1、第四章 鑄銅合金的熔煉,第一節(jié)概述,對銅合金液的質(zhì)量要求：,（1）必須嚴格控制合金的化學成分。 （2）銅合金液要求純凈。 （3）嚴格控制熔煉溫度和澆注溫度，熔煉時間應盡量縮短。 （4）防止合金的偏析。,第一節(jié) 概述,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,一、銅合金的氧化特性,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,銅在熔煉的高溫下，很容易被空氣中的氧氧化，在銅液表面進行下列的氧化反應：反應后生成氧化亞銅（Cu2O），氧化亞銅具有二個特點：,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,（一）氧化亞銅能溶解于銅液中,氧化亞銅在銅液表面生成后，能不斷溶解于銅液中。隨著溫度的下降，氧化亞銅和相在1066時形成Cu2O共晶體，共晶體（Cu2O）分

2、布在晶粒邊界處。,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,析出的Cu2O對純銅及錫青銅、鉛青銅等具有很大的危害性，它比其它氧化物（如Al2O3、SiO2、SnO2等）對機械性能的破壞作用更大。如果合金中含有氫，則Cu2O的危害性就更大，這是因為Cu2O與氫在凝固階段同時大量析出，并在晶界處迅速產(chǎn)生化學反應：,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,反應生成水蒸汽，在凝固過程中水蒸汽的壓力隨著晶間壓力的增大而增加。一方面導致凝固時鑄件上漲，組織疏松，氣孔大量產(chǎn)生；另一方面導致晶粒間大量顯微裂紋產(chǎn)生，晶粒間結(jié)合力大大降低，從而使純銅變得很脆。由于Cu2O存在并與氫反應而引起純銅嚴重脆化的現(xiàn)象，又稱為

3、“氫脆”。,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,（二）氧化亞銅具有很高的分解壓力,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,Cu2O的分解壓力很高，能很快地將銅合金液中的合金元素氧化，而本身被還原，如：生成的氧化物懸浮彌散在銅液中，危害性較大。,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,二、銅合金的脫氧,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,（一）脫氧的基本原理及脫氧劑的選用,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,1、脫氧的基本原理,所謂“脫氧”，就是使溶解在金屬液中的氧化物還原的過程。 銅合金的脫氧就是使銅液中的氧化亞銅還原的過程。加入一種與氧親和力比銅與氧親和力更大的元素，將氧化亞銅中的銅還原出來，生成的脫氧產(chǎn)物上浮至液面而被排

4、除的過程，稱為“脫氧”。加入銅合金液中能使其中氧化亞銅還原的物質(zhì)，稱為“脫氧劑”。,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,2、脫氧劑的選用,對銅合金脫氧劑提出以下要求： （1）脫氧劑的氧化物分解壓力應小于氧化亞銅，其氧化物分解壓力值與Cu2O分解壓力值相差愈大，脫氧反應進行得愈完全，愈迅速。 （2）加入的脫氧劑，應對銅合金性能無害，加入的脫氧劑除了大部分與Cu2O互相作用進行脫氧而消耗外，會有微量殘留在銅液中。 （3）脫氧劑的反應產(chǎn)物應不溶解于合金液，易于凝聚、上浮而被除去。 （4）脫氧劑要價格便宜，來源廣。,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,3、脫氧的幾種方法,根據(jù)脫氧劑的不同性能，銅合金脫氧的方法有三種： （

5、1）沉淀脫氧：加入的脫氧劑能溶解于銅合金液中，使脫氧反應在整個溶池內(nèi)進行，這種脫氧速度快，脫氧徹底。 （2）擴散脫氧：有些脫氧劑不溶解于銅合金液中，脫氧反應僅在銅合金液界面上進行，由于Cu2O需不斷向界面擴散才能脫氧，故稱為擴散脫氧。 （3）沸騰脫氧：所使用的脫氧劑能與氧作用，產(chǎn)生不溶解于銅液的CO氣體，由于CO氣體產(chǎn)生后能立即很快上升，因此引進合金液激烈翻騰，故稱為沸騰脫氧。,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,（二）磷脫氧的原理及工藝,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,1、磷脫氧的原理,當磷銅加入銅液后，脫氧反應即在整個精密儀器池內(nèi)進行，其脫氧反應如下： 第一階段：磷蒸汽（磷沸點為280）立即與銅液中Cu2

6、O作用： 反應生成的P2O5沸點為347，在銅液中呈氣態(tài)，故生成后立即以氣泡形式上升，一部分P2O5氣泡逸至液面外，另一部分P2O5氣泡在上升過程中繼續(xù)與銅液中的Cu2O起反應。,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,反應第二階段：當Cu2O含量較高，磷蒸汽逸出較緩慢時，磷也可直接與Cu2O作用生成偏磷酸銅（CuPO3）：生成的CuPO3熔點低，比重小，在銅液中呈球狀液體，很易聚集和上浮。,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,2、磷銅脫氧工藝要點,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,（1）磷加入量的確定,如磷的加入量過多，則銅合金液中殘余含磷量過高，會促使銅合金液與鑄型中水蒸汽起反應： 反應生成的氫很快溶解在銅合金液中，因而

