南昌航空工业学院材料科学与工程学院 聂小武
【摘要】详细介绍了铸造用纯铜及青铜、黄铜等主要铜合金的熔炼工艺, 提出了实际生产中应注意的问题, 供同行参考。
铸造用纯铜及铜合金是有色金属中重要的一类, 在实际生产中运用较广。常用的铜合金按照成分不同主要分为两大类, 即铸造黄铜和铸造青铜。无论是砂型铸造还是熔模铸造, 熔炼都是铸造生产中至关重要的一环,各种铜合金的熔炼有相同之处, 又有不同之处, 在多年的生产实践中, 我们总结了纯铜及铜合金主要为青铜和黄铜的熔炼工艺经验, 供有关人员参考。
一、纯铜的熔炼
所用的熔炼设备中频感应电炉、热电偶、浇包和石墨柑祸等。
(1)先将柑祸预热至暗红色, 在增祸底加一层厚度约为30-50mm的干燥木炭或覆盖剂(60%硼砂十37%碎玻璃), 再依次加人边角余料、废块和棒料, 最后加纯铜。
(2)补加的合金元素可放在炉台上预热, 严禁冷料加人液态金属中。整个熔化过程中应经常活动炉料, 以防搭桥。
(3)升温使合金全部熔化合金全熔后, 温度达到1200一1220℃时, 加入占合金液重量0.3%一0,4%的磷铜脱氧, 磷与氧化亚铜发生下列反应
生成的P2O5气体从合金中逸出, 磷酸铜可浮于液面, 扒渣去除, 达到脱氧的目的。另外, 在脱氧的过程中需不断搅拌。最后扒渣出炉, 合金液的浇注温度一般为1100一1200℃
二、黄铜的熔炼
以锌为主要合金元素的铜基合金为黄铜, 分为普通黄铜和特殊黄铜两类。普通黄铜是铜和锌组成的两元合金, 主要用于压力加工。在普通黄铜的基础加人其他合金元素如硅、铝、锰、铅、铁和镍等, 便成为特殊黄铜。铸造黄铜大多是特殊黄铜。
1、合金的配料及金属炉料要求
对于铜合金的化学成分, 由于主要成分变化范围较大, 因此在配料计算的过程中, 应根据其性能要求, 选择适当的配料成分。合金的化学成分应符合GB1176-1987, 几种常用的黄铜熔炼配料化学成分按表1进行,并要求炉料应干燥、清洁, 有污物锈蚀时应进行吹砂清理。
2、炉料配比
按照一般的配料惯例, 新料成分占炉料的总重量应≥30%, 回炉料≤70%。但在实际生产中,我们考虑到铜合金的回炉料较多, 在炉料的配比时回炉料的质量分数≥90%时, 熔化质量依然很好, 化学光谱分析证明铸件的成分合格, 但回炉料较多时需考虑合金中的杂质是否超标。
3、熔炼前的准备
(1)金属炉料的准备①回炉料是同牌号的废铸件、浇冒及重熔铸锭, 需要具有明确的化学成分。入炉前吹砂清除表面污物, 经预热后装炉首批冷炉熔化可随炉预热。②纯铜经吹砂去除污物, 在500一550℃预热去除水分后才能装炉首批冷炉熔化可随炉预热。③纯金属元素人炉前可在炉边预热。金属炉料的最大块度不应超过坩埚直径的1/3, 长度不应超过坩埚深度的4/5。
（2）坩埚和熔炼设备及工具的准备
①坩埚使用前应无裂纹和影响安全的其他损伤, 新坩埚必须经过低温缓慢加热处理, 以防产生裂纹旧坩埚应将内表面的熔渣清理干净②用新石墨坩埚及更换熔炼合金种类时,熔炼前坩埚应熔化同牌号系列合金进行洗炉。③用耐火材料及石墨做成的搅拌棒必须彻底清理掉残余涂料和锈迹, 并涂敷一层耐火材料或刷涂料后烘干待用。④锭模在使用前必须彻底清理干净, 敷涂料后预热至100-150℃待用
