材料成形原理
材料成型與控制專業
第一節氣孔的種類
二、反應性氣孔
金屬液和鑄型之間或在金屬液內部發生化學反應所產生的氣孔，稱為反應性氣孔。
反應性氣孔通常分布在鑄件表面皮下1—3mm，表面經過加工或清理後，就暴露出許多小氣孔，所以通稱皮下氣孔。形狀有球狀、梨狀。
另一類反應性氣孔是金屬內部化學成分之間或與非金屬夾雜物發生化學反應產生的，呈梨形或團球形，均勻分布。
第二節氣孔的形成機理
一、析出性氣孔的形成機理
1．凝固時溶質再分配導致氣孔形成。
在鑄造過程中，金屬凝固時，由於溶質再分配，在固液介面前沿有氣體溶質的富集。當氣體濃度超過它的飽和濃度時，就容易析出氣泡，該氣泡若不能排除，保留下來就形成氣孔。
2．侵入性氣孔的形成
將金屬液澆入砂型中時，由於各種原因會產生大量的氣體。氣體的體積隨著溫度的公升高而增大，造成金屬—鑄型介面上的氣壓增大。當介面上區域性氣體的壓力足夠大時，氣體就能在鑄件開始凝固的初期侵入金屬液中成為氣泡，氣泡不能上浮逸出時就形成梨形氣孔。
二、反應性氣孔的形成機理
(一)金屬與鑄型間反應性氣孔
金屬與鑄型間反應性氣孔的成因有三種說法：
（1）氫氣說（2）氮氣說（3）co說
1．氫氣說
通常金屬液—鑄型介面處氣相中含有較高的氫，使金屬液表層氫的濃度增加。另外，凝固時液固介面前沿氣體濃度易過飽和。金屬液—鑄型介面處的化學反應在金屬液表面產生的各種氧化物(如feo、al2o3、mgo等)以及鑄鐵中的石墨都能使氣體附著，形成氣泡。
液相中的氫等都向氣泡擴散，使氣泡沿枝晶間長大，形成皮下氣孔。2．氮氣說
一些研究者認為，鑄型或型芯採用各種含氮樹脂做粘結劑，分解反應造成介面處氣相氮氣濃度增加。提高樹脂及烏洛託品含量，也會導致型內氣相中氮含量增加，當氮含量達到一定濃度，就會產生皮下氣孔。
3．co說
一些研究者認為，金屬與鑄型表面處金屬液與水蒸氣或c02相互作用，使鐵液生成feo，鑄件凝固時由於結晶前沿枝晶內液相碳濃度的偏析，將產生反應[feo]+[c][fe]+[co]
co氣泡可依附晶體或非金屬夾雜物形成，這時氫、氮均可擴散進入該氣泡，氣泡沿枝晶生長方向長大，形成皮下氣孔。
(二)金屬液內反應性氣孔
1．渣氣孔
金屬在凝固過程中，如果存在氧化夾雜物，其中的feo可以與液相中的石墨或富集的碳反應:(feo)+cfe+co(feo)+[c]fe+co形成渣氣孔。
渣氣孔的特點是氣孔和熔渣依附在一起。
2．金屬液中元素間反應性氣孔
(1)碳氧反應氣孔：鋼液脫氧不全或鐵液嚴重氧化，氧與碳相遇，將產生co氣泡。co氣泡上浮時，吸入氫和氧，使其長大。凝固前來不及排出，就產生蜂窩狀氣孔。
(2)水蒸氣反應氣孔：金屬液中溶解的[o]和[h]，如果相遇就會產生h20氣泡，凝固前來不及排出，就會產生氣孔。
(3)碳氫反應氣孔：鑄件最後凝固部位液相中的偏析，含有較高濃度的[h]和[c]，凝固過程中產生ch4，形成區域性性氣孔。
第三節影響氣孔的因素及防止措施
一、析出性氣孔的影響因素及防止措施(一)影響因素
1．金屬液原始含氣量c0
c0過高時，凝固前沿的液相能較早析出氣泡。c0不太高時，就依附縮孔較遲析出。2．冷卻速度
冷卻速度愈快，凝固區域就愈小，枝晶不易封閉液相，氣體易排出；凝固速度愈大，氣體來不及擴散，氣孔不易形成。
3．合金成分
不同成分的合金，原始含氣量c0、分配係數k0、擴散係數dl、合金收縮大小和凝固區域各不相同。k0愈小、合金液收縮愈大、結晶溫度範圍愈大的合金，容易產生氣孔和氣縮孔。4．氣體性質
