气体溶质再分配与析出气孔的关系

在铸件凝固时期，固体和液体金属中的气体含量服从溶质再分配规律，因而与气孔析出有密切关系。

为研究简便，假定在铸件凝固过程中：①合金液中的气体溶质只存在扩散，而无对流、搅拌现象；②气体在已凝固的固体中扩散甚微，可忽略不计；③铸件呈平界面自左至右单向凝固。这样在稳定生长阶段，可应用固—液界面前液相中的溶质分布方程来描述合金液中气体的分布规律：

式中 C x——距离固—液面为x处的液体中气体的质量分数；

C0——凝固前合金液中的气体质量分数；

K 0——溶质平衡分配系数；

D——气体在合金液中的扩散系数；

R——凝固（或界面推进）速度；

x——到固液界面的距离。(www.xing528.com)

对于K 0＜1的铸造合金，依式（10-11），气体溶质在合金液中的分布如图10-14所示。初始析出的固相中溶质含量为K 0 C0，在界面上（x=0处），液相中气体含量C Li在稳定生长阶段中为C0/K 0，显然，在这种条件下结晶时，C0/K 0不可能超过合金液的溶解度S L。但在临近结束时的末端区，C Li和C S由于气体溶质进一步富集而超过S L[见图10 14（b）右端]。从图10-14（a）中也可看出；铸造时合金处于非平衡结晶条件下，特别是冷却较快，当降温至T′时，则残余液体中气体的C′Li＞S′L（S′L为T′温度时的金属液的气体溶解度），形成过饱和。

图10-14　K　0＜1的铸造合金凝固时气体过饱和区的形成

在铸件凝固期，当同时存在溶液的溶质扩散和对流传质的条件下，采用非平衡结晶的“有效分配系数K e”更方便。K e定义为固—液界面处固相中气体的含量C Si和剩余液相中平均含量C LB之比。K e和平衡分配系数K 0、边界层厚度δ、凝固速度R、扩散系数D之间有如下关系：

自铸件凝固开始，溶质开始富集（K e≠K 0），建立初始区（约0.1mm）后，K e即为常数。由于扩散和对流传质只能使液体部分混合，这时K e的取值范围为：K 0＜K e＜1。剩余金属液中的平均质量分数C LB方程为：

显然，随凝固层厚度δ趋向于总长L，液体中气体的C LB越来越高，最终超过S L形成过饱和区。而实际铸件中，若出现其他结晶界面，液相为四周枝晶封闭，这些被封闭的残余合金液池通常很小，气体质量分数可视为均匀的。随着结晶进行，残余合金液的气体浓度不断升高，以后结晶的固相中的气体浓度也不断升高，气体析出压力不断加大，到凝固末期达最大值。当析出压力超过临界值时，则形成析出性气孔：在液相中形成的气孔一般呈球形或扁球形，于固相中析出的气孔，如钢中的“白点”，多呈裂纹形；气体析入树枝晶间的微观缩孔中，则形成不规则形状的气缩孔。

即使浇入型腔的合金液中初始气体浓度并不高，小于饱和浓度，但因凝固时气体溶质再分配的结果，在最后凝固区的液相中，气体浓度仍可能超过饱和浓度而析出气孔。在冒口下部和铸件热节处，往往易于形成析出性气孔。