南昌航空工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院  聶小武

【摘要】詳細(xì)介紹了鑄造用純銅及青銅、黃銅等主要銅合金的熔煉工藝, 提出了實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)注意的問題, 供同行參考。

鑄造用純銅及銅合金是有色金屬中重要的一類, 在實(shí)際生產(chǎn)中運(yùn)用較廣。常用的銅合金按照成分不同主要分為兩大類, 即鑄造黃銅和鑄造青銅。無論是砂型鑄造還是熔模鑄造, 熔煉都是鑄造生產(chǎn)中至關(guān)重要的一環(huán),各種銅合金的熔煉有相同之處, 又有不同之處, 在多年的生產(chǎn)實(shí)踐中, 我們總結(jié)了純銅及銅合金主要為青銅和黃銅的熔煉工藝經(jīng)驗(yàn), 供有關(guān)人員參考。

一、純銅的熔煉

所用的熔煉設(shè)備中頻感應(yīng)電爐、熱電偶、澆包和石墨柑禍等。

(1)先將柑禍預(yù)熱至暗紅色, 在增禍底加一層厚度約為30-50mm的干燥木炭或覆蓋劑(60%硼砂十37%碎玻璃), 再依次加人邊角余料、廢塊和棒料, 最后加純銅。

(2)補(bǔ)加的合金元素可放在爐臺上預(yù)熱, 嚴(yán)禁冷料加人液態(tài)金屬中。整個(gè)熔化過程中應(yīng)經(jīng)?；顒?dòng)爐料, 以防搭橋。

(3)升溫使合金全部熔化合金全熔后, 溫度達(dá)到1200一1220℃時(shí), 加入占合金液重量0.3%一0,4%的磷銅脫氧, 磷與氧化亞銅發(fā)生下列反應(yīng)

生成的P2O5氣體從合金中逸出, 磷酸銅可浮于液面, 扒渣去除, 達(dá)到脫氧的目的。另外, 在脫氧的過程中需不斷攪拌。最后扒渣出爐, 合金液的澆注溫度一般為1100一1200℃

二、黃銅的熔煉

以鋅為主要合金元素的銅基合金為黃銅, 分為普通黃銅和特殊黃銅兩類。普通黃銅是銅和鋅組成的兩元合金, 主要用于壓力加工。在普通黃銅的基礎(chǔ)加人其他合金元素如硅、鋁、錳、鉛、鐵和鎳等, 便成為特殊黃銅。鑄造黃銅大多是特殊黃銅。

1、合金的配料及金屬爐料要求

對于銅合金的化學(xué)成分, 由于主要成分變化范圍較大, 因此在配料計(jì)算的過程中, 應(yīng)根據(jù)其性能要求, 選擇適當(dāng)?shù)呐淞铣煞?。合金的化學(xué)成分應(yīng)符合GB1176-1987, 幾種常用的黃銅熔煉配料化學(xué)成分按表1進(jìn)行,并要求爐料應(yīng)干燥、清潔, 有污物銹蝕時(shí)應(yīng)進(jìn)行吹砂清理。

2、爐料配比

按照一般的配料慣例, 新料成分占爐料的總重量應(yīng)≥30%, 回爐料≤70%。但在實(shí)際生產(chǎn)中,我們考慮到銅合金的回爐料較多, 在爐料的配比時(shí)回爐料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥90%時(shí), 熔化質(zhì)量依然很好, 化學(xué)光譜分析證明鑄件的成分合格, 但回爐料較多時(shí)需考慮合金中的雜質(zhì)是否超標(biāo)。

3、熔煉前的準(zhǔn)備

(1)金屬爐料的準(zhǔn)備①回爐料是同牌號的廢鑄件、澆冒及重熔鑄錠, 需要具有明確的化學(xué)成分。入爐前吹砂清除表面污物, 經(jīng)預(yù)熱后裝爐首批冷爐熔化可隨爐預(yù)熱。②純銅經(jīng)吹砂去除污物, 在500一550℃預(yù)熱去除水分后才能裝爐首批冷爐熔化可隨爐預(yù)熱。③純金屬元素人爐前可在爐邊預(yù)熱。金屬爐料的最大塊度不應(yīng)超過坩堝直徑的1/3, 長度不應(yīng)超過坩堝深度的4/5。

（2）坩堝和熔煉設(shè)備及工具的準(zhǔn)備

①坩堝使用前應(yīng)無裂紋和影響安全的其他損傷, 新坩堝必須經(jīng)過低溫緩慢加熱處理, 以防產(chǎn)生裂紋舊坩堝應(yīng)將內(nèi)表面的熔渣清理干凈②用新石墨坩堝及更換熔煉合金種類時(shí),熔煉前坩堝應(yīng)熔化同牌號系列合金進(jìn)行洗爐。③用耐火材料及石墨做成的攪拌棒必須徹底清理掉殘余涂料和銹跡, 并涂敷一層耐火材料或刷涂料后烘干待用。④錠模在使用前必須徹底清理干凈, 敷涂料后預(yù)熱至100-150℃待用

