9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

2、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+H

3、2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

4、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。(4)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。(5)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

5、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

6、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,

7、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

8、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

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