第十一節(jié)氣孔,夾雜

1、第十一章 鑄件中的氣體 鑄件中往往有各種氣體，以不同的形式存在著，它們對鑄件的質量有不同程度的影響。只有仔細地討論了氣體的來源、溶解和析出過程以及存在的形式以后，才有可能采取減少鑄件中氣體含量的方法。§11-1 概 述 一、氣體存在的形態(tài) 氣體在鑄件中有三種形態(tài)：固溶體、化合物和氣孔。 若氣體以原子狀態(tài)溶解于金屬中，則以固溶體形態(tài)存在。若氣體與金屬中某元素之間的親合力大于氣體本身所具有的親合力，則氣體就與該元素形成化合物。 金屬中的氣體含量超過其溶解度，或侵入的氣體不被溶解，則以分子狀態(tài)(即氣泡形式)存在于金屬液中，若凝固前氣泡來不及排除，鑄件將產(chǎn)生氣孔。 氫原子半徑很小(0.37&

2、#197;)，幾乎能溶解到各種鑄造合金中。氧的原子半徑雖小(0.66 Å )，但它是一個極活潑的元素，能與許多金屬形成化合物，只有氧化性較差的金屬及合金才能溶解一定量的氧。氮的原子半徑(0.8 Å)比氫大，在鑄鋼、鑄鐵中有一定溶解量，而在鋁合金及銅合金中幾乎不溶解。 二、氣體來源 1熔煉過程 熔煉過程中氣體的來源，如表11l所示。主要來自各種爐料的銹濕以及周圍氣氛中的水分、氮、氧，以及CO2，CO，SO2，H2。及有機物燃燒產(chǎn)生的碳氫化合物等。 2鑄型 來自鑄型甲的氣體如表72所示。即使烘干的鑄型，澆注前也會吸收水分，且其中粘土在金屬液的熱作用下結晶水還會分解，有機物的燃燒

3、也能產(chǎn)生大量氣體。3澆注過程澆包未烘干，鑄型澆注系統(tǒng)設計不當，鑄型透氣性差，以及澆注速度控制不當，或型腔內氣體不能及時排除，由于溫度急劇上升，氣體體積膨脹而增大壓力，都會使氣體進入金屬液，增加金屬中氣體的含量。鑄件中的氣體主要是氫，其次是氮和氧。氫主要來源于各種金屬爐料、熔劑、爐氣、澆包、爐前加入物及鑄型等中的水分。爐氣和大氣中的氫，雖然也能被吸收，但氫的分壓力極低，據(jù)計算大氣中氫的分壓僅為5×lO-9大氣壓，故微不足道。 三、氣體對鑄件質量的影響 氣孔不僅能減少鑄件的有效截面積，且能使局部造成應力集中，成為零件斷裂的裂紋源，尤其是形狀不規(guī)則的氣孔，如裂紋狀氣孔和尖角形氣孔不僅增加缺

4、口的敏感性，使金屬強度下降，而且能降低零件的疲勞強度。 以固溶體形式存在的氣體，雖然危害較小，但也會降低鑄件的韌性。在一定條件下從固溶體中析出的氫氣壓力使晶粒間形成裂紋。如鋼中析出的氫氣，造成“自點”，使鋼變脆，即所謂“氫脆”。鑄鐵中固溶的氫，還會增加自口傾向。 對要求承受液壓和氣壓的鑄件，若含有氣孔，能明顯地降低它的氣密性。 金屬含有氣體也會影響到它的鑄造性能。鑄件凝固時析出氣體的反壓力，阻礙金屬液的補縮，造成晶間疏松，即縮氣孔。合金液含有氣體，也降低它的流動性。有人曾試驗同樣成分的鑄鐵，含H為0.8cm3100g，流動性為53cm，含4.1cm3100g時，則下降為39cm。§1

5、1-2氣體溶解與析出 一、金屬吸收氣體的過程 金屬吸收氣體的過程，可分為吸附和擴散兩個階段。 1吸附階段 多數(shù)金屬和合金都有吸附氣體的傾向，吸附形式有兩種物理吸附及化學吸附。 物理吸附：無論液體或固體金屬表面層的原子，都受力不均，處于不平衡狀態(tài)，形成一個力場。當氣體分子碰撞到該金屬表面時，氣體分子就被吸引而粘附在會屬表面。通常把這種吸附于稱為物理吸附。 物理吸附最多只能覆蓋單分子層厚度，氣體能否穩(wěn)定吸附在金屬表面，取決于表面力場強弱、溫度和壓力。如表面力場較大，則易吸滿，不易脫離。隨著溫度的升高或金屬表面壓力的減少，吸附的氣體濃度也就降低，物理吸附速度也緩慢下來。顯然，溫度較低，壓力較大，有利

6、于物理吸附。物理吸附熱不大，很快就能達到平衡，吸附的氣體層仍處于穩(wěn)定的分子狀態(tài)，故不能被金屬所吸收。 化學吸附：有一些氣體，如H2、O2、N2、H2O(氣)、CO2等與金屬原子之間有一定親合力，使它們在金屬表面離解為原子，然后以原子狀態(tài)吸附在金屬表面，這種吸附稱為化學吸附。一般金屬都有這種吸附形式。 氣體是物理吸附還是化學吸附，決定于該氣體與金屬元素之間的親合力大小，而不決定于是單原子、雙原子和多原子氣體。惰性氣體，如He(氦)、Ne(氖)，Ar(氬)、Xe(氙)等雖屬單原子氣體，但他們與金屬原子之間沒有親合力，只能進行物理吸附，而沒有化學吸附。 化學吸附能力取決于氣體原子與金屬原子之間的親合

