第二节气孔与夹杂

1、第十一章 凝固缺陷与控制1第十一章 凝固缺陷与控制2 气体在金属中的含量气体在金属中的含量超过其溶解度超过其溶解度，或侵，或侵入的气体不被金属溶解时，会以分子状态的入的气体不被金属溶解时，会以分子状态的气泡气泡存在于液态金属中。若凝固前气泡存在于液态金属中。若凝固前气泡来不来不及排除及排除，就会在金属内，就会在金属内形成孔洞形成孔洞。这种因气。这种因气体分子聚集而产生的孔洞称为气孔。体分子聚集而产生的孔洞称为气孔。 气孔是铸件或焊件最常见的缺陷之一。气孔气孔是铸件或焊件最常见的缺陷之一。气孔的存在不仅减小金属的有效承载面积，而且使的存在不仅减小金属的有效承载面积，而且使局部造成应力集中，成为零

2、件断裂的裂纹源。局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹源。一些形状不规则的气孔，则会增加缺口的敏感一些形状不规则的气孔，则会增加缺口的敏感性，使金属的强度下降和抗疲劳能力降低。性，使金属的强度下降和抗疲劳能力降低。第十一章 凝固缺陷与控制3一、气孔的分类及形成机理一、气孔的分类及形成机理二、夹杂物的形成及防止措施二、夹杂物的形成及防止措施第十一章 凝固缺陷与控制4一、气孔的分类及形成机理 析出性气孔析出性气孔 侵入性气孔侵入性气孔 反应性气孔反应性气孔 第十一章 凝固缺陷与控制51、析出性气孔 液态金属在冷却凝固过程中，因液态金属在冷却凝固过程中，因气体溶解度下降，气体溶解度下降，析出的气体来不

3、及逸出而产生的气孔称为析出性气析出的气体来不及逸出而产生的气孔称为析出性气孔孔。这类气孔主要是。这类气孔主要是氢气孔氢气孔和和氮气孔氮气孔。 溶解在液态金属中的气体元素在凝固时也会出现溶解在液态金属中的气体元素在凝固时也会出现偏析。一般偏析。一般最后凝固部位的枝晶间气体浓度远高于最后凝固部位的枝晶间气体浓度远高于平均浓度平均浓度，且由于此时液态金属中杂质元素的浓度，且由于此时液态金属中杂质元素的浓度也很高，便为析出性气体的形核创造了有利条件。也很高，便为析出性气体的形核创造了有利条件。第十一章 凝固缺陷与控制6气体的析出过程气体的析出过程 高温下溶解在液态金属高温下溶解在液态金属中气体的析出方

4、式有：中气体的析出方式有：扩散析出；扩散析出；形成化合物析出；形成化合物析出；聚集成气泡析出。聚集成气泡析出。 后者析出过程为：后者析出过程为： 形形 核核 长长 大大 上上 浮浮图图11-11 气泡脱离现成表面示意图气泡脱离现成表面示意图a）90 b）90b)气泡气泡气泡气泡a)第十一章 凝固缺陷与控制7析出性气孔的特征析出性气孔的特征 析出性气孔通常分布在铸件的整个断面或冒口、热节等温析出性气孔通常分布在铸件的整个断面或冒口、热节等温度较高的区域。当金属含气量较少时，呈裂纹多角形状；而度较高的区域。当金属含气量较少时，呈裂纹多角形状；而含气量较多时，气孔较大，呈团球形。含气量较多时，气孔较

5、大，呈团球形。 焊缝金属产生的析出性气孔多数出焊缝金属产生的析出性气孔多数出现在焊缝表面。氢气孔的断面形状如现在焊缝表面。氢气孔的断面形状如同螺钉状，从焊缝表面上看呈喇叭口同螺钉状，从焊缝表面上看呈喇叭口形，气孔四周有光滑的内壁。氮气孔形，气孔四周有光滑的内壁。氮气孔一般成堆出现，形似蜂窝。一般成堆出现，形似蜂窝。第十一章 凝固缺陷与控制82、侵入性气孔 将液态金属浇入砂型时，将液态金属浇入砂型时，砂型或砂芯砂型或砂芯在金属液的高温作用在金属液的高温作用下会下会产生大量气体产生大量气体，随着温度的升高和气体量的增加，金属，随着温度的升高和气体量的增加，金属-铸型界面处气体的压力不断增大。当界面

