鑄造銅及銅合金的熔煉

鑄造銅及銅合金的熔煉第一章

爐料和配料

第一節(jié)

金屬熔煉損耗

定義：金屬熔煉損耗指熔煉過程中，金屬的揮發(fā)、氧化燒損、與爐襯作用的消耗等全部損耗的總和。

一、揮發(fā)

在熔煉過程中，金屬的揮發(fā)是難以避免的，特別是一些易揮發(fā)元素有時(shí)會(huì)因揮發(fā)損失過大致使控制成分發(fā)生困難；故在熔煉工藝上應(yīng)視情況采取相應(yīng)措施。

揮發(fā)損失主要取決于金屬的蒸汽壓；此外，與其濃度和氧化膜性質(zhì)、熔煉溫度和時(shí)間、爐氣性質(zhì)和壓力、熔煉設(shè)備和爐膛面積等因素有關(guān)。

金屬的蒸汽壓隨溫度的升高而增加。

金屬的蒸汽壓愈大或沸點(diǎn)愈低，揮發(fā)損失愈大。提高金屬的熔煉溫度，其蒸汽壓和揮發(fā)損失也相應(yīng)增加。在實(shí)際生產(chǎn)中，一般熔煉溫度越高、時(shí)間越長、易揮發(fā)的元素含量越多、爐膛內(nèi)氣壓越低、熔池面積越大、覆蓋條件越差、揮發(fā)損失就越大。

鋁、鈹?shù)仍谌鄢乇砻嫘纬杀Ｗo(hù)性氧化膜，能顯著減少合金中易揮發(fā)成分的損失。

熔煉設(shè)備對(duì)金屬揮發(fā)影響較大，一般感應(yīng)電爐的揮發(fā)損失較少，而反射爐的損耗較大。

常見元素的蒸汽壓從大到小排序：

Hg>As>Cd>Zn>Mg>Ba>Ca>Sb>Bi>Pb>Al>Ag>Sn>Cu>Si>Au

汞

砷鎘

鋅鎂

鋇鈣銻鉍鉛鋁

銀錫

銅硅金

二、氧化燒損

熔融金屬中合金元素的氧化燒損，與合金元素對(duì)氧的親和力及含量有關(guān)，凡與氧的親和力比基體金屬大、表面活性強(qiáng)的元素，必然易于燒損；如銅合金中的鋁、鋯、鈦、硅、錳、鉻、鋅、磷、鉛等，均比銅更易氧化燒損。所以，從各種合金元素對(duì)氧的親和力及氧化膜的性質(zhì)，便可估計(jì)出合金元素氧化燒損的趨勢。

三、其他金屬損耗

1、

熔融金屬或金屬氧化物與爐襯材料之間的化學(xué)作用，造成金屬損耗。

2、

金屬在熔煉時(shí)，熔融金屬因靜壓力作用可能滲入爐襯縫隙，而導(dǎo)致高溫區(qū)局部熔化，使渣量及渣中金屬損耗增加，這種情況在新爐開始生產(chǎn)和爐子快損壞時(shí)較易出現(xiàn)。

此外，機(jī)械混入渣中的金屬，以及扒渣、飛濺等也造成金屬損失。

四、降低熔煉損耗的方法：

1、

選用熔池面積小的爐子熔煉。如采用工頻爐代替反射爐。

2、

制定合理的操作規(guī)程。易氧化、揮發(fā)的合金元素應(yīng)制成中間合金在最后加入，或在熔劑覆蓋下熔化。裝料時(shí)要做到爐料合理分布，盡量采用高溫快速熔化，縮短熔煉時(shí)間。熔煉黃銅時(shí)采用低溫加鋅。

3、

碎屑散料應(yīng)制成捆或團(tuán)使用。

4、

正確控制爐溫。在保證熔融金屬的流動(dòng)性及其它工藝要求的條件下，選擇適當(dāng)?shù)娜蹮挏囟取?/p>

5、

爐氣一般以控制微氧化性氣氛較好；

6、

選用覆蓋劑可防止金屬氧化和減少揮發(fā)損失。

含有鋁、鈹?shù)仍氐暮辖?，由于能在熔融金屬表面形成致密的氧化膜，一般不再加覆蓋劑；但操作中應(yīng)注意勿使氧化膜遭到破壞；

7、

正確選擇覆蓋劑或熔劑，使具有足夠的流動(dòng)性和覆蓋能力，同時(shí)采取高溫扒渣、撈渣等措施，降低渣中金屬損耗。

8、

利用脫氧劑使基體金屬的氧化物還原。（*）

9、

采用真空熔煉或保護(hù)性氣體熔煉。

第二節(jié)

