鑄件宏觀偏析和石墨漂浮成因及防止措施

王榮

宏觀偏析亦稱為“區(qū)域偏析”，指金屬鑄件中各宏觀區(qū)域化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。包括正常偏析、反常偏析和密度偏析。宏觀偏析造成鑄件組織和性能的不均勻性，其與金屬成分、冷卻速度、澆注條件等許多因素有關(guān)，雖然無(wú)法絕對(duì)避免，但可以控制在一定范圍內(nèi)。石墨漂浮的產(chǎn)生是由于碳、硅含量高，金屬液冷卻速度緩慢，析出多量的大徑石墨，并在鑄件上部偏析而集聚。石墨漂浮降低了鑄件的力學(xué)性能，也影響了鑄件的表面質(zhì)量。筆者結(jié)合多年的生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并參閱有關(guān)資料，談?wù)勮T件宏觀偏析和石墨漂浮的產(chǎn)生原因及其防止措施。

1.鑄件設(shè)計(jì)

（1）鑄件截面厚薄懸殊 如果金屬成分按冷卻較快的截面選定，則在厚截面處，由于冷卻緩慢而產(chǎn)生偏析。

（2）砂型或砂芯中的部分區(qū)域形成熱匯，將促使鑄件產(chǎn)生局部偏析 如果在合理的厚截面中包含著一個(gè)小砂芯，則砂芯匯集了大量的熱能，導(dǎo)致冷卻速度變慢。若所選擇的成分不允許如此緩慢的冷卻速度，鑄鐵件會(huì)出現(xiàn)石墨漂浮。

2.澆注系統(tǒng)

（1）澆冒口布局不當(dāng) 會(huì)促使局部區(qū)域出現(xiàn)熱匯，使某些截面出現(xiàn)通常只有在更厚的截面處才會(huì)出現(xiàn)的緩慢冷卻。例如，在靠近薄截面處設(shè)置大冒口，就會(huì)使該薄截面處的冷卻速度與厚于其數(shù)倍的截面處的冷卻速度相當(dāng)。如果其成分是按照薄截面冷卻速度設(shè)計(jì)，就會(huì)出現(xiàn)偏析。

（2）內(nèi)澆道或冒口與鑄件相連處出現(xiàn)局部熱節(jié) 會(huì)使冷卻速度降低，在鑄件與內(nèi)澆道及冒口頸連接的部位出現(xiàn)偏析。

（3）金屬湍流 會(huì)打亂某截面所要求的正常冷卻速度，使某些組分出現(xiàn)沉淀或產(chǎn)生偏析；如果是層流狀態(tài)，則這些組分仍會(huì)溶解在液體中或處于懸浮狀態(tài)。

3.型砂

如果在型砂中采用了絕熱材料，使熱傳導(dǎo)變得異常緩慢，從而改變了鑄件某一截面原來(lái)的冷卻速度，鑄件會(huì)產(chǎn)生偏析。如果鑄件選用的化學(xué)成分變動(dòng)范圍很窄，而砂型舂得過(guò)分松軟，或者型砂中木屑加得過(guò)多，也會(huì)引起偏析。

4.制芯

（1）油砂芯未烘透 未烘透的砂芯具有放熱反應(yīng)，使砂芯受熱過(guò)度，在實(shí)質(zhì)上改變了鑄件與砂芯相鄰部位的冷卻速度而引起偏析。

（2）氣膜起了絕熱作用 例如在樹(shù)脂殼芯中，這種氣膜就可能改變金屬截面和芯砂間的傳熱系數(shù)。其結(jié)果是使冷卻減緩，致使原定的金屬成分變得有形成偏析的危險(xiǎn)。因此，當(dāng)制芯有重大改變，則要求對(duì)金屬成分進(jìn)行調(diào)整。

5.造型

（1）摻入絕熱材料 如摻入石棉粉或珍珠巖都會(huì)造成局部緩冷引起偏析。

（2）發(fā)熱造型材料 若使用不當(dāng)，將會(huì)造成局部過(guò)熱，改變鄰接發(fā)熱材料的鑄件截面的冷卻速度而引起偏析。發(fā)熱造型材料釋放出的熱量對(duì)鑄件截面冷卻速度產(chǎn)生的影響與冒口相同。

6.金屬成分

（1）灰鑄鐵與可鍛鑄鐵 從冷卻角度來(lái)看，灰鑄鐵與可鍛鑄鐵的碳當(dāng)量或許偏高，這兩種鑄鐵的共晶點(diǎn)很少恰好在碳當(dāng)量為4.3%處。對(duì)薄壁鑄件，鑄造工作者不得不選用超過(guò)4.3%的碳當(dāng)量，以免材料過(guò)硬。但較厚截面處可能會(huì)因此受到不良影響而產(chǎn)生偏析。