6、上局部气体的压铸型界面处气体的压力不断增大。当界面上局部气体的压力高于外界阻力时，气体就会侵入液态金属，力高于外界阻力时，气体就会侵入液态金属，在型壁上形成在型壁上形成气泡气泡。气泡形成后将。气泡形成后将脱离型壁脱离型壁，浮入型腔液态金属中。，浮入型腔液态金属中。第十一章 凝固缺陷与控制9侵入性气孔的特征侵入性气孔的特征 侵入性气孔的特征是侵入性气孔的特征是数量较少数量较少、体积较大体积较大、孔壁光滑孔壁光滑、表面有氧化色表面有氧化色，常出现在，常出现在铸件表铸件表层或近表层层或近表层。形状多呈梨形、椭圆形或圆形，。形状多呈梨形、椭圆形或圆形，梨尖一般指向气体侵入的方向梨尖一般指向气体侵入的方

7、向。侵入的气体。侵入的气体一般是水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、氢、一般是水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、氢、氮和碳氢化合物等。氮和碳氢化合物等。 第十一章 凝固缺陷与控制10 焊缝金属中存在的反应性气孔通常是焊缝金属中存在的反应性气孔通常是 CO气孔，气孔，是由液态金属中的是由液态金属中的 O 与与 C 直接反应生成。直接反应生成。3、反应性气孔 液态金属内部或与铸型之间发生化学反应而产生液态金属内部或与铸型之间发生化学反应而产生的反应性气孔：的反应性气孔： 金属与铸型间的反应性气孔金属与铸型间的反应性气孔 金属与熔渣间的反应性气孔金属与熔渣间的反应性气孔 液态金属内元素间的反应性气孔液态金属内元素

8、间的反应性气孔第十一章 凝固缺陷与控制11金属与铸型间的反应性气孔金属与铸型间的反应性气孔 与侵入型气孔的区别在于反应性气孔来源于与侵入型气孔的区别在于反应性气孔来源于液态金属与铸型间的化学冶金作用，而侵入型液态金属与铸型间的化学冶金作用，而侵入型气孔主要是高温液态金属对铸型的物理作用。气孔主要是高温液态金属对铸型的物理作用。 Fe + H2O FeO + H2 含氮树脂砂分解含氮树脂砂分解 N2 金属金属(或铸型或铸型)中的中的 C 氧化氧化 CO 金属金属-铸型间反应性气孔常分布在铸件表面皮下铸型间反应性气孔常分布在铸件表面皮下 13 mm 处，通称为皮下气孔，其形状有球状和处，通称为皮下

9、气孔，其形状有球状和梨状，孔径约梨状，孔径约 13 mm 。有些皮下气孔呈细长状，。有些皮下气孔呈细长状，垂直于铸件表面，深度可达垂直于铸件表面，深度可达 10 mm 左右。左右。第十一章 凝固缺陷与控制12金属与熔渣间的反应性气孔金属与熔渣间的反应性气孔当液态金属中含有混入的熔渣（当液态金属中含有混入的熔渣（ FeO）时，会和液）时，会和液态金属（或铸型）中的态金属（或铸型）中的 C 反应：反应：当采用石灰石砂型时，若有砂粒进入钢液当采用石灰石砂型时，若有砂粒进入钢液 会发生：会发生：熔渣作为气孔形核的基底，最终形成的气孔内含有熔渣作为气孔形核的基底，最终形成的气孔内含有白色的白色的 CaO

