铜合金熔炼与铸锭1

铜合金熔炼与铸锭要得到合格的铜合金制品，必须先制得合格的铜、铜合金液。

故此，铜合金的熔炼和铸造是获得优质铜合金制品和材料的关键工效之一。

铜合金铸造成锭坯的常见缺陷，如力学性能不合格、气孔、氧化夹杂、偏析等。

主要原因之一是熔炼工艺控制不当造成。

所以，对铜合金液的质量有如下的要求。

①必须严格控制铜合金的化学成份，要符合国家标准规定的指标。

②铜合金液要纯净，不得含有气体和氧化物。

③铜合金液不得过烧，不得有偏析。

要获得合格的合金液，除了严格控制熔炼工艺外，首要的是要有合格的原材料。

在熔炼铜合金是所用的原材料有新金属、回炉料和中间合金。

1.1铜合金熔炼时的金属损耗和配料1、我司黄铜用料：电铜、锌锭、光亮丝、纯漆线、Q料、拉伸料、普通角料（回料）、四类搭用料。

2、我司磷铜用料：镀白磷、镀锡紫铜、普磷、普紫铜。

3、熔炼时的金属损耗金属熔炼损耗通常是指熔炼过程中，金属的挥发、氧化烧损、与炉衬作用的消耗等全部损耗的总和。

1）金属的挥发在熔炼过程中，金属的挥发是难以避免的，尤其是一些易挥发的元素有所回因挥发损失过大致使控制成份发生困难；故在熔炼工艺上应视其情况采取相应的措施。

2）氧化烧损熔融金属中合金元素的氧化烧损，与合金元素对氧的亲合力及含量有关，凡与氧的亲合力比基体金属大、表面活性强的金属，必然易烧损。

4、降低熔炼损耗的途径①用熔池面积小的炉子熔炼。

②制定合理的工艺操作规程。

易氧化、挥发的合金元素应制成中间合金在最后加入，或在溶剂覆盖下溶化。

③碎屑散料应打包。

④选用适宜的覆盖剂覆盖。

⑤正确选用溶剂，同时采取高温扒渣或捞渣，降低渣中金属损耗。

5 配料原则与配料计算1）配料原则①确定合金各组元的配料比及易耗组元的补偿量。

②在保证合金的主要成份及杂质含量合乎国家标准的前提下，尽可能少用新金属，以扩大低品位原料及回料的使用量。

③在保证合金质量的前提下，对合金中贵金属尽可能按标准的下限含量配料。

④为保证某些制品的特殊要求，在国家标准范围内科适当调整某些元素的含量，及制度生产中实际控制的内部标准。

2）配料的计算配料计算程序一般计算程序是：首先算出100Kg所需的炉料，然后再根据所需投料量乘上倍数即可。

具体计算过程如下：①确定合计的平均化学成分，铜合金一般取牌号成分的平均值。

②确定个成分的烧损率，烧损率应通过试验确定。

③球场计入烧损量的各合金元素的需要量。

④确定炉料组成。

⑤求出回炉料中各成分的重量。

⑥求出减去回炉料中各合金元素含量后尚需补充的用量。

⑦求出各中介合金的用量。

⑧求出尚需补充的新金属料的用量。

⑨核算杂质含量。

⑩写出配料单。

1.2熔炼炉的工作原理我司熔炼设备分为立式半连续炉和水平连铸炉，其工作原理一致，均为有芯工频感应电炉。

有芯工频感应电炉，这种炉子是按变压器的原理构成的，一次线圈绕于铁芯上，二次线圈时与熔池连通的环形熔沟。

当工业频率的交流电通过一次线圈时，在周围产生交流磁通，于是在作为二次线圈的金属熔沟中产生感应电动势，因而有感应电流通过，使金属加热。

这种炉子的优点是热烈产生在被熔炼的金属本身内，所以热效率高，溶化速度快，生产率高。

由于感应电流不断搅动金属液在熔沟中运动，因此合金成分和稳定均匀，质量较高。

缺点是熔沟中必须始终充满合金液，不适用于经常更换合金种类或间歇生产的车间。

其次，金属液翻腾，不宜溶化容易氧化的合金。

这种炉子适用于熔炼合金，而且最适合于连续操作、大量生产少数几种合金的铸铜车间。

熔炼铜合金时，炉子容量在0.15-50吨，最普遍是1.5吨。

1.3铜合金中杂质元素的影响1 普通黄铜中常见的杂质有铁、铅、铋、锑、磷和砷等，他们会影响黄铜的性能。