7、力的大小。其吸附速度，因溫度上升而加快，至一定溫度時達到最大，繼續(xù)升溫，反而減小。 化學吸附不是化學過程，不產(chǎn)生新相，但能促進化學反應?；瘜W吸附與氣體溶解于金屬中也有所不同，前者的濃度要比該氣體溶解的濃度大得多。它是金屬吸收氣體最關鍵的過渡階段。 2.擴散被吸附在金屬表面的氣體原子，只有向金屬內部擴散，才能溶解于金屬中。擴散過程就是氣體原子從濃度較高的金屬表面層向氣體濃度較低的金屬內部運動的過程，使?jié)舛炔钰呌谄胶狻ｏ@然，濃度差愈大，氣體壓力愈高，溫度愈高，擴散速度也愈大。 綜上所述，金屬吸收氣體可由以下四個過程組成： 1) 氣體分子撞擊到金屬表面; 2）在高溫金屬表面上氣體分子離解為原子狀態(tài)；

8、 3) 氣體原子被吸附在金屬表面； 4) 氣體原子擴散進入金屬內部。 前三個過程是吸附過程，最后一個是擴散過程。金屬吸收氣體時，實際上這四個過程是同時存在的，而其中擴散是關鍵，因為它決定金屬的吸氣速度。 完成上述吸氣過程也需要一定時間。如果金屬溫度愈高，未達到飽和濃度以前，氣體與金屬接觸時間愈長，吸收氣體就愈多，一直達到該狀態(tài)下飽和濃度為止。 二、氣體在金屬中的溶解度 在一定溫度和壓力條件下金屬吸收氣體的飽和濃度，叫做該條件下氣體的溶解度。 氣體溶解度常用每100克金屬含有的氣體在標準狀態(tài)下的體積來表示(即cm3100g)，有時也用溶解氣體對金屬的重量百分數(shù)(%)表示，它們之間的換算關系是：

9、氫：1.0cm3100g=0.00009%=0.9ppm 氮：1.0cm3100g =0.00125=12.5ppm 氧：1.0cm3100g =0.00143=14.3ppm 氣體在金屬中的溶解度與壓力、溫度、合金成分及氣體種類等因素有關。對一定成分的合金，影響氣體溶解度的因素，主要是溫度和壓力。 1溫度和壓力的影響 從物理化學可得出雙原子氣體溶解度與溫度和壓力的關系為：S=K0exp（） （7-1）式中K0常數(shù) P氣體分壓力 H氣體溶解熱 R氣體常數(shù)T絕對溫度當壓力不變時，溶解度與溫度關系決定溶解熱的符號。一般金屬吸收氣體為吸熱反應，H為正值，溶解度隨溫度的升高而增加，如圖7l所示。鐵、鋁

10、、銅、鎳、鎂等金屬及其合金溶解氫都屬于這一類。圖72表明了氫和氮在不同溫度下在鐵中的溶解度。當氣體溶解過程是放熱反應時，H為負值，溶解度隨溫度的上升而降低。Ti(鈦)、Zr(鋯)、Pd(鈀)、Tb(釷)、V(釩)、Ce(鈰)等金屬溶解氫就屬于這一類(圖73)。從圖71和圖72還可看到金屬發(fā)生相變時，溶解度發(fā)生突變，這是由于金屬組織結構發(fā)生變化，改變了氣體的溶解度，即液相比固相，面心立方晶格(Fe)比體心立方(aFe和Fe)更有利于氣體的溶解。由液相轉變?yōu)楣滔鄷r氣體溶解度的突變，對鑄件產(chǎn)生氣孔有直接的影響。氣體溶解度與溫度的關系，還會受到金屬蒸氣壓的影響，事實上式(7-1)并不是任何溫度下都能適

11、用，當金屬液溫度愈接近沸點時，溶解度逐漸降低，在沸點時降低為零。如圖74所示。蒸氣壓較大的金屬，是屬于易揮發(fā)性金屬，如鎂、鋅、鎘等。而對于難揮發(fā)金屬如鐵碳合金、銅合金等，蒸氣壓就比較小，且在鑄造溫度下，不會產(chǎn)生較大的改變，所以對氣體溶解度影響不大。2合金成分的影響合金成分不同，也同樣影響到氣體的溶解度。如氫和氮的溶解度隨碳含量增高而降低，因此鑄鐵的吸氣能力比鋼低。同樣，加入提高氣體含量的合金元素，則能提高氣體的溶解度。如果加入的合金元素能與氣體形成穩(wěn)定的化合物(即氧、氮、氫化合物)，則能降低其溶解度。爐前加入吸氣屬于放熱反應的合金材料，也會增加溶解量。生產(chǎn)實踐證明，稀土金屬在低溫下吸氣量大，易