7、增加了鑄件的針孔度，這種現(xiàn)象又稱為“鑄型反應”。 砂型鑄造時加入0.030.04%的磷，金屬型鑄造時加入0.050.06%的磷，不僅能較完全脫氧，而鑄型反應也很弱，采用氧化法熔煉的錫青銅中，磷的加入量可比其它銅合金高一些，當錫青銅采用金屬型鑄造時可加到0.070.1%的磷。,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,（2）磷銅加入工藝,磷銅常分二次加入。第一次是純銅熔化后，銅液溫度達11501200時，加入磷銅總量的2/3，其主要目的是把純銅中的Cu2O還原，然后再加其它合金元素，避免這些元素被純銅中的Cu2O氧化，從而減少了元素氧化燒損和氧化夾雜物的含量。第二次是在澆注前加入剩余的

8、1/3磷銅，起輔助脫氧和精煉的作用。,第二節(jié)銅合金的氧化及脫氧,第三節(jié)銅合金的吸氣及除氣精煉,熔煉銅合金時爐氣中的氣體有氫、氧、氮、一氮化碳、二氧化碳、二氧化硫、水蒸汽等。這些氣體有的能使合金氧化（如氧、水蒸汽等），有的（氫、氧、二氧化硫）能溶解在銅液中，使合金產(chǎn)生氣孔。,第三節(jié)銅合金的吸氣及除氣精煉,一、氣體在銅合金中溶解的特性,溶解在銅合金中的氣體有氫、氧、二氧化硫等幾種，溶解于銅合金液中的H和O，凝固時析出結(jié)合成水蒸汽分子形成汽泡，所以，水蒸汽和氫是銅合金形成氣孔的主要原因。,第三節(jié)銅合金的吸氣及除氣精煉,1、氫,銅在1084.5（液態(tài)）時，氫的分壓達0.11大氣壓時就足夠產(chǎn)生氫氣泡的條

9、件，如何氣泡來不及逸出，即成為銅合金中的氫氣孔，所以銅合金要貫徹“快速熔煉”的原則。,第三節(jié)銅合金的吸氣及除氣精煉,第三節(jié)銅合金的吸氣及除氣精煉,2、水蒸汽,銅液中有0.39%O存在的條件下，氫分壓約為0.00074大氣壓，就能夠產(chǎn)生水蒸汽氣泡，與銅液中純氫形成氣泡相比，水蒸汽更容易生成氣泡。所以，銅液面上水蒸汽分壓愈低，H和O在銅液中的溶解度也愈低，在凝固過程中從銅液中析出H和O的數(shù)量也愈少，若達不到760毫米汞柱，就不會形成水蒸汽氣泡。,第三節(jié)銅合金的吸氣及除氣精煉,3、二氧化硫,二氧化硫能溶解在銅液中，并能與銅迅速作用生成硫化亞銅（Cu2S）: Cu2S在凝固時析出在晶界上，成為有害的夾

10、雜物，導致合金熱脆性的產(chǎn)生，如同時存在Cu2S，則生成SO2，錄來不及逸出則成為氣孔。,第三節(jié)銅合金的吸氣及除氣精煉,4、一氧化碳與二氧化碳,CO和CO2在銅液中溶解度很微小，同時，凝固時它們?nèi)芙舛茸兓埠苄。虼藢︺~合金危害性不大，CO能使Cu2O還原，但對大部分銅合金液不起作用，可視為中性氣體。,第三節(jié)銅合金的吸氣及除氣精煉,二、除氣、精煉原理及方法,第三節(jié)銅合金的吸氣及除氣精煉,生產(chǎn)中經(jīng)常采用的除氣方法有：氧化法除氣；吹氮除氣；氯化鋅除氣；沸騰除氣等。,第三節(jié)銅合金的吸氣及除氣精煉,（一）氧化法除氣,第三節(jié)銅合金的吸氣及除氣精煉,1、氧化法除氣的原理,氧化法除氣就是利用銅合金中氫、氧濃度

11、間互相制約關(guān)系，首先增加銅液中氧含量，以達到盡可能排除氫，然后再進行充分脫氧，脫氧后立即進行澆注，從而使脫氧和除氣這樣兩個互相矛盾的過程，在一定條件下得到統(tǒng)一，達到既除氣又脫氧的目的。,第三節(jié)銅合金的吸氣及除氣精煉,第三節(jié)銅合金的吸氣及除氣精煉,2、增加銅液中含氧量的方法,（1）控制爐氣為氧化性：即盡量增加爐氣中氧的濃度，提高氧的分壓力，從而增加氧在銅液中的溶解度，提高銅液中氧的濃度。 （2）加入氧化性熔劑。,第三節(jié)銅合金的吸氣及除氣精煉,（二）吹氮除氣,通過向銅合金液中吹氮除去其中氫的方法，稱為吹氮除氣法。 氮既不溶于銅，在熔煉銅合金的溫度下也不與銅發(fā)生化學反應，因此當大量的氮氣泡通過合金液