1）铁铁作为杂质，对普通黄铜的力学性能无显著影响，具有细化晶粒的作用，可提高强度和硬度。

当同时存在硅时两者形成高硬度的硅化铁杂点，使切削性能边坏。

2）铅和铋铅在黄铜中常呈颗粒状分布在晶界上的易熔共晶中，当a黄铜的铅含量大于0.03%时，黄铜在热加工中出现热脆性。

铋常呈连续的脆性薄膜分布在黄铜晶界上，产生热诚性和冷脆性。

3）锑锑亦是普通黄铜的有害杂质。

锑含量小于0.1%时就会析出脆性化合物Cu2Sb，呈网状分布在晶界上，不仅严重损害黄铜的冷加工性能，而且促使黄铜产生热脆性。

4）磷磷很少固溶于铜-锌合金中，在a黄铜中超过0.05%--0.06%磷，就会出现脆性项Cu3P，降低黄铜的塑性。

磷显著提高冷加工黄铜的再结晶温度，在退火时易产生晶粒大小不均匀现象，但少量的磷可使黄铜铸锭晶粒细化，提高黄铜的力学性能。

5）砷室温时砷在黄铜中的溶解度小于0.1%，过量则产生脆性化合物Cu3As，分布在晶界上，降低黄铜塑性。

2合金元素和杂质对锡青铜的影响1）磷磷是铜合金的良好脱氧剂，能增加锡青铜的流动性，但加大反偏析程度。

磷提高锡青铜的强度、硬度、弹性极限、弹性模量和疲劳强度。

细晶粒的锡磷青铜加工材料具有比粗晶粒加工材料更高的强度、弹性模量和疲劳强度，但塑性略低。

2）铅铅实际上不固溶于锡青铜，它以单独相存在，呈黑色夹杂物分布在枝晶之间。

铅降低锡青铜的摩擦系数，显著改善合金耐磨性和切削加工型，但降低力学性能。

3）镍在含锡量小于8%的合金固溶体中，可溶解一定数量的镍，若增加含镍量，会使合金中出现新的脆性相、降低塑性，使塑性加工性能变坏。

4）铁少量的铁可细化锡青铜的晶粒，显著延缓再结晶，提高强度和硬度。

但铁含量超过0.05%时，会出现过多的含铁相，显著降低耐蚀性，并使工艺性能变坏，加工锡青铜允许含铁量0.02%--0.05%。

5）铝、镁、硅少量的铝、镁、硅能溶入铜-锡合金的a固溶体，提高合金的力学性能。

但它们在熔铸时易氧化生产难溶氧化物，而降低锡青铜的流动性和强度。

1.4铸锭中常见缺陷及控制措施1 铸锭的缺陷分析及防止方法铸锭质量的好坏对其加工材的质量影响极大，是决定其质量优劣的先决条件。

因此分析铸锭缺陷产生的原因，找出防止和消除这些缺陷的方法，对提高产品质量是十分重要的，铸锭的缺陷主要有：化学成分废品；裂纹；夹渣和夹杂；气孔；偏析；缩孔与疏松；冷隔及表面缺陷等。

1）化学成分废品化学成分废品是铸锭的化学成分中的主成分或杂质的含量不符合GB/T5231-2001《加工铜及铜合金化学成分和产品形状》中规定的成分指标要求的铸锭。

2）裂纹铸锭中常见的裂纹有热裂纹和冷裂纹两种，铜及其合金铸锭中产生的裂纹多为热裂纹，常见的热裂纹的种类及产生原因叙述如下。

（1）表面纵向裂纹表面纵向裂纹产生原因有：①金属或合金有热脆本性；②铸锭出结晶器下口时，局部表面温度高；③局部冷却不均；④结晶器内金属液面高或使用长结晶器；⑤结晶器内套外壁上水垢较厚；⑥锭模或结晶器内套变形；⑦表面横向裂纹；（2）表面横向裂纹①合金本身高温强度差；②结晶器内表面粗糙或粘有金属，润滑不良或铸锭产生了悬挂；③结晶器安装不正或内壁变形；④结晶器内套外壁上水垢多，导热性差加上铸造速度快；⑤石墨套与铜套配合不紧密，局部冷却缓慢；⑥定模卡子不紧或内壁有裂纹；⑦铸造开始时，放流快，开车早且铸造速度快，铸锭来不及冷凝；⑧水平连铸时，停、拉时间不当；⑨铸造温度低；（3）内部裂纹①铸造速度快，铸造温度高；②水冷不均；③受合金本性的影响；④使用了过短的结晶器；⑤流管管埋入结晶器过深；（4）防止热裂纹产生的基本方法①调整合金中的主成分及限制杂质含量；②加入微量变质剂细化晶粒或使晶界某些易溶物变为高熔点化合物；③搞好脱氧去气等精炼工作；④降低铸造温度；⑤改变供流方式，如由一点供流改为铸锭周边均匀导入金属熔体；⑥降低铸造速度。