12、潮濕，加入到鑄鋼和球墨鑄鐵往往增加含氣量。此外，合金元素還能改變金屬表面膜的性質及金屬蒸氣壓等，從而影響氣體的溶解度。例如，鐵中存在微量的鋁，會加速水蒸氣在鐵水表面的分解，從而加速了氫在鐵水中的溶解，而含有易揮發(fā)成分的鎂，提高鐵水的蒸氣壓，又能顯著降低鐵水的含氣量。通常鑄造合金中溶解氣體是不可避免的。例如鑄鐵含氣量一般為1060cm3100g，其中含H：0.5-2.3ppm或0.55-2.5 cm3100g，最高可達16 cm3100g；N：2080ppm或1.66.4 cm3100g；O：1060ppm或0.76.3 cm3100g (沖天爐3060ppm；工頻爐1020ppm；鎂球鐵510

13、ppm)。鋼中氣體一般含量為：H：39ppm；O：40100ppm；N：30140ppm?？梢娢鼩饬窟€是很大的，如鑄鐵含氣60 cm3100g，即達到金屬本身體積的四倍(100g鑄鐵約占體積14cm3)。 三、氣體的析出 金屬溶解氣體是一個可逆過程，即氣體隨著金屬溫度的升高不斷吸入，溫度下降則不斷析出。氣體析出也有三種形式：氣體以原子狀態(tài)擴散至金屬表面，然后脫離吸附狀態(tài)(蒸支)；以氣泡形式從金屬液排除，與金屬內某元素形成化合物，以非金屬夾雜物形式排除。1氣體擴散析出金屬溫度從T下降到T時，若氣體溶解度S不變，氣體析出分壓力P，可從(71)式求出：式中P、P，分別為T、T，對應的金屬內氣體的分壓

14、力，P也即外界氣體分壓力，可見T愈低，氣體析出分壓力P愈大，溶解的氣體愈處于過飽和狀態(tài)，氣體將自動向外界擴散，即脫離吸附表面(蒸發(fā))。同樣，如果減少金屬外部的氣體壓力(如真空鑄造)，即使溫度變化不大，氣體也處于過飽和狀態(tài)。金屬表面氣體濃度的降低，就導致內部氣體向表面擴散，使金屬內部氣體原子不斷析出?？梢姎怏w析出的速度和數(shù)量，取決于溫度和壓力，也與金屬表面狀態(tài)和擴散厚度(金屬體積)有關。氣體以擴散方式析出，只有在非常緩慢冷卻條件下，才能充分進行，這在實際生產(chǎn)條件下往往難以實現(xiàn)，因而以這種形式析出的氣體量受到一定限制。 2氣泡形成和上浮 1)氣泡的形成金屬液中產(chǎn)生氣泡必須滿足以下條件： 金屬液溶解

15、的氣體處于過飽和狀態(tài)而具有析出分壓力P(見72式)。 氣泡內各種氣體的分壓總和PG大于作用在該氣泡的外壓力的總和PE，氣泡才能產(chǎn)生并在金屬液中穩(wěn)定存在。即：系形成半徑，的氣泡克服金屬液表面張力所需的壓力。反之，如果PG<PE，則不能形成氣泡，過飽和氣體不能析出。如在壓力下凝固，氣泡就不易析出，而在真空下凝固就容易產(chǎn)生氣孔。要形成氣泡，須先形成氣核。如同金屬結晶一樣，氣核大小也必須大于某臨界尺寸rk時，氣核才能穩(wěn)定存在，并使其不斷長大，當氣泡半徑r值很小時，值很大，顯然氣核難于形成。如鋼水中的CO氣泡為例，具有10-7cm數(shù)量級的核心，只有當PG為5130atm才能形成，而根據(jù)Campbe

16、llJ的計算，凝固時最大析出壓力Pco才420atm，且在液體金屬中某區(qū)域內要積累相當多數(shù)量的CO分子以供形成CO核心的需要，實際上也很少有可能，可見氣核難于自發(fā)形成。實際上液體金屬中存在著大量非金屬夾雜物和較多的氣泡(如澆注過程中卷入的氣體，熔煉過程及爐前處理形成的氣泡)，以及爐壁、包襯，型壁和結晶體等，它們都可能成為非自發(fā)氣核的基礎，氣泡就容易在這些表面上形成。2）氣泡的上浮 依附在外來表面的氣核形成以后，溶解在金屬中的氣體由于壓力差必將自動向氣泡擴散，當氣泡長大到一定臨界尺寸，就脫離該表面上浮。其尺寸大小決定于氣泡與表面脫離時的上升力和使氣泡保持在固體表面的附著力相平衡，即：式中 d0氣

17、泡脫離表面時的臨界直徑，mm，G金屬和氣體的重度，Nm3 LG液體金屬與氣泡間的表面張力，NmC1、C2、A常數(shù)常數(shù)A與液體對固體表面的潤濕角有關。如圖77所示，液體潤濕固體時，<90°，角愈小，A值愈小，氣泡脫離時的臨界尺寸d0愈小。根據(jù)毛細管現(xiàn)象理論，可近似地取A=0.02。尺寸大于d0的氣泡就脫離該表面上浮，其上浮速度，對尺寸不大的氣泡(直徑小于0.06mm時)，可用Stokes公式進行估算。-液體的動力黏度氣泡上浮過程中，還能不斷從金屬液中吸收擴散來的氣體，或由于兩個氣泡上浮速度不同，可能相碰而合并，這都會使氣泡不斷變大，上浮速度也不斷加快。同時金屬液溫度愈高，動力粘度

