铸造中的偏析详解

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合金液在铸型中凝固以后，铸件断面各个部分，以及晶粒内部，往往有化学成分不均匀的现象，这就是偏析。
偏析是一种铸造缺陷。由于铸件各部分化学成分不一致，势必使其机械及物理性能也不一样，这样就会影响铸件的工作效果和使用寿命。因此，在铸造生产中，必须防止合金在凝固过程中产生偏析。
$ A# V; Z. v9 d; A: \. }偏析可分为三种类型，即晶内偏析、区域偏析和比重偏析。对于某一种合金而言，所产生的偏析往往有一种主要型式，但有时，由于铸造条件的影响，几种偏析也可能同时出现。
一、晶内偏析
9 H3 S3 Y7 B) R3 O2 m晶内偏析，又称树枝状晶偏析，简称枝晶偏析。其特征是同一个晶粒内，各部分化学成分不一致，并且往往在初晶轴线上含有熔点较高的成分多。如锡青铜在晶粒轴线上往往含铜较多，含锡较少，而枝晶边缘则相反，这就是晶内偏析。
铸件内产生晶内偏析，一般有二个先决条件，第一，合金的凝固有一定的温度范围；第二，合金结晶凝固过程中原子扩散速度小于结晶生长速度。一般的情况下，合金的凝固温度范围愈大，铸件结晶及冷却速度愈快，则原子扩散愈难于进行完全，晶内偏析现象愈严重。因此，晶内偏析多产生于凝固温度范围较大，能形成固熔体的合金中。
( E3 O$ i. P; W/ J) G为了防止某些合金的晶内偏析，可以采取细化晶粒措施，以缩短原子扩散距离；或适当提高浇注温度，延缓冷却速度，以延长原子扩散时间但浇注温度不得过高，否则会造成氧化、吸气、晶粒粗大等弊病。当铸件内已存在晶内偏析时，可考虑采用长则间的扩散退火热处理，以求得到改善。
; N/ z: v' B0 r7 A4 ^- R二、区域偏析
区域偏析，即在整个铸件断面上，各部分化学成分不一致的现象，它主要由于合金进行选择凝固所引起的。区域偏析可分为正向和逆向偏析正向偏析是熔点较低的成分或合金元素熔质集中在铸件的中心和上
部，其含量从铸件边缘至中心逐渐增加。逆向偏析则相反，熔点较低的成分或合金元素熔质集聚在铸件边缘。如在铜合金中，硅黄铜易出现正向偏析现象，即铸件中心含硅较多；锡青铜则易产生逆向偏析现象，即铸件表面层含锡较多。
合金在一定温度范围内结晶，是产生区域偏析的基本原因。当凝固温度范围较小时，一般倾向产生正向偏析；当凝固温度范围较大时，树枝状晶又很发达时，较易产生逆向偏析。
; a; J* ]* @8 ~6 S# T: g% x铸件表面常出现的一种含熔质元素较多的“汗珠”、“偏析疤”，是一种逆向偏析现象，如锡青铜铸件表面的“锡汗”就是这种情形。这是当合金表面形成一层硬壳以后，或因内部合金液析出气体的压力作用，或因硬壳的固态收缩承受不了内部合金液的静压力的作用，或因铸件本身产生热应力等缘故而使其硬壳断裂，未凝固的液体含熔质较多，熔点较低流出硬壳以外并表现在铸件表面的结果。对此情况，常需加强对合金的除气精炼等措施加以防止。
9 K- c* h  E7 ^对于区域偏析，不能以均匀化扩散退火去消除，因为偏析区域较广，要求偏析元素的扩散距离较长，在实用的退火温度和时间内不可能均匀扩散。故应以预防为主的原则加以避免。为此，第一，要正确选择合金；第二，要有合理的铸件结构如避免肥厚断面以防止硅黄铜铸件出现区域偏析；第三，要正确控制冷却速度如使冷却速度很慢，结晶过程按稳定系统进行；或使冷却速度很快，整个结晶过程在很短时间内完成。
0 I4 X" ^, H; x* c1 }三、比重偏析
由于合金中两组元比重不同，而在同一铸件中出现上下部分成分不一致的现象，即比重偏析。出现这种偏析时，铸件上部合金中某一成分较多，而下部另一成分较多。
( x5 F2 }2 k, D! V. {# |比重偏析的形成情况也有不同。有的是因为合金中两组元在液态下互不相溶如钢铅合金，当合金液放置过久时，便形成互不渗合的分层，比重大的合金组元沉在下面，而比重小的浮在上面；有的是因为在搅拌不均的情况下，当合金进行选择凝固时，在生长着的晶体四周，所形成的含合金元素较多的液体，由于比重与母液不同而上浮或下沉；有的是治因为先形成的含合金元素较少的晶体，由于比重与母液不同而上浮或下沉。如果初晶形状简单，分叉很少，则使比重偏析很易发生。轴承合金中，铅基或锡基巴氏合金最易产生这后一类偏析。
* j$ Z' |/ u+ e5 I- h- B9 i铸件的凝固方向对比重偏析影响很大。如果凝固次序是向下而上，则对于初生晶体比重较大的合金来说，其中比重较小的低熔点相很容易上浮，加剧比重偏析；反之，初生晶体比重较小时，则会减轻比重偏析。
) V! j0 J8 U6 v5 H对于易产生比重偏析的合金，必须采取措施，防止缺陷的形成。通常的做法是：认真控制熔炼工艺，尤其在熔炼中和浇注前要充分搅匀；尽量减少合金液放置时间；加入某种合金元素，改变初晶形状；加大冷却速度如在冷水喷射器冷却下，浇注铅青铜轴瓦；合理控制铸件凝固方向等。
较严重的铸件偏析缺陷，通过宏观分析即可发现。轻微偏析者，则需经金相检验及化学成分分析才能发现。