第四章__铸铜合金的熔炼

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1、第四章第四章_铸铜合金的熔炼铸铜合金的熔炼第四章 铸铜合金的熔炼 第一节 概 述 对铜合金液的质量要求 1 必须严格控制合金的化学成分 2 铜合金液要求纯净 3严格控制熔炼温度和浇注温度熔炼时间应尽量缩短 4 防止合金的偏析 第二节 铜合金的氧化及脱氧 一铜合金的氧化特性 铜在熔炼的高温下很容易被空气中的氧氧化在铜液表面进行下列的氧化反应反应后生成氧化亚铜 Cu2O 氧化亚铜具有二个特点 一氧化亚铜能溶解于铜液中 氧化亚铜在铜液表面生成后能不断溶解于铜液中随着温度的下降氧化亚铜和 相在 1066时形成 Cu2O 共晶体共晶体 Cu2O 分布在 晶粒边界处 析出的 Cu2O 对纯铜及锡青铜铅青铜

2、等具有很大的危害性它比其它氧化物如 Al2O3SiO2SnO2 等对机械性能的破坏作用更大如果合金中含有氢则 Cu2O 的危害性就更大这是因为 Cu2O 与氢在凝固阶段同时大量析出并在晶界处迅速产生化学反应 反应生成水蒸汽在凝固过程中水蒸汽的压力随着晶间压力的增大而增加一方面导致凝固时铸件上涨组织疏松气孔大量产生另一方面导致晶粒间大量显微裂纹产生晶粒间结合力大大降低从而使纯铜变得很脆由于 Cu2O 存在并与氢反应而引起纯铜严重脆化的现象又称为氢脆 二氧化亚铜具有很高的分解压力 Cu2O 的分解压力很高能很快地将铜合金液中的合金元素氧化而本身被还原如生成的氧化物悬浮弥散在铜液中危害性较大 二铜合

3、金的脱氧 一脱氧的基本原理及脱氧剂的选用 1 脱氧的基本原理 所谓脱氧就是使溶解在金属液中的氧化物还原的过程 铜合金的脱氧就是使铜液中的氧化亚铜还原的过程加入一种与氧亲和力比铜与氧亲和力更大的元素将氧化亚铜中的铜还原出来生成的脱氧产物上浮至液面而被排除的过程称为脱氧加入铜合金液中能使其中氧化亚铜还原的物质称为脱氧剂 2 脱氧剂的选用 对铜合金脱氧剂提出以下要求 1 脱氧剂的氧化物分解压力应小于氧化亚铜其氧化物分解压力值与 Cu2O 分解压力值相差愈大脱氧反应进行得愈完全愈迅速 2 加入的脱氧剂应对铜合金性能无害加入的脱氧剂除了大部分与 Cu2O 互相作用进行脱氧而消耗外会有微量残留在铜液中 3

4、 脱氧剂的反应产物应不溶解于合金液易于凝聚上浮而被除去 4 脱氧剂要价格便宜来源广 3 脱氧的几种方法 根据脱氧剂的不同性能铜合金脱氧的方法有三种 1 沉淀脱氧加入的脱氧剂能溶解于铜合金液中使脱氧反应在整个溶池内进行这种脱氧速度快脱氧彻底 2 扩散脱氧有些脱氧剂不溶解于铜合金液中脱氧反应仅在铜合金液界面上进行由于 Cu2O 需不断向界面扩散才能脱氧故称为扩散脱氧 3 沸腾脱氧所使用的脱氧剂能与氧作用产生不溶解于铜液的 CO 气体由于 CO 气体产生后能立即很快上升因此引进合金液激烈翻腾故称为沸腾脱氧 二磷脱氧的原理及工艺 1 磷脱氧的原理 当磷铜加入铜液后脱氧反应即在整个精密仪器池内进行其脱氧

5、反应如下 第一阶段磷蒸汽磷沸点为 280立即与铜液中 Cu2O作用 反应生成的 P2O5 沸点为 347在铜液中呈气态故生成后立即以气泡形式上升一部分 P2O5 气泡逸至液面外另一部分 P2O5 气泡在上升过程中继续与铜液中的 Cu2O 起反应 反应第二阶段当 Cu2O 含量较高磷蒸汽逸出较缓慢时磷也可直接与 Cu2O 作用生成偏磷酸铜 CuPO3生成的 CuPO3 熔点低比重小在铜液中呈球状液体很易聚集和上浮 2 磷铜脱氧工艺要点 1 磷加入量的确定 如磷的加入量过多则铜合金液中残余含磷量过高会促使铜合金液与铸型中水蒸汽起反应 反应生成的氢很快溶解在铜合金液中因而增加了铸件的针孔度这种现象又

