鑄造用純銅及銅合金的熔煉工藝分享

無(wú)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)，供各位參考。

所用的熔煉設(shè)備：中頻感應(yīng)電爐、熱電偶、澆包、石墨坩堝等。

 1.純銅的熔煉（1）先將坩堝預(yù)熱至暗紅色，在坩堝底加一層厚度約為30-50cm的干燥木炭或覆蓋劑（硼砂63%+碎玻璃37%）。再依次加入邊角余料、廢塊和棒料，加電解銅。（2）補(bǔ)加的合金元素可放在爐臺(tái)上預(yù)熱，嚴(yán)禁冷料加入液態(tài)金屬中。整個(gè)熔化過(guò)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1200-1220℃時(shí)，加入占合金液重量的0.3%-0.4%的磷銅脫氧，磷與氧化亞銅發(fā)生下列反應(yīng)：5Cu2O+2P=P2O5+10Cu及Cu2O+P2O5=2CuPO3，生成的五氧化二磷氣體從合金中逸出，磷酸銅可浮于液面，扒渣去除，于是達(dá)到脫氧的目的。在脫氧的過(guò)程中需要不斷攪拌。（4）扒渣出爐，合金液的澆注溫度一般為1100-1200℃。
2.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)上加入其他合金元素（如硅、鋁、錳、鉛、鐵、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  銅合金的化學(xué)成分中，由于主要成分變化范圍較大，因此在配料計(jì)算的過(guò)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GB1176-87，幾種常用的黃銅熔煉配料成分按表1進(jìn)行。
要求爐料應(yīng)干燥、清潔，有污物銹蝕應(yīng)經(jīng)吹砂清理。
（2）爐料配比  按照一般的鑄造慣例，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比較多，在爐料的配比時(shí)回爐料的質(zhì)量百分比≥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。回爐料較多時(shí)需要考慮合金中的雜質(zhì)是否超標(biāo)。
（3）熔煉前的準(zhǔn)備  ①金屬爐料的準(zhǔn)備：回爐料是同牌號(hào)的廢鑄件、澆冒口及重熔鑄錠，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）；電解銅經(jīng)吹砂去除污物，在500-550℃預(yù)熱后去除水分后，才能裝爐（首批冷爐熔化可隨爐預(yù)熱；純金屬元素入爐前可在爐邊預(yù)熱。金屬爐料的大塊度不應(yīng)超過(guò)坩堝直徑的1/3，長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)坩堝深度的4/5。②坩堝和熔煉設(shè)備及工具的準(zhǔn)備：坩堝使用前應(yīng)無(wú)裂紋和影響安全的其他損傷,新坩堝必須經(jīng)過(guò)低溫緩慢加熱處理，以防產(chǎn)生裂紋；舊坩堝將內(nèi)表面熔渣清理干凈；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(hào)系列合金進(jìn)行洗爐；用耐火材料及石墨做成的攪拌棒必須徹底清理殘余涂料和銹跡，并涂敷一層耐火材料或刷涂料后烘干待用；錠模在使用前必須徹底清理干凈，涂涂料后預(yù)熱至100-150℃待用。
（4）覆蓋劑及熔劑的準(zhǔn)備  ①木炭應(yīng)裝入密封的烘烤箱內(nèi)，在不低于800℃烘烤4h，待用時(shí)要防止吸潮。②覆蓋劑由硼砂63%、碎玻璃37%組成，也可用干燥木炭作覆蓋劑。覆蓋劑均要求干燥并去除其中的雜物。
（5）合金熔煉工藝過(guò)程①先將坩堝預(yù)熱至暗紅色，并在其底部加入20-40cm厚木炭。②加入電解銅，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)），然后加回爐料，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(duì)比，脫氧后的鑄件表面質(zhì)量要優(yōu)于不脫氧的質(zhì)量。④按各合金號(hào)成分要求分別補(bǔ)加合金元素：在1100－1120℃加入鋁銅中間合金，在1100℃-1150℃停電分批加入純鋅、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)整合金液至鑄件工藝卡片要求溫度后，迅速出爐澆注。合金的澆注溫度是影響鑄件性能的因素之一。一般的出爐溫度為ZCuZn38：1100-1130℃；ZCuZn40Pb2：1080-1100℃；ZCuZn31Al2：1120-1140℃；ZCuZn16Si4：1100-1140℃。⑥熔煉兩種不同牌號(hào)的合金，其化學(xué)成分有影響時(shí)，中間應(yīng)進(jìn)行洗爐。比如，用熔煉過(guò)鋁青銅的坩堝和工具再來(lái)熔化錫青銅，而坩堝和工具就要含有鋁元素，雖然鋁在鋁青銅里是合格的成分，但在錫青銅里是有害的元素。
一般的銅合金經(jīng)過(guò)脫氧后，就可獲得合格鑄件。但對(duì)于鋁青銅、鋁黃銅、硅青銅等，易氧化生成高熔點(diǎn)氧化物Al2O3、SiO2，使鑄件形成夾渣，需經(jīng)過(guò)精煉才能去除，常用精煉劑有：質(zhì)量比為60%的氯化鈉+40%的冰晶石或20%冰晶石+20%螢石+60%氟化鈉等。 