雜質(zhì)的控制

一、雜質(zhì)的來源

在熔煉過程中，大多數(shù)雜質(zhì)是金屬從爐襯、爐氣、熔劑、爐渣、操作工具等方面吸收的。

如爐襯材料選用不當(dāng)時(shí)，在熔煉溫度下，金屬就會(huì)與爐襯相互作用，不僅降低爐襯壽命，而且會(huì)使某些雜質(zhì)進(jìn)行金屬。如在酸性爐襯的工頻爐中熔煉鋁青銅時(shí)，會(huì)使合金增硅。

燃料不純時(shí)也會(huì)增加雜質(zhì)，如用含硫高的煤氣或重油作燃料時(shí)，在加熱和熔煉銅、鎳的過程中，會(huì)因下列反應(yīng)而增硫：

Cu+S=Cu2S

Ni+S=Ni3S

當(dāng)銅和銅合金用米糠作覆蓋劑，鎳和鎳合金用稻草灰作覆蓋劑時(shí)，都會(huì)使金屬增磷。

從爐襯、爐氣、覆蓋劑或熔劑中吸收的雜質(zhì)，雖然每次熔煉所吸收的量很小，但由于部分爐料經(jīng)反復(fù)使用，雜質(zhì)含量也有可能逐步積累增多，甚至造成報(bào)廢。

許多雜質(zhì)在熔煉中的燒損比合金的組成元素少，反復(fù)回爐熔煉會(huì)使雜質(zhì)相對(duì)含量增加。因此，生產(chǎn)中新金屬與舊料的使用量一般保持一定比例，使雜質(zhì)不超過一定含量。

此外，變料時(shí)洗爐不徹底，爐料管理不善，原料的混料等都會(huì)使金屬中雜質(zhì)增多。

二、控制雜質(zhì)的途徑

1、

加強(qiáng)爐料管理，杜絕混料

2、

在可能條件下，新金屬和舊料搭配使用，舊料的使用量不超過爐料的50％；

3、

變料時(shí)，必須按金屬的雜質(zhì)要求，準(zhǔn)確計(jì)算洗爐次數(shù)；

4、

選用化學(xué)穩(wěn)定性高的耐火材料。如鎳合金用鎂砂爐襯，鋁青銅用中性爐襯等；

5、

與熔融金屬接觸的工具，盡可能采用不易帶入雜質(zhì)的材料，或用涂層保護(hù)。

第三節(jié)爐料

爐料包括：新金屬、廠內(nèi)舊料、外來廢料、二次重熔料、中間合金等。

1、

新金屬：電解銅、電解鎳、電解鋅、電解錫

2、

廠內(nèi)舊料：包括熔鑄車間的殘料、洗爐料和廢品，鑄錠加工的鋸屑和切削屑，加工車間返回的殘屑、殘料及邊角料等。（廢梗、刨花、銅渣）

3、

外來廢料：如紫銅、白銅角料、火燒銅

4、

二次重熔料：銅塊

裝料順序及原則：

1、

爐料入爐前應(yīng)檢驗(yàn)化學(xué)成分及雜質(zhì)含量；

2、

爐料應(yīng)該清潔干燥、無塵土、油污、腐蝕物

3、

為裝爐方便，錠塊要堆垛整齊，邊角料要打包制團(tuán)，散料應(yīng)裝入料斗等，以減少裝爐時(shí)間。

原則：1）爐料中總質(zhì)量最多的金屬應(yīng)最先入爐，即基體金屬首先入爐。如熔煉銅合金時(shí)，先熔銅。

2）易氧化，易揮發(fā)的合金元素，應(yīng)留到最后裝爐和熔化。

3）合金熔化放出大量熱的金屬，不應(yīng)單獨(dú)加入，而應(yīng)與預(yù)先留下的基體冷卻料同時(shí)加入。如將鋁加入到銅液中，所放出的熱量，可使局部溫度升高200度以上。