6、称为铸型反应 砂型铸造时加入 003004 的磷金属型铸造时加入 005006 的磷不仅能较完全脱氧而铸型反应也很弱采用氧化法熔炼的锡青铜中磷的加入量可比其它铜合金高一些当锡青铜采用金属型铸造时可加到 00701 的磷 2 磷铜加入工艺 磷铜常分二次加入第一次是纯铜熔化后铜液温度达 11501200时加入磷铜总量的 23 其主要目的是把纯铜中的 Cu2O 还原然后再加其它合金元素避免这些元素被纯铜中的 Cu2O 氧化从而减少了元素氧化烧损和氧化夹杂物的含量第二次是在浇注前加入剩余的 13 磷铜起辅助脱氧和精炼的作用 第三节 铜合金的吸气及除气精炼 熔炼铜合金时炉气中的气体有氢氧氮一氮化碳二氧化

7、碳二氧化硫水蒸汽等这些气体有的能使合金氧化如氧水蒸汽等有的氢氧二氧化硫能溶解在铜液中使合金产生气孔 一气体在铜合金中溶解的特性 溶解在铜合金中的气体有氢氧二氧化硫等几种溶解于铜合金液中的H和O凝固时析出结合成水蒸汽分子形成汽泡所以水蒸汽和氢是铜合金形成气孔的主要原因 1 氢 铜在 10845液态时氢的分压 达 011 大气压时就足够产生氢气泡的条件如何气泡来不及逸出即成为铜合金中的氢气孔所以铜合金要贯彻快速熔炼的原则 2 水蒸汽 铜液中有 039O存在的条件下氢分压约为 000074 大气压就能够产生水蒸汽气泡与铜液中纯氢形成气泡相比水蒸汽更容易生成气泡所以铜液面上水蒸汽分压愈低H和O在铜液中

8、的溶解度也愈低在凝固过程中从铜液中析出H和O的数量也愈少若达不到 760 毫米汞柱就不会形成水蒸汽气泡 3 二氧化硫 二氧化硫能溶解在铜液中并能与铜迅速作用生成硫化亚铜 Cu2S Cu2S 在凝固时析出在晶界上成为有害的夹杂物导致合金热脆性的产生如同时存在 Cu2S 则生成 SO2 录来不及逸出则成为气孔 4 一氧化碳与二氧化碳 CO 和 CO2 在铜液中溶解度很微小同时凝固时它们溶解度变化也很小因此对铜合金危害性不大 CO 能使 Cu2O 还原但对大部分铜合金液不起作用可视为中性气体 二除气精炼原理及方法 生产中经常采用的除气方法有氧化法除气吹氮除气氯化锌除气沸腾除气等 一氧化法除气 1 氧

9、化法除气的原理 氧化法除气就是利用铜合金中氢氧浓度间互相制约关系首先增加铜液中氧含量以达到尽可能排除氢然后再进行充分脱氧脱氧后立即进行浇注从而使脱氧和除气这样两个互相矛盾的过程在一定条件下得到统一达到既除气又脱氧的目的 2 增加铜液中含氧量的方法 1 控制炉气为氧化性即尽量增加炉气中氧的浓度提高氧的分压力从而增加氧在铜液中的溶解度提高铜液中氧的浓度 2 加入氧化性熔剂 二吹氮除气 通过向铜合金液中吹氮除去其中氢的方法称为吹氮除气法 氮既不溶于铜在熔炼铜合金的温度下也不与铜发生化学反应因此当大量的氮气泡通过合金液时随着氮气泡的上浮和熔液的搅动原来溶于精密仪器液中的氢就可能跟着上浮至液面 三氯盐和

10、氯化物除气 氯盐和氯化物对于含铝的铜合金如铝青铜也同样具有除气的作用 生产中经常使用的氯化氯化锌 ZnCl2 其加入量为铜合金液重量的 01015 氯化锌一般在熔炼后期加入铜液中既能除气又能吸附铜液中悬浮的氧化铝夹杂因此具有精炼作用 四沸腾法除气 对于黄铜高锌铜合金可采用沸腾法除气这是由于锌的蒸汽压高且随温度的升高而增高当超过锌的沸点 907后蒸汽压急剧增至超过大气压力这时锌蒸汽泡大量逸出从而引起铜合金液的激烈沸腾由于铜合金液沸腾和锌蒸汽泡逸出的机械搅动作用使得溶解在铜合金液中的气体被排除 五真空除气 在真空条件下由于铜液表面的气压极低因此原来深于铜液中的氢等气体很容易逸出铜液 第四节 铜合金

11、的熔剂 铜合金熔炼时所用的熔剂有覆盖剂和精炼剂两种覆盖剂主要是为了防止铜合金中合金元素的氧化蒸发和吸气精炼剂主要是为了除去铜合金中各种氯化夹杂 一覆盖熔剂 铜合金常用的覆盖剂有木炭玻璃硼砂苏打等 一木炭 木炭的主要作用是防止氯化脱氧和保温 木炭覆盖在合金液表面后能立即燃烧生成还原性气体COCO 产生在木炭与合金液表面间成为合金液的保护气膜从而阻止合金液进一步氧化同时覆盖液面的木炭还能使铜液中的 Cu2O 还原即扩散脱氧因而也起到辅助脱氧作用具有一定厚度的木炭层也能阻止气体的溶解和减少合金液中热量的散失 二精炼熔剂 铜合金中的精炼剂又称为精炼熔剂其主要作用是除去铜合金液中不溶性氧化夹杂 精炼原理

