第七章鑄件中的氣體

1、第七章第七章 鑄件中的氣體鑄件中的氣體 7-1 概述概述固溶態(tài)、化合物和氣態(tài)固溶態(tài)、化合物和氣態(tài)4.澆注過(guò)程澆注過(guò)程一、氣體存在形態(tài)一、氣體存在形態(tài)二、氣體的來(lái)源二、氣體的來(lái)源2.熔煉熔煉1.爐料爐料3.合金與鑄型的相互作用合金與鑄型的相互作用2三、氣體溶解度的表示方法三、氣體溶解度的表示方法1.氣體溶解度氣體溶解度在一定溫度和該氣體分壓下，金屬吸收氣體的飽和濃度在一定溫度和該氣體分壓下，金屬吸收氣體的飽和濃度2.常用表示方法常用表示方法100g金屬所能溶解的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積金屬所能溶解的氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積氫：氫：1.0cm3/（100g）0.9ppm氧：氧：1.0cm3/（100g

2、）12.5ppm氮：氮：1.0cm3/（100g）14.3ppmcm3/（100g）:質(zhì)量分?jǐn)?shù)質(zhì)量分?jǐn)?shù)ppm：3四、氣體對(duì)鑄件質(zhì)量的影響四、氣體對(duì)鑄件質(zhì)量的影響5.降低鑄件的氣密性降低鑄件的氣密性1.減少鑄件的有效工作面減少鑄件的有效工作面2.產(chǎn)生應(yīng)力集中，成裂紋源產(chǎn)生應(yīng)力集中，成裂紋源3.降低鑄件的強(qiáng)度和塑性降低鑄件的強(qiáng)度和塑性4.降低鑄件的疲勞強(qiáng)度降低鑄件的疲勞強(qiáng)度47-2 氣體在金屬中的溶解與析出氣體在金屬中的溶解與析出一、金屬的吸氣過(guò)程一、金屬的吸氣過(guò)程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，并吸附在金屬表面上，經(jīng)擴(kuò)散進(jìn)入金

3、屬內(nèi)部，最后，已溶解的氣體原子在金屬表面上，經(jīng)擴(kuò)散進(jìn)入金屬內(nèi)部，最后，已溶解的氣體原子在金屬內(nèi)均勻化。屬內(nèi)均勻化。二、單質(zhì)氣體在金屬中的溶解二、單質(zhì)氣體在金屬中的溶解影響溶解度的主要因素影響溶解度的主要因素溫度和氣體壓力溫度和氣體壓力金屬蒸汽壓金屬蒸汽壓合金成分合金成分定義：定義：51.溫度和氣體壓力的影響溫度和氣體壓力的影響RTHpKS2exp0H對(duì)對(duì)Fe、Cu、Al、Mg、Ni、Cr、Co等是吸熱，等是吸熱，N對(duì)對(duì)-Fe以及后續(xù)以及后續(xù)金屬也是吸熱金屬也是吸熱氫對(duì)氫對(duì)Ti、V、Zr、Pd、Th等金屬溶解是放熱等金屬溶解是放熱1）T定值，定值，p增大；增大；S增大增大2）p定值，定值，T變化

4、變化T增大，吸熱（增大，吸熱（）S增大增大a.無(wú)相變無(wú)相變T增大，放熱（增大，放熱（）S減小減小b.有相變有相變相變前后，相變前后，S變化規(guī)律跟無(wú)相變相同；升溫到變化規(guī)律跟無(wú)相變相同；升溫到T0相變，相變，S徒然增大徒然增大局限性：局限性：金屬液溫度接近沸點(diǎn)時(shí)，其溶解度逐漸降低，在沸點(diǎn)時(shí)，金屬液溫度接近沸點(diǎn)時(shí)，其溶解度逐漸降低，在沸點(diǎn)時(shí)，氣體的溶解度為零。氣體的溶解度為零。62.金屬蒸汽壓的影響金屬蒸汽壓的影響蒸汽壓大，金屬易揮發(fā)，蒸汽壓大，金屬易揮發(fā)，如如Mg，Zn等；等；蒸汽壓小，金屬難揮發(fā)，蒸汽壓小，金屬難揮發(fā)，如如Fe-C、Cu等等氣體在金屬中的溶解度隨金屬蒸汽壓的升高而降低氣體在金屬