减少冷却强度，必要时采用红锭铸造；⑦力求使铸锭各部分冷却均匀；⑧适当增加结晶器的长度；3）夹渣和夹杂夹渣包括表面夹渣和内部夹渣。

它们都破坏基体的连续性，降低金属的塑性，使制品分层，降低材料的冲击韧性与疲劳强度。

产生夹渣和夹杂的原因如下所述。

（1）内因合金中含有易氧生渣的元素。

（2）外因主要有以下几点。

①除渣精炼不良，清炉不彻底，挡渣不好，扒渣不净；②润滑油或涂料过多，质量不合要求；③铸造温度低，速度快或金属液翻动厉害；④保护性气体质量不佳；⑤与铸造方式有关，如采用炉头比直接从炉中倒出来好，有漏斗比无漏斗好；⑥漏斗孔径大，漏斗中保持铜水太少；⑦炉料混杂，如H62中混入复杂黄铜时渣量显著增多；夹杂多产生在那些含高熔点元素的铜合金。

4）气孔（1）气孔的特征气孔多呈圆形或椭圆形，表面光滑，据此可与缩孔、疏松相区别。

气孔在加工过程中，将引起起皮、气泡等缺陷。

（2）气孔的种类铸锭中常出现的气孔有三种：内部气孔、表面气孔和皮下气孔。

QBe2、QSe2、QSi-1、B30等合金易出现布满整个铸锭断面的内部气孔；HPB59-1、BZn15-20的皮下气孔，多离锭表皮20-30mm且不与表面连通，呈沿柱状晶间分布的长条形。

QCd1.0等的皮下气孔常紧挨锭表皮5-10mm且多与表面缺陷相连。

锭模铸锭时，易产生表面气孔，连续铸锭时，易出现皮下气孔。

可见合金性质及含气量不同，铸锭工艺条件不同，产生的气孔类型及分布情况也各异。

（3）气孔产生的原因①内部气孔产生的原因A、炉料有油污、水分、乳浊液、铜锈、铜豆等；B、工具、新开炉炉衬干燥不彻底；C、覆盖剂、溶剂潮湿或覆盖不好；D、装料顺序不正确；E、熔炼时间过长；F、脱氧、除气不良；G、铸造温度高，速度快；H、保护性气体质量不佳；I、坩埚或浇铸管埋液面过深；②表面气孔产生的原因A、引锭头潮湿；B、模温过低，吊包、中间包等工具不干燥；C、润滑剂含水；D、锭模内壁有空洞、缝隙；③皮下气孔产生的原因A、润滑剂含水；B、水压过大会二次冷却射角大；结晶器或水冷模内套漏水；C、结晶器或水冷模内套漏水；D、铸造速度过快，气泡来不及上浮。

5）偏析（1）概述铸锭各个部分及晶粒内部成分不均的现象称为偏析。

偏析分为三种类型：晶内偏析又称枝晶偏析，即在同一个晶粒内各部分化学成分不一致；重度偏析又称重力偏析，它是沿铸锭高度上发生了成分变化；区域偏析，其中又分正偏析和反偏析。

区域偏析使铸锭外层或中部某些元素的含量，超过了合金的平均成分。

（2）偏析对铸锭质量的影响偏析对铸锭质量的影响很大，主要表现在：①由于各部分化学成分不一致，其力学性能，物理性能以及抗腐蚀性等也不同；②使加工发生困难。

如锡青铜产生反偏析，铸锭表面含锡高，增加切削量及塑性加工的困难。

（3）各种偏析的形成概况及防止方法①晶内偏析晶内偏析在凝固温度范围较大的固熔体合金较为突出，其成因是由于合金在凝固温度范围内进行选分结晶的结果，使先后形成的结晶层成分浓度不一样。

为防止晶内偏析，可采取以下措施：a. 细化晶粒，以减少晶内成分的偏差；b. 加大冷却速度以减少晶内偏析；c. 进行均匀化处理；②重度偏析这类偏析主要是由于金属液中各组成物间的密度差较大，在冷却较慢时产生了上浮或下沉而造成的。