18、愈小，上浮阻力也愈小。依附在非金屬夾雜物表面的氣泡，最初可能一起上浮，但由于氣泡不斷長大，加之氣泡與夾雜物重度不同，造成兩者上浮的速度差增大，最終可能將夾雜物甩下，而各自上浮。從上式可見，氣泡愈小，上浮速度愈慢，因此尺寸太小就可能上浮不出來，要使氣泡及時上浮而排除，應具有一定尺寸，一般應大于10-210-3數(shù)量級，否則將難于排除。例如澆包內鋼水深度h1m，從出爐完畢到澆注結束的時間=15min=900s，設最底層氣泡上浮平均速度，設m7000×981Nm3，G0，=0.0065N·sm2，代入上式，可得出氣泡半徑r小于21.8的氣泡將不能上浮到液面。鑄型內的液體金屬由于溫度

19、下降快，氣泡上浮將更困難。若鑄件表面已凝固，氣泡將來不及排除而保留下來，致使產(chǎn)生氣孔。最后還應當指出，以上討論的氣體在金屬內的溶解和析出，沒有考慮金屬表面狀況。若金屬表面有氧化薄膜，就會影響氣體的吸附和擴散，氣體在金屬中的溶解和析出速度都將降低。§113析出性氣孔一、特征金屬液在冷卻和凝固過程中，因氣體溶解度下降，析出的氣體來不及排除，鑄件由此而產(chǎn)生的氣孔，叫做析出性氣孔。這類氣孔特征是鑄件斷面上呈大面積分布，而靠近冒口、熱節(jié)等溫度較高區(qū)域分布較密集，形狀呈團球形(圖78b)或裂紋狀多角形(圖78a)或斷續(xù)裂紋狀(圖79及圖710)或混合型(圖711)。通常金屬含氣量較少時，呈裂紋狀

20、，含氣較多，則氣孔較大，且呈團球形。這類氣孔常常發(fā)生在同一爐或同一包澆注的一批鑄件中。析出性氣孔，主要來自氫氣，其次是氮氣。鋁合金最常出現(xiàn)析出性氣孔，其次是鑄鋼件，鑄鐵件有時也會出現(xiàn)。二、析出性氣孔的形成1凝固時氣體溶質的再分配按照傳統(tǒng)說法，金屬液中析出的氣泡，若凝固前未及時排除，就形成析出性氣孔。當然這種可能性是存在的，問題在于何時析出氣泡的可能性最大，況且斷續(xù)裂紋狀氣孔用凝固前先形成氣泡來解釋，是難以信服的。如前節(jié)所述，金屬凝固時氣體溶解度將急劇下降，在凝固溫度下液固相中氣體溶解度的變化，同樣可以用溶質再分配的理論加以說明。在鑄造條件下，金屬凝固過程中，可認為液相中氣體溶質只存在有限擴散，

21、無對流、攪拌，而固相中氣體溶質的擴散可忽略不計，這樣就可應用(437)式的固液界面前液相中溶質分布方程：式中 k氣體溶質平衡分配系數(shù) D氣體在金屬液中的擴散系數(shù)，cm2s R凝固速度，cms x離液固界面處距離，cm金屬凝固時，根據(jù)式(76)，氣體在液相中的濃度分布，如圖11-2所示。圖11-2 金屬凝固時氣體在固相及液相中的濃度分布初始析出的固相濃度為kC0，在凝固前沿x=0處液相中氣體濃度將達到最大C0k，設液相中氣體濃度超過某過飽和氣體濃度SL時，才析出氣泡，則產(chǎn)生過飽和濃度區(qū)x，可由(76)式求出(x=x 處，CL=SL)：析出氣泡還決定x存在時間t的長短：t愈長，愈有利氣孔的生成，由

22、(77)式可求出：可見，當合金成分一定時，主要由凝固速度R決定，而x是枝晶間尚待凝固的液相內氣體溶質的富集區(qū)。因而凝固速度R，分配系數(shù)k，擴散系數(shù)D及原始氣體濃度C0都會影響到x、和液相中氣體濃度的分布。 氣體溶質在凝固前沿的富集已被實驗證實。將Al-Si11%合金試樣進行單相凝固，經(jīng)液淬后，用離子探針測定其凝固前沿H的相對二次離子強度。H含量越高，相對二次離子強度則越大。圖1-13所示為Al-Si11%合金試樣凝固前沿存在H的富集?？梢钥闯觯谀虆^(qū)域中存在H的富集，固相邊界附近比液相邊界附近富集得多；固相區(qū)和液相區(qū)內H的濃度很低。H在Al-SI 合金定向凝固液淬試樣沿長度方向的分布 a)R