5、中的溶解度隨金屬蒸汽壓的升高而降低73.合金成分的影響合金成分的影響1）對(duì)活度及活度系數(shù)的影響）對(duì)活度及活度系數(shù)的影響lglglglgMnHCHHHHffff增大氫、氮活度系數(shù)的元素，都使合金液中氫、氮的溶解度減少。增大氫、氮活度系數(shù)的元素，都使合金液中氫、氮的溶解度減少。HHHHHHHHfpKHpHfpaKHHlglg21lglg%212222/12/1289102）形成化合物）形成化合物與金屬生成穩(wěn)定化合物，不溶金屬，失去吸氣能力，溶解度降低與金屬生成穩(wěn)定化合物，不溶金屬，失去吸氣能力，溶解度降低與氣體生成穩(wěn)定化合物，溶于金屬，溶解度增大與氣體生成穩(wěn)定化合物，溶于金屬，溶解度增大3）元素對(duì)

6、表面膜的影響）元素對(duì)表面膜的影響元素使表面膜疏松元素使表面膜疏松吸氣加快吸氣加快Mg，Na，Ca加入到加入到Al合金合金元素使表面膜致密元素使表面膜致密吸氣減慢吸氣減慢Be加入到加入到AlMg合金合金114）合金液與蒸汽接觸作用）合金液與蒸汽接觸作用金屬脫氧能力強(qiáng)，從蒸汽中還原氫原子，溶解，增加吸氣金屬脫氧能力強(qiáng)，從蒸汽中還原氫原子，溶解，增加吸氣如：鐵液中的微量鋁，能起到增氫如：鐵液中的微量鋁，能起到增氫5）提高合金的蒸汽壓）提高合金的蒸汽壓如：鎂在鐵液中易揮發(fā)，提高鐵水的蒸汽壓，降低氣體溶解度如：鎂在鐵液中易揮發(fā)，提高鐵水的蒸汽壓，降低氣體溶解度12三、復(fù)合氣體在金屬中的溶解三、復(fù)合氣體在

7、金屬中的溶解復(fù)合氣體：復(fù)合氣體：CO,CO2,H2O,NH3,SO2特點(diǎn)：組元彼此相關(guān)特點(diǎn)：組元彼此相關(guān) OHKpOHOHgOH2222溫度一定，氫的飽濃度隨分壓增大而增大，隨氧含量的增加而溫度一定，氫的飽濃度隨分壓增大而增大，隨氧含量的增加而減少。減少。13四、氣體的析出四、氣體的析出析出形式析出形式擴(kuò)散逸出擴(kuò)散逸出與金屬內(nèi)的某些元素形成化合物（夾雜排除）與金屬內(nèi)的某些元素形成化合物（夾雜排除）以氣泡形式從金屬液中逸出以氣泡形式從金屬液中逸出1.擴(kuò)散逸出擴(kuò)散逸出TT 111expTTRHpppp吸熱：吸熱：溫度下降越低，氣體析出分壓力越大，溶解的氣體越處于溫度下降越低，氣體析出分壓力越大，溶

