材料成型理论基础课件 成形原理51

§5-3气孔与夹杂的形成机理及控制一、气孔危害：气孔是铸件或焊件最常见的缺陷之一。气孔减小金属

的有效承载面积、造成应力集中，成为裂纹源。形状

不规则的气孔，降低抗疲劳能力。1.气孔的分类及特征按气体来源：析出性气孔、侵入性气孔和反应性气孔。按气体种类：可分为H2、N2、CO气孔。12（1）析出性气孔冷却凝固过程中，因气体溶解度下降，析出的气体来不及逸出而产生的气孔（H2、N2气孔）。MgNiFeAlCu3特点：在铸件断面大面积分布，或在铸件靠近冒口、热节

等温度较高的区域呈团球形密集分布（尺寸小）。Al-Si合金中的析出性气孔微观结构压铸件中的析出性气孔4（2）侵入性气孔

砂型、砂芯等在液态金属高温作用下产生的气体（无明显化学反应），侵入金属内部所形成的气孔。特点：数量少体积大、孔壁光滑，常出现在铸件表层或近表层。

多呈梨形或圆形（H2O、CO、CO2、H2、N2）。球形气孔梨形气孔5（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的气孔。特点：金属-铸型间反应性气孔常在铸件表面皮下1~3mm处，

表面加工或清理后，暴露出来，通称为皮下气孔。图5-10固液界面前沿气体含量分布饱和溶解度SLC062.气泡的形成机理（1）析出性气孔的形成机理

固相无扩散，液相无对流、只有有限扩散，固/液界面气体溶质的分布：气体溶质在凝固界面前沿聚集引发。气体从金属中析出的三种形式：①扩散逸出；②与金属元素形成化合物；③以气泡形式从金属液逸出。7a）气泡的生核

气泡生核条件：金属液中存在过饱和气体、现成表面。气泡依附于现成表面生核所需能量E为：Aa/A值最大的地方（相邻枝晶间的凹陷处）是气泡最可能生核之处；Aa/A值一定时，θ角越大，形成气泡核所需能量越小，气泡越易生核。以气泡形式析出过程包括：形核、长大、上浮三个阶段。式中：ph——气泡内气体的压力；pL——液体对气体的压力；Aa——吸附力作用面积。8

——金属液中溶解的气体向气泡内析出的过程。

b）气泡的长大式中：Ph——气泡内各气体分压的总和；p0——气泡所受外部压力总和。

r↓，Pσ↑难长大；r↑Pσ↓利于长大。长大热力学条件：各气体分压总和＞外界压力pσpbpa9c）气泡的上浮θ<90oθ>90o脱离现成表面，上浮长大过程细颈残留气泡核θ<90o时，气泡直径较小时，即可脱离、上浮；θ>90o时，长大到产生缩颈方可脱离，生长时间长，逸出困难→气孔。10上浮动力学条件η↑,则Vt

↓

，易产生气孔；△ρ(实际上为ρL)↑

，则Ve↑，难产生气孔。－－轻金属（铝、镁）易产生气孔。当Vt<

R时，气泡残留于金属中形成气孔。取决于上浮速度Vt与凝固速度R。11综上，析出性气孔的形成机理为：结晶前沿，溶质聚集区中气体含量超过其饱和含量SL，(枝晶间气体富集程度更高，析出动力大)在液-固界面处又存在其他溶质的偏析及非金属夹杂物（形核基底）枝晶间封闭液相在凝固初期处于真空状态（长大热力学条件好）。枝晶间极易析出气泡，但很难排除，从而保留下来形成气孔。图5-11侵入性气孔形成过程12（2）侵入性气孔的形成机理气体侵入条件：界面处气体压力＞外界压力。

——由砂型、砂芯在高温金属液作用下产生的气体侵入金属液内部而形成。气体在金属已开始凝固时侵入液态金属，易形成梨形气孔。13（3）反应性气孔的形成机理a）

金属液与铸型（芯）反应性气孔皮下气孔是典型的金属-铸型间反应性气孔，三种形成机理：CO说（FeO）+[C]=[Fe]+CO↑

氢气说m[Me]+nH2O→MemOn+nH2↑

氮气说（氮气孔）铸型或型芯采用各种含氮树脂做粘结剂，分解反应造成界面处气相N2浓度增加。14b）金属液内反应气孔渣气孔例：钢中CO不溶，但氧或氧化物与碳反应形成CO（FeO）+[C]=CO+[Fe]（MnO）+[C]=CO+[Mn]（SiO2）+2[C]=2CO+[Si]（Cu2O）+2[H]=2[Cu]+H2O(气)金属液中元素间反应性气孔碳氧反应气孔→CO，钢脱氧不足氢氧反应气孔→H2O，溶解了[H]、[O]碳氢反应气孔→CH4，偏析处[H]、[C]含量较高15危害：有效工作断面↓，导致σb↓、δ↓；