3．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、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2進(jìn)行。

要求：在ZCuAl10Fe3合金內(nèi)允許配入0.7%～0.9%Ni,0.3%～0.4%Mn 以提高合金力學(xué)性能。

（2）爐料配比  新料成分占爐料的總重量應(yīng)≥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)裝入密封的烘烤箱內(nèi)，在不低于800℃烘烤4小時(shí)，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。

（4）合金熔煉工藝過(guò)程  鑄造青銅的種類較多，這里僅討論幾種典型的合金，同類其他銅合金可以參考使用。

ZCuSn10Pb1、ZCuPb10Sn10的熔煉：①先將坩堝預(yù)熱至暗紅色，并在其底部加入20厘米-40厘米厚木炭。②加入電解銅，迅速升溫熔化后再加入回爐料，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，加入磷銅（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依次加入鋅、錫、鉛（按配料成分），前一種爐料熔化完全后，再加入下一種，并不斷攪拌合金液。⑤調(diào)整合金液溫度在1100-1150℃之間。⑥出爐打渣，再加磷銅（一般加爐料重的0.1%），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)整合金液至鑄件工藝卡片要求溫度（一般為1130-1180℃）后，迅速出爐澆注。

ZCuAl10Fe3、ZCuAl10Fe3Mn2的熔煉： ①不能用熔化過(guò)別的牌號(hào)合金的坩堝熔化這兩種合金。②把坩堝預(yù)熱至暗紅色，加入配制好的熔劑。（熔劑成分：冰晶石20%（質(zhì)量百分比），氟化鈉60%，氟化鈣20%）。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加入合金重量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）分批加入，每加入一批，即用攪拌棒將其壓入，使迅速熔融，并不斷攪拌使其成分均勻，調(diào)整合金液的溫度在1120-1220℃之間。⑥用稻草灰覆蓋打渣,按鑄件工藝卡片調(diào)整合金溫度（一般為1160-1200℃）后迅速調(diào)整出爐澆注。

4．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：

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

（2）開(kāi)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(wú)易爆及危險(xiǎn)物等后，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)剩余的合金液要倒入經(jīng)過(guò)預(yù)熱的錠模中，不允許直接澆在地面上或倒回爐中。

5．熔煉中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

（1）熔煉的時(shí)間應(yīng)控制  從加料開(kāi)始熔化至熔化結(jié)束（合金出爐）所用時(shí)間叫熔化時(shí)間。熔化時(shí)間的長(zhǎng)短不僅會(huì)影響生產(chǎn)率，而且會(huì)很明顯的影響澆注出的鑄件質(zhì)量。因?yàn)槿刍瘯r(shí)間增長(zhǎng)，會(huì)使合金的元素?zé)龘p率增加，吸氣的機(jī)會(huì)增加。因此，應(yīng)該以短的時(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)該緊湊，動(dòng)作要迅速。

（2）熔煉用的攪拌棒應(yīng)是碳棒  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)生比重偏析分層的趨勢(shì)。實(shí)踐證明，這些元素在熔煉和澆注的過(guò)程中，容易引起化學(xué)成分的不合格，造成機(jī)械性能不合格。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(cè)溫及降溫的期間，一般不需要攪拌。而所用的攪拌物的材料成分，一般宜用石墨。這是因?yàn)?，如果使用其它的攪拌物如用鐵棒，則在攪拌的過(guò)程中鐵棒熔化，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)熱的溫度比較高或是攪拌的時(shí)間較長(zhǎng)，鐵棒上的氧化物要進(jìn)入合金液中成為雜質(zhì)；如果鐵棒預(yù)熱的溫度較低，合金在攪拌時(shí)要黏附在鐵棒上，這在生產(chǎn)中是能觀察到的。

（3）熔煉時(shí)的覆蓋劑的使用問(wèn)題  對(duì)于熔煉銅合金來(lái)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%，因?yàn)橐３指采w層的厚度為10-15cm；用木炭時(shí)，用量約為爐料重量的0.5%-0.7%，要保持覆蓋層厚度為25-35厘米。覆蓋劑的扒除時(shí)間，一般在澆注前進(jìn)行，太早進(jìn)行會(huì)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，讓它在澆注的過(guò)程中也起到擋渣作用，效果更為理想。