用生成的渣氣孔 二、金屬液中元素間反應(yīng)