12、時，隨著氮氣泡的上浮和熔液的攪動，原來溶于精密儀器液中的氫就可能跟著上浮至液面。,第三節(jié)銅合金的吸氣及除氣精煉,第三節(jié)銅合金的吸氣及除氣精煉,（三）氯鹽和氯化物除氣,氯鹽和氯化物對于含鋁的銅合金（如鋁青銅）也同樣具有除氣的作用。 生產(chǎn)中經(jīng)常使用的氯化氯化鋅（ZnCl2），其加入量為銅合金液重量的0.10.15%，氯化鋅一般在熔煉后期加入銅液中，既能除氣，又能吸附銅液中懸浮的氧化鋁夾雜，因此具有精煉作用。,第三節(jié)銅合金的吸氣及除氣精煉,（四）沸騰法除氣,對于黃銅（高鋅銅合金）可采用沸騰法除氣，這是由于鋅的蒸汽壓高，且隨溫度的升高而增高，當超過鋅的沸點（907）后，蒸汽壓急劇增至超過大氣壓力，這時

13、鋅蒸汽泡大量逸出，從而引起銅合金液的激烈沸騰。由于銅合金液沸騰和鋅蒸汽泡逸出的機械攪動作用，使得溶解在銅合金液中的氣體被排除。,第三節(jié)銅合金的吸氣及除氣精煉,（五）真空除氣,在真空條件下，由于銅液表面的氣壓極低因此原來深于銅液中的氫等氣體，很容易逸出銅液。,第三節(jié)銅合金的吸氣及除氣精煉,第四節(jié)銅合金的熔劑,銅合金熔煉時所用的熔劑有覆蓋劑和精煉劑兩種。覆蓋劑主要是為了防止銅合金中合金元素的氧化、蒸發(fā)和吸氣。精煉劑主要是為了除去銅合金中各種氯化夾雜。,第四節(jié)銅合金的熔劑,一、覆蓋熔劑,銅合金常用的覆蓋劑有木炭、玻璃、硼砂、蘇打等。,第四節(jié)銅合金的熔劑,（一）木炭,木炭的主要作用是防止氯化，脫氧和保

14、溫。 木炭覆蓋在合金液表面后，能立即燃燒生成還原性氣體CO，CO產(chǎn)生在木炭與合金液表面間，成為合金液的保護氣膜，從而阻止合金液進一步氧化；同時覆蓋液面的木炭還能使銅液中的Cu2O還原（即擴散脫氧），因而也起到輔助脫氧作用；具有一定厚度的木炭層也能阻止氣體的溶解和減少合金液中熱量的散失。,（二）玻璃,第四節(jié)銅合金的熔劑,二、精煉熔劑,銅合金中的精煉劑又稱為精煉熔劑，其主要作用是除去銅合金液中不溶性氧化夾雜。,第四節(jié)銅合金的熔劑,精煉原理：在銅合金中加入堿性熔劑造渣。由于堿性熔劑與酸性氧化物作用后生成低熔點的復鹽，這些復鹽不僅熔點低，而且比重小，易于聚集和上浮，因此很容易進入熔渣中被排除。常用的堿

15、性精煉劑有蘇打、冰晶石（Na3AlF6）、碳酸鈣（CaCO3）、螢石及硼砂等。以下為各堿性熔劑在銅合金液中的精煉反應：,第四節(jié)銅合金的熔劑,（1）除去Al2O3氧化夾雜物,生成的Na2Al2O4熔點較低，可上浮至液面，成為熔渣除去。 CaO上浮于渣中，AlF3升華逸出銅液表面。,第四節(jié)銅合金的熔劑,（2）除去SnO2氧化夾雜物,（3）除去SiO2氧化夾雜物,第四節(jié)銅合金的熔劑,第五節(jié)銅合金熔煉工藝,一、銅合金熔煉一般原則,第五節(jié)銅合金熔煉工藝,（1）作好材料管理。所有金屬爐料必須進行表面處理和預熱，熔劑必須焙燒、預熔（如ZnCl2），坩堝加料前需預熱至暗紅色（600700），方可投料熔化。,第五節(jié)銅合金熔煉工藝,（2）注意加料順序。加料順序一般先熔化純銅，熔化后用磷銅脫氧，均勻攪拌后，再加入難熔的和不易氧化的金屬如鐵、硅、錳或其中間合金以及回爐料，待這些爐料熔化后再加入鋅、錫、鉛、鋁等低熔點、易氧化和蒸發(fā)的金屬料，加入時應壓入銅液下攪拌均勻。在澆注前，有時還要加入少量磷銅來提高銅合金液的流動性。,第五節(jié)銅合金熔煉工藝,（3）采用快速熔煉。因銅合金液氧化、吸氣嚴重，應貫徹“快速熔煉”的原則。即整個熔煉過程采用高溫熔化，爐料要充分預熱，