4）一般兩種熔點(diǎn)相差較大的金屬，應(yīng)先裝入易熔金屬，然后再加入難熔金屬，利用難熔金屬的熔解作用，使其逐漸溶解于低熔點(diǎn)金屬中。如熔煉白銅時(shí)，由于銅（1083）的熔點(diǎn)比鎳（1451）低出較多，故先熔銅后加入鎳，只需在1250-1270時(shí)鎳可全部熔化。如硅青銅熔煉時(shí)，將硅和錳先熔化在感應(yīng)爐起熔體中，合金熔體含氣量大為減少。

第四節(jié)中間合金

一、使用目的與要求

1）便于加入某些熔點(diǎn)高、易氧化燃燒或揮發(fā)的元素到合金中去；

2）有利準(zhǔn)確控制合金的化學(xué)成分；

3）避免金屬液過熱，減少熔煉損耗；

4）縮短熔化時(shí)間。第二章熔煉與鑄造

第一節(jié)除氣和脫氧

一、氣體的來源

能溶解于金屬中的氣體，主要是氫和氧。在熔煉過程中，氣體的主要來源有：

1、

爐氣：非真空熔煉時(shí)，爐氣是金屬中氣體的主要來源。在爐氣中除含有氧、氮外，還含有水汽、氫、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫和碳?xì)浠衔锏?。爐氣的成分隨使用的燃料和燃燒的情況的不同而變化；如以重油或煤氣做燃料的反射爐或坩堝爐中，常含有5-10％的水汽和較多的氫、一氧化碳等。

2、

爐料：電解金屬表面大都有殘留電解液，加工車間返回料大都含有油、水、乳液等。外來廢料大都有水腐蝕物、銹蝕等。特別是露天堆放和潮濕季節(jié)，爐料表面吸附有水分。這些都會(huì)使金屬在熔煉過程中吸收較多的氫。

3、

耐火材料：耐火材料中所含水分也能促使金屬吸氣，新爐開始生產(chǎn)時(shí)尤為嚴(yán)重。

4、

熔劑：許多熔劑都帶有水分，其中一些（如木炭、米糠等）含有吸附的水分，有些熔劑（如硼砂）本身帶有結(jié)晶水。為減少熔煉過程中氣體的來源，熔劑應(yīng)進(jìn)行干燥或脫水處理。

5、

操作工具：操作工具預(yù)熱不徹底，也會(huì)增加金屬的含氣量。

二、氣體的溶解過程及溶解度

氣體在金屬中溶解度：金屬在固體時(shí)，氣體的溶解度很小，隨著溫度的上升溶解度緩慢增加，到熔點(diǎn)溫度時(shí)溶解度急劇增加，繼續(xù)提高熔融金屬的溫度，氣體溶解度繼續(xù)增加，到某一最大點(diǎn)后開始下降，到金屬的沸點(diǎn)溫度時(shí)，氣體溶解度幾乎等于零。

不同的合金元素對(duì)氣體在合金中的溶解度的影響也不同，某些元素如鎳等與氣體有較大的結(jié)合力，使合金中的氣體的溶解度增加。另上些元素如鋁、錫等能使氣體在合金中的溶解度降低。銅合金中合金元素對(duì)氫氣溶解度的影響如下：

Cu+Ni>Cu+Pb>Cu+Ag>Cu+Au>Cu+Sn>Cu+Al

三、除氣方法：

1、

氣體除氣法：一種為惰性氣體（如N2等），另一種是活潑氣體（如Cl2等）

氣泡越小，數(shù)量越多，對(duì)除氣是有益的。但由于氣泡上浮的速度大，通過熔體的時(shí)間短，且氣泡不可能均勻分布于整個(gè)熔體中，故用此法除氣不容易徹底；隨著熔體中含氫量的減少，去氣效果顯著降低。