8、解的氣體越處于飽和狀態(tài)，氣體越易向外擴(kuò)散。飽和狀態(tài)，氣體越易向外擴(kuò)散。142.以氣泡形式從金屬液中析出以氣泡形式從金屬液中析出析出過(guò)程析出過(guò)程生核生核長(zhǎng)大長(zhǎng)大上浮上浮1）生核）生核前提條件：前提條件： 溶解氣體過(guò)飽和溶解氣體過(guò)飽和kTrCej3/411022102 .163/4kTrCe自發(fā)形核幾率極小自發(fā)形核幾率極小a.自發(fā)形核自發(fā)形核15b.非自發(fā)形核非自發(fā)形核cos11 SSSVppEConSSC為任意值，為任意值，越大，越容易形核。越大，越容易形核。問(wèn)題：?jiǎn)栴}： 在枝晶何處容易生核？在枝晶何處容易生核？SSC一定，一定，越大，越容易生核越大，越容易生核162）長(zhǎng)大）長(zhǎng)大長(zhǎng)大條件：長(zhǎng)大條

9、件：onpp 222ONHnppppchaopppprpc2173）上浮）上浮a.氣泡脫離襯底的能力主要取決于相間界面張力氣泡脫離襯底的能力主要取決于相間界面張力LGSLSGcos9090181.接觸角小于接觸角小于90度，氣泡容易逸出；大于度，氣泡容易逸出；大于90度，由于形成細(xì)頸需要度，由于形成細(xì)頸需要時(shí)間，當(dāng)結(jié)晶速度大于氣泡脫離速度時(shí)，容易形成氣孔。時(shí)間，當(dāng)結(jié)晶速度大于氣泡脫離速度時(shí)，容易形成氣孔。2.凡能減小液氣和液固兩項(xiàng)表面張力以及增大固氣表面張力的因凡能減小液氣和液固兩項(xiàng)表面張力以及增大固氣表面張力的因素，都有利于氣泡脫離襯底，向外析出。素，都有利于氣泡脫離襯底，向外析出。結(jié)論：結(jié)

10、論：3.固液界面推進(jìn)速度小，氣泡可以有充分的時(shí)間排出固液界面推進(jìn)速度小，氣泡可以有充分的時(shí)間排出197-3 析出性氣孔析出性氣孔一、特征一、特征a.析出性氣孔定義：析出性氣孔定義：金屬液凝固過(guò)程中，因過(guò)飽和氣體溶解度下降析出氣體、形金屬液凝固過(guò)程中，因過(guò)飽和氣體溶解度下降析出氣體、形成氣泡未能排除而形成的氣孔。成氣泡未能排除而形成的氣孔。b.特征：特征：氫氣孔和氮?dú)饪?。氫氣孔和氮?dú)饪住ｄX合金鑄件，鑄鋼鑄件鋁合金鑄件，鑄鋼鑄件斷面上均勻分布，最后凝固部位、熱節(jié)及冒口附近中心最斷面上均勻分布，最后凝固部位、熱節(jié)及冒口附近中心最為密集。為密集。1.分布：分布：2.形狀：形狀：團(tuán)球狀、多角狀、斷續(xù)裂紋

11、狀和混合形團(tuán)球狀、多角狀、斷續(xù)裂紋狀和混合形3.氣孔種類：氣孔種類：4.鑄件材質(zhì)鑄件材質(zhì)20二、析出性氣孔的形成二、析出性氣孔的形成1.析出性氣孔的形成機(jī)理析出性氣孔的形成機(jī)理溶質(zhì)再分配理論溶質(zhì)再分配理論exp11 000DRxkkCCL2122析出性氣孔的形成機(jī)理：析出性氣孔的形成機(jī)理：合金凝固時(shí)，氣體溶解度急劇下降，由于溶質(zhì)的再分配，在合金凝固時(shí)，氣體溶解度急劇下降，由于溶質(zhì)的再分配，在固液界面前的液相中氣體溶質(zhì)富集，當(dāng)其濃度過(guò)飽和時(shí)，固液界面前的液相中氣體溶質(zhì)富集，當(dāng)其濃度過(guò)飽和時(shí)，產(chǎn)生很大的析出動(dòng)力，在現(xiàn)成的襯底上氣體析出，形成氣泡，產(chǎn)生很大的析出動(dòng)力，在現(xiàn)成的襯底上氣體析出，形成氣泡

