铸件形成理论12(第八章)

第八章铸件中的非金属夹杂物

§8-1概述一、非金属夹杂物的分类二、非金属夹杂物的来源三、非金属夹杂物对铸件质量的影响

第八章铸件中的非金属夹杂物

§8-1概述一、非金属夹杂物的分类1)简单氧化物如FeO、CuO、Al2O3、MnO、SiO2等；2)复杂氧化物通常用AO•B2O3表示，如MnO•Al2O3、MnO•Fe2O3、FeO•Al2O3等。这类夹杂物又称尖晶石；3)硅酸盐通用化学式为lFeO•mMnO•nAl2O3•pSiO2，其中l、m、n、p为系数；4)硫化物如FeS、MnS和稀土硫化物；5)氮化物如VN、TiN、AlN等。前三类非金属夹杂物统称为氧化夹杂物。BACK第八章铸件中的非金属夹杂物

§8-1概述二、非金属夹杂物的来源1)脱氧、脱硫产物，特别是一些密度大的脱氧产物未及时排除；2)随着金属液温度的降低，硫、氧、氮等元素的溶解度相应下降，达到过饱和，过饱和析出的组元常以低熔点共晶或化合物的形式残留在金属中。3)金属与外界物质相互作用生成的非金属夹杂物，如金属料表面的粘砂、锈蚀、焦炭中的灰分熔化后成为熔渣，炉衬和浇包受金属液侵蚀生成的非金属夹杂物；4)金属液被大气氧化生成的氧化物。前两类非金属夹杂物称为内生夹杂物，后两类夹杂物称为外来夹杂物。BACK第八章铸件中的非金属夹杂物

§8-1概述三、非金属夹杂物对铸件质量的影响1对力学性能的影响：使冲击韧性下降，疲劳极限降低。夹杂物越粗大，材料的疲劳极限越低。据统计，汽车零件的断裂90％是由疲劳裂纹造成的，其裂纹源为非金属夹杂物。尖角形的夹杂物引起应力集中，促使微裂纹的产生，加速零件破坏。2对铸造性能的影响：金属液中含有固体夹杂物时，其流动性显著降低。分布在晶界上的低熔点夹杂物是铸件产生热裂纹的主要原因之一。低熔点夹杂物(如钢中的FeO)促进铸件产生微观缩孔和缩气孔(图)。

第八章铸件中的非金属夹杂物

§8-1概述a)钢中FeO产生的缩孔b)可锻铸铁中MnS产生的缩气孔第八章铸件中的非金属夹杂物

§8-1概述3

在某些情况下，铸件中的非金属夹杂物对铸件质量有良好作用。例如，钢中的氧化物、碳化物和铸铁中的磷共晶能提高材料的硬度、增加耐磨性。钢中微量的钙和硫形成球形硫化物，分布在晶内，对机械性能影响不大，却能改善钢的切削性能。有些难熔的非金属夹杂物可成为非自发结晶的核心，细化铸件的宏观组织。第八章铸件中的非金属夹杂物

§8-2非金属夹杂物的生成一、浇注前形成的非金属夹杂物二、浇注时形成的非金属夹杂物三、凝固时形成的非金属夹杂物第八章铸件中的非金属夹杂物

§8-2非金属夹杂物的生成一、浇注前形成的非金属夹杂物金属在熔炼和炉前处理时，产生的非金属夹杂物可能是脱氧、脱硫产物，也可能是金属液与炉衬相互作用的产物。浇注前许多尺寸较大的夹杂物上浮到金属液表面，经多次扒渣，大部分被清除。但仍有数量可观、尺寸较小的非金属夹杂物残留在金属液内，随液流一起注入型腔，铸件凝固后，残留在铸件的内部，成为非金属夹杂物。常见的脱氧元素形成的非金属夹杂物硅铁对钢液脱氧时：同一种脱氧剂能生成不同的产物：

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§8-2非金属夹杂物的生成二、浇注时形成的非金属夹杂物1形成过程在浇注及充型过程中生成的非金属夹杂物主要是氧化物，故又称为二次氧化夹杂物。（金属液与大气接触）在浇注过程中，金属液的断流、在充型过程中产生的涡流、飞溅等都会把氧化膜卷入金属液内产生氧化夹杂。脱氧后，刚出炉的金属液与铸件的含氧量对比发现，铸件的含氧量明显增加。因此，浇注过程中的二次氧化是铸件产生非金属夹杂物的主要途径。2影响二次氧化夹杂物形成的因素合金成分金属液流

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§8-2非金属夹杂物的生成三、凝固时形成的非金属夹杂物合金液在凝固过程中，由于溶质再分配的结果，液相中的溶质浓度不断增高，出现偏析液相。当枝晶间的偏析液达到过饱和时，则析出非金属夹杂物，又称偏析夹杂物。以Fe－C合金为例，讨论偏析夹杂物的形成过程。假定该合金只存在Mn、S两种杂质。在合金凝固过程中，由于溶质再分配，枝晶间的液相中富集Mn、C、S等溶质。当Mn和S达到过饱和浓度时，发生如下反应[Mn]+[S]MnS随着温度的不断下降，枝晶间液相中的Mn和S进一步富集，且在合金液中的溶解度随之降低，促使MnS不断长大或生成新的MnS。第八章铸件中的非金属夹杂物