23、=5cm/h b)R=10cm/h 根據(jù)凝固過程中H溶解度的變化規(guī)律，所計算出的枝晶間液相中H的分布如圖7-16所示?？梢?，在枝晶前沿特別是枝晶根部H的濃度明顯增大，比金屬中H的原始平均濃度H0約高2倍。 晶間液體中氣體的濃度隨著凝固的進行繼續(xù)增大，且在枝晶根部附近其濃度最大，具有很大的析出動力。同時，枝晶間液富集著其它溶質，容易生成非金屬夾雜物，為氣泡生核提供襯底；合金液凝固收縮形成的縮孔，初期處于真空狀態(tài)，也給氣體析出創(chuàng)造有利條件。因此，此處，最容易形成氣泡，而成為析出性氣孔。 金屬凝固過程中，若液相被周圍樹枝晶所封閉，這時被封閉的液相體積，通常是很小的，可認為液相中氣體濃度是均勻的。液相

24、被封閉后，再繼續(xù)結晶時，剩余的液相中氣體濃度將不斷增加，后結晶的固相中氣體濃度也相應不斷提高，凝固后期的液、固相中氣體析出壓力也不斷加大，到結晶末期將達到最大值。這時枝晶間產(chǎn)生的微觀縮孔。就給氣體析出創(chuàng)造了有利條件，這是因為縮孔在初期處于真空狀態(tài)。結晶溫度范圍愈大的合金，枝晶封閉液相的時間愈早，最后凝固的液相中氣體濃度就愈大，產(chǎn)生這種氣縮孔傾向就愈大。 可見，即使金屬液中氣體原始濃度C0小于飽和濃度。由于金屬凝固時存在溶質再分配，在凝固過程中固液界面處的液相，在某一時刻，它所富集的氣體濃度將可能大于過飽和濃度SL，而析出氣體。 2析出性氣孔的形成機理及影響因素 從以上金屬凝固過程的氣體溶質再分

25、配規(guī)律可見，結晶前沿，特別是枝晶內液相的氣體濃度聚集區(qū)x，將超過它的過飽和濃度SL，且被枝晶封閉的液相內具有更大的過飽和濃度，有更大的析出壓力，而又以液固界面(X=0)處氣體的濃度最高，該處也同樣有其他溶質的偏析，易產(chǎn)生非金屬夾雜物，如枝晶間產(chǎn)生收縮，則該處易析出氣泡，這時氣泡很難排除，而保留下來形成氣孔。鋼水含氫超過10ppm，凝固時產(chǎn)生的析出壓力就可能大于鋼的高溫強度，產(chǎn)生局部開裂，形成裂紋狀氣孔。 在鑄件最后凝固的熱節(jié)處，液相中氣體濃度更大，所以在該處往往產(chǎn)生的析出性氣孔最大，數(shù)量也最多。 顯然，有以下主要因素影響析出性氣孔的形成： 金屬液原始含氣量C0 C0含量愈高，CL、x和都將增大

26、，C0過高時，凝固前 沿的液相能較早析出氣泡，故形狀接近團球形。C0不太高時，就依附縮孔較遲析出。 冷卻速度 鑄件冷卻速度愈快，凝固區(qū)域就愈小，枝晶不易封閉液相，且凝固速度 R愈大，則x和愈小，氣體來不及擴散，因而氣孔不易形成。 合金成分 如上節(jié)所述，它影響原始含氣量C0，還決定分配系數(shù)k和擴散系數(shù)D， 以及合金收縮大小及凝固區(qū)域。特別是k愈小，合金液收縮愈大及結晶溫度范圍愈大的合金，則容易產(chǎn)生氣孔或氣縮孔。 氣體性質 氫比氮的擴散速度快，即擴散系數(shù)D大，因此氫比氮易析出。而氮的濃度須很高時才會析出，故在最后凝固的熱節(jié)和厚大斷面處易出現(xiàn)氮氣孔。（5）鑄件的凝固方式 若鑄件以逐層方式凝固，鑄件中

27、的液體直道凝固結束前都處于大氣壓力和金屬液的凈壓力作用下，溶解的氣體不容易析出，即使產(chǎn)生氣泡也易于上浮排出。在這種情況下，即使產(chǎn)生析出性氣孔，也多集中在冒口附近或熱節(jié)處，氣孔呈圓形。若鑄件以體積方式凝固，枝晶很早就將液體封閉，產(chǎn)生析出性氣孔的可能性很大，所產(chǎn)生的析出性氣孔沿鑄件截面均勻分布。 3金屬產(chǎn)生氣孔傾向的判斷方法 氣孔準則數(shù) 用下列式可以判斷金屬或合金產(chǎn)生氣孔的傾向性：式中 、氣孔準則數(shù)CL 、CS合金凝固時氣體在液相中的溶解度由于CS /CLk，故上式可改為：或 （7-10）對一定金屬及合金而言，或值是一定的，如表73所示。若將值代(76)式，并令x=0，則：可見氣孔準則數(shù)的物理意義

28、：穩(wěn)定生長時凝固界面上液相的氣體濃度CL比原始液相濃度C0所增加的倍數(shù)。因此，愈大，氣孔愈容易形成。從表73可見鋁及其合金產(chǎn)生的氣孔傾向最大，鎂的值最小，故最不易產(chǎn)生氣孔。用過飽和氣體濃度SL來判斷 對每一種金屬或合金在一定鑄造條件下，經(jīng)過試驗，總可以找到不產(chǎn)生氣孔的過飽和氣體濃度SL，若金屬液含氣量超過SL將產(chǎn)生氣孔。SL值與鑄造條件有關，金屬型比砂型大，壓力鑄造又比金屬型更大。如普通砂型鑄造下，鑄鐵允許含H：2cm3100g，銅合金鑄件H：1.5 cm3100g，鑄鋼件H：10ppm?；诣T鐵N；20180ppm，可鍛鑄鐵N：100ppm等，超過上述含量將產(chǎn)生氣孔。三、防止析出性氣孔的途徑根

