如何利用溶质的正常偏析提纯金属

对于K 0＜1的合金，先凝固的区域（铸件外层）的溶质浓度低于后凝固的区域（铸件内层）的溶质浓度。这种从外层向内层溶质浓度逐渐增大的现象，称为正常偏析。因为按照此类合金（K 0＜1）的结晶过程来看，这种偏析现象是正常的，所以称为正常偏析。对于K 0＞1的合金而言，情况与上述的相反，先凝固的区域（铸件外层）的溶质浓度高于后凝固的区域（铸件内层）的溶质浓度，这种偏析现象也是正常的，所以也称为正常偏析。溶质的偏析系数|1-K 0|越大，正常偏析程度也越大。但是，在含有大量的偏析系数大的溶质元素的合金中，如果在结晶初期液态合金中存在对流，则会发生晶体自型壁上脱落等现象，就会减轻正常偏析。

在第八章中曾讨论过K 0＜1的单相合金，在以平界面生长的单向凝固条件下进行的平衡和非平衡结晶时的溶质再分配，所得出的柱状棒凝固后的溶质浓度分布曲线，可以说明正常偏析与结晶条件的关系。现将各种结晶条件下，柱状棒凝固后的溶质浓度分布画在一起以进行对比（见图9-6）。

第一种情况：结晶过程极其缓慢，使溶质在固相和液相中得以充分扩散均匀化。这样，凝固后柱状棒中溶质分布是均匀的，不存在任何偏析，如图9-6中直线1所示。

第二种情况：结晶时固相中无溶质扩散，液相中均匀混合。这样，凝固后柱状棒中溶质分布如图9-6中曲线2所示，由左向右溶质浓度逐渐增大。

第三种情况：结晶时固相中无溶质扩散，液相中只有有限扩散而无对流或搅动。这样，凝固后柱状棒中溶质分布如9-6图中曲线3所示。左端（即最早结晶的部位）溶质浓度最低，右端（即最后结晶的部位）溶质浓度最高，而中间有一大段其溶质浓度正好与合金的平均浓度相同。

图9-6　单相合金（K0＜1）在以平界面生长的单向凝固条件下，凝固后柱状棒中溶质的分布

1—平衡结晶；2—固相无扩散而液相均匀混合；3—固相无扩散、液相有限扩散；4—固相有限扩散/液相有限扩散且部分混合

第四种情况：结晶时溶质在固相中有限扩散，在液相中有限扩散且有一定程度的对流或搅动。这样，凝固后柱状棒中溶质分布介于图9-6中曲线2及3之间，如曲线4所示。(www.xing528.com)

图9-7　厚壁钢铸件断面C、S、P偏析规律与宏观组织的关系

1—细晶区；2—柱状晶区；3—偏析物富集区；4—粗大等轴晶区

上述几种情况是在下列假定条件下讨论的：晶体按柱状晶形式单向生长，固—液界面为平面，而且型壁和固—液界面上不存在晶体脱落现象。实际上铸件在结晶时，由于合金类型的不同，冷却条件的差异，等轴晶的产生等，使铸件断面上成分偏析变得很复杂。因此对具体铸件应作具体分析。

铸件断面上的宏观偏析与宏观组织有密切的关系。现以厚壁钢铸件为例，讨论C、S、P的偏析规律与宏观组织之间的联系（见图9-7）。

由图9-7可见，铸件表面的细晶区内无宏观偏析现象；在柱状晶区，C、S、P的含量低于其平均含量；在铸件中心粗大等轴晶区内，C、S、P的含量稍高于平均含量，但在柱状晶区与粗大等轴晶区的交界处，C、S、P含量远高于平均含量。联系到铸件断面的宏观组织，上述偏析现象就不难理解了。型壁附近的钢液因受到型壁的激冷而迅速冷却，形成细小等轴晶区，故不易产生宏观偏析。与细晶粒区相连的柱状晶区，其结晶速度比表面层的慢。结晶次序仍然是由外向内依次进行。柱状晶先形成的部分，由于溶质再分配，含溶质元素（C、S、P）较低，而与之接触的液相则富集较多的溶质元素，并部分扩散或通过对流转移到铸件中心部分。这样依次进行，使未凝固的钢液中溶质浓度逐渐增高，结晶开始温度则相应地降低。当整个铸件断面上温度继续降低，而中心部分已降至结晶开始温度以下时，由于铸件中心部分冷却缓慢，基本上是内生生长，生成等轴晶。于是柱状晶前沿液相（含溶质元素较多）就被阻滞在柱状晶区和粗大等轴晶区之间的区域3内，使该处所含的溶质元素最多。在柱状晶区，C、S、P的分布规律基本上符合图9-6中3和4的情况，属于正常偏析。

既然宏观偏析与宏观组织有密切的关系，人们就可以通过控制铸件的结晶过程，改变宏观组织，从而达到控制宏观偏析的目的。

利用溶质的正常偏析，可以使金属达到提纯的目的。所谓“区域提纯”（又称“区域熔化”），就是利用正常偏析的原理发展起来的。