应力集中→裂纹；疏松→δ↓、气密性↓、耐蚀性↓

3.气孔的危害及防止措施防止措施：针对形成原因:析出型或是反应型？反应型的原因？析出型的原因？侵入型的原因？

16消除气体来源（H、O、N）

保持炉料清洁、控制砂芯水分和粘结剂用量、隔绝空气（真空熔炼）。（1）析出性气孔的防止控制熔炼温度，降低原始含气量对金属液进行除气处理

浮游除气（通惰性气体、N2气）；

氧化除气（Cu液通O2气）。阻止金属液内气体析出

提高冷却速度；

压力下凝固（挤压铸造、液面压缩空气）。17（2）侵入性气孔的防止控制侵入气体的来源

发气物质的含量、湿型的水分。控制砂型的透气性和紧实度

保证砂型强度条件下，尽量降低紧实度。提高砂型和砂芯的排气能力

扎排气孔、设置出气冒口。适当提高浇注温度

保证充足的排气时间。提高液态金属的熔炼质量

降低铁液中硫含量，提高流动性→减小排气阻力。18二、夹杂物1.夹杂物的来源及分类——金属内部或表面存在的和基本金属成分不同的物质。

内生夹杂：熔化、凝固过程冶金反应的化合物

脱O、P、S产物；O2、N2、P溶解；偏析形成第二相。外来夹杂：与外界物质接触而产生的非金属物质

熔炉耐火材料、造型材料。来源：19按形成时间：一次夹杂物——熔炼及处理过程中产生；

二次氧化夹杂物——浇注、充型过程中产生；

偏析夹杂物——凝固过程中产生。按夹杂物组成：可分为氧化物、硫化物、硅酸盐等SiO2、MnO、FeS、Fe2SiO4按夹杂物形状：可分为球形、多面体、不规则多角形、条

状及薄板形、板形等。分类：20几种氧化物的熔点、密度几种硫化物的熔点、密度21破坏材料的连续性、均匀性2.夹杂物的危害裂纹源（应力集中）取决于夹杂物的性能、形状、大小、分布硬脆→δ、αk↓；球形→影响↓；针状、尖角→影响↑↑力学性能↓、致密性↓、耐蚀性能↓热裂（低熔点相）钢中MnS夹杂物引起的裂纹源及扩张过程a)原始状态，b)受力后产生裂纹，c)d)裂纹继续扩展22事物的另一面利：

高熔点、细小颗粒→异质核心→细化晶粒；沉淀强化—N化物（如TiN）弥散分布。新学科的产生——促进生成高性能陶瓷相，形成金属基复合材料MMC。TiB2/Al复合材料组织233.一次夹杂物的形成及防止浇注前的熔炼及熔体处理中，冶金反应产生。夹杂物容易聚合、长大析出固相夹杂物是一个结晶过程，夹杂物往往是最先析出的相，并且大多属于偏晶反应。异类夹杂物碰撞后，可产生化学反应，形成更复杂的化合物：恶劣：不产生化学反应的同种夹杂物相遇后，可机械粘连在一起，组成各种成分不均匀、形状不规则的复杂夹杂物。24防止措施：（1）加溶剂——吸收夹杂珍珠岩及处理后形成的渣25（2）过滤法（3）除气处理——将夹杂物携带上浮排出陶瓷过滤器26

形成——浇注及填充铸型的过程中氧化形成。防止4.二次氧化夹杂物的形成及防止液态金属与大气或氧化性气体接触时，其表面会形成一层氧化薄膜。在浇注及充型过程中，因金属流动时产生的紊流、涡流及飞溅等，氧化膜被卷入液态金属内部。合理的浇注工艺及浇冒口系统，平稳充型；控制金属液的易氧化元素；铸型内营造还原型气氛；275.偏析夹杂物的形成凝固过程中，溶质再分配，杂质元素高度富集于枝晶间液相中，一定条件下，发生偏晶反应析出夹杂物。例如：Fe中富集Mn和S时，产生偏晶反应：L1（33.2S%）L2（0.3%S）+MnS1580℃

形成——溶质富集，偏晶反应生成。防止