29、據(jù)上述析出性氣孔產(chǎn)生的原因，可從以下二個途徑來防止或減少它的產(chǎn)生。1減少金屬液的原始含氣量C0。 減少金屬液的吸氣量 根據(jù)氣體來源，盡量減少或防止氣體進入金屬內。 對金屬液采取除氣處理 其方法有：(1)浮游去氣，即向金屬液中吹入不溶于金屬的氣體，使溶解的氣體進入氣泡而排除，如吹入惰性氣體、氮氣、加入氯鹽，在鋁液中生成AlC13。不溶氣泡等；(2)采用真空去氣；(3)氧化去氣，對能溶解氧的金屬液(如銅液)，可先吹氧去氫，然后再脫氧；(4)冷凝除氣法，即緩慢冷到凝固溫度，然后迅速加熱至澆注溫度。2阻止氣體析出為阻止?jié)踩腓T型內的金屬液析出氣體，其方法有：提高鑄件冷卻速度 如對易產(chǎn)生析出性氣孔的鋁合金

30、盡量采用金屬型鑄造。提高鑄件凝固時的外壓這可以有效阻止氣體的析出。如將澆注的鋁合金鑄型放在通入46大氣壓的壓縮空氣的壓力室中凝固，可有效地減少或消除鋁合金鑄件中的氣孔。§114反應性氣孔一、特征金屬液與鑄型之間或在金屬液內部發(fā)生化學反應，所產(chǎn)生的氣孔，稱為反應性氣孔。金屬鑄型間反應性氣孔，通常分布在鑄件表面皮下13mm(有時只在一層氧化皮下面)，表面經(jīng)過加工或清理后，就暴露出許多小氣孔。所以通稱皮下氣孔。形狀有球狀或梨狀(常發(fā)生在球墨鑄鐵件中)，如圖713所示，孔徑約l3 mm。但皮下氣孔多呈細長狀，垂直鑄件表面，深度可達10mm左右。圖714系白口鑄鐵件皮下氣孔剖面圖，鄰近氣孔表面

31、組織有脫碳層。氣孔表面光滑，呈銀白色或呈金屬光亮色。采用合氮樹脂砂作殼型或型芯，產(chǎn)生所謂氮或氮氫皮下氣孔，常出現(xiàn)在鑄鐵件(或鑄鋼)較厚及靠近內澆口、冒口等熱節(jié)部位。另一類反應性氣孔，是金屬內部化學成分之間或成分與非金屬夾雜物(包括渣)發(fā)生化學反應，產(chǎn)生的蜂窩狀氣孔，呈梨狀或團球形，均勻分布，見圖715。有時卷入鐵豆，局部產(chǎn)生氣豆孔。二、金屬與鑄型間反應性氣孔1金屬液鑄型界面氣相反應皮下氣孔的形成，與金屬液鑄型界面處氣相反應有關。金屬液鑄型界面處產(chǎn)生的化學反應，大體上可分為二個階段：氧化熱分解反應和氣相成分熱力學平衡。氧化熱分解反應 在高溫金屬液熱作用下，鑄型中的水被蒸發(fā)，粘土中結晶水分解，迅速

32、產(chǎn)生大量水蒸氣。高溫水蒸氣具有很大壓力，不可能完全通過鑄型及時排除，在界面處與金屬液表面接觸，將使后者發(fā)生氧化。金屬液中元素Me，與氧的親合力若比氫與氧的親合力大，就會被氧化：mMe+nH2OMemOn+nH2如鐵碳合金中Fe、C、Si、Mn、A1等元素都會與H2O發(fā)生作用，產(chǎn)生的FeO、SiO2、MnO、A12O3等氧化物，使鑄件表面產(chǎn)生夾雜物或形成氧化膜和H2氣體。由于型腔及界面處氣體壓力迅速提高，高于大氣壓力，使大氣成分被排除，因而鑄型是在缺氧條件下被加熱的。而最初界面上及砂粒間空氣中的自由氧，使合金成分氧化、造型材料中的自由碳(煤粉等)及有機物燃燒，即：至自由氧氣耗盡為止。在高溫作用，

33、還將產(chǎn)生以下熱分解反應。石灰石砂 CaCO3CaO+CO2上式在9601010下就可分解，每公斤CaCO3產(chǎn)生0.44kg或2.24m3的CO2氣體。且高溫下該氣體還會膨脹。樹脂砂中的尿素、烏洛托品(CH2)6N4與高溫金屬接觸后，首先分解出氨，氨又繼續(xù)分解： 2NH3N2+3H2 (7-17)此外，還有烴的分解：CH4C2+2H2 CnH2n+2nC(n1)H2 (7-18)至于水分的分解： 2H2O2H2O2 (7-19)由于在1600高溫時，平衡常數(shù)Kp=9.5·10-3，因此在鑄造條件下，水分難以分解，而氧化別的元素可能性最大(見7-12式)。因而在界面處的高溫水蒸氣不是穩(wěn)定