2、

熔劑除氣法：熔劑除氣是利用熔鹽的熱分解或與金屬進(jìn)行置換反應(yīng)，產(chǎn)生不溶于熔體的揮發(fā)性氣泡而將氫除去。如鋁青銅常用冰晶石熔劑除氣，白銅和鎳合金常用螢石、硼砂、碳酸鈣等熔劑除氣。熔劑精煉時(shí)，一般將干燥的熔劑用帶孔罩壓入熔池中。為了提高除去效果，也可采用干燥氮?dú)鈱⒎蹱钊蹌┐等肴鄢刂?。熔劑在除氣的同時(shí)，還可去渣。

3、

沸騰除氣：在工頻爐熔煉高鋅黃銅時(shí)常用的一種方法。但需具備兩個(gè)條件：一是高鋅黃銅的沸騰溫度較低，二是熔溝部分熔體溫度較高。銅鋅合金的沸騰溫度隨鋅含量的增加而降低。

由于工頻爐中熔溝部分熔體溫度最高，首先形成鋅的蒸汽泡隨即上浮。伴著熔池溫度的升高，爐膛內(nèi)的蒸汽壓也隨逐漸提高；當(dāng)溫度升高到整個(gè)熔池接近鋅的沸點(diǎn)時(shí)，甚至使整個(gè)熔池表面出現(xiàn)冒泡。當(dāng)熔池上面的蒸汽壓升高到超過大氣壓時(shí)，鋅蒸汽便向爐口噴出，被氧化燃燒，形成沸騰的噴火現(xiàn)象。次數(shù)越多，除氣效果越好，一般2-3次即可。含鋅量小于20％的黃銅，不能利用沸騰除氣。缺點(diǎn)在于低沸點(diǎn)金屬元素（如鋅等）損耗較大。

4、

其他除氣法：1）冷凝除氣；2）振蕩除氣；3）直流電解除氣

四、脫氧過程

使金屬熔體中的氧化物還原而除去氧的過程稱為脫氧。熔融金屬及合金中的脫氧過程屬于置換反應(yīng)，凡在操作條件下，能從熔融金屬中取得氧的任何物質(zhì)，即氧化物的分解壓比被脫氧金屬氧化物的分解壓為低的元素，一般都可作為脫氧劑。

五、脫氧劑

分為表面脫氧劑和溶解于金屬的脫氧劑兩種。

表面脫氧劑基本上不溶于金屬，脫氧作用僅在與金屬接觸的表面進(jìn)行，脫氧速度較慢。它的優(yōu)點(diǎn)不溶于金屬，脫氧劑不會(huì)影響金屬的質(zhì)量。常用的表面脫氧劑有：碳化鈣、硼化鎂、木炭、硼（B2O3）等。

溶于金屬的脫氧劑，能在整個(gè)熔池中與熔融金屬中的氧化物相互作用，脫氧效果好得多。缺點(diǎn)是剩余的脫氧劑將留于金屬中而影響金屬的性能。常用的脫氧劑有：磷、硅、錳、鋁、鎂、鈣、鈦、鋰等。這些元素可以中間合金的形式加入。脫氧反應(yīng)所產(chǎn)生的細(xì)小固體氧化物，使金屬的粘度增大，或成為金屬中分布不均勻的夾雜物，故應(yīng)控制加入量。

對(duì)脫氧劑的要求：

1.

對(duì)金屬或合金的性能無害。

2.

脫氧產(chǎn)物最好不溶于熔融金屬，且容易除去。

3.

脫氧劑應(yīng)足夠活潑，即脫氧產(chǎn)物應(yīng)與熔融金屬在比重和熔點(diǎn)上有較大的差別。

銅磷中間合金除能脫氧外，并能改善合金的流動(dòng)性，在銅合金生產(chǎn)中應(yīng)用較廣。

第二節(jié)精煉

1、

氧化精煉

2、

除渣精煉

3、

熔劑：

使用熔劑的作用是：防止吸氣、氧化；除氣、除渣；細(xì)化晶粒；通過熔劑加入某些元素。

熔劑按用途分覆蓋劑、精煉劑、氧化劑、還原劑、變質(zhì)劑。按化學(xué)性質(zhì)又分為酸性、堿性、中性三大類。酸性熔劑如硼砂、硅砂等，用來除去堿性和中性如氧化物；而堿性熔劑如蘇打、碳酸鈣，則用以除去酸性及中性氧化物；中性熔劑有堿金屬、堿土金屬的氯鹽和氟鹽，如KCL、NaCl、CaCl2、CaF2等以及木炭、米糠、玻璃等。