氣體的擴散係數dl大，擴散速度快，則容易析出，不易產生氣孔。
(二)防止或減少析出性氣孔的措施
1．減少金屬液的原始含氣量c0
(1)減少金屬液的吸氣量，採取烘乾、除濕等措施，防止爐料、空氣、鑄型、澆包等方面的氣體進入金屬液。
(2)對金屬液進行除氣處理，常用的方法有：
1)浮游去氣，即向金屬液中吹入不溶於金屬的氣體，如惰性氣體、氮氣及加入氯鹽等，使溶解的氣體進入氣泡而排除。
2)氧化去氣，對能溶解氧的金屬液，可先吹氧去氫，然後再脫氧。
2．阻止金屬液中氣體析出
(1)提高鑄件冷卻速度，如金屬型鑄造等方法。(2)提高鑄件凝固時的外壓，如密封加壓等方法。3．型(芯)砂處理
(1)減少砂型(芯)在澆注時的發氣量。
(2)使澆注時產生的氣體容易從砂型(芯)中排出。例如多扎排氣孔；使用薄壁或空心和中間填焦炭塊的砂芯等方法。
二、防止皮下氣孔產生的措施
(1)採取烘乾、除濕等措施，防止和減少氣體進入金屬液。
(2)嚴格控制合金中氧化性較強元素的含量，如球墨鑄鐵中的鎂及稀土元素；鑄鋼中用於脫氧的鋁。
(3)砂型(芯)要嚴格控制水分，重要鑄件可採用乾型或表面烘乾型，含氮樹脂砂要儘量減少尿素含量，控制烏洛託品固化劑的加入量，保證鑄型有良好的透氣性。(4)適當提高澆注溫度，能夠降低凝固速度，有利於氣體排出。
(5)工藝方案設計中，盡量保證金屬液平穩進入鑄型內，減少金屬液的氧化。
第四節夾雜物
一、液態金屬中非金屬夾雜物的**與型別
(一)夾雜物的**（5個）
1、金屬在熔煉與鑄造過程中，原材料本身所含有的夾雜物，如金屬爐料表面粘砂，氧化鏽蝕，隨同爐料一起進入熔爐的泥砂，焦炭中的灰分等。
2、金屬熔煉時，脫氧、脫硫、孕育、球化等處理過程，產生大量的mno、sio2、al2o3等夾雜物。
3、液態金屬與爐襯、澆包的耐火材料以及溶渣接觸時，會發生反應，產生大量mno、al2o3等夾雜物。
4、在精煉後轉包及澆注過程中，金屬液表面與空氣接觸，很快形成一層氧化膜。若其受到紊流、渦流等破壞而捲入金屬中，可形成二次氧化夾雜物。
5、金屬在凝固過程中，進行的各種物理化學反應所形成的內生夾雜物，如al203、feo、fes等。
(二)非金屬夾雜物的型別
1、按物質分：氧化物，硫化物，矽酸鹽。
2、按形成時間分：初生夾雜物，次生夾雜物，二次氧化夾雜物。（1）初生夾雜物是在金屬熔煉及爐前處理過程中產生的。（2）次生夾雜物是在金屬凝固過程中產生的。
（3）在澆注過程中因氧化而產生的夾雜物稱為二次氧化夾雜物。
（三）夾雜物的形狀
1、夾雜物的形狀可分為球形、多面體、不規則多角形、條狀及薄板形、板形等。2、氧化物一般呈球形或團狀。3、同一類夾雜物在不同鑄造合金中也有不同形狀，如al2o3在鋼中呈鏈球多角狀，在鋁合金中呈板狀。
4、同一型別夾雜物，含有不同的成分，形態也不相同，如mns在鋼中通常有球形、枝晶間桿狀、多面體結晶形三種形態。
二、非金屬夾雜物對鑄件質量的影響
1、降低鑄件的塑性、韌性和疲勞效能。
2、金屬液內含有的懸浮狀難熔夾雜物顯著降低其流動性。
3、易熔的夾雜物(如鋼鐵中的fes)，往往分布在晶界，導致鑄件產生熱裂。也促進微觀縮孔的形成(如鋼中feo)。
4、夾雜物有時也有好的一面：如鋁合金液中加入ti，形成tial3，可作為鋁合金的非均質核心，使組織細化。
三、初生夾雜物的形成及防止措施