34、氣相成分，它不是被排向鑄型里或滲入金屬液內，就是與其他元素產(chǎn)生化學反應，直到耗盡為止。氣相平衡 經(jīng)氧化熱分解反應后，在界面處形成了一些活性氣相成分(除少量N2，CH4等氣體外)，主要有H2O、H2、CO、CO2四種，加上鑄型表面層中殘存的固體碳將繼續(xù)相互作用，使氣相達到熱力學平衡，即進入第二階段，這時將發(fā)生：在一定溫度下，H2COCO2H20氣相系中各相成分應達到平衡濃度，其關系可從(720)式得出：Kf(t) (7-24)式中：PCO，PH2O，PCO2，PH2界面上各氣相分壓力。平衡常數(shù)K是溫度t的函數(shù)f(t)，同樣也可得出其余反應式的平衡常數(shù)，它們與溫度的關系，如表74所示。當t=810

35、時，式(724)的K=l，可見高于810以上，該反應式達到平衡時，氣相中CO，H20的濃度將大于CO2和H2的濃度，且溫度愈高，這種傾向愈大。但從(712)、(722)、(723)反應式的平衡常數(shù)說明高溫水蒸氣也是不穩(wěn)定的。而還原性氣氛CO與H2的含量比，與鑄型中碳含量有關，含碳分高，將增加CO的成分(721及722式)，高溫時CO又比CO2更穩(wěn)定(見72l式及表74中的K值)。通過以上分析，在高溫下各氣相反應達到平衡狀態(tài)時，金屬液鑄型界面處的氣相成分中H2和CO的含量最多，CO2最少，水蒸氣將耗盡。 型內氣相成分 澆注后，型內氣相成分主要由H2、CO和CO2組成。這也為許多研究者所證實。牧口

36、將鐵水澆注到含有3%煤粉的濕型中，測量了澆注后80240秒之間型內氣相成分：52%H2，32%CO，l%CO2，CH4幾乎測不出來。鹿取一男也研究了在不同鑄型內澆注鐵水后，鑄型內氣體成分與澆注后停留時問的關系，所得結果，如圖716及717所示。通過以上氣相熱力學分析和試驗結果可見：(1)鑄型內氣體主要由H2、CO、CO2組成，含氮的樹脂砂型，還含有一定量的N2。(2)氣體成分和含量多少，隨溫度、造型材料成分配比、澆注后停留的時間等因素變化而變化。澆注溫度愈高，型內含有自由碳愈多，愈有利于還原氣氛的形成。反之，N2及氧化性氣氛CO2，O2含量較高，而H2，CO較低，如澆注鋁合金，因溫度低就屬于這

37、一類。(3)有機物鑄型熱分解速度比無機物快得多(見圖716及圖717)，澆注后含O2迅速降低，碳氫化合物很快分解，使H2迅速上升，生成碳往往造成鑄件表面增碳。而無機物鑄型反應速度較慢，由含O2、CO2較高的氧化性氣氛轉變?yōu)橐訦2和CO為主的還原性氣氛的速度較慢，所以通常砂型鑄造金屬易氧化，且鑄件表面形成脫碳層。2皮下氣孔的形成機理皮下氣孔的形成原因比較復雜，至今說法也不統(tǒng)一。從容易出現(xiàn)這種缺陷的鑄鋼、鑄鐵和鑄銅件來看，雖各有特點，但生產(chǎn)中形成的主要因素基本上是共同的：鑄型水分含量高及透氣性低，原金屬液氣體含量高(包括脫氧不全而溶解的氧量)；都在一定中等壁厚范圍內容易出現(xiàn)(見表75)；合金中含有

38、易氧化成分，如鐵水含微量A1、Mg及稀土元素；鋼水中的Cr、Ca，銅水中的Al、Mn、Zn；熔點較高的合金鑄件(如鋼、鑄鐵及銅合金)中易出現(xiàn)等。顯然皮下氣孔的形成，與鑄型內界面處的氣體有直接關系。根據(jù)鈴木等人的研究，發(fā)現(xiàn)界面上氣體壓力與皮下氣孔沒有關系，測定了各種鑄型澆入鋼水后，氣體壓力與鋼水靜壓隨時間的變化，結果如圖718所示。濕型的氣體壓力最大，5秒鐘后即達到0.4atm(30cm汞柱)，都大大低于金屬液的靜壓力。所以一般情況下，界面上氣體侵入鑄件表面是困難的。顯然，界面上H2、N2、CO及碳氫氣等氣體組成與皮下氣孔有直接關系，它們雖然不易侵入，但有可能分解為原子狀態(tài)溶解在金屬液內。皮下氣

39、孔的形成機理，存在以下幾種學說。(1) 氫氣說 金屬液澆入鑄型后，由于金屬液鑄型界面處氣相中含有較高的氫，使金屬液表面層氫的濃度增加。如前所述，凝固時間、液相界面前沿易形成過飽和氣體濃度和很高的氣體析出壓力，而金屬液一鑄型界面處化學反應在金屬液表面所產(chǎn)生的各種氧化物FeO、A12O3、MnO等，以及鑄鐵中的石墨固相，能使氣體依附它形成氣泡。表面層一旦形成氣泡后，液相中的氫、氮等氣體均向氣泡擴散，并隨著金屬結晶，而沿枝晶間長大。澆注后，金屬中氫含量的增加，已為許多人的試驗所證實。鈴木將同樣鋼水澆入不同鑄型后，鋼水含氫量隨時間均有著不同的增量，特別是澆入到含有3%的呋喃苯酚甲醛樹脂(配有25%的固

