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“區域偏析”，指金屬鑄件中各宏觀區域化學成分不均勻的現象。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，雖然無法絕對避免，但可以控制在一定范圍內。石墨漂浮的產生是由于碳、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性能，也影響了鑄件的表面質量。筆者結合多年的生產實踐經驗并參閱有關資料，談談鑄件宏觀偏析和石墨漂浮的產生原因及其防止措施。

1.鑄件設計

（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，由于冷卻緩慢而產生偏析。

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

2.澆注系統

（1）澆冒口布局不當 會促使局部區域出現熱匯，使某些截面出現通常只有在更厚的截面處才會出現的緩慢冷卻。例如，在靠近薄截面處設置大冒口，就會使該薄截面處的冷卻速度與厚于其數倍的截面處的冷卻速度相當。如果其成分是按照薄截面冷卻速度設計，就會出現偏析。

（2）內澆道或冒口與鑄件相連處出現局部熱節 會使冷卻速度降低，在鑄件與內澆道及冒口頸連接的部位出現偏析。

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

3.型砂

如果在型砂中采用了絕熱材料，使熱傳導變得異常緩慢，從而改變了鑄件某一截面原來的冷卻速度，鑄件會產生偏析。如果鑄件選用的化學成分變動范圍很窄，而砂型舂得過分松軟，或者型砂中木屑加得過多，也會引起偏析。

4.制芯

（1）油砂芯未烘透 未烘透的砂芯具有放熱反應，使砂芯受熱過度，在實質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。其結果是使冷卻減緩，致使原定的金屬成分變得有形成偏析的危險。因此，當制芯有重大改變，則要求對金屬成分進行調整。

5.造型

（1）摻入絕熱材料 如摻入石棉粉或珍珠巖都會造成局部緩冷引起偏析。

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

6.金屬成分

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

金屬中磷含量過高也會出現上述后果，雖然磷在計算碳當量時往往不予示出，但是它對共晶的形成卻有影響，磷的作用有時與相同數量的硅相等。

在碳當量高的鑄鐵中，如果穩定碳化物的元素不夠，就會有游離碳偏析出來。

石墨化元素用量過多，除了對碳當量有明顯影響外，對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，無論是加鎂處理，或是二次孕育處理時孕育劑加入量過多，都會對形成石墨漂浮產生影響。

球化處理時，如果金屬液中含硫量過高，會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0.1%時，會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出現偏析外，鋼一般不會出現宏觀偏析。特殊用途的高銅鋼，如果含銅量超過其溶解極限(約0.6%)時，也會出現偏析。

（4）鋁 鋁中的銅或其他合金元素加入量超過其溶解極限時，會出現宏觀偏析。

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，如果熔煉時操作不當，會因鑄鐵成分的改變而產生偏析。焦炭和風量的比例不當，會造成增碳而使碳當量提高。

熔煉溫度太高，會在開始熔化時就造成增碳過多，引起石墨漂浮而不合要求。出鐵間隔太長，使金屬液和焦炭接觸時間過長而增碳。間斷操作(如停風等)會造成過量增碳，形成預料不到的高碳當量。

由于爐料塊度變化造成的化學成分不均勻，會使含碳量發生變化，從而造成一部分金屬液中的含碳量過高，而另一部分金屬液中含碳量又過低的情況。只有沖天爐爐料的尺寸和形狀在合理的范圍內變動，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，也會造成化學成分不均勻。

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

（3）鋁 過熱溫度太高，會引起晶粒長大，進而誘發或出現偏析。因備料疏忽導致摻入的各種雜質超過其溶解度極限時，也會產生各種偏析物。

（4）鎂 備料疏忽會摻入各種不適當的和引起偏析的雜質。

（5）黃銅和青銅 鉛青銅攪拌不充分，會有鉛析出。這是一個棘手的問題，因為鉛不能真正溶解于銅，所以很容易析出。澆包不干凈或帶有渣殼，則會因污染致使成分發生變化而導致各種偏析物產生。

在對回爐料分類時，操作疏忽會使熔化的合金化學成分不符合要求。因此，對回爐料進行認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 當幾種合金元素的飽和溶解溫度有很大差別時，即使原來的熔融金屬已經充分混勻并合金化，但在澆注前金屬液溫度過低，也會使一些組分從熔液中析出而出現偏析。

（2）澆注溫度過高 鉛青銅在凝固過程中就會有鉛析出。因此，必須盡可能在接近凝固點時進行澆注，而且要在即將澆注之前進行攪拌。