(一)初生夾雜物的形成1．夾雜物的偏晶結晶
金屬熔煉過程及爐前處理，都會在金屬液內產生大量一次非金屬夾雜物，該
過程屬於偏晶反應（l1s+l2）。2．夾雜物的聚合長大
初生夾雜物剛析出時，尺寸非常小，僅有幾個微公尺。但它的生長速度非常快。原因：生長機理是粒子的碰撞和聚合。
(二)去除初生夾雜物的途徑
1．加熔劑
金屬液表面覆蓋一層熔劑，上浮的夾雜物被它吸收。如鋁合金精煉時加入氯鹽。球墨鑄鐵加珍珠岩。2．過濾法
通過過濾達到去除夾雜物的目的。過濾器分兩類：
（1）非活性：只起機械作用，如用石墨、鎂磚、陶瓷碎屑等；
（2）活性：多一種吸附作用，排渣效果更好，如用naf、caf、na3a1fe6等。3．採用去氣的措施，同樣也能達到排除和減少夾雜物的目的，如合金液靜置處理、浮游法淨化、真空澆注等。
四、二次氧化夾雜物的形成及防止措施
(一)二次氧化夾雜物的形成1、形成過程
金屬液在澆注及充型過程中，產生的氧化物稱二次氧化夾雜物。
液態金屬與大氣接觸時，表面很快會形成一層氧化薄膜，並不斷增厚。在澆注及充型過程中，表面氧化物會被捲入金屬液內部，因溫度下降很快，來不及上浮到表面，留在金屬中形成二次氧化夾雜物。
二次氧化夾雜物常常出現在鑄件上表面、型芯下表面及死角部分，是鑄件非金屬夾雜缺陷的主要**。
2、影響因素（1）化學成分
二次氧化夾雜物的形成，取決於金屬中各氧化元素的熱力學及動力學條件。1）金屬液中要含有強氧化性元素。元素氧化性越強，生成二次氧化夾雜物的可能性越大。
2）氧化反應的速度。與合金元素的活度有關。通常合金液可以看作稀溶液，可用濃度近似代替它的活度。因此，被氧化元素的含量多少就直接影響二次氧化夾雜物的速度和數量。（2）金屬液流
金屬液與大氣接觸的機會越高、接觸面積越大、接觸時間越長，產生的二次氧化夾雜物就越多。金屬液若是紊流運動，以及金屬液產生的渦流、對流會使金屬液表面產生波動，增加了與大氣接觸機會，容易產生二次氧化夾雜物。
（二）防止和減少二次氧化夾雜物的途徑
1、必須採取合理的澆注工藝及澆冒口系統，保持金屬液充型過程平穩流動。
2、正確選擇合金成分，嚴格控制易氧化元素的含量。
3、嚴格控制鑄型水分，加入煤粉等碳質材料，或使用塗料，形成還原性氣氛。
4、對要求高的重要鑄件或易氧化的合金鑄件，可以在真空或在保護性氣氛下澆注。
五、次生夾雜物
（一）形成
次生夾雜物是指合金凝固過程中，金屬相結晶的同時伴生的非金屬夾雜物。
合金結晶時，由於溶質再分配，在凝固區域內合金及雜質元素將高度富集在枝晶間的液相內，在某溫度下靠液固介面的「液滴」有可能具備產生某種夾雜物的條件，產生偏晶結晶，析出夾雜物。
這種夾雜物是從偏析液相中產生的，又稱為偏析夾雜物。各枝晶間偏析的液相成分不同，產生的偏析夾雜物也就有差異。
（二）分布
有兩種分布情況：
1、偏析夾雜物被枝晶粘附陷入晶內，分布較均勻。
2、偏析夾雜物被生長的晶體推移到液相內，並產生碰撞、聚合而粗化。凝
固完畢時，被排擠到初晶晶界上，大多密集分布在斷面中心部分或鑄件上部。
（三）影響因素
偏析夾雜物的大小決定於合金的結晶條件和成分。1、凡是能使晶粒細化的條件都能減小偏析夾雜物的尺寸。
2、形成夾雜物的元素原始含量愈高，枝晶間偏析液相中富集該元素的數量愈大。同樣結晶條件下，產生的夾雜物愈大，數量也愈多。
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