鑄造用純銅及銅合金的熔煉工藝分享

無論是砂型鑄造還是熔模鑄造，熔煉都是鑄造生產中至關重要的一環(huán)，各種銅合金的熔煉有相同之處，又有不同之處，在多年的生產實踐中，我們總結了純銅及銅合金（主要為青銅和黃銅）的熔煉工藝經驗，供各位參考。

所用的熔煉設備：中頻感應電爐、熱電偶、澆包、石墨坩堝等。

 1.純銅的熔煉（1）先將坩堝預熱至暗紅色，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）補加的合金元素可放在爐臺上預熱，嚴禁冷料加入液態(tài)金屬中。整個熔化過程中應經常活動爐料，以防搭橋。（3）升溫使合金全部熔化。合金全熔后，溫度達到1200-1220℃時，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：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，于是達到脫氧的目的。在脫氧的過程中需要不斷攪拌。（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  銅合金的化學成分中，由于主要成分變化范圍較大，因此在配料計算的過程中，應根據(jù)其性能要求，選擇適當?shù)呐淞铣煞帧：辖鸬幕瘜W成分應符合GB1176-87，幾種常用的黃銅熔煉配料成分按表1進行。
要求爐料應干燥、清潔，有污物銹蝕應經吹砂清理。
（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≥30%，回爐料≤70%。但在實際生產中，我們考慮到銅合金的回爐料比較多，在爐料的配比時回爐料的質量百分比≥90%時，熔化質量依然很好，化學光譜分析證明鑄件的成分合格。回爐料較多時需要考慮合金中的雜質是否超標。
（3）熔煉前的準備  ①金屬爐料的準備：回爐料是同牌號的廢鑄件、澆冒口及重熔鑄錠，需要具有明確的化學成分。入爐前吹砂清除表面污物，經預熱后裝爐（首批冷爐熔化可隨爐預熱）；電解銅經吹砂去除污物，在500-550℃預熱后去除水分后，才能裝爐（首批冷爐熔化可隨爐預熱；純金屬元素入爐前可在爐邊預熱。金屬爐料的大塊度不應超過坩堝直徑的1/3，長度不應超過坩堝深度的4/5。②坩堝和熔煉設備及工具的準備：坩堝使用前應無裂紋和影響安全的其他損傷,新坩堝必須經過低溫緩慢加熱處理，以防產生裂紋；舊坩堝將內表面熔渣清理干凈；用新石墨坩堝及更換熔煉合金種類時，熔煉前坩堝應熔化同牌號系列合金進行洗爐；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，涂涂料后預熱至100-150℃待用。
（4）覆蓋劑及熔劑的準備  ①木炭應裝入密封的烘烤箱內，在不低于800℃烘烤4h，待用時要防止吸潮。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）合金熔煉工藝過程①先將坩堝預熱至暗紅色，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高后熔點低的順序加入中間合金（如有配入時），然后加回爐料，同時補加木炭，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行脫氧，待銅全部熔化后，溫度達1150-1200℃時加入磷銅（以P占銅液重量的0.04%-0.06%計算）進行脫氧。經脫氧與不脫氧的實踐對比，脫氧后的鑄件表面質量要優(yōu)于不脫氧的質量。④按各合金號成分要求分別補加合金元素：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。熔化硅黃銅時應先加硅，再加鋅；熔化鉛黃銅時應先加鋅再加鉛。鋅元素的加入溫度應控制，加鋅后若溫度降低可以中間送電，當合金液溫度高于1200℃時，不允許加鋅。⑤出爐扒渣，調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熔煉兩種不同牌號的合金，其化學成分有影響時，中間應進行洗爐。比如，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。
一般的銅合金經過脫氧后，就可獲得合格鑄件。但對于鋁青銅、鋁黃銅、硅青銅等，易氧化生成高熔點氧化物Al2O3、SiO2，使鑄件形成夾渣，需經過精煉才能去除，常用精煉劑有：質量比為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進行。

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

（2）爐料配比  新料成分占爐料的總重量應≥30%，回爐料≤70%。

（3）熔煉前的準備  青銅熔煉前的準備工作與黃銅熔煉的準備工作相同。木炭應裝入密封的烘烤箱內，在不低于800℃烘烤4小時，待用時要防止吸潮。稻草灰應研碎成粉末狀，除去水分，徹底烘干，待用時也要注意防潮。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，同時補加木炭，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%），進行脫氧，均勻攪拌，并在合金液表面上撒一層稻草灰，調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不能用熔化過別的牌號合金的坩堝熔化這兩種合金。②把坩堝預熱至暗紅色，加入配制好的熔劑。（熔劑成分：冰晶石20%（質量百分比），氟化鈉60%，氟化鈣20%）。③將預熱至200℃左右的低碳薄鋼片和回爐料同時加入，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，并補加熔劑。⑤將預熱至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,按鑄件工藝卡片調整合金溫度（一般為1160-1200℃）后迅速調整出爐澆注。

4．安全事項

安全生產是鑄造行業(yè)的基本要求，純銅及銅合金的熔煉都必須做到：

（1）操作者應穿戴好防護用品，工作場地保持整潔，不允許有積水和雜物。

（2）開爐前應檢查所用設備是否完好，如有不安全因素應及時排除。

（3）應仔細檢查并確認爐料中無易爆及危險物等后，方能進行預熱。

（4）熔煉澆注工具，如攪拌棒、鐵勺、除渣工具等，未經預熱不得與合金液接觸。

（5）澆注時剩余的合金液要倒入經過預熱的錠模中，不允許直接澆在地面上或倒回爐中。

5．熔煉中應注意的幾個問題

（1）熔煉的時間應控制  從加料開始熔化至熔化結束（合金出爐）所用時間叫熔化時間。熔化時間的長短不僅會影響生產率，而且會很明顯的影響澆注出的鑄件質量。因為熔化時間增長，會使合金的元素燒損率增加，吸氣的機會增加。因此，應該以短的時間完成熔化工作。在允許的情況下，盡量提高爐料的預熱溫度，操作應該緊湊，動作要迅速。

（2）熔煉用的攪拌棒應是碳棒  銅合金中的某些元素，如鐵、鉛等在熔化時是以機械混合物的形式存在的。還有些元素，由于密度不同，有產生比重偏析分層的趨勢。實踐證明，這些元素在熔煉和澆注的過程中，容易引起化學成分的不合格，造成機械性能不合格。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。這是因為，如果使用其它的攪拌物如用鐵棒，則在攪拌的過程中鐵棒熔化，使合金的化學成分受到影響。同時，如果鐵棒在爐內預熱的溫度比較高或是攪拌的時間較長，鐵棒上的氧化物要進入合金液中成為雜質；如果鐵棒預熱的溫度較低，合金在攪拌時要黏附在鐵棒上，這在生產中是能觀察到的。

（3）熔煉時的覆蓋劑的使用問題  對于熔煉銅合金來講，覆蓋劑的用量一般為：用玻璃和硼砂時為爐料重量的0.8%-1.2%，因為要保持覆蓋層的厚度為10-15cm；用木炭時，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。覆蓋劑的扒除時間，一般在澆注前進行，太早進行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，也可以不扒除覆蓋劑，讓它在澆注的過程中也起到擋渣作用，效果更為理想。