§8-2非金属夹杂物的生成三、凝固时形成的非金属夹杂物事实上，偏析液的成分是复杂的，且各枝晶间液相的成分也不同。因此，生成的夹杂物也不相同，既可能生成MnS、MnO、SiO2、Al2O3等固态夹杂物，也可能生成硅酸盐等液态夹杂物。枝晶间残留的偏析液，通常是易熔成分，最后将进行二元和三元共晶反应，生成物以网状存在于晶界上。例如，钢中的硫，在凝固末期发生共晶反应，生成Fe＋FeS共晶。如果钢液脱氧不良，FeO含量较多，将形成熔点更低(940℃)的三元共晶(Fe＋FeS＋FeO)。这种共晶体对钢的危害更大，是铸件产生热裂的主要原因。为了消除S的有害作用，可加入Mn。Mn与S的亲合力比较大，优先生成MnS。研究表明，当[%Mn]／[％S]＞7时，95％的硫化物以MnS形式存在。第八章铸件中的非金属夹杂物

§8-3夹杂物的长大、分布和形状一、夹杂物的聚合长大刚从液相中析出的夹杂物尺寸非常小，仅有几微米。长大的速度非常快。金属液的对流以及夹杂物与液体的密度差而产生的上浮或下沉，使悬浮在液体中的夹杂物杂乱无章地运动，夹杂物相互碰撞，聚合长大。液态夹杂物的粘度较低，彼此碰撞，则容易聚合成一个完整的球状夹杂物(图)

。当金属液温度较低时，夹杂物的粘度增大，碰撞后可粘连在一起，或单个靠在一块，即使聚合在一起也呈粗糙的多链球状(图)。非同类夹杂物相碰撞，经烧结，组成成分更为复杂的夹杂物。第八章铸件中的非金属夹杂物

§8-3夹杂物的长大、分布和形状铁基合金中的SiO2形态a多链球状b

单球第八章铸件中的非金属夹杂物

§8-3夹杂物的长大、分布和形状二、夹杂物的分布1)能作为金属非自发结晶核心的非金属夹杂物分布在晶内。2)能上浮到铸件表面的夹杂物、不溶解于金属液中的液态夹杂物(如各种硅酸盐)，及固态夹杂物在金属液中运动、碰撞、聚合，尺寸不断加大。若夹杂物的密度小于金属液的密度，上浮速度逐渐加快。它们可能集中到冒口中被排除，或保留在铸件上部、上表面层和铸件的拐角处。3)处在金属疑固区内的高熔点固态微小夹杂物，可能被枝晶粘附，分布于晶内；否则分布于晶界。第八章铸件中的非金属夹杂物

§8-3夹杂物的长大、分布和形状三、夹杂物的形状尺寸较大的低熔点夹杂物能上浮到铸件表面。在合金凝固即将结束时，汇集于晶界的低熔点偏析夹杂物，其形状在很大程度上受界面张力的影响。设夹杂物—晶体的界面张力为

IC，金属晶体间的界面张力为

CC，平衡条件为

晶体晶体夹杂物双边角第八章铸件中的非金属夹杂物

§8-3夹杂物的长大、分布和形状三、夹杂物的形状

只有当2

IC

CC时，才能处于平衡状态。双边角(两晶体间的夹角)

决定夹杂物的形状。

从0°～180°变化，夹杂物形状由尖角状逐渐变化为球形(图)。如果2

IC

<

CC，平衡状态遭到破坏，夹杂物以薄膜分布在晶界上。晶体晶体夹杂物双边角第八章铸件中的非金属夹杂物

§8-3夹杂物的长大、分布和形状不同双边角间夹杂物形状示意图第八章铸件中的非金属夹杂物

§8-4减少和排除夹杂物的途径(1)正确地选择合金成分，严格控制易氧化元素的含量。(2)加熔剂金属液表面覆盖一层熔剂，能吸收上浮的夹杂物(如铝合金熔炼时加氯盐、氟盐)，或向金属液中加入熔剂，使之与夹杂物形成密度更小的液态夹杂物，如向球铁液中加入冰晶石，可降低夹杂物熔点，便于聚合和上浮。(3)采用复合脱氧剂采用单一脱氧剂，由于脱氧产物熔点高，易成为夹杂物残存在铸件中。如采用复合脱氧剂，当配比适当时，可以生成密度小、熔点低的液态脱氧产物，易聚合成大液滴，利于上浮、排除。第八章铸件中的非金属夹杂物

§8-4减少和排除夹杂物的途径(4)采用真空或在保护气氛下熔炼和浇注。(5)应避免金属液在浇注和充型时发生飞溅和涡流，尽可能保证充型平稳。(6)过滤法