10、 与与 FeO 残渣所以又称为渣气孔。残渣所以又称为渣气孔。 COFeCFeO 23COCaOCaCOCOFeOFeCO2第十一章 凝固缺陷与控制13液态金属内元素间的反应性气孔液态金属内元素间的反应性气孔 （1 1）碳）碳- -氧反应性气孔氧反应性气孔 溶解在液态金属中的氧与碳反应，生成溶解在液态金属中的氧与碳反应，生成CO气泡，凝固气泡，凝固时来不及浮出的气泡形成时来不及浮出的气泡形成 CO 气孔气孔。铸件中的。铸件中的 CO 气孔多气孔多呈蜂窝状（其周围出现脱碳层），而焊缝中的呈蜂窝状（其周围出现脱碳层），而焊缝中的 CO 气孔为气孔为沿结晶方向的条虫状。沿结晶方向的条虫状。（2 2）氢

11、）氢- -氧反应性气孔氧反应性气孔 溶解在液态金属中的溶解在液态金属中的O和和H 反应生成反应生成 H2O 气泡，产气泡，产生生水气孔水气孔。这类气孔主要出现在铜合金铸件中。这类气孔主要出现在铜合金铸件中。（3 3）碳）碳- -氢反应性气孔氢反应性气孔 铸件最后凝固的液相中，含有较高浓度的铸件最后凝固的液相中，含有较高浓度的 H 和和 C 时，将生成时，将生成甲烷（甲烷（CH4）气孔）气孔。第十一章 凝固缺陷与控制14二、夹杂物的形成及防止措施 夹杂物的来源及分类夹杂物的来源及分类 铸件中的夹杂物铸件中的夹杂物 焊缝中的夹杂物焊缝中的夹杂物 第十一章 凝固缺陷与控制151、夹杂物的来源及分类自

12、身杂质自身杂质反应产物反应产物主要来源炉料中的杂质炉料中的杂质焊材、母材中的杂质焊材、母材中的杂质熔炼过程反应产物熔炼过程反应产物与周围介质与周围介质（气、固、（气、固、液态）液态）间的反应产物间的反应产物第十一章 凝固缺陷与控制16夹杂物的分类夹杂物的分类 按夹杂物化学成分按夹杂物化学成分 按夹杂物形成时间按夹杂物形成时间 按夹杂物形状按夹杂物形状 氧化物氧化物(FeO,MnO,SiO(FeO,MnO,SiO2 2,Al,Al2 2O O3 3) )硫化物硫化物(FeS,MnS,Cu(FeS,MnS,Cu2 2S)S)硅酸盐硅酸盐(FeO.SiO(FeO.SiO2 2,Fe,Fe2 2SiO

13、SiO4 4) ) 初生夹杂物初生夹杂物次生夹杂物次生夹杂物二次氧化夹杂物二次氧化夹杂物 球形球形多面体多面体不规则多角形不规则多角形条状条状 第十一章 凝固缺陷与控制17夹杂物对金属性能的影响夹杂物对金属性能的影响 夹杂物破坏了金属的连续性，使强度和塑性下降；夹杂物破坏了金属的连续性，使强度和塑性下降； 尖角形夹杂物易引起应力集中，显著降低冲击韧性和疲尖角形夹杂物易引起应力集中，显著降低冲击韧性和疲劳强度；劳强度； 易熔夹杂物分布于晶界，不仅降低强度且能引起热裂；易熔夹杂物分布于晶界，不仅降低强度且能引起热裂； 促进气孔的形成，既能吸附气体，又促使气泡形核；促进气孔的形成，既能吸附气体，又促

14、使气泡形核； 在某些情况下，也可利用夹杂物改善金属的某些性能，在某些情况下，也可利用夹杂物改善金属的某些性能，如提高材料的硬度、增加耐磨性以及细化金属组织等。如提高材料的硬度、增加耐磨性以及细化金属组织等。第十一章 凝固缺陷与控制182、铸件中的夹杂物初生夹杂物初生夹杂物二次氧化夹杂物二次氧化夹杂物 次生夹杂物次生夹杂物 第十一章 凝固缺陷与控制19初生夹杂物初生夹杂物 在在金属熔炼过程中金属熔炼过程中及炉前处理时形成，经历及炉前处理时形成，经历偏晶析出和聚合长大两个阶段。偏晶析出和聚合长大两个阶段。（1 1）夹杂物的偏晶析出）夹杂物的偏晶析出 在对金属进行脱氧、脱硫和孕育处理时，在对金属进行