12、，保留在鑄件中成為析出性氣孔。保留在鑄件中成為析出性氣孔。2.產(chǎn)生析出性氣孔傾向性的判斷產(chǎn)生析出性氣孔傾向性的判斷1）析出性氣孔的判據(jù)）析出性氣孔的判據(jù)SSLCCC 或或SLLCCC01LCC氣孔判據(jù)的物理意義：氣孔判據(jù)的物理意義：穩(wěn)定生長(zhǎng)時(shí)凝固界面上液相的氣體濃度比原始?xì)怏w濃度所增加穩(wěn)定生長(zhǎng)時(shí)凝固界面上液相的氣體濃度比原始?xì)怏w濃度所增加的倍數(shù)。的倍數(shù)。當(dāng)穩(wěn)定生長(zhǎng)時(shí)：當(dāng)穩(wěn)定生長(zhǎng)時(shí)：232）以臨界過(guò)飽和濃度判斷）以臨界過(guò)飽和濃度判斷LS跟鑄造條件有關(guān)，由試驗(yàn)確定跟鑄造條件有關(guān)，由試驗(yàn)確定金屬型鑄造臨界過(guò)飽和濃度值比砂型鑄造的大金屬型鑄造臨界過(guò)飽和濃度值比砂型鑄造的大24三、影響析出性氣孔的主要因

13、素三、影響析出性氣孔的主要因素1）合金原始含氣量）合金原始含氣量2）合金成分）合金成分3）氣體的性質(zhì)）氣體的性質(zhì)4）外界壓力）外界壓力5）鑄件的凝固方式）鑄件的凝固方式逐層凝固逐層凝固體積凝固體積凝固25四、防止析出性氣孔的途徑四、防止析出性氣孔的途徑1.減少金屬液的原始含氣量減少金屬液的原始含氣量a.減少氣體的來(lái)源減少氣體的來(lái)源b. 控制好熔煉溫度控制好熔煉溫度c.真空熔煉真空熔煉2.除氣處理除氣處理a.浮游去氣浮游去氣b.真空去氣真空去氣c.氧化去氣氧化去氣d.冷凝去氣冷凝去氣3.阻止氣體析出阻止氣體析出提高鑄件的冷卻速度提高鑄件的冷卻速度提高金屬凝固時(shí)的外壓提高金屬凝固時(shí)的外壓e.精煉去

14、氣精煉去氣267-4 反應(yīng)性氣孔反應(yīng)性氣孔一、特征一、特征a.反應(yīng)性氣孔的定義：反應(yīng)性氣孔的定義：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、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)生化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氣孔。化合物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氣孔。b.特征：特征：分布在皮下分布在皮下1-3mm；球狀、梨狀、多呈長(zhǎng)條狀垂直于鑄件表面；球狀、梨狀、多呈長(zhǎng)條狀垂直于鑄件表面；表面光滑，呈銀白色或金屬亮色表面光滑，呈銀白色或金屬亮色c.金屬與鑄型之間的反應(yīng)氣孔金屬與鑄型之間的反應(yīng)氣孔d.金屬內(nèi)部的反應(yīng)氣孔金屬內(nèi)部的反應(yīng)氣孔蜂窩狀、分布均勻蜂窩狀、分布均勻27二、金屬與鑄型

