铸件宏观偏析和石墨漂浮成因及防止措施

王荣

宏观偏析亦称为“区域偏析”，指金属铸件中各宏观区域化学成分不均匀的现象。包括正常偏析、反常偏析和密度偏析。宏观偏析造成铸件组织和性能的不均匀性，其与金属成分、冷却速度、浇注条件等许多因素有关，虽然无法绝对避免，但可以控制在一定范围内。石墨漂浮的产生是由于碳、硅含量高，金属液冷却速度缓慢，析出多量的大径石墨，并在铸件上部偏析而集聚。石墨漂浮降低了铸件的力学性能，也影响了铸件的表面质量。笔者结合多年的生产实践经验并参阅有关资料，谈谈铸件宏观偏析和石墨漂浮的产生原因及其防止措施。

1.铸件设计

（1）铸件截面厚薄悬殊 如果金属成分按冷却较快的截面选定，则在厚截面处，由于冷却缓慢而产生偏析。

（2）砂型或砂芯中的部分区域形成热汇，将促使铸件产生局部偏析 如果在合理的厚截面中包含着一个小砂芯，则砂芯汇集了大量的热能，导致冷却速度变慢。若所选择的成分不允许如此缓慢的冷却速度，铸铁件会出现石墨漂浮。

2.浇注系统

（1）浇冒口布局不当 会促使局部区域出现热汇，使某些截面出现通常只有在更厚的截面处才会出现的缓慢冷却。例如，在靠近薄截面处设置大冒口，就会使该薄截面处的冷却速度与厚于其数倍的截面处的冷却速度相当。如果其成分是按照薄截面冷却速度设计，就会出现偏析。

（2）内浇道或冒口与铸件相连处出现局部热节 会使冷却速度降低，在铸件与内浇道及冒口颈连接的部位出现偏析。

（3）金属湍流 会打乱某截面所要求的正常冷却速度，使某些组分出现沉淀或产生偏析；如果是层流状态，则这些组分仍会溶解在液体中或处于悬浮状态。

3.型砂

如果在型砂中采用了绝热材料，使热传导变得异常缓慢，从而改变了铸件某一截面原来的冷却速度，铸件会产生偏析。如果铸件选用的化学成分变动范围很窄，而砂型舂得过分松软，或者型砂中木屑加得过多，也会引起偏析。

4.制芯

（1）油砂芯未烘透 未烘透的砂芯具有放热反应，使砂芯受热过度，在实质上改变了铸件与砂芯相邻部位的冷却速度而引起偏析。

（2）气膜起了绝热作用 例如在树脂壳芯中，这种气膜就可能改变金属截面和芯砂间的传热系数。其结果是使冷却减缓，致使原定的金属成分变得有形成偏析的危险。因此，当制芯有重大改变，则要求对金属成分进行调整。

5.造型

（1）掺入绝热材料 如掺入石棉粉或珍珠岩都会造成局部缓冷引起偏析。

（2）发热造型材料 若使用不当，将会造成局部过热，改变邻接发热材料的铸件截面的冷却速度而引起偏析。发热造型材料释放出的热量对铸件截面冷却速度产生的影响与冒口相同。

6.金属成分

（1）灰铸铁与可锻铸铁 从冷却角度来看，灰铸铁与可锻铸铁的碳当量或许偏高，这两种铸铁的共晶点很少恰好在碳当量为4.3%处。对薄壁铸件，铸造工作者不得不选用超过4.3%的碳当量，以免材料过硬。但较厚截面处可能会因此受到不良影响而产生偏析。

金属中磷含量过高也会出现上述后果，虽然磷在计算碳当量时往往不予示出，但是它对共晶的形成却有影响，磷的作用有时与相同数量的硅相等。

在碳当量高的铸铁中，如果稳定碳化物的元素不够，就会有游离碳偏析出来。

石墨化元素用量过多，除了对碳当量有明显影响外，对漂浮石墨的形成也有直接影响。

（2）球墨铸铁 除了上面讨论的各种因素外，无论是加镁处理，或是二次孕育处理时孕育剂加入量过多，都会对形成石墨漂浮产生影响。

球化处理时，如果金属液中含硫量过高，会有硫化锰和其他偏析物从金属液中析出。

铝和钛合在一起的含量超过0.1%时，会形成三元共晶碳化物的偏析物。

（3）钢 除了一些特殊的合金钢，如高硫钢或高铅钢会出现偏析外，钢一般不会出现宏观偏析。特殊用途的高铜钢，如果含铜量超过其溶解极限(约0.6%)时，也会出现偏析。

（4）铝 铝中的铜或其他合金元素加入量超过其溶解极限时，会出现宏观偏析。

7.熔炼

（1）灰铸铁和球墨铸铁 在冲天炉中熔炼的灰铸铁和球墨铸铁，如果熔炼时操作不当，会因铸铁成分的改变而产生偏析。焦炭和风量的比例不当，会造成增碳而使碳当量提高。

熔炼温度太高，会在开始熔化时就造成增碳过多，引起石墨漂浮而不合要求。出铁间隔太长，使金属液和焦炭接触时间过长而增碳。间断操作(如停风等)会造成过量增碳，形成预料不到的高碳当量。

由于炉料块度变化造成的化学成分不均匀，会使含碳量发生变化，从而造成一部分金属液中的含碳量过高，而另一部分金属液中含碳量又过低的情况。只有冲天炉炉料的尺寸和形状在合理的范围内变动，才能保证炉料的各种组分能均匀一致地熔化。加料或称料疏忽，也会造成化学成分不均匀。

（2）可锻铸铁 熔化温度过高、熔化速度太快或在还原性炉气中熔化，会形成碳当量过高，有可能直接引起晶种效应，而使漂浮石墨聚集在一起。

（3）铝 过热温度太高，会引起晶粒长大，进而诱发或出现偏析。因备料疏忽导致掺入的各种杂质超过其溶解度极限时，也会产生各种偏析物。

（4）镁 备料疏忽会掺入各种不适当的和引起偏析的杂质。

（5）黄铜和青铜 铅青铜搅拌不充分，会有铅析出。这是一个棘手的问题，因为铅不能真正溶解于铜，所以很容易析出。浇包不干净或带有渣壳，则会因污染致使成分发生变化而导致各种偏析物产生。

在对回炉料分类时，操作疏忽会使熔化的合金化学成分不符合要求。因此，对回炉料进行认真的分类是非常重要的。

8.浇注

（1）浇注温度低于饱和溶解温度 当几种合金元素的饱和溶解温度有很大差别时，即使原来的熔融金属已经充分混匀并合金化，但在浇注前金属液温度过低，也会使一些组分从熔液中析出而出现偏析。

（2）浇注温度过高 铅青铜在凝固过程中就会有铅析出。因此，必须尽可能在接近凝固点时进行浇注，而且要在即将浇注之前进行搅拌。