4、覆盖剂及熔剂的准备
(1）木炭应装人密封的烘箱内, 在不低于800℃烘烤4h, 待用时要防止吸潮。
(2)覆盖剂由63%硼砂+37%碎玻璃组成, 也可用干燥木炭作覆盖剂, 但均要求干燥并去除其中的杂物。
5、合金熔炼工艺过程
（1）先将坩埚预热至暗红色, 并在其底部加入20-40厚木炭。
（2）加人纯铜并在迅速升温熔化后, 按先熔点高后熔点低的顺序加入中间合金（如有配入时）, 最后再加回炉料, 同时应补加木炭, 以保证合金液面不暴露在空气中。
（3）熔炼黄铜一般也需要进行脱氧, 待铜全部熔化后,温度达1150-1200℃时加入磷铜以占铜液重量的（以P占铜液重量的0.04-0.06计算）进行脱氧。经脱氧与不脱氧的实践对比, 脱氧后的铸件表面质量要优于不脱氧的铸件。
(4)按各合金牌号成分要求分别补加合金元素:在1100一1120℃加人铝铜中间合金;在1100一1150℃停电分批加人纯锌、纯铝并搅拌。熔化硅黄铜时应先加硅,再加锌;熔化铅黄铜时应先加锌再加铅。锌元素的加入温度应控制, 加锌后若温度降低可以中间送电, 当合金液温度高于1200℃时, 不允许加锌。
(5)出炉扒渣, 调整合金液至工艺要求温度后, 迅速出炉浇注。合金液的浇注温度是影响铸件性能的重要因素。一般铜合金液的出炉温度见表。
(6)熔炼两种不同牌号的合金, 其化学成分有影响时, 中间应进行洗炉。例如, 用熔炼过铝青铜的坩埚和工具再来熔化锡青铜, 而坩埚和工具会含有铝元素,虽然铝在铝青铜里是合格的成分, 但在锡青铜里却是最有害的元素。
一般的铜合金经过脱氧后, 即可获得合格铸件。但对于铝青铜、铝黄铜、硅青铜等, 易氧化生成高熔点氧Al2O3、SiO2, 使铸件形成夹渣, 需经过精炼才能去除, 常用精炼剂有：60%氯化钠十40%冰晶石或20%冰晶石十20%氟石十60%氟化钠（质量分数）。
三、青铜的熔炼
铸造青铜按成分可分为锡青铜和不含锡青铜。锡青铜是以锡为主要合金元素的铜基合金, 具有良好的耐磨
性、耐蚀性, 较好的强度和塑性。不含锡青铜有铝青铜、铅青铜和硅青铜等, 含有的主要元素不同, 如铝青铜是以铝为主要合金元素的铜基合金。
1、合金的配料及金属炉料要求
几种常用青铜合金熔炼配料成分按表进行。
2、炉料配比
新料成分占炉料的总重量≥30%, 回炉料≤70%。
3、熔炼前的准备
青铜熔炼前的准备工作与黄铜熔炼的准备工作相同。木炭应装入密封的烘箱内, 在不低于800℃烘烤4h, 待用时要防止吸潮。稻草灰应研碎成粉末状, 除去水分, 彻底烘干, 待用时也要注意防潮。覆盖剂均要求干燥并去除其中的杂物。
对于合金熔炼工艺过程, 因铸造青铜的种类较多,下面仅讨论几种典型的铜合金, 同类其他铜合金可以参考使用。
4、ZCuSn10Pb1和ZCuPb10Sn10的熔炼工艺过程
(1)先将坩埚预热至暗红色, 并在其底部加入20-40厚木炭。
(2)加人纯铜, 迅速升温熔化后再加人回炉料, 同时补加木炭, 以保证合金液面不暴露在空气中。
(3)回炉料熔化后, 加人磷铜（一般加占炉料重0.5%, 熔化磷锡青铜时使用的磷铜可全部加入）。
(4)依次加人锌、锡、铅（按配料成分）, 前一种炉料完全熔化后, 再加入下一种, 并不断搅拌合金液。
