纯铜和铜合金是怎样熔炼出来的?

       
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纯铜和铜合金是怎样熔炼出来的?

纯铜和铜合金是怎样熔炼出来的?

来源:高频焊机|退火机|淬火机|中频锻造炉|熔炼炉|感应加热设备  浏览: views  发布时间:2019-07-15

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可以分为两大类,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。

所用的熔炼设备:中频感应电炉、热电偶、浇包、石墨坩埚等。

1.纯铜的熔炼

(1)先将坩埚预热至暗红色,在坩埚底加一层厚度约为30-50cm的干燥木炭或覆盖剂(硼砂63%+碎玻璃37%)。再依次加入边角余料、废块和棒料,最后加电解铜。

(2)补加的合金元素可放在炉台上预热,严禁冷料加入液态金属中。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1200-1220℃时,加入占合金液重量的0.3%-0.4%的磷铜脱氧,磷与氧化亚铜发生下列反应:5Cu2O+2P=P2O5+10Cu及Cu2O+P2O5=2CuPO3,生成的五氧化二磷气体从合金中逸出,磷酸铜可浮于液面,扒渣去除,于是达到脱氧的目的。在脱氧的过程中需要不断搅拌。

(4)最后扒渣出炉,合金液的浇注温度一般为1100-1200℃。

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2.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。在普通黄铜的基础上加入其他合金元素(如硅、铝、锰、铅、铁、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  铜合金的化学成分中,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GB1176-87,几种常用的黄铜熔炼配料成分按表1进行。

表1

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要求炉料应干燥、清洁,有污物锈蚀应经吹砂清理。

(2)炉料配比  按照一般的铸造惯例,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比较多,在炉料的配比时回炉料的质量百分比≥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。回炉料较多时需要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:回炉料是同牌号的废铸件、浇冒口及重熔铸锭,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);电解铜经吹砂去除污物,在500-550℃预热后去除水分后,才能装炉(首批冷炉熔化可随炉预热;纯金属元素入炉前可在炉边预热。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: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;旧坩埚将内表面熔渣清理干净;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;用耐火材料及石墨做成的搅拌棒必须彻底清理残余涂料和锈迹,并涂敷一层耐火材料或刷涂料后烘干待用;锭模在使用前必须彻底清理干净,涂涂料后预热至100-150℃待用。

(4)覆盖剂及熔剂的准备  ①木炭应装入密封的烘烤箱内,在不低于800℃烘烤4h,待用时要防止吸潮。②覆盖剂由硼砂63%、碎玻璃37%组成,也可用干燥木炭作覆盖剂。覆盖剂均要求干燥并去除其中的杂物。

(5)合金熔炼工艺过程

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①先将坩埚预热至暗红色,并在其底部加入20-40cm厚木炭。

②加入电解铜,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),最后加回炉料,同时补加木炭,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质量。

④按各合金牌号成分要求分别补加合金元素:在1100-1120℃加入铝铜中间合金,在1100℃-1150℃停电分批加入纯锌、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,调整合金液至铸件工艺卡片要求温度后,迅速出炉浇注。合金的浇注温度是影响铸件性能的因素之一。一般的出炉温度为ZCuZn38:1100-1130℃;ZCuZn40Pb2:1080-1100℃;ZCuZn31Al2:1120-1140℃;ZCuZn16Si4:1100-1140℃。

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。比如,用熔炼过铝青铜的坩埚和工具再来熔化锡青铜,而坩埚和工具就要含有铝元素,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,就可获得合格铸件。但对于铝青铜、铝黄铜、硅青铜等,易氧化生成高熔点氧化物Al2O3、SiO2,使铸件形成夹渣,需经过精炼才能去除,常用精炼剂有:质量比为60%的氯化钠+40%的冰晶石或20%冰晶石+20%萤石+60%氟化钠等。

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3.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、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2进行。

表2

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要求:在ZCuAl10Fe3合金内允许配入0.7%~0.9%Ni,0.3%~0.4%Mn 以提高合金力学性能。

(2)炉料配比  新料成分占炉料的总重量应≥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烤箱内,在不低于800℃烘烤4小时,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。

(4)合金熔炼工艺过程  铸造青铜的种类较多,这里仅讨论几种典型的合金,同类其他铜合金可以参考使用。

ZCuSn10Pb1、ZCuPb10Sn10的熔炼:①先将坩埚预热至暗红色,并在其底部加入20厘米-40厘米厚木炭。②加入电解铜,迅速升温熔化后再加入回炉料,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,加入磷铜(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依次加入锌、锡、铅(按配料成分),前一种炉料熔化完全后,再加入下一种,并不断搅拌合金液。⑤调整合金液温度在1100-1150℃之间。⑥出炉打渣,再加磷铜(一般加炉料重的0.1%),进行脱氧,均匀搅拌,并在合金液表面上撒一层稻草灰,调整合金液至铸件工艺卡片要求温度(一般为1130-1180℃)后,迅速出炉浇注。

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ZCuAl10Fe3、ZCuAl10Fe3Mn2的熔炼: ①不能用熔化过别的牌号合金的坩埚熔化这两种合金。②把坩埚预热至暗红色,加入配制好的熔剂。(熔剂成分:冰晶石20%(质量百分比),氟化钠60%,氟化钙20%)。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加入合金重量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)分批加入,每加入一批,即用搅拌棒将其压入,使迅速熔融,并不断搅拌使其成分均匀,最后调整合金液的温度在1120-1220℃之间。⑥用稻草灰覆盖打渣,按铸件工艺卡片调整合金温度(一般为1160-1200℃)后迅速调整出炉浇注。

4.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:

(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等后,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入经过预热的锭模中,不允许直接浇在地面上或倒回炉中。

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5.熔炼中应注意的几个问题

(1)熔炼的时间应控制  从加料开始熔化至熔化结束(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,而且会很明显的影响浇注出的铸件质量。因为熔化时间增长,会使合金的元素烧损率增加,吸气的机会增加。因此,应该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,操作应该紧凑,动作要迅速。

(2)熔炼用的搅拌棒应是碳棒  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,有产生比重偏析分层的趋势。实践证明,这些元素在熔炼和浇注的过程中,容易引起化学成分的不合格,造成机械性能不合格。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。但在测温及降温的期间,一般不需要搅拌。而所用的搅拌物的材料成分,一般宜用石墨。这是因为,如果使用其它的搅拌物如用铁棒,则在搅拌的过程中铁棒熔化,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比较高或是搅拌的时间较长,铁棒上的氧化物要进入合金液中成为杂质;如果铁棒预热的温度较低,合金在搅拌时要黏附在铁棒上,这在生产中是能观察到的。

(3)熔炼时的覆盖剂的使用问题  对于熔炼铜合金来讲,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%,因为要保持覆盖层的厚度为10-15cm;用木炭时,用量约为炉料重量的0.5%-0.7%,要保持覆盖层厚度为25-35厘米。覆盖剂的扒除时间,一般在浇注前进行,太早进行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,让它在浇注的过程中也起到挡渣作用,效果更为理想。


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