15、間的反應(yīng)性氣孔（皮下氣孔）二、金屬與鑄型間的反應(yīng)性氣孔（皮下氣孔）氫氣、氮?dú)夂鸵谎趸細(xì)錃?、氮?dú)夂鸵谎趸汲Ｒ?jiàn)氣孔：常見(jiàn)氣孔：1.氫氣孔氫氣孔22nHOMeOnHMemnma.置換元素置換置換元素置換FeC合金置換元素：合金置換元素：C、Si、Mn、Al等等1）氫氣的來(lái)源）氫氣的來(lái)源b.鑄型或?qū)嵭突衔锏姆纸忤T型或?qū)嵭突衔锏姆纸庹辰Y(jié)劑、實(shí)型鑄造粘結(jié)劑、實(shí)型鑄造2）氫氣的生核）氫氣的生核a.溶質(zhì)的再分配，凝固前沿液相富集氫，形成過(guò)飽和濃度區(qū)；溶質(zhì)的再分配，凝固前沿液相富集氫，形成過(guò)飽和濃度區(qū)；依附某些氧化物或固相質(zhì)點(diǎn)形核；隨著凝固前沿的推移，氣泡依附某些氧化物或固相質(zhì)點(diǎn)形核；隨著凝固前沿的推移

16、，氣泡沿枝晶間長(zhǎng)大。沿枝晶間長(zhǎng)大。28b）氫氣以）氫氣以CO或以蒸汽為核心或以蒸汽為核心3）氫氣的敏感性）氫氣的敏感性鑄件的厚度鑄件的厚度薄壁件薄壁件凝固速度快易行殼，金屬液與鑄型相互作用的時(shí)間凝固速度快易行殼，金屬液與鑄型相互作用的時(shí)間短，吸收氫量少，不易產(chǎn)生皮下氣孔短，吸收氫量少，不易產(chǎn)生皮下氣孔厚件厚件凝固速度慢，吸氣有足夠時(shí)間向內(nèi)擴(kuò)散，氣體凝固速度慢，吸氣有足夠時(shí)間向內(nèi)擴(kuò)散，氣體溶質(zhì)在截面均勻分布溶質(zhì)在截面均勻分布中等壁厚件中等壁厚件金屬液與鑄型相互作用時(shí)間較長(zhǎng)，吸收的氣體金屬液與鑄型相互作用時(shí)間較長(zhǎng)，吸收的氣體又不能充分向內(nèi)擴(kuò)散，表面層氣體溶質(zhì)富集區(qū)，又不能充分向內(nèi)擴(kuò)散，表面層氣體溶

17、質(zhì)富集區(qū)，有可能產(chǎn)生皮下氣孔。有可能產(chǎn)生皮下氣孔。292.CO氣孔氣孔COlFeCFeO)(CO在形成皮下氣孔中的作用：在形成皮下氣孔中的作用：a.CO成為氫皮下氣孔的核心成為氫皮下氣孔的核心b.CO是形成皮下氣孔的主要原因，可直接形成皮下氣孔是形成皮下氣孔的主要原因，可直接形成皮下氣孔3.氮?dú)饪椎獨(dú)饪椎獨(dú)鈦?lái)源于含氮樹(shù)脂砂的樹(shù)脂分解或增碳劑等氮?dú)鈦?lái)源于含氮樹(shù)脂砂的樹(shù)脂分解或增碳劑等1）鑄型水分含量高、透氣性差，樹(shù)脂含氧高）鑄型水分含量高、透氣性差，樹(shù)脂含氧高2）金屬液原始?xì)怏w含量高，鋼水脫氧不良）金屬液原始?xì)怏w含量高，鋼水脫氧不良3）中等壁厚件：球鐵）中等壁厚件：球鐵815mm，灰鐵，灰鐵1025mm4）合金中含有易氧化成分）合金中含有易氧化成分5）熔點(diǎn)較高的合金）熔點(diǎn)較高的合金30三、金屬液內(nèi)反應(yīng)性氣孔三、金屬液內(nèi)反應(yīng)性氣孔兩種反應(yīng)性氣孔：兩種反應(yīng)性氣孔：金屬液與熔渣作用生成的渣氣孔金屬液與熔渣作用生成的渣氣孔金屬液內(nèi)成分之間作用形成的氣孔金屬液內(nèi)成分之間作用形成的氣孔1.渣氣孔渣氣孔COFeCFeO一氧化碳依附在氧化亞鐵熔渣上，形成