40、化劑)的自硬型中，一分鐘后鋼水含氫量可達19ppm的最高值，根據(jù)熱力學計算，凝固時氫的析出壓力可達78 atm。如圖7-20所示，澆注5min后，鑄件表面層鋼液含氫量高達16.6ppm （原始含氫量為3.66ppm）. 等人試驗了澆注前后鋼(試樣尺寸100×200×30)中氣體濃度變化、鑄型水分與鑄件產(chǎn)生皮下氣孔的關系。結果表明：（1） 原鋼水含氧量高達7485ppm，澆注后增加到8894ppm，但該試樣增加的氫量不大，由2.63.0增加到3.54.5ppm，未出現(xiàn)皮下氣孔。（2） 澆注前含氫6.75ppm，澆后氫量僅增加0.54ppm，未出現(xiàn)皮下氣孔。（3） 澆注前含氫4

41、.14ppm，澆后氫量增加2.34ppm，卻出現(xiàn)了皮下氣孔。（4） 原鋼水含氫量高時，也易出現(xiàn)皮下氣孔，如鋼水含氫高達8.64ppm，澆后僅增加0.54ppm，也產(chǎn)生嚴重皮下氣孔。以上事實，說明皮下氣孔的產(chǎn)生，既與合金液原始含氫量有關，也與澆注后增加的氫量有關，而后者的作用，對它的產(chǎn)生敏感性更大。氫氣說可解釋許多生產(chǎn)現(xiàn)象，如干型雖然可減少或能防止皮下氣孔，但如果合金液中原始含氫量高，澆注后雖增加少量氫，也會產(chǎn)生皮下氣孔。特別是潮濕季節(jié)，鑄型返潮更為明顯，厚壁鑄件由于冷卻速度慢，溶于金屬液的氫氣在凝固前能夠來得及擴散析出，所以不產(chǎn)生皮下氣孔。而薄壁鑄件凝固速度快，結晶前沿富集的氣體濃度CL、區(qū)域

42、x及時間均小(見76、77及78式)，氣體來不及析出，也不易產(chǎn)生皮下氣孔。中等壁厚的鑄件，合金液與鑄型相互作用的時間較長，且吸收的氣體由不能充分向鑄件內部擴散，其表面形成含氣量較高的溶質富集區(qū)，在以后的凝固過程中，有可能產(chǎn)生陛下氣孔。因此，皮下氣孔對鑄件壁厚十分敏感。金屬液含有活潑的易氧化元素，因能加速水蒸氣分解，提高了界面處氣相中氫的含量和分壓，增加了金屬液氫的濃度，因而促進皮下氣孔的形成。(2)氮氣說 一些研究者認為，澆注后增加金屬液的含氮量，達到一定濃度，也會產(chǎn)生皮下氣孔。鑄型或型芯采用各種含氮樹脂作粘結劑，如呋喃I型樹脂(含N2>11.2%)，都會造成界面處氣相氮氣濃度的增加(見

43、圖716和717式)。增加樹脂及固化劑烏洛托品(CH2)6N4含量，也會增加型內氣相中氮含量，皮下氣孔也易形成。(3) CO說 一些研究者認為，金屬與鑄型界面處金屬液與水蒸氣或CO2相互作用，致使鐵液生成FeO，鑄件凝固時由于結晶前沿枝晶內液相碳濃度的偏析，將產(chǎn)生： FeO+CFe+CO (725)CO氣泡可依附晶體或非金屬夾雜物形成，這時氫、氮均可擴散進入該氣泡，氣泡沿枝晶生長方向長大，故皮下氣孔垂直于鑄件表面。從皮下氣孔表面的基體組織脫碳及加入過量的鋁(如鋼中殘留鋁超過0.023%)有助于減少和防止皮下氣孔，原鋼水含氧量較大(>100ppm)也易出現(xiàn)，這用氫氣說就難以解釋。皮下氣孔的

44、形狀，與結晶特點和氣體析出速度有關。鑄鋼件表面層多為柱狀晶，故易生成條狀針孔。鑄鐵件凝固速度較慢，且初晶為共晶團，氣泡成長速度較故成球形或團形。3防止皮下氣孔的途徑根據(jù)以上分析，可從以下兩方面來防止皮下氣孔的生成。(1)合金液方面 盡量減少澆注前合金液的含氣量。要嚴格控制合金中氧化性較強元素的含量。如球墨鑄鐵中鎂及稀土元素，應在保證石墨球化的前提下，盡量降低用量。鋼比鑄鐵易溶解氧，可用含過量的Al量來脫氧，以減少FeO。而鐵水含碳高，不易氧化，含有微量A1(0.010.1%)，反而提高了鐵水氧化性，促使型內水蒸氣分解，皮下氣孔易產(chǎn)生。過量的鋁，使表面形成Al2O3薄膜，阻止型內氣體吸入，反而又減少了皮下氣孔的生成。提高澆注溫度，型內氣體的量和壓力雖隨之增加，但能