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1、第六章铸件中的气体第一页，本课件共有62页第第1节节气体的来源与在铸件中的存气体的来源与在铸件中的存在形式在形式v一、铸件中的气体对铸件质量的影响一、铸件中的气体对铸件质量的影响 v形成的气孔是铸件中最常见的缺陷。形成的气孔是铸件中最常见的缺陷。v影响：影响：减小铸件的有效工作断面，产生减小铸件的有效工作断面，产生应力集中，成为应力集中，成为零件断裂的裂纹源，降低铸件的强度和塑性；不规则气零件断裂的裂纹源，降低铸件的强度和塑性；不规则气孔不仅增加缺口敏感使金属强度降低，而且还降低铸件孔不仅增加缺口敏感使金属强度降低，而且还降低铸件的疲劳强度；弥散气孔使铸件组织疏松，降低铸件的气的疲劳强度；弥散
2、气孔使铸件组织疏松，降低铸件的气密性。密性。第二页，本课件共有62页v二、气体的来源二、气体的来源v（1）熔炼过程中：来自炉料、炉气、炉衬、）熔炼过程中：来自炉料、炉气、炉衬、工具、熔剂及周围气氛中的水分工具、熔剂及周围气氛中的水分v（2）铸型：来自铸型中的气体主要是型砂）铸型：来自铸型中的气体主要是型砂的水分的水分v（3）浇注过程：浇包未干，铸型浇注系统）浇注过程：浇包未干，铸型浇注系统设计不当，铸型透气性差，浇注速度控制设计不当，铸型透气性差，浇注速度控制不当，型腔内气体不能及时排除等不当，型腔内气体不能及时排除等第三页，本课件共有62页v三、气体的存在形式三、气体的存在形式 v气体元素在
3、金属中主要三种存在形态：气体元素在金属中主要三种存在形态：v固溶体：气体以原子状态溶解于金属中固溶体：气体以原子状态溶解于金属中v化合物：氢、氮、氧及其化合物化合物：氢、氮、氧及其化合物v气态：气态：H2、CO、CO2第四页，本课件共有62页第第2节节气体在金属中的溶解气体在金属中的溶解一、金属的吸气过程v吸附阶段：气体分子撞击金属表面，某些气体分子离解为原子，并吸附在金属表面v扩散阶段：气体原子经扩散进入金属内部，在金属内均匀化v金属温度越高，气体与金属接触的时间愈长，吸收的气体就愈多。第五页，本课件共有62页二、单质气体在金属中的溶解v影响单质气体溶解度的主要因素：气体中该气体的气压、温度
4、、合金的化学成分 1.温度和压力的影响：不考虑金属蒸汽压时：S：气体溶解度 R：气体常数 P：与液相平衡的气体中气体分压 T：热力学温度 H：气体 溶解热 K0：系数 第六页，本课件共有62页第七页，本课件共有62页氢在氢在FeCuAl的溶解度的溶解度氢在氢在TiZrV中的溶解度中的溶解度第八页，本课件共有62页第九页，本课件共有62页v2 金属蒸气压的影响：v气体在金属中的溶解度随金属蒸气的升高而降低。v对易挥发金属，T（过热度），Sv而对难挥发金属：Fe-C,铜合金等，在正常过热度下，蒸气压很小，对气体溶解度不大。第十页，本课件共有62页气体在金属中的溶解度（a）难挥发金属 （b）易挥发金
5、属-不考虑金属蒸汽压时的溶解度；-由于金属蒸汽压的影响溶解度的减少量；-考虑金属蒸汽压时的溶解度第十一页，本课件共有62页3.合金成分的影响：（1）合金影响气体的活度系数，而影响其溶 解度：例：1/2H2 H 1/2N2 N平衡常数 KH KN 第十二页，本课件共有62页所以 活度系数 影响凡是增加H N活度系数的元素，都使合金液中H N的溶解度减小，反之亦然。第十三页，本课件共有62页第十四页，本课件共有62页（2）合金生成化合物的情况 与金属化合生成稳定的化合物，又不溶于 该金属，形成化合物的这部分金属原子失去吸气能力，气体溶解度降低。元素与气体化合，生成的化合物又溶解于 金属液中，使溶解
6、度增加（3）合金对金属表面膜的影响 Al合金中：Mg Na Ca等，使合金液表示膜疏松，吸气快 Al-Mg：Be 使合金液表示膜致密，吸气慢。第十五页，本课件共有62页（4）脱氧能力强的元素使水蒸气还原出氧原子，并溶解于合金液中，增加吸气量，Fe中的Al，加速H2Og在铁水表面分解，增加氢在铁水中的溶解 Fe中的Mg，易挥发，提高铁水的蒸气压，使气体溶解度显著降低，2Al+3H2O Al2O3+6H第十六页，本课件共有62页三、复合气体在金属中的溶解v复合气体：CO CO2 H2O NH3 SO2 H2S 均不能直接溶解在金属液中，首先分解成原子，才能为金属所吸收。v与单质气体的区别：溶解的组
