反偏析是某些合金铸锭在表层一定范围内溶质浓度由外向内逐步降低或上部溶质浓度高于低部的内部缺陷。反偏析也称负偏析。与正偏析相反,是低熔点元素富集在铸锭(件)先凝固的外层的现象。这种偏析多发生在结晶范围较大的合金中:如锡青铜铸件表面出现的“锡汗”就是比较典型的反偏析,它使铸件的切削加工性能变差。
反偏析形成的原因大致是,原来铸件中心地区富集低熔点元素的液体,由于铸件凝固时发生收缩而在树枝晶之间产生空隙(此处为负压),加上温度降低使液体中的气体析出而形成压强,把铸件中心低熔点元素浓度较高的液体沿着柱状晶之间的“渠道”压至铸件的外层,形成反偏析。
反偏析(也叫逆偏析)与正偏析相反,它使易熔物质富集在铸件表面上。它是指在K0<1的合金中,虽然结晶是由外向内循序进行,但在表面层的一定范围内溶质的浓度分布却由外向内逐渐降低,恰好与正常偏析相反,放又称反常偏析,如下图所示。
Cu-Sn和AI-Cu合金是易于产生反偏析的两种典型合金,Cu-Sn 1.0%合金铸坏表面含锡量有时高达20%~25%。冷硬铸铁轧辊有时也会在表面上出现磷共晶的“汗珠”。反偏析经常在以下几种情况下产生:结晶范围宽的固溶体合金,铸坯缓慢冷却时逆偏析程度增加,枝晶粗大时易产生逆偏析,合金液含气量较高时易出现逆偏析。
产生反偏析的原因是在柱状晶能够向液体纵深伸展晶枝条件下,由于各柱状晶只有尖端孤立深入正面液体中,柱状晶之间仍残留有大量液体,这时柱状晶的成长主要依靠柱状晶之间的液体向与晶轴相垂直方向的扩散而进行,使导致正常偏析的纵向扩散降为次要地位,柱晶之间溶质浓度逐步增高。有时柱晶前端已经深入到锭的中断续续地留有未凝固的“隧道”或“暗流”,由于外部冷却收缩或凝固收缩而产生负压,柱晶之间富集着溶质或杂质的液体向外倒流。凝固后,即形成铸锭中心部分组织致密,比较纯净,而边缘组织疏松、杂质含量较高的反偏析。
铸锭结晶过程中实际凝固区的宽窄以及冷凝收缩的大小都对反偏析起重要作用。在顺序凝固条件下,凡是增加凝固区宽度的因素如液相、固相线间距大,温度梯度小等,以及凝固收缩较大的合金(如铝合金、镁合金和一些铜合金)都易出现反偏析,但在钢铁中,这种偏析一般不易出现。而钢锭的形状是上大下小,锭的底部区易于首先凝固,晶体的成分较纯、密度比较液体大,故降落于底部区域,未凝固的溶质含量较高的液体上升,凝固后形成反偏析区。
铝合金铸锭中的反偏析(其组织特征不易从显微组织辨别,只能从化学成分分析上确认)是使铸锭及其压力加工制品在力学性能和物理性能方面产生很大差异的重要原因,反偏析程度严重的区域,其化学成分甚至超出标准的规定范围,并使力学性能超标而报废。
反偏析是铝合金连续铸锭凝固过程中的一种伴生现象,无法完全避免,也不能用高温均匀化使之消除。但根据逆偏析的形成规律及影响因素,由于铝合金连续铸锭内反偏析发展的程度主要取决于过渡带的形状和尺寸,因此通过调整过渡带的形状和尺寸,可以把元素的偏析程度(注意与偏析区域的区别)控制在允许的范围内。其办法是:
(1)提高铸锭的冷却强度,或者采用低液位铸造,使结晶前沿变得比较平缓,既可以明显降低反偏析程度,也可以缩小偏析层厚度。
(2)适当降低铸造速度,使液穴变浅,既可缩小过渡带对敞露液面的倾斜角度,也可起到降低反偏析程度,缩小偏析层厚度的作用。
(3)适当提高铸造温度,有利于缩小铝基固溶体树枝晶的生成区域,减轻反偏析的程度。
(4)采用合适的铸造漏斗,均匀导流,并使它流向铸锭的边缘,可避免局部形成反偏析程度超标。