15、脱氧、脱硫和孕育处理时，从液态从液态金属中偏晶析出，使金属中杂质元素含量降低：金属中偏晶析出，使金属中杂质元素含量降低：nmBALTL 201（2）夹杂物的聚合长大）夹杂物的聚合长大 夹杂物从液相中析出时尺寸很小（仅有几个微夹杂物从液相中析出时尺寸很小（仅有几个微米），数量却很多（数量级可达米），数量却很多（数量级可达108个个/cm3）。）。由由于对流或密度差上浮或下沉，发生高频率的碰撞和于对流或密度差上浮或下沉，发生高频率的碰撞和机械粘连。夹杂物粗化后运动速度加快，以更高的机械粘连。夹杂物粗化后运动速度加快，以更高的速度与其他夹杂物碰撞、聚合长大。熔点较低的夹速度与其他夹杂物碰撞、聚合长大

16、。熔点较低的夹杂物会重新熔化，尺寸大、密度小的夹杂物则会浮杂物会重新熔化，尺寸大、密度小的夹杂物则会浮到液态金属表面。到液态金属表面。 第十一章 凝固缺陷与控制20二次氧化夹杂物二次氧化夹杂物 液态金属液态金属与大气或氧化性气体接触与大气或氧化性气体接触时，会很快氧时，会很快氧化化形成氧化薄膜形成氧化薄膜。在。在浇注及充型浇注及充型过程中，表面氧过程中，表面氧化膜会被化膜会被卷入液态金属内部卷入液态金属内部，而此时液体的温度下，而此时液体的温度下降较快，卷入的氧化物在凝固前来不及上浮到表面，降较快，卷入的氧化物在凝固前来不及上浮到表面，便在金属中形成二次氧化夹杂物。这类夹杂物常出便在金属中形成

17、二次氧化夹杂物。这类夹杂物常出现在现在铸件上表面铸件上表面、型芯下表面或死角处型芯下表面或死角处。第十一章 凝固缺陷与控制21次生夹杂物次生夹杂物 次生夹杂物是指次生夹杂物是指合金凝固过程中合金凝固过程中，由于偏析，由于偏析，溶质元素及杂质元素将富集于枝晶间尚未凝固的溶质元素及杂质元素将富集于枝晶间尚未凝固的液相内，处于过饱和状态而发生偏晶反应：液相内，处于过饱和状态而发生偏晶反应：L1L2 ，析出非金属夹杂物，析出非金属夹杂物。由于夹杂物是从偏由于夹杂物是从偏析液相中产生的，因此又称为偏析夹杂物。析液相中产生的，因此又称为偏析夹杂物。第十一章 凝固缺陷与控制223 3、焊缝中的夹杂物、焊缝中

18、的夹杂物 焊缝中的氮化物夹杂多在焊接保护不良时出现，对焊缝中的氮化物夹杂多在焊接保护不良时出现，对于低碳钢和低合金钢，主要的氮化物是于低碳钢和低合金钢，主要的氮化物是FeFe4 4N N，在时在时效过程中过饱和析出，并以针状分布在晶粒上或贯效过程中过饱和析出，并以针状分布在晶粒上或贯穿晶界。穿晶界。焊缝中的硫化物夹杂主要有焊缝中的硫化物夹杂主要有MnSMnS和和FeSFeS两种。两种。FeSFeS通通常沿晶界析出，并与常沿晶界析出，并与FeFe或或FeOFeO形成低熔点共晶。形成低熔点共晶。低碳钢焊缝存在的氧化物夹杂主要是低碳钢焊缝存在的氧化物夹杂主要是SiOSiO2 2、MnOMnO、TiOTiO2 2和和AlAl2 2O O3 3等，一般以硅酸盐的形式存在。等，一般以硅酸盐的形式存在。第十一章 凝固缺陷与控制23防止焊缝产生夹杂物的措施防止焊缝产生夹杂物的