避免反常偏析的方法及其在合金中的应用

对于K 0＜1的合金，如果铸件（锭）表面层或底部含溶质元素较多，而中心部分或顶部含溶质元素较少。这种宏观偏析称为反常偏析（又称反向偏析、反偏析、逆向偏析、逆偏析等）。Cu—Sn合金和Al—Cu合金是经常产生反常偏析的两种典型合金。在铸造w Sn=10%的锡青铜铸件时，往往在铸件表面上冒出w Sn=20%～25%的所谓“锡汗”；在铸造冷硬铸铁轧辊时，有时会在轧辊表面出现磷共晶的“汗珠”（称为“磷汗”）。铸件产生反常偏析会明显地降低铸件的机械性能、耐气密性和切削加工性能。

图9-8是锡青铜（w Sn=6.5%、w P=0.2%）铸锭断面上锡的分布。可以看出，锡的反常偏析多集中在表层附近，锡的质量分数可高达9.7%。

反常偏析的形成有以下几个特点：①结晶温度范围宽的固溶体型合金易产生反常偏析；②缓慢冷却时反常偏析程度增加；③粗大的树枝晶易形成反常偏析；④合金液含气量大时易出现反常偏析。联系上述特点，对反常偏析可做如下解释：宽结晶温度范围的合金在缓慢冷却条件下进行凝固时，铸件横断面上有很宽的凝固区域，甚至都处于凝固区域内，即典型的糊状凝固方式。在凝固后期，粗大的树枝晶已交错生长形成骨架，枝晶间隙充满着尚未凝固的富集溶质的熔液（即偏析液），整个铸件（从表面到中心）是疏松的，有大量显微通道——枝晶间隙。在这样的情况下，随着枝晶骨架的形成，固态收缩开始；凝固期间气体在合金中溶解度下降致使气体以气泡形式不断析出，形成气体压力；在铸件的收缩力和气体压力的共同作用下，迫使尚未凝固的偏析液沿着枝晶间的显微孔道向外流动，直至铸件表面层甚至挤到铸件表面以外，凝固后即转变为坚硬的“汗珠”。

由此可见，对于宽结晶温度范围的固溶体合金，如果采取加快铸件的冷却速度（如将砂型铸造改为金属型铸造）和熔炼时采取除气精炼措施以减少合金液含气量等方法，都能减轻反常偏析程度。

有些情况下，冷却速度加快反而形成反常偏析，如铝铜合金铸锭在冷却速度快的情况下（如采用金属型、水冷金属型或连续铸造），会形成反常偏析，而在冷却速度慢的情况下（如采用砂型铸造）却得到正常偏析。

图9-8　锡青铜（w　Sn=6.5%，w　P=0.2%）铸锭断面上锡的分布

图9-9　反常偏析的形成(www.xing528.com)

关于反常偏析的形成还有其他的解释。例如，有人认为铸件表面层溶质富集层的形成是由于型壁上形成的晶体在生长过程中，其根部产生缩颈，缩颈周围是富集溶质的熔液，当晶体端部生长到相接触时，其根部就封闭了富集溶质的熔液，因而铸件表层就形成了高溶质层，如图9-9所示。用形成细小等轴晶的方法可以防止反常偏析，因为在型壁上产生了晶体脱落现象，阻碍了铸件表层形成粗大的晶体，因而防止了铸件表面高溶质层的形成。

缩小树枝状晶区和细化晶粒有助于缓和或防止反常偏析的形成。

当铸锭自下而上进行凝固时，也会产生反常偏析，即铸件底部（激冷部）溶质元素含量高于平均含量C 0，而铸件顶部溶质元素含量低于平均含量C0，见图9-10。所示Al—Cu合金（w Cu=4.7%）铸件的反常偏析。

图9-10　AI—Cu合金（w　Cu=4.7%）铸件自下而上凝固时的反常偏析

图9-11　AI—Cu合金铸件自下而上凝固时反常偏析形成示意图

在这种情况下，结晶时产生的凝固收缩可以取自上方的熔液来补缩。当铸件底部开始析出柱状晶时，柱状晶周围含铜（溶质）多的熔液（其密度比原成分为C 0的熔液大），向下补缩，而原成分为C0的熔液补缩柱状晶的上半部。故靠近激冷面的铸件底部的含铜量大于C0，而其稍上方的含铜量则低于C 0[见图9-11（a）]。这样的补缩过程连续进行下去。各层在凝固过程中，一方面把本身含铜较高的熔液往下补缩，而另一方面则从其上方取得成分为C0熔液的补缩，故其含铜量暂时稍低于C0[见图9-11（b）]。随着凝固的进行，它又同样可以得到含铜量较高熔液的补缩，故使之能一直保持与C0相近的含铜量[见图9-11（c）]。铸件顶部只把含铜量较高的熔液补缩到下层，而本身得不到补缩，故顶面含铜量低于C0[见图9-11（d）]。