4、覆蓋劑及熔劑的準(zhǔn)備

(1）木炭應(yīng)裝人密封的烘箱內(nèi), 在不低于800℃烘烤4h,  待用時(shí)要防止吸潮。

(2)覆蓋劑由63%硼砂+37%碎玻璃組成, 也可用干燥木炭作覆蓋劑, 但均要求干燥并去除其中的雜物。

5、合金熔煉工藝過程

（1）先將坩堝預(yù)熱至暗紅色, 并在其底部加入20-40厚木炭。

（2）加人純銅并在迅速升溫熔化后, 按先熔點(diǎn)高后熔點(diǎn)低的順序加入中間合金（如有配入時(shí)）, 最后再加回爐料, 同時(shí)應(yīng)補(bǔ)加木炭, 以保證合金液面不暴露在空氣中。

（3）熔煉黃銅一般也需要進(jìn)行脫氧, 待銅全部熔化后,溫度達(dá)1150-1200℃時(shí)加入磷銅以占銅液重量的（以P占銅液重量的0.04-0.06計(jì)算）進(jìn)行脫氧。經(jīng)脫氧與不脫氧的實(shí)踐對比, 脫氧后的鑄件表面質(zhì)量要優(yōu)于不脫氧的鑄件。

(4)按各合金牌號成分要求分別補(bǔ)加合金元素:在1100一1120℃加人鋁銅中間合金;在1100一1150℃停電分批加人純鋅、純鋁并攪拌。熔化硅黃銅時(shí)應(yīng)先加硅,再加鋅;熔化鉛黃銅時(shí)應(yīng)先加鋅再加鉛。鋅元素的加入溫度應(yīng)控制, 加鋅后若溫度降低可以中間送電, 當(dāng)合金液溫度高于1200℃時(shí), 不允許加鋅。

(5)出爐扒渣, 調(diào)整合金液至工藝要求溫度后, 迅速出爐澆注。合金液的澆注溫度是影響鑄件性能的重要因素。一般銅合金液的出爐溫度見表。

(6)熔煉兩種不同牌號的合金, 其化學(xué)成分有影響時(shí), 中間應(yīng)進(jìn)行洗爐。例如, 用熔煉過鋁青銅的坩堝和工具再來熔化錫青銅, 而坩堝和工具會含有鋁元素,雖然鋁在鋁青銅里是合格的成分, 但在錫青銅里卻是最有害的元素。

一般的銅合金經(jīng)過脫氧后, 即可獲得合格鑄件。但對于鋁青銅、鋁黃銅、硅青銅等, 易氧化生成高熔點(diǎn)氧Al2O3、SiO2, 使鑄件形成夾渣, 需經(jīng)過精煉才能去除, 常用精煉劑有：60%氯化鈉十40%冰晶石或20%冰晶石十20%氟石十60%氟化鈉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。

三、青銅的熔煉

鑄造青銅按成分可分為錫青銅和不含錫青銅。錫青銅是以錫為主要合金元素的銅基合金, 具有良好的耐磨

性、耐蝕性, 較好的強(qiáng)度和塑性。不含錫青銅有鋁青銅、鉛青銅和硅青銅等, 含有的主要元素不同, 如鋁青銅是以鋁為主要合金元素的銅基合金。

1、合金的配料及金屬爐料要求

幾種常用青銅合金熔煉配料成分按表進(jìn)行。

2、爐料配比

新料成分占爐料的總重量≥30%, 回爐料≤70%。

3、熔煉前的準(zhǔn)備

青銅熔煉前的準(zhǔn)備工作與黃銅熔煉的準(zhǔn)備工作相同。木炭應(yīng)裝入密封的烘箱內(nèi), 在不低于800℃烘烤4h, 待用時(shí)要防止吸潮。稻草灰應(yīng)研碎成粉末狀, 除去水分, 徹底烘干, 待用時(shí)也要注意防潮。覆蓋劑均要求干燥并去除其中的雜物。

