铸件中的偏析

铸件中的偏析

所谓铸造偏析就是液态合金在铸型中凝固以后，铸件断面上各个部分及晶粒与晶界之间存在化学成分的不均匀现象。它有三种类型：即晶内偏析、区域偏析和比重偏析。有时铸件上只存在某一种类型的偏析，有时则几种类型同时并存。由于偏析的存在，铸件断面上或晶粒与晶界处的机械性能也不一致，从而会影响到铸件的使用寿命。为此，在铸件的生产中，应尽量防止偏析的产生。

1．晶内偏析

晶内偏析，又叫树枝晶偏析。其特征是在一个晶粒范围内，晶内和晶界处的化学成分不一致，熔点高的组元往往多分布于晶内，而熔点低的组元则往往多分布于晶界。如锡青铜铸件，晶粒内含铜多，而晶界处含锡多。

一般的产生晶内偏析，有两个条件：

（1）具有一定结晶温度范围的合金；

（2）在凝固过程中，合金原子的扩散速度小于结晶速度。

因为合金的结晶温度范围愈宽、铸件的冷却或结晶速度愈快，则晶内偏析愈严重。为防止晶内偏析，可以采用细化晶粒的措施，以缩短原子的扩散距离；或适当提高浇温，以延缓冷却速度，以达到延长原子的扩散时间等。对已产生晶内偏析的铸件，可通过长时间的扩散退火来减轻晶内偏析。

2．区域偏析

区域偏析是指在铸件的整个断面上，各部位的成分不一致的现象。主要因合金进行选择凝固所引起。区域偏析又分正向偏析和逆向偏析两类。

（1）正向偏析

所谓正向偏析是指铸造合金中，熔点较低的组元集中分布在铸件的中心或上部区域，其含量从铸件的先凝固区到其后凝固区逐渐递增。而逆向偏析则正好相反，熔点较低的组元集聚在铸件边缘。如硅黄铜铸件易出现正向偏析，即铸件中心含硅量较高；锡青铜件则易产生逆向偏析，即铸件表层中锡含量较多。

一般的，具有一定结晶温度范围的合金，均会产生一定程度的区域偏析，只是结晶温度范围较小的合金，倾向于产生正向偏析；而结晶温度范围较宽的结晶时形成发达的树枝晶的合金，则易产生逆向偏析。如锡青铜件表面的“锡汗”，就是当锡青铜表面先凝固一层硬壳后，由于某种应力的作用，硬壳出现裂纹，壳内未凝固的低熔点组元（锡）占多数的液态合金被挤出壳外而停留在铸件表面形成的。

即使采用均匀化扩散退火也无法消除区域偏析，因为偏析元素需经长距离的扩散，故区域偏析应以预防为主，一般有以下措施：

（1）选择成分合适的合金；

（2）合理的铸件结构，即避免厚大断面；

（3）正确控制冷却速度。

3．比重偏析

由于合金中组元比重的不同所引起的偏析，叫比重偏析。比重偏析的产生，有以下几种情况：

（1）合金中的两组元在液态下互不相溶，如铜-铝合金，当此类合金在液态放置过久时，将发生分层现象，比重大的组元沉在下面，比重小的组元浮在上面。

（2）液态合金在搅拌不均的情况下，由于选择凝固所生成的晶体，其比重与母液不同，或上浮或下沉，形成比重偏析。如巴氏合金中的铅基合金或锡基合金的偏析。

（3）铸件的凝固方向也会影响比重偏析。若铸件的凝固顺序是自下而上，对于初生晶的比重较大的合金而言，其比重较小的低熔点相很容易上浮，会加剧比重偏析；反之，当初生晶体的比重较小时，会减轻比重偏析。

总之，对易产生比重偏析的合金而言，必须采取防止措施，如控制熔炼工艺使合金成分均匀；尽量缩短液态合金的放置时间；加快冷却速度及合理控制铸件的凝固方向等。

五、合金的吸气

各种铸造合金，尤其是有色合金，在液态时都有吸收气体的特性。气体在合金中的溶解度，随温度的变化有如图3.17所示的规律。合金在固态时，气体的溶解度很小，并随温度的升高，增加得也很少；当合金达到熔点时，气体的溶解度急剧增加，在液态合金中熔解的气体比固态合金中的多很多。

可以看出，气体在液态合金中的溶解度随温度的升高增加较快，直至达最高值后才开始下降；合金达到沸点时，气体的溶解度几乎等于零。一般的，铸造合金在熔炼时，正处于气体溶解度随温度升高而增加很快的阶段，甚至达到饱和。尤其是铝、镁合金具有较大的吸气倾向。当其浇注到铸型后，随着温度的降低，气体的溶解度将不断下降，结果就会析出气体。当析出的气体来不及从液态合金中跑出时，便会在铸件中形成气孔。如铝合金上的针孔。

合金中所吸收的气体，主要来源于炉料、各种辅助材料、炉气及坩埚等熔化工具。对于极易吸气的合金，如铝、镁合金，在浇注过程中，一切与气体、水分接触的机会，均易导致吸气。在所吸收的气体中，最有害的是氢气。为了减少或避免液态合金吸气，应采取以下工艺措施：

（1）严格控制炉料及辅助材料的质量；

（2）做好熔炉及其它工具的预热等准备工作；

（3）正确控制熔炼和浇注工艺，如尽量减少液态合金在高温下保温的时间，并避免其过热；对极易吸气的合金应在覆盖剂保护下熔炼，并在熔炼后期进行除气处理。

（4）有条件时，对易吸气合金采用真空炉熔炼和在真空室内浇注。