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1、第三节 凝固中的非金属夹杂物一、概 述1）简单氧化物 (FeO、CuO、MnO2)（一）非金属夹杂物的分类2）复杂氧化物 (AOB2O3)3）硅酸盐4）硫化物 (FeS、MnS)5）氮化物 (VN、TiN、AlN)（二）非金属氧化物的来源1）脱氧、脱硫产物内生夹杂物外来夹杂物2）硫、氧、氮等元素以低熔点共晶 或化合物形式析出3）金属与外界物质相互作用而生成的 夹杂(与粘砂、锈蚀等生成的炉渣，与炉衬、浇包生成非金属夹杂物)4）金属液被大气氧化生成的氧化物（三）非金属夹杂物对铸件质量的影响1、对机械性能的影响：（1）随氧化夹杂数量的增多，冲击韧性明显下降（2）疲劳极限下降，且夹杂物越粗，疲劳极限越
2、低裂纹源为夹杂物2、对铸造性能的影响：1）流动性降低 2）铸件产生热裂：分布在晶界上的低熔点夹杂物 3）微观缩孔和气缩孔:低熔点夹杂物 如钢中的FeO收缩较大；MnS促进气孔形成 3、好的作用：1）钢中的氧化物、碳化物和铸铁中的磷共晶 能提高材料的硬度，增加耐磨性2）钢中微量Ca和S形成球形CaS，分布在晶 内，改善钢的切削性3）难熔的非金属夹杂物可成为非自发结晶的 核心，细化铸件的宏观组织二、非金属夹杂物的形成（一）非金属夹杂物生成的热力学条件 从溶有非金属元素的金属液中生成非金属夹 杂物，其化学反应方程为：在标准条件下，生成的标准自由能：Me、C ：金属和非金属元素 ：生成的非金属夹杂物A
3、、B：系数T：热力学温度气体：该气体的分压为1大气压固体、液体：纯物质金属中溶质：1%；溶剂视为纯物质渣中化合物：纯物质化合反应进行的条件：0 且 越小，生成物越稳定。必须注意，用 判断时，必须是标准条件。非金属夹杂物的标准生成自由能（二）浇注前形成的非金属夹杂物扒渣后，尺寸较小的非金属夹杂物残留在金属液中一次非金属夹杂物例如脱氧过程中生成的氧化夹杂物 1、脱氧反应的进行条件：Me：与氧亲和力强的元素 ：不溶于金属液 2、常见脱氧元素形成的非金属夹杂物：（1）用硅铁脱氧时：（2）用铝脱氧时：（三）浇注时形成的非金属夹杂物在浇注及充型过程中生成的非金属夹杂物主要是氧化物1、形成过程二次氧化夹杂物
4、表面层氧化氧化膜不断增厚涡流、飞溅等把氧化膜卷入金属液氧化夹杂物2、影响二次氧化夹杂物形成的因素：（1）合金成分元素氧化的难易元素含量的多少合金的结膜温度逸出气体Si、Mn、C、Fe氧化能力依次减弱，Fe含量最多，二次氧化夹杂物中Fe含量仍较高。熔点较低，合金的结膜温度低，此类液态夹杂物易上浮，排除，减少二次氧化夹杂物。减轻金属液氧化程度。氧化性强 氧化性强，氧化严重。（2）金属液流 金属液与大气接触机会越多，接触面积越大，时间越长，则生成的二次氧化夹杂物就越多，且弱氧化物的含量也相应增多。金属液层流流动时，流动平稳，可减少二次氧化夹杂物。（四）凝固时形成的非金属夹杂物 当枝晶间的偏析液达到过
5、饱和时，则出现非金属夹杂物偏析夹杂物以Fe-C合金为例：假定合金中只有Mn、S两种杂质。凝固过程中，由于溶质再分配枝晶间的液相中富集Mn、C、S等溶质。随着温度的下降，枝晶间液相中的Mn和S富集。生成MnS夹杂物三、夹杂物的长大、分布、和形状（一）夹杂物的聚合长大 金属液中夹杂物紊乱无序的运动，相互碰撞，聚合长大。几种情况液态夹杂物的粘度较低，容易聚合成一个完整的球状夹杂物。当金属液温度低时，夹杂物粘度大，聚合在一起呈粗糙的多链球状。非同类夹杂物碰撞，经烧结，组成成分更复杂的夹杂物（二）夹杂物的分布1）能作为金属非自发结晶核心的非金属夹杂 物分布在晶内2）密度小的，经运动 碰撞 聚合 长大，浮
6、到 铸件上部、上表面、铸件拐角处或冒口3）处在凝固区内的高熔点固态微小夹杂物，可 能被枝晶粘附，分布在晶内，否则分布于晶界 4）偏析夹杂物分布在晶界（三）夹杂物的形状 主要指晶界的低熔点偏析夹杂物，形状受界面张力的影响 平衡条件 合金成分对夹杂物形状的影响是由于它改变了界面张力。型 球形-晶内型 枝晶间杆状-晶界 型 多面体结晶形-晶内 铁基合金中的SiO2形态（a）单球（b）多链球夹杂物形状对机械性能影响：球形，影响小尖角薄膜状，危害大细小，分散，晶内，危害小四、减少和排除夹杂物的途径 一般去气的措施利于排除夹杂物，但因夹杂物密度大，不易去除，为此采取以下措施：（1）正确选择合金成分，严格控制易氧化元素的含量（2）加溶剂液面覆盖一层溶剂，吸收上浮的夹杂物液中加入溶剂，与夹杂物形成密度更小的液态夹杂物降低夹杂物熔点，便于集合和上浮（3）采用复合脱氧剂：可生成密度小，熔点低的液 态脱氧产物，利于上浮，排除（4）采用真空或在保护气氛下熔炼和浇注（5）避免浇注，充型时发生飞溅和涡流（6）过滤法，通过过滤器，再注入型腔（7）型砂中控制水分，加入煤粉，铸型表面撒剂，形成还原性气氛