對于合金熔煉工藝過程, 因鑄造青銅的種類較多,下面僅討論幾種典型的銅合金, 同類其他銅合金可以參考使用。

4、ZCuSn10Pb1和ZCuPb10Sn10的熔煉工藝過程

(1)先將坩堝預(yù)熱至暗紅色, 并在其底部加入20-40厚木炭。

(2)加人純銅, 迅速升溫熔化后再加人回爐料, 同時(shí)補(bǔ)加木炭, 以保證合金液面不暴露在空氣中。

(3)回爐料熔化后, 加人磷銅（一般加占爐料重0.5%, 熔化磷錫青銅時(shí)使用的磷銅可全部加入）。

(4)依次加人鋅、錫、鉛（按配料成分）, 前一種爐料完全熔化后, 再加入下一種, 并不斷攪拌合金液。

(5)調(diào)整合金液溫度在1100一1150℃。

(6)出爐打渣, 再加磷銅（一般加爐料重的0.1%）

(7)進(jìn)行脫氧, 均勻攪拌, 并在合金液表面上撒一層稻草灰, 調(diào)整合金液至工藝要求溫度(一般為1130-1180℃) 后, 迅速出爐澆注。

5、ZCuAl10Fe3和ZCuAl10FeMn2的熔煉工藝過程

(1)不能用熔化過其他牌號合金的坩堝熔化這兩種合金。

（2）把坩堝預(yù)熱至暗紅色, 加人配制好的熔劑熔劑成分：20%冰晶石十20%氟化鈣十60%氟化鈉。

（3）將預(yù)熱至200℃左右的低碳薄鋼片和回爐料同時(shí)加入, 熔化后攪拌合金, 升溫至1150-1180℃。

（4）加人合金重量0.3%的磷銅脫氧, 并補(bǔ)加熔劑。

(5)將預(yù)熱至200℃的純鋁和純錳按(配料成分)分批加人, 每加入一批, 即用攪拌棒將其壓入, 達(dá)到迅速熔融, 并不斷攪拌使成分均勻, 最后調(diào)整合金液的溫度在1120一1220℃。

（6）用稻草灰覆蓋打渣, 按工藝要求調(diào)整合金溫度（一般為1160-1200℃）后迅速出爐澆注。

四、安全事項(xiàng)

安全生產(chǎn)是鑄造行業(yè)的基本要求, 純銅及銅合金的熔煉都必須做到以下幾點(diǎn)：

（1）操作者應(yīng)穿戴好防護(hù)用品, 工作場地保持整潔, 不允許有積水和雜物。

（2）開爐前應(yīng)檢查所用設(shè)備是否完好, 如有不安全因素應(yīng)及時(shí)排除。

（3）應(yīng)仔細(xì)檢查并確認(rèn)爐料中無易爆及危險(xiǎn)物后,方能進(jìn)行預(yù)熱。

（4）熔煉澆注工具, 如攪拌棒、鐵勺、除渣工具等, 未經(jīng)預(yù)熱不得與合金液接觸。

（5）澆注時(shí)剩余的合金液要倒人經(jīng)過預(yù)熱的錠模中, 不允許直接澆在地面上或倒回爐中。

五、熔煉中應(yīng)注愈的幾個(gè)問題

（1）熔煉時(shí)間的控制從加料開始至熔化結(jié)束合金出爐所用時(shí)間叫熔化時(shí)間, 熔化時(shí)間的長短不僅會影響生產(chǎn)率, 而且會明顯地影響澆注的鑄件質(zhì)量。因?yàn)槿刍瘯r(shí)間延長, 會使合金元素的熔煉損耗增加, 吸氣的機(jī)會增加, 因此, 應(yīng)以最短的時(shí)間完成熔化工作, 在允許的情況下, 盡量提高爐料的預(yù)熱溫度, 操作應(yīng)緊湊,動(dòng)作要迅速。

（2）熔煉用攪拌棒銅合金中的某些元素, 如鐵、鉛等在熔化時(shí)是以機(jī)械混合物的形式存在的, 還有些元素, 由于密度不同, 有產(chǎn)生密度偏析分層的趨勢。實(shí)踐證明, 這些元素在熔煉和澆注的過程中, 容易引起化學(xué)成分及力學(xué)性能不合格。要克服這種現(xiàn)象, 必須借助攪拌的作用, 這是熔化澆注不可或缺的環(huán)節(jié)。但在測溫及降溫期間, 一般不需攪拌, 而所用攪拌物的材料成分,一般宜用石墨, 這是因?yàn)? 如果使用其他的攪拌物如鐵棒, 則在攪拌的過程中鐵棒熔化, 會使合金的化學(xué)成分受到影響。同時(shí), 如果鐵棒在爐內(nèi)預(yù)熱的溫度較高或攪拌的時(shí)間較長, 鐵棒上的氧化物會進(jìn)人合金液中成為雜質(zhì)如果鐵棒預(yù)熱的溫度較低, 合金在攪拌時(shí)要粘附在鐵棒上, 這在生產(chǎn)中是能觀察到的。

（3）熔煉時(shí)覆蓋劑的使用對于銅合金熔煉來講,覆蓋劑的用量一般為用玻璃和硼砂時(shí)為爐料重量的0.8%-1.2%, 以保持覆蓋層的厚度達(dá)到10-15cm;用木炭時(shí), 用量約為爐料重量的0.5-0.7%, 以保持覆蓋層厚度達(dá)25-35cm。覆蓋劑的扒除一般在澆注前進(jìn)行, 太早會增加銅合金的氧化和吸氣。如果是用木炭作覆蓋劑, 并且擋渣效果好時(shí), 也可以不扒除覆蓋劑, 使其在澆注的過程中起到擋渣作用, 效果更為理想。