12、在铜合金中加入碱性熔剂造渣由于碱性熔剂与酸性氧化物作用后生成低熔点的复盐这些复盐不仅熔点低而且比重小易于聚集和上浮因此很容易进入熔渣中被排除常用的碱性精炼剂有苏打冰晶石 Na3AlF6 碳酸钙 CaCO3 萤石及硼砂等以下为各碱性熔剂在铜合金液中的精炼反应 1 除去 Al2O3 氧化夹杂物 生成的Na2Al2O4 熔点较低可上浮至液面成为熔渣除去 CaO 上浮于渣中 AlF3 升华逸出铜液表面 2 除去 SnO2 氧化夹杂物 第五节 铜合金熔炼工艺 一铜合金熔炼一般原则 1 作好材料管理所有金属炉料必须进行表面处理和预热熔剂必须焙烧预熔如 ZnCl2 坩埚加料前需预热至暗红色 600700方可

13、投料熔化 2 注意加料顺序加料顺序一般先熔化纯铜熔化后用磷铜脱氧均匀搅拌后再加入难熔的和不易氧化的金属如铁硅锰或其中间合金以及回炉料待这些炉料熔化后再加入锌锡铅铝等低熔点易氧化和蒸发的金属料加入时应压入铜液下搅拌均匀在浇注前有时还要加入少量磷铜来提高铜合金液的流动性 3 采用快速熔炼因铜合金液氧化吸气严重应贯彻快速熔炼的原则即整个熔炼过程采用高温熔化炉料要充分预热料块要小加料要迅速铜合金液在炉内停留时间要短达到出炉温度后应尽快浇注 4 防止吸收气体除采用快速熔炼外熔化最好在中性稍带有氯化性的炉气中进行其特征是火焰白色无烟5 炉前检验铜合金在出炉以前需要进行含气量试验弯曲试验和断口检查重要铸件需

14、进行炉前化学分析 6 严格控制温度应防止铜合金液过热浇注前应将熔渣敀净充分搅拌7 熔炼不同各类铜合金时使用的坩埚和炉体应尽可能分开或者彻底进行洗炉 第三节 铜合金的吸气及除气精炼 第三节 铜合金的吸气及除气精炼 第三节 铜合金的吸气及除气精炼 第三节 铜合金的吸气及除气精炼 第三节 铜合金的吸气及除气精炼 第三节 铜合金的吸气及除气精炼 第三节 铜合金的吸气及除气精炼 第三节 铜合金的吸气及除气精炼 第三节 铜合金的吸气及除气精炼 第三节 铜合金的吸气及除气精炼 第三节 铜合金的吸气及除气精炼 第三节 铜合金的吸气及除气精炼 第三节 铜合金的吸气及除气精炼 第四节 铜合金的熔剂 第四节 铜合金

15、的熔剂 二玻璃 第四节 铜合金的熔剂 第四节 铜合金的熔剂 第四节 铜合金的熔剂 第四节 铜合金的熔剂 3 除去 SiO2 氧化夹杂物 第四节 铜合金的熔剂 第五节 铜合金熔炼工艺 第五节 铜合金熔炼工艺 第五节 铜合金熔炼工艺 第五节 铜合金熔炼工艺 第五节 铜合金熔炼工艺 第一节 概述 第二节 铜合金的氧化及脱氧 第二节 铜合金的氧化及脱氧 第二节 铜合金的氧化及脱氧 第二节 铜合金的氧化及脱氧 第二节 铜合金的氧化及脱氧 第二节 铜合金的氧化及脱氧 第二节 铜合金的氧化及脱氧 第二节 铜合金的氧化及脱氧 第二节 铜合金的氧化及脱氧 第二节 铜合金的氧化及脱氧 第二节 铜合金的氧化及脱氧 第二节 铜合金的氧化及脱氧 第二节 铜合金的氧化及脱氧 第二节 铜合金的氧化及脱氧 第二节 铜合金的氧化及脱氧 第二节 铜合金的氧化及脱氧 第二节 铜合金的氧化及脱氧 第二节 铜合金的氧化及脱氧 第二节 铜合金的氧化及脱氧 第二节 铜合金的氧化及脱氧 第二节 铜合金的氧化及脱氧 第三节 铜合金的吸气及除气精炼 第三节 铜合金的吸气及除气精炼 第三节 铜合金的吸气及除气精炼 第三节 铜合金的吸气及除气精炼 第三节 铜合金的吸气及除气精炼