工程训练制造技术基础气孔及夹杂、偏析

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1、第三章铸件中的气孔3.1铸件中气体的存在形态：原子、化合物、分子。以氮为例子：原子的氮：固溶体，氮与金属反应，氮化物，氮以气体方式存在：氮气，形成气孔。前两种方式：不是咱们本节讨论的问题，因此不予讨论。本节主要讨论以分子方式存在所产生的问题。3.2铸件中的气孔的种类概念：气孔：铸件在凝固过程中气体残留在铸件中形成的孔洞---气孔（1）析出性气孔：在金属溶液中，--------温度高，------气体的溶解度高，-------温度降低，-----金属溶解度降低--——气体析出——析出的气体来不及排出——残留在铸件内部——形成气孔。这种气孔主要是由溶液中析出的，因此称为析出

2、性气孔。形成部位：气体在溶液中各个部位均有溶解，因此，析出性气孔在铸件整个断面上均有，可以呈现大面积分布。在冒口、铸件厚壁部位：溶液凝固较晚，气体容易向此处转移，因此，在此部位容易出现析出性气孔的聚集，在此部位分布比较密集。形状：球团形、多角裂纹形，断续裂纹形或混合型。（2）反应性气孔：金属液与铸型或金属液内部各种成分之间产生化学反应，产生一定的气体，这些气体在金属液凝固过程中来不及排出铸件之外，在铸件中形成气孔。C+O2CONH3N2+H2气体是由化学反应造成的，因此成为反应性气孔。产生部位：主要原因：与铸型之间的反应：因此一般在铸件表面或铸件表面1~3毫米以下。出现

3、在铸件表面以下：一般称为皮下气孔。（主要原因：金属液与助兴之间的反应产生）金属液内部各成分之间产生的反应，在整个断面上出现，因此，气孔也出现在整个断面上。形状：一般应该为圆形，产生后有向铸件外逸出的趋势，因此在向外逸出的过程中（1）侵入性气孔金属液外部的气体进入到金属液内部，在金属液凝固过程中来不及逸出到金属液外部而残留在铸件内部，所形成的气孔，称为侵入性气孔。最主要原因：水分：受热后液态变为气态，体积大大膨胀，产生非常高的压力，在压力作用下进入金属液内部。特点：在整个铸件断面上分布，但靠近铸件表面分布密集。形状一般为梨形。3.3气孔对铸件质量的影响（1）减少铸件的有效

4、截面积，（2）造成应力集中，降低铸件的疲劳强度；（3）降低铸件的气密性:有些铸件，要求防渗，前面举过的发动机的例子：一方面是水，一方面是燃烧的油，如果有气孔，可以想象会出现什么问题。（1）金属中含有气体，会影响金属的流动性，降低金属液的充型能力。（2）金属凝固过程中析出的气体，会阻碍金属液的补缩，加剧铸件中缩孔的形成，有些情况下会进一步形成气缩孔。进一步恶化铸件的缺陷。因此铸件中要防止气孔的出现。3.4析出性气孔3.4.1析出性气孔的形成机理铸件浇入铸型之后，在溶液中溶解有气体，液相中溶解的气体可以看作是溶液的溶质，如图所示，随着金属凝固的进行，气体溶质在固体中的溶解度

5、大大降低，而在溶液中的溶解度也大大提高，这种情况与二元合金的凝固过程是相似的，因此，根据朱老师给大家讲的有关溶质再分配的理论，我们先进行如下的假设：液体中溶质（气体）只存在有限扩散，无对流、无搅拌而固相中溶质（气体）的扩散忽略不计，在这些假设条件下，固液界面前液相中溶质（气体）的分布可应用下式来描述：在式中：k:是气体溶质平衡分配系数；D:是气体在金属液中的扩散系数，R:是凝固速度；x:是液体中距离液固界面的距离。CCC三个符号的意义。关于这个公式，记住就行，先不用怎么得来，后面如有时间再仔细讲。将上述关系用图示的方式表示，如图13-1所示。图中，只表示液相中的气体溶质

6、的，固相中的kc表示起点，在界面处，先不用关心，回头再讲。在刚开始凝固时，液相中的气体溶质的浓度为C0，因此凝固的固体中的气体的溶质的浓度为：C0K0，富余的溶质元素在界面上累积，因此界面上的溶质元素的含量大大提高。画图表示。在界面上溶质元素含量高，因此就容易析出。但是否真正析出，主要看气体溶质是否超过其过饱和浓度，如果超过其过饱和浓度则析出，如果低于，则不析出。假设临界浓度为S,则产生的过饱合浓度的区域的长度可由上式推出：另一方面，气体是否析出还决定于区域存在的时间的长短，该区域存在的时间越长，则越有利于气泡的形成，该时间可由下式推出：由此可见：液体中的气体溶质是否析

7、出，主要由如下因素决定：凝固速度、分配系数、扩散系数、原始气体浓度等。金属凝固过程中，若液相被周围树枝晶所封闭，这时被封闭的液相体积，通常是很小的，可以认为液相中气体浓度是均匀的。液相封闭后，再继续结晶，剩余的液相中的气体浓度将不断增加，后结晶的固相中的气体浓度也相应的不断提高，凝固后期的液相和固相中的气体含量也越高，析出压力也不断加大，到结晶末期将达到最大。同时，由于液体的收缩，在枝晶间产生微观缩孔由于是全封闭状态，因此应该是真空状态，有利于气体的析出，因此容易产生析出性气孔3.4.2析出性气孔的主要影响因素：（1）金属液原始含气量：越