7、元彼此相关。XmYn(g)mX+nYXmYn=K Pxmy n 当Pxmy n一定时，X增加，Y则减少 第十七页，本课件共有62页第十八页，本课件共有62页第十九页，本课件共有62页四、气体的析出气体析出的三种形式：扩散逸出与金属内的某元素形成化合物（夹杂物）以气泡形式从金属液逸出第二十页，本课件共有62页1.扩散逸出 金属T T(TP静+P阻+P腔(11-4)第三十一页，本课件共有62页当当液态金属不润湿型壁(即表面张力小)时,侵入气体容易在型壁上形成气泡,从而增大了侵入性气孔的形成倾向。当当液态金属的粘度增大时,气体排出的阻力加大,形成侵入性气孔的倾向也随之增大。第三十二页，本课件共有62
8、页 气体在金属己开始凝固时侵入液态金属易形成梨形气孔,气孔较大的部分位 于铸件内部,其细小部分位于铸件表面。这是因为气体侵入时铸件表面金属己凝 固,不易流动,而内部金属温度较高,流动性好,侵入的气体容易随着气体压力 的增大而扩大,从而形成外小内大的梨形。有的侵入性气孔为什么呈有的侵入性气孔为什么呈梨形梨形？第三十三页，本课件共有62页防止侵入性气孔的措施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。第三十四页，本课件共有62页(2)控制砂型的透气性和紧实度
9、砂型的透气性越差、紧实度越高,侵人性 气孔的产生倾向越大。在保证砂型强度的条件下,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。(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。第三十五页，本课件共有62页(4)适当提高浇注温度提高浇注温度可使侵入气体有充足的时间排出。烧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,减小气体排出的阻力。第三十六页，本课件共有62页二、析出性气孔的形成与防止二、析
10、出性气孔的形成与防止v析出性气孔 在金属凝固过程中，随着温度降低，气体溶解度降低，气体就会析出，如果析出的气体以分子状态存在，就形成了气泡，这种气泡保留在凝固以后的金属中，就是析出性气孔。第三十七页，本课件共有62页第三十八页，本课件共有62页析出性气孔的特征析出性气孔的特征 3 3、气体成分：氢气、氮气。、气体成分：氢气、氮气。1 1、形状特征：多为分散小圆孔，直径、形状特征：多为分散小圆孔，直径0.50.52mm2mm，或者，或者更大，肉眼能观察到麻点状小孔，表面光亮。更大，肉眼能观察到麻点状小孔，表面光亮。2 2、位置分布：在铸坯断面上呈大面积、均匀分布，、位置分布：在铸坯断面上呈大面积
11、、均匀分布，而在最后凝固的部位较多。而在最后凝固的部位较多。第三十九页，本课件共有62页4 4、出现规律：往往一炉金属液中全部或多数出现、出现规律：往往一炉金属液中全部或多数出现这种气孔。这种气孔。5 5、敏感合金：铝合金和钢比较容易出现这种气孔。、敏感合金：铝合金和钢比较容易出现这种气孔。6 6、伴生现象：冒口中缩孔减小，并有不同程度的冒口、伴生现象：冒口中缩孔减小，并有不同程度的冒口上涨现象。上涨现象。第四十页，本课件共有62页析出性气孔的特征析出性气孔的特征 第四十一页，本课件共有62页析出性气孔的形成过程析出性气孔的形成过程 1 1、溶解气体的析出（气泡核的形成）、溶解气体的析出（气泡
12、核的形成）1)1)液态：随温度降低，气体溶解度降低，当开液态：随温度降低，气体溶解度降低，当开始凝固温度时，一般溶解度骤降。始凝固温度时，一般溶解度骤降。温度温度溶解度溶解度第四十二页，本课件共有62页2)2)凝固过程：气体元素的溶质再分配。凝固过程：气体元素的溶质再分配。第四十三页，本课件共有62页第四十四页，本课件共有62页第四十五页，本课件共有62页第四十六页，本课件共有62页 上述原因导致溶解在金属液中的气体析出，上述原因导致溶解在金属液中的气体析出，并形成气胞核。并形成气胞核。第四十七页，本课件共有62页第四十八页，本课件共有62页第四十九页，本课件共有62页3 3、气孔的形成、气孔
