第8章 铸件中的气体与非金属

其特点是无一定形状，而且尺寸特别大。
（2）按夹杂物的组成分类 按夹杂物的化学成分可以分为
氧化物 硫化物 硅酸盐 氮化物 磷化物 碳化物 多组元复杂化合物
但在钢铁中的氮化物、碳化物、磷化物、硼化 物往往不作为夹杂物，而视为一个组成相。
铸铁和石墨钢中的石墨实际上也是非金属夹杂 物 ，但一般也视为一组成相。
如图所示。最初析出的固相中气
体浓度为 k0C0 ，在凝固前沿处 x 0
，液相中气体将达到最大值 C0 / k0 。设液相中气 体浓度超过某饱和气体浓度 S L 时，才析出气 泡，则产生过饱和浓度区 x ，可由式（8-18）
求出（ 处， ）： x x
CL (x) SL
x DL ln 1 k0
的氧硫化物
氧化物多呈球状或团状。 同一类夹杂物在不同铸造合金中也有不同形状， 如Al2O3在钢中呈链状，在铝合金中呈板状。 同一类型夹杂物，含有不同成分，形态也不相 同。
MnS在钢中就有三种形态：
MnS-Ⅰ型（球状）
（分布在晶内）
MnS-Ⅱ型（链状或薄膜状）（分布在晶界）
MnS-Ⅲ型（棱角状）
（分布在晶内）
⑤外界压力。外界压力越小，气体越容易析出 而形成气孔。
⑥铸件的凝固方式。铸件以逐层凝固方式凝 固，则合金中的气体在凝固结束前处于大气压力 和金属静压头作用下，溶解在合金液中的气体容 易析出，即使产生气泡也易于上浮排出，并且产 生的气孔多集中在冒口和热节部位。若铸件以体 积凝固方式凝固，当枝晶形成骨架，将液体封 闭，由于气体溶质再分配产生的气体富集而形成 的析出性气孔，将沿铸件截面均匀分布。
三、防止侵入性气孔的措施 1、控制侵入气体的来源 严格控制型砂和芯砂中发气物质的含量和湿型 的水分。干型应保证烘干质量，并及时浇注。冷 铁或芯铁应保证表面清洁、干燥。浇口圈和冒口 圈应烘干后使用。
2、控制型砂的透气性和紧实度 砂型的透气性越差、紧实度越高，侵入性气孔 的产生倾向越大。在保证型砂强度的前提下，应 尽量降低砂型的紧实度。采用面砂加粗背砂的方 法是提高砂型透气性的有效措施。
一、侵入性气孔的特征 侵入性气孔形状多呈球形或圆形，它的尖头所 指的方向是气源方向。侵入性气孔的尺寸大小不 等，可能漂浮停留在铸件内气体源头的上方不远 处，也可能聚集在铸件上表面皮下形成扁平状。 如果浇注温度高，金属液的粘度低，侵入的气泡 有可能由铸型上表面逸出。 侵入的气体一般是水蒸气、一氧化碳、二氧化 碳，氢、氮和碳水化合物等。
第8章
铸件中的气体与非 金属夹杂物（二）
8.3铸件中的气孔
铸件表面与内部由于气体而产生的各种形状和 大小的孔洞称之为气孔。
根据气体来源和形成机理可分为 析出性气孔 反应性气孔 侵入性气孔
根据气孔的形状和位置，又有针孔和皮下气孔 之称。
8.3.1析出性气孔
产生原因： 在熔炼和浇注过程中溶解吸收了较多气体的金 属液在冷却和凝固过程中，因气体溶解度下降， 析出的气体来不及排出,便留在铸件中形成气孔。
由以上分析可知，即使金属中气体的原始含量
C0小于凝固温度下的饱和含量，由于金属凝固时 存在溶质再分配，在某一时刻，固-液界面处液
相中所富集的气体溶质含量也会大于饱和含量而
析出气体。
