DOC《稀土对上引工频炉熔铸铜杆气孔的抑制作用》

CO2使铜液中的铝、硅、锰、锌氧化,生成这些元素的氧化物如Al2O

3、SiO2等,但这些氧化物能随CO2气泡一起上浮而被除去,因此对铜液质量影响不大. 但在含镍的铜液中,CO、CO2与镍产生反应生成可以溶解在铜液中的Ni3C、NiO,在凝固后期,随着温度的下降,它们在铜液中的溶解度逐步降低并重新析出,反应向反方向进行,释放出的CO、CO2在铸件中就成为气孔. 溶解于铜液中的SO2与铜反应产生Cu2O和Cu2S,Cu2S在凝固时就会在晶界上析出,成为有害的杂质并产生热脆性,如同时还有残余的Cu2O的话,二者的反应产物SO2就会在铸件中形成气孔.

2 气孔形成机理分析 通常,气体在金属液中的溶解度随温度的降低而减小,因而会逐渐析出,并通过扩散或形成气泡后上浮到金属液表面.但由于凝固速度较快,通过扩散方式逸出的数量极少,大多数是以气泡形式上浮而逸出的.如果凝固速度足够大或者有枝晶阻挡时,气泡便留在铸锭内成为气孔. 液相中气泡的形成与液态结晶相似,也要经过气泡的成核和核心长大,符合结晶规律,成核有均相成核和非均相成核两种[5].在液体中产生一个气泡核心,除了受液体的静压力和大气压力外,还受液体表面张力所产生的附加压力作用,其大小与气泡的半径成反比.所以一般认为,液体中气泡的生成属于非均相形核,即大多数气泡是在反应熔池底部或侧壁的粗糙表面的微孔处成核. 金属在凝固过程中,可以认为气体溶质只在液相中存在有限扩散,而在固相中的扩散可忽略不计,可以用下式来描述气体浓度CL的分布: (2) 式中,C0为金属液中气体的原始浓度;

k为气体在金属中的平衡分布系数;

R为凝固速度;

DL为气体在金属液中的扩散系数;

为离开固/液界面的距离. (2)式表示的气体在金属中的浓度分布如图1所示. 图1 凝固时气体浓度的分布 Fig.1 Distribution of gas concentration during solidification 在固/液界面处,液相中气体浓度=C0/k最高.设液相中气体浓度CL大于某一过饱和度SL时,才析出气泡,则大于SL的气体富集区可由下式求出: 析出气泡取决于存在的时间,越长即凝固越缓慢,越有利于析出气泡.由该式可知: 上述各式表明,原始气体浓度C

0、凝固速度R是影响、和CL分布的主要因素.R大,则就小,不析出气泡的过饱和度SL值变大,不易析出气泡. 但气泡的形成不仅与温度和浓度有关,而且与压力有着更为密切的关系.只有析出气体的压力p大于外部总压力p外时,才有可能形成气泡[6]. p外=p0+Hρg+2σ/r 式中,p0为大气压;

H为气泡至液穴表面的距离;

ρ为金属液密度;

g为重力加速度;

σ为金属液表面张力;

r为气泡半径. 若p