(5)调整合金液温度在1100一1150℃。
(6)出炉打渣, 再加磷铜（一般加炉料重的0.1%）
(7)进行脱氧, 均匀搅拌, 并在合金液表面上撒一层稻草灰, 调整合金液至工艺要求温度(一般为1130-1180℃) 后, 迅速出炉浇注。
5、ZCuAl10Fe3和ZCuAl10FeMn2的熔炼工艺过程
(1)不能用熔化过其他牌号合金的坩埚熔化这两种合金。
（2）把坩埚预热至暗红色, 加人配制好的熔剂熔剂成分：20%冰晶石十20%氟化钙十60%氟化钠。
（3）将预热至200℃左右的低碳薄钢片和回炉料同时加入, 熔化后搅拌合金, 升温至1150-1180℃。
（4）加人合金重量0.3%的磷铜脱氧, 并补加熔剂。
(5)将预热至200℃的纯铝和纯锰按(配料成分)分批加人, 每加入一批, 即用搅拌棒将其压入, 达到迅速熔融, 并不断搅拌使成分均匀, 最后调整合金液的温度在1120一1220℃。
（6）用稻草灰覆盖打渣, 按工艺要求调整合金温度（一般为1160-1200℃）后迅速出炉浇注。
四、安全事项
安全生产是铸造行业的基本要求, 纯铜及铜合金的熔炼都必须做到以下几点：
（1）操作者应穿戴好防护用品, 工作场地保持整洁, 不允许有积水和杂物。
（2）开炉前应检查所用设备是否完好, 如有不安全因素应及时排除。
（3）应仔细检查并确认炉料中无易爆及危险物后,方能进行预热。
（4）熔炼浇注工具, 如搅拌棒、铁勺、除渣工具等, 未经预热不得与合金液接触。
（5）浇注时剩余的合金液要倒人经过预热的锭模中, 不允许直接浇在地面上或倒回炉中。
五、熔炼中应注愈的几个问题
（1）熔炼时间的控制从加料开始至熔化结束合金出炉所用时间叫熔化时间, 熔化时间的长短不仅会影响生产率, 而且会明显地影响浇注的铸件质量。因为熔化时间延长, 会使合金元素的熔炼损耗增加, 吸气的机会增加, 因此, 应以最短的时间完成熔化工作, 在允许的情况下, 尽量提高炉料的预热温度, 操作应紧凑,动作要迅速。
（2）熔炼用搅拌棒铜合金中的某些元素, 如铁、铅等在熔化时是以机械混合物的形式存在的, 还有些元素, 由于密度不同, 有产生密度偏析分层的趋势。实践证明, 这些元素在熔炼和浇注的过程中, 容易引起化学成分及力学性能不合格。要克服这种现象, 必须借助搅拌的作用, 这是熔化浇注不可或缺的环节。但在测温及降温期间, 一般不需搅拌, 而所用搅拌物的材料成分,一般宜用石墨, 这是因为, 如果使用其他的搅拌物如铁棒, 则在搅拌的过程中铁棒熔化, 会使合金的化学成分受到影响。同时, 如果铁棒在炉内预热的温度较高或搅拌的时间较长, 铁棒上的氧化物会进人合金液中成为杂质如果铁棒预热的温度较低, 合金在搅拌时要粘附在铁棒上, 这在生产中是能观察到的。
（3）熔炼时覆盖剂的使用对于铜合金熔炼来讲,覆盖剂的用量一般为用玻璃和硼砂时为炉料重量的0.8%-1.2%, 以保持覆盖层的厚度达到10-15cm;用木炭时, 用量约为炉料重量的0.5-0.7%, 以保持覆盖层厚度达25-35cm。覆盖剂的扒除一般在浇注前进行, 太早会增加铜合金的氧化和吸气。如果是用木炭作覆盖剂, 并且挡渣效果好时, 也可以不扒除覆盖剂, 使其在浇注的过程中起到挡渣作用, 效果更为理想。