2、析出性气孔的形成机理及影响因素
析出性气孔的形成机理为：结晶前沿，特别是 枝晶间液相的气体溶质聚集区中，气体浓度将超 过它的饱和浓度,且在被枝晶封闭液相内，具有 更大过饱和浓度，有更大的析出压力，而液—固 界面处气体的浓度最高，并且存在其他溶质的偏 析及非金属夹杂物，当枝晶间产生收缩时，该处 极易析出气泡，且气泡很难排除，从而保留下来 形成气孔。
（4）在精炼后转包和浇注过程中，金属液表面与 空气接触形成的表面氧化膜，被卷入金属液后形成 氧化夹杂。
（5）在铸造过程中，金属与非金属元的分类
（1）按来源分类 按夹杂物的来源不同可分为： 内生夹杂物 外来夹杂物
内生夹杂物 它是在熔炼、浇注和凝固过程
8.4铸件中的非金属夹杂物
夹杂物 夹杂物是指金属内部或表面存在的与基体成分不 同的物质，它是由渣、砂、涂料、氧化物、硫化物、 硅酸盐等形成的。夹杂物有金属夹杂物和非金属夹 杂物。
8.4.1夹杂物的来源与分类
一、夹杂物的来源 非金属夹杂物主要来源于原材料本身的杂质及 金属在熔炼、浇注和凝固过程中与非金属元素或 化合物发生反应而形成的产物。
R
k
0
(
SL C0
1)
（8-18）
析出气泡还决定x 存在时间 的长短， 愈
长，愈有利于气孔的生长，由式（8-19）可求
出
x R
DL R2
ln
1 k0
k
0
(
SL C0
1)
（8-19）
可见，凝固速度R、分配系数k0、扩散系数DL及 气体原始浓度C0都会影响到 x 、 以及液相中气体 浓度 CL (x) 的分布。
分布特征： 这类气孔的特征是多而分散，尺寸较小，分布 在铸件的整个断面或某一部分，尤以冒口附近和 铸件最后凝固的热节部位为多。 析出性气孔的形状呈裂纹状多角形或团球形或 断续裂纹状或混合型。 气孔内壁一般较光滑，呈轻微氧化色。
铝合金析出气孔常以针孔形式出现。最常见的 析出性气孔是氢气孔，其次是氮气孔，氢气孔比 氮气孔明亮。
（3）按夹杂物形成的时间分类 按夹杂物形成时间可分为 一次夹杂物 二次夹杂物
一次夹杂物是金属熔炼及炉前处理过程中形成的。 二次夹杂物是液态金属在浇注及充型过程中因氧
化而形成的。
根据夹杂物的大小分为 宏观夹杂物 微观夹杂物
按熔点高低分为 难熔夹杂物 易熔夹杂物
夹杂物的形态 非金属夹杂物形态的分类，尚无统一的称谓。
（1）原材料本身所含有的夹杂物，如金属炉料 表面的粘砂、氧化锈蚀、随同炉料一起进入熔炉 的泥砂、焦炭的灰分等，融化后变为熔渣。
（2）金属熔炼时，脱氧、脱硫、孕育和变质等 处理过程过程，产生大量的MnO2、SiO2、Al2O3等 夹杂物。
（3）液态金属与炉衬、浇包的耐火材料以及熔渣 接触时，会发生相互作用，产生大量的MnO2、Al2O3 等夹杂物。
③ 合金成分。成分影响原始含气量C0，还决 定分配系数k0和扩散系数DL，以及合金收缩大小 及凝固区域。特别是k0愈小，合金液收缩愈大及 结晶温度范围愈大的合金则容易产生气孔或气缩
孔。
④ 气体性质。氢比氮的扩散速度快，即扩散 系数DL大，因此氢比氮易析出。而氮只能在浓度 很高时才会析出，故在最后凝固的热节和厚大断 面处易出现氮气孔。
