熔炼与铸造基础知识最终版

熔炼与铸造基础知识

一、铅黄铜熔炼设备介绍

铜合金熔炼过程中最突出的问题是合金元素易氧化，合金容易吸气。从获得含气量和氧化夹杂物少、化学成分均匀且合格的高质量合金液以及优质的铜合金材料角度考虑，对熔炼设备要求有：

1）可以炉料快速升温和熔化，熔炼时间短，元素烧损和吸气少，最好配有机械化设备加速炉料熔化；

2）操作简便，炉温便于调整和控制，有温度传感器及时监控炉内温度。

熔炼用熔炉有很多，下面介绍熔炼黄铜利用较普遍的熔沟式感应炉。

这种炉子优点是用工频加热，热效率高，电气设备费用少，由于熔沟中金属感生的电流密度大，加上有熔沟中金属作起熔体，热量产生在熔体的金属本身内，所以热效率高，熔化速度快，生产率高。由于感应电流不断搅动，金属液在熔沟中运动，因此合金成分和温度均匀，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牌号或间歇生产的车间，金属液沸腾，不宜熔化易氧化的合金。

二、铅黄铜HPb59-1成分介绍

我司使用HPb59-1牌号铅黄铜，各成分信息如下表：

根据铜锌二元相图，合金中锌含量小于39%时，为单相α相；锌含量在47%~50%时，为单相β′相。锌含量在39%~47%，为α、β′双相组织，铅黄铜HPb59-1锌含量正是在此范围内，而α、β二相比例可由杠杆定理计算。

理论上，铅黄铜HPb59-1锌含量在36.367%~42.2%。

设普通二元黄铜锌含量为x%。

α%=（47-x）/8；

β′%=（x-39）/8。

注：复杂黄铜的金相组织可按照锌当量系数把其他元素转化为锌元素来计算。

实际生产过程中，会由于冷却不均匀引起含锌量达不到39%的铅黄铜中也会产生β′相。冷却较快时，β向α转变来不及充分进行，使相图中整个α左移，冷却越快，左移越大。具体比例数据见下表：

α相是锌在铜中的固溶体，具有面心立方结构，有良好的塑性。β相是以电子化合物铜锌为基的固溶体，具有体心立方结构，无序的β相塑性极高，适用于热加工。β相在454℃~468℃时发生有序化转变，变为β′相，有序的β′相硬而脆，冷变形困难，容易产生冷加

工开裂现象。（习惯上我们将常温下的β′相叫做高温下的β相，因此造成理解上的困难）α相不易受腐蚀，因此在显微镜下呈现亮白色；β′相因含锌量较高容易受腐蚀，在明场下颜色较深，容易变黄或变黑。

铅黄铜中成分在国标中范围较大，但是实际生产中需要严格控制，以保证生产出铜棒的质量与后续冷热加工性能：

实际生产中微量元素建议控制范围：

三、铅黄铜精炼方式

1、除气精炼

铜合金液中溶解的气体主要是氢和氧，其余气体如氮气、水蒸气、二氧化碳、一氧化碳对铜合金不起不利作用。含气体饱和铜合金液结晶时，气体在温度降低时，溶解度下降，从合金液中析出，产生多孔铜棒，有时也会产生微裂纹。

获得含气量低的铜合金需要从减少吸气和除气精炼二方面入手。

1）减少吸气的方式有精心备料、快速熔化、采用覆盖剂。

2）除气精炼主要方式有加入精炼剂与气体形成化合物，以非金属夹杂物形式排除。

铜锌合金中，锌对铜液具有脱氧作用，故铅黄铜无需加入脱氧剂脱氧。连铸铜棒加热方式为熔沟式有芯感应炉涡流加热，故不会产生氢气。在锻压时采用天然气加热，在温度较高时，燃气燃烧不充分，会引起极少量氢气的吸入。

2、除渣精炼

熔炼过程中产生的炉渣主要是氧化渣。氧化渣的来源有熔炼过程中氧化形成的渣、炉料带来的夹杂物、搅拌工具带来的夹杂物。夹杂物直接连铸严重影响合金的加工性能和力学性能。

除渣精炼的方法：熔剂除渣，通过吸附、溶解、化合造渣等作用实现。根据氧化物夹渣的密度与金属液密度对比，可选用上熔剂法、下熔剂法或在整个金属溶体内用熔剂处理。铅黄铜密度较大，因此选用上熔剂法。

上熔剂法使用的熔剂密度比金属液小，熔池表面的熔剂与氧化物接触而进行吸附、溶解、化合造渣，于是就出现一层干净的金属层，向下移动，沉到熔池底部，同时，含氧化物较多的金属层上升与熔剂接触，此过程一直进行到整个熔池内的氧化物绝大部分被熔剂吸收为止。

实际生产过程中，为了提高除渣的效率，减少高温下金属熔炼损耗，熔剂一般2/3加入熔炉底部，剩余1/3加在表面。

精炼剂的使用量随着再利用材料的增加而增多。由于再利用材料中氧化渣较多，需要更多的精炼剂除渣。一般添加量为0.5~1%，具体按照精炼剂使用要求操作。

实际生产中，黄铜用精炼剂：HGCTJ-2。需要按照要求添加精炼剂。

3、变质处理

经过除气、除渣的铜合金，还需要添加变质剂改善材料性能，提升产品质量。

变质剂的基本要求：与合金中一种组元形成化合物，最好是主要组元。形成的化合物质点，熔点要高于合金的熔点，在合金结晶前，一游离态分散的质点均匀分布在熔融金属中。加入的变质剂元素与合金组元形成的包晶或共晶点，尽可能接近该合金的基本组元线。

变质剂的作用：

1）细化晶粒

2）使合金中高熔点化合物的粗大晶粒改变形状，并均匀分布

3）使晶界上链状低熔点化合物减少并球化，或形成细粒高熔点化合物

4）提高高温塑性。

实际生产中，铅黄铜用变质剂：0.1%稀土元素铈、0.05%混合稀土、0.01%硼等。

普通黄铜可用0.3%~0.6%Fe。

下面举例说明变质剂对合金的影响，

（1）添加B对铅黄铜HPb59-1金相影响如下：

由上可见，当B添加量在0.01%时，合金晶粒变的均匀细小，且为等轴晶。不加或者添加过多都呈现晶粒粗大，不均匀现象。

（2）进一步做力学性能试验，结果如下：

可见，抗拉强度、伸长率均有所提升。

（3）添加变质剂后保温时间对金相影响如下：

保温十分钟，金相组织最细小均匀，保温时间过长，晶粒又变的粗大。

4、另外，实际生产中，黄铜用覆盖剂：84%食盐、8%冰晶石、8%氯化钾，或木炭。在保温炉中加入，避免铜合金液重新吸气，造成铜棒气孔、裂纹等微缺陷。

四、实际生产中熔炼工艺参数控制