铸造凝固中的气体与气孔分解课件

1、第二节 铸件中的气体第1页，共20页。 一、概论常见气体在铸件中的存在形式气体的来源气体溶解度的表示方法气体对铸件质量的影响第2页，共20页。（一）常见气体在铸件中的存在形式固溶体： H溶解于各种合金中； N 铸钢 铸铁有一定溶解度 。化合物：O与许多元素化合，以化合物形成存在于合金中。 气态：H2 N2 CO CO2 等第3页，共20页。（二）气体的来源熔炼过程：金属液与炉气接触-吸气的主要途径； 炉料不干净：导致炉气中H2O H2 SO2含量增加； 合金液与铸型相互作用工艺因素：浇注系统设计不当，铸型透气性浇注速度等，浇注过程中空气卷入。 第4页，共20页。（三）气体溶解度的表示方法 气体

2、溶解度常用100g金属所能溶解的气体在标准状态下的体积表示，即cm3/(100g)，或用质量分数：百万分之一，即ppm。第5页，共20页。（四）气体对铸件质量的影响气孔：气孔常见缺陷：减小铸件的有效工作面，产生应力集中，成为零件的裂纹源，降低强度、塑性。 不规则形状的气孔：增加敏感性，降低铸件的疲劳强度； 弥散型气孔：组织疏松，降低铸件气密性。固溶体：O N ， 铜，钢中的H使合金变脆（细化裂纹） 液态金属中溶解的气体：流动性变差 析出压力影响补缩第6页，共20页。（一）金属的吸气过程吸附阶段：气体分子撞击金属表面，某些气体分子离解为原子，并吸附在金属表面扩散阶段：气体原子经扩散进入金属内部，

3、在金属内均匀化金属温度越高，气体与金属接触的时间愈长，吸收的气体就愈多。二、气体在金属中的溶解与析出第7页，共20页。（二）气体在金属中的溶解影响单质气体溶解度的主要因素：气体中该气体的气压、温度、合金的化学成分 温度和压力的影响：不考虑金属蒸汽压时：S：气体溶解度 R： 气体常数 P：与液相平衡的气体中气体分压 T：热力学温度 H：气体 溶解热 K0：系数 第8页，共20页。2、合金成分的影响：（1）合金成分影响气体的活度系数，从而影响其溶解度。凡是增加H N活度系数的元素，都使合金液中H N的溶解度减小，反之亦然。（2）生成化合物的情况 与金属化合生成稳定的化合物，又不溶于 该金属，形成化

4、合物的这部分金属原子失去吸气能力，气体溶解度降低。 元素与气体化合，生成的化合物又溶解于金属液中，使溶解度增加。（3）合金对金属表面膜的影响 Al合金中：Mg Na Ca等，使合金液表面膜疏松，吸气快 Al-Mg：Be 使合金液表示膜致密，吸气慢。（4）脱氧能力强的元素使水蒸气还原出氧原子，并溶解于合金液中，增加吸气量。第9页，共20页。（三）气体的析出气体析出的三种形式：扩散逸出与金属内的某元素形成化合物（夹杂物）以气泡形式从金属液逸出第10页，共20页。扩散逸出 金属T T(T0时（溶解吸热），T越低，P越大，气体越易向外界扩散。如果减少金属外部的气体压力（真空铸造）P，金属液中气体不断析

5、出。注意：气体以扩散方式析出，只有在非常缓慢冷却的条件下才能充分进行，实际生产条件下往往难以实现。 第11页，共20页。以气泡形式从金属液中析出： 气泡生核；气泡的长大 ；气泡的上浮 气泡脱离衬底表面示意图1衬底2液体第12页，共20页。定义：金属液凝固过程中，因气体溶解度下降析出气体，形成气泡未能排除而形成的气孔，称为析出性气孔。 2、分布：铸件断面上大面积均匀分布，而在铸件最后凝固部位，冒口附近，热节中心部分最为密集。 3、形状：团球形；多角形；断续裂纹状；混合形。析出性气孔常发生在同一炉或同一包浇注的全部或大多数铸件中。 三、析出性气孔第13页，共20页。析出性气孔的形成 析出性气孔的形

6、成机理 （1）金属凝固时，气体溶解度急剧下降。（2）凝固过程中液相，固相中气体溶质的浓度分布：可认为：液相中气体溶质只存在有限扩散，无对流，搅拌，而固相中气体溶质的扩散可忽略不计。即使金属中气体原始浓度C0小于饱和浓度，由于金属凝固时存在溶质再分配，在某时刻，凝固过程中固液界面处液相中所富含的气体溶质将大于饱和浓度，而析出气体。 第14页，共20页。2、影响析出性气孔的主要因素 （1）合金液原始含气量 ： C0上升，且固态、液态中气体溶解度差值越大，凝固前沿实集气体多，易形成气孔。（2）合金成分：收缩量大，结晶温度范围宽的合金易产生析出性气孔，且影响原始含气量。（3）气体性质：氢比氧易析出且扩

7、散速度快，氢比氧容易形成析出性气孔。（4）外界压力：P0越小，越易产生析出性气孔。（5）铸件的凝固方式：逐层凝固方式， P0较大，不易析出易于上浮；体积凝固方式，枝晶间液体封闭，产生析出性气孔可能性大； 第15页，共20页。3、防止析出性气孔的途径 :减少金属液的原始含气量减少各种气体的来源 炉料要干净 ；附加物，孕育剂等使用等预热； 炉衬，浇包烘干；控制型砂，芯砂的水分； 限制有机粘结剂用量；控制熔炼温度金属温度过高易吸气。采用真空熔炼，或熔炼时金属液表示覆盖。 对金属液除气处理 阻止气体析出提高铸件冷却速度，如铝合金采用金属型。提高金属凝固时的外压：在压缩空气中凝固。 第16页，共20页。

8、定义：金属液与铸型之间，金属与熔渣之间或金属液内部某些元素，化合物之间发生化学反应能产生的气孔，称反应性气孔。金属与铸型间反应性气孔：皮下13mm， 又称皮下气孔。形状：球状，梨形，长条形。 金属内部组元之间或组元与非金属夹杂物反应生成的气孔 。 蜂窝状，梨状或团球状，分布均匀 四、反应性气孔第17页，共20页。金属与铸型间的反应性气孔（皮下气孔） 1.氢气孔（铸铁中） 2.CO气体 3.氮气孔 4.形成皮下气孔的共同特点： 铸型水分高，透气性差，采用含氮高的树脂砂 原始含气量C0高，钢水脱氮不良中等壁厚的铸件 合金中含易氧化成成分 熔点高的合金；浇注温度高皮下气孔形状第18页，共20页。金属液内反应性气孔1、渣气孔： 金属液与熔渣相互作用生成的渣气孔 2、金属液中元素间反应性气孔（溶解在金属中）： 碳氧反应性气孔 氢氧反应中产生气孔 碳氧反应性气孔 第19页，共20页。1. 合金