3、提高砂型和砂芯的排气能力 铸型上扎排气孔帮助排气，保持砂芯排气孔的 畅通，铸件顶部设置出气冒口。采用合理的浇注 系统。 4、适当提高浇注温度 提高浇注温度可使侵入气体有足够的时间排 出，浇注时应控制浇注高度和浇注速度，保证液 态金属平稳地流动和充型。
5、提高液态金属的熔炼质量 尽量降低铁液中的硫含量，保证铁液的流动性。 防止液态金属过分氧化，减少气体排出的阻力。
一个物相，气体溶质的再分配可以看成是在液相
中无对流、无搅拌的状况下进行的，而固相中气
体溶质的扩散可忽略不计，这样一来，固—液界
面前液相中气体溶质的分布就可应用Tiller公式
来描述，即：
CL
(x)
C0
1
1 k0 k0
Rx
e DL
（8-17）
金属凝固时，由Tiller公式可
得出气体在液相中的浓度分布，
8、为防止金属液氧化，在型砂中添加还原性的 碳质附加物，如加入煤粉等或采用树脂涂料，以 增加型内还原性气氛，使界面处形成一层保护
膜，也可减少和防止皮下气孔。
8.3.3侵入性气孔
定义：铸件表面凝固成壳以前，铸型和型芯在 高温金属液的作用下产生的气体，并不溶解于金 属液，而是在压力作用下侵入金属液中，形成气 泡和产生气孔，称之为侵入性气孔。
球铁的皮下气孔
二、反应性气孔形成机理 皮下气孔是典型的反应性气孔，其形成机理主 要有： 氢气说 氮气说 CO说
三、防止皮下气孔的途径 1、严格控制金属液中氧化性较强的元素，如Mg、 RE、Al等的含量。 2、适当提高浇注温度，降低凝固速度，有利于 气体排除，减少皮下气孔。
3、采用湿砂型铸造时，必须严格控制型砂中 水分，重要铸件可采用干型或表面烘干型。采用 含氮树脂砂时，要尽量减少尿素的含量，控制固 化剂乌洛托品的加入量。
4、球化处理后扒渣，将铁液静置片刻，有利 于MgS等渣的上浮和排除；浇注前挡渣，以防止 更多的MgS随铁液进入型腔。
5、提高铸型的透气性，有助于减轻皮下气孔。 6、采用冰晶石粉（撒在球墨铸铁的湿型腔表面 或撒在浇包中的铁液表面上）可有效减轻皮下气孔。 7、合理设计浇注系统，尽量保证金属平稳进入 铸型内，减少金属液的氧化。
3、防止析出性气孔的途径
根据上述析出性气孔产生的原因，可以从以下 途径来防止或减少它的产生。
（1）减少金属液中原始含气量 C0 。防止析出性 气孔最根本的办法是减少金属液中的吸气量，如 对炉料、浇注工具采取烘干、除湿等措施，控制 型砂及芯砂中的水分，限制有机粘结剂的用量等。
（2）对金属液进行除气处理。对已进入金属液 中的气体，可采用浮游除气、真空除气、氧化除 气、冷凝除气等方法将金属液中的气体排除。
二、侵入性气孔的形成机理
铸型中产生的气体体积随着温度的升高而增大
，造成金属-铸型界面上的气压增大。当界面上局
部气体的压力Pn满足下列条件 Pn＞Pa PM （PC8-38）
或 式中
Pn＞Pa
gh
2 r
Pa—大气压力；
PM—液态金属静压力；
PC—气泡克服表面张力所构成的附加压力。
气体进入金属液中形成气泡的过程示意图
显然，有以下主要因素影响析出性气孔的形成：
① 金属液原始含气量C0。C0越大，CL、Δx和 也相应增大。C0过高时，凝固前沿的液相能 较早析出气泡，故形状接近团球形。C0不高时， 就依附缩孔较迟析出。