金屬中磷含量過(guò)高也會(huì)出現(xiàn)上述后果，雖然磷在計(jì)算碳當(dāng)量時(shí)往往不予示出，但是它對(duì)共晶的形成卻有影響，磷的作用有時(shí)與相同數(shù)量的硅相等。

在碳當(dāng)量高的鑄鐵中，如果穩(wěn)定碳化物的元素不夠，就會(huì)有游離碳偏析出來(lái)。

石墨化元素用量過(guò)多，除了對(duì)碳當(dāng)量有明顯影響外，對(duì)漂浮石墨的形成也有直接影響。

（2）球墨鑄鐵 除了上面討論的各種因素外，無(wú)論是加鎂處理，或是二次孕育處理時(shí)孕育劑加入量過(guò)多，都會(huì)對(duì)形成石墨漂浮產(chǎn)生影響。

球化處理時(shí)，如果金屬液中含硫量過(guò)高，會(huì)有硫化錳和其他偏析物從金屬液中析出。

鋁和鈦合在一起的含量超過(guò)0.1%時(shí)，會(huì)形成三元共晶碳化物的偏析物。

（3）鋼 除了一些特殊的合金鋼，如高硫鋼或高鉛鋼會(huì)出現(xiàn)偏析外，鋼一般不會(huì)出現(xiàn)宏觀偏析。特殊用途的高銅鋼，如果含銅量超過(guò)其溶解極限(約0.6%)時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)偏析。

（4）鋁 鋁中的銅或其他合金元素加入量超過(guò)其溶解極限時(shí)，會(huì)出現(xiàn)宏觀偏析。

7.熔煉

（1）灰鑄鐵和球墨鑄鐵 在沖天爐中熔煉的灰鑄鐵和球墨鑄鐵，如果熔煉時(shí)操作不當(dāng)，會(huì)因鑄鐵成分的改變而產(chǎn)生偏析。焦炭和風(fēng)量的比例不當(dāng)，會(huì)造成增碳而使碳當(dāng)量提高。

熔煉溫度太高，會(huì)在開(kāi)始熔化時(shí)就造成增碳過(guò)多，引起石墨漂浮而不合要求。出鐵間隔太長(zhǎng)，使金屬液和焦炭接觸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而增碳。間斷操作(如停風(fēng)等)會(huì)造成過(guò)量增碳，形成預(yù)料不到的高碳當(dāng)量。

由于爐料塊度變化造成的化學(xué)成分不均勻，會(huì)使含碳量發(fā)生變化，從而造成一部分金屬液中的含碳量過(guò)高，而另一部分金屬液中含碳量又過(guò)低的情況。只有沖天爐爐料的尺寸和形狀在合理的范圍內(nèi)變動(dòng)，才能保證爐料的各種組分能均勻一致地熔化。加料或稱料疏忽，也會(huì)造成化學(xué)成分不均勻。

（2）可鍛鑄鐵 熔化溫度過(guò)高、熔化速度太快或在還原性爐氣中熔化，會(huì)形成碳當(dāng)量過(guò)高，有可能直接引起晶種效應(yīng)，而使漂浮石墨聚集在一起。

（3）鋁 過(guò)熱溫度太高，會(huì)引起晶粒長(zhǎng)大，進(jìn)而誘發(fā)或出現(xiàn)偏析。因備料疏忽導(dǎo)致?lián)饺氲母鞣N雜質(zhì)超過(guò)其溶解度極限時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生各種偏析物。

（4）鎂 備料疏忽會(huì)摻入各種不適當(dāng)?shù)暮鸵鹌龅碾s質(zhì)。

（5）黃銅和青銅 鉛青銅攪拌不充分，會(huì)有鉛析出。這是一個(gè)棘手的問(wèn)題，因?yàn)殂U不能真正溶解于銅，所以很容易析出。澆包不干凈或帶有渣殼，則會(huì)因污染致使成分發(fā)生變化而導(dǎo)致各種偏析物產(chǎn)生。

在對(duì)回爐料分類時(shí)，操作疏忽會(huì)使熔化的合金化學(xué)成分不符合要求。因此，對(duì)回爐料進(jìn)行認(rèn)真的分類是非常重要的。

8.澆注

（1）澆注溫度低于飽和溶解溫度 當(dāng)幾種合金元素的飽和溶解溫度有很大差別時(shí)，即使原來(lái)的熔融金屬已經(jīng)充分混勻并合金化，但在澆注前金屬液溫度過(guò)低，也會(huì)使一些組分從熔液中析出而出現(xiàn)偏析。

（2）澆注溫度過(guò)高 鉛青銅在凝固過(guò)程中就會(huì)有鉛析出。因此，必須盡可能在接近凝固點(diǎn)時(shí)進(jìn)行澆注，而且要在即將澆注之前進(jìn)行攪拌。