13、的形成 气泡形成后来不及排除，金属液已经开始气泡形成后来不及排除，金属液已经开始凝固，留在金属内成为气孔。凝固，留在金属内成为气孔。2 2、气泡核的长大、气泡核的长大 气胞核能否长大取决于气泡内的压力是否大气胞核能否长大取决于气泡内的压力是否大于外部压力之和。于外部压力之和。第五十页，本课件共有62页产生析出性气孔倾向性的判断v（a）析出性气孔的判据第五十一页，本课件共有62页v（b）以临界过饱和浓度SL判断第五十二页，本课件共有62页影响析出性气孔的主要因素影响析出性气孔的主要因素 3 3、合金成分。收缩量大和结晶温度范围宽的合金容、合金成分。收缩量大和结晶温度范围宽的合金容易形成析出性气孔
14、。易形成析出性气孔。1 1、合金溶液中原始含气量、合金溶液中原始含气量C Cg g。C Cg g愈大，气孔形成愈大，气孔形成可能愈大。可能愈大。2 2、液、液 、固相气体溶解度差、固相气体溶解度差S S。S SS SL L-S-SS S,S,S愈大，愈大，愈易形成析出性气孔。愈易形成析出性气孔。第五十三页，本课件共有62页4 4、气体性质气体性质。扩散速度快的气体（如氢）容易形成析。扩散速度快的气体（如氢）容易形成析出性气孔。出性气孔。5 5、外界压力外界压力。外界压力降低，析出性气孔析出可能增大。外界压力降低，析出性气孔析出可能增大。6 6、凝固速度凝固速度。提高凝固速度，不易形成析出性气孔
15、。提高凝固速度，不易形成析出性气孔。7 7、铸件凝固方式铸件凝固方式 逐层凝固：逐层凝固：液体始终处于大气压力和金属静压力下，液体始终处于大气压力和金属静压力下，气体不易析出。气体不易析出。体积凝固：体积凝固：枝晶很早将液体封闭，产生析枝晶很早将液体封闭，产生析出性气孔的可能性很大，气孔均匀分布。出性气孔的可能性很大，气孔均匀分布。第五十四页，本课件共有62页防止析出性气孔的途径防止析出性气孔的途径 1 1、减少原始含气量。、减少原始含气量。2 2、除气处理。、除气处理。(1)(1)浮游去气：向金属液中吹入不溶气体，产生大量气泡。浮游去气：向金属液中吹入不溶气体，产生大量气泡。(2)(2)真空
16、去气：降低外界压力，使气体蒸发。真空去气：降低外界压力，使气体蒸发。炉料、炉衬、浇包、中间包、添加干燥剂炉料、炉衬、浇包、中间包、添加干燥剂第五十五页，本课件共有62页防止析出性气孔的途径防止析出性气孔的途径 (2)(2)提高金属凝固时的外压。提高金属凝固时的外压。3 3、阻止气体析出。、阻止气体析出。(1)(1)提高冷速提高冷速(3)(3)氧化去气：用于不易氧化的金属，如铜合金，氧和氢在氧化去气：用于不易氧化的金属，如铜合金，氧和氢在铜中相互制约，加氧去氢，再脱氧。铜中相互制约，加氧去氢，再脱氧。(4)(4)冷凝除气：降低温度除气，再快速升温浇注。冷凝除气：降低温度除气，再快速升温浇注。第五
17、十六页，本课件共有62页三、反应气孔v反应性气孔v 金属液与铸型之间，金属与熔渣之间或金属液内部某些元素，化合物之间发生反应产生的气孔，称为反应气孔。v金属液与铸型之间-皮下气孔v液态金属内部合金元素之间或与非金属夹杂物发生化学反应-蜂窝状气孔第五十七页，本课件共有62页第五十八页，本课件共有62页1、金属与铸型间的反应性气孔（皮下气孔）1.氢气孔（铸铁中）2.CO气体 3.氮气孔 4.形成皮下气孔的共同特点：铸型水分高，透气性差，采用含氮高的树脂砂 原始含气量C0高，钢水脱氮不良中等壁厚的铸件 合金中含易氧化成成分 熔点高的合金；浇注温度高皮下气孔形状第五十九页，本课件共有62页2、金属液内反应性气孔一、渣气孔：金属液与熔渣相互作用生成的渣气孔 二、金属液中元素间反应性气孔（溶解在金属中）：碳氧反应性气孔 氢氧反应中产生气孔 碳氧反应性气孔 第六十页，本课件共有62页3、反应性气孔的防止1.合金方面:降低CO，严格控制氧化性强的元素含量 铸钢：过量Al可减少FeO 铸铁：微量Al，易氧化，产生皮下气孔 严格控制Al 第六十一页，本课件共有62页2.铸型方面:严格控制水分干型 表干型 含氮树脂砂：减少尿素含量和乌洛托品的加入量 增加透气性 型内还原性气氛、防止氧化 冷铁干净3.提高浇注温度、降低凝固速度、利于气泡 浮出。第六十二页，本课件共有62页