銅和銅合金常用木炭、米糠等作覆蓋劑，既可保溫和防氧化，又可結(jié)渣和改善流動(dòng)性。

第三節(jié)變質(zhì)處理

變質(zhì)處理是金屬或合金在熔鑄過程中，廣泛應(yīng)用于改善材料性能、提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。變質(zhì)處理的方法很多，如加變質(zhì)劑、機(jī)械振動(dòng)、超聲波振動(dòng)、快速冷卻等。

變質(zhì)劑的作用有：

1）

細(xì)化晶粒

2）

使合金中高熔點(diǎn)化合物的粗大晶粒改變形狀，并均勻分；

3）

使晶界上的鏈狀低熔點(diǎn)物減少并球化，或形成細(xì)粒高熔點(diǎn)化合物；

4）

提高高溫塑性。

常用變質(zhì)劑有：

合金

變質(zhì)劑

加入方法

變質(zhì)效果

H62

Fe

銅鐵中間合金加入爐內(nèi)

細(xì)化晶粒、提高冷加工塑性

Ce

銅基中間合金，出爐前加入

細(xì)化晶粒、提高高溫塑性、提高抗張強(qiáng)度

鋁青銅

Mn

純金屬，出爐前加入

細(xì)化晶粒

B10、B30Ti

純金屬，出爐前加入

細(xì)化晶粒、提高高溫塑性

孟奈爾

Ti

純金屬，完全熔化后加入

細(xì)化晶粒、消除硫的影響

第四節(jié)熔煉工藝參數(shù)

一、熔煉工藝參數(shù)選擇

1、制定加料順序的原則：

1）

先加數(shù)量較多的爐料，在實(shí)際生產(chǎn)中，一般先加不少于爐料的30％的金屬；

2）

具有較高蒸汽壓的金屬應(yīng)最后加入；

3）

熔解時(shí)能產(chǎn)生很大熱效應(yīng)的金屬，不作最后一批料加入，以防金屬熔體過熱；

4）

先加較難氧化燒損而較易還原的金屬，或較難與爐氣及爐襯相互作用的金屬。

2、熔煉溫度

熔煉溫度對(duì)鑄錠質(zhì)量影響較大，溫度過高不僅容易產(chǎn)生粗大晶粒、裂紋、偏析等缺陷，而且會(huì)促使金屬與爐氣、爐渣、熔劑、爐襯間的相互作用加強(qiáng)，增加金屬的氧化及揮發(fā)損失，并促使金屬吸氣；而溫度過低又會(huì)使熔體去渣效果降低、鑄錠操作困難。

確定出爐溫度的原則：

1）

保證金屬液有一定的流動(dòng)性；

2）

保證澆鑄操作的正常進(jìn)行，防止產(chǎn)生冷隔、夾渣等缺陷；

3）

根據(jù)不同合金的鑄造特性，在保證澆鑄操作正常進(jìn)行的情況下，盡量彩低溫出爐。

第五節(jié)銅及銅合金的熔煉

一、黃銅熔煉

工藝特性及操作要點(diǎn)：

1）

鋅的除氣和脫氧性能很好，操作中加入脫氧劑銅-磷的目的，主要是改善合金的流動(dòng)性；

2）

含鋅大于20％的黃銅，一般可按噴火次數(shù)作為實(shí)際出爐依據(jù)；

3）

盡量低溫加鋅，高溫?fù)圃?，以減少熔煉損耗；

4）

以冰晶石作熔劑的合金，冰晶石加入量約為爐料重量的％；

5）

鐵以Cu-Fe或Al-Fe中間合金加入，易氧化元素如砷、鈹?shù)扰c銅制成中間合金加入。

二、青銅熔煉

工藝特性及操作要點(diǎn)：

1）青銅宜采用中頻感應(yīng)電爐熔煉，硅砂或鎂砂爐襯，但用有芯感應(yīng)爐熔煉鋁青銅時(shí)，最好使用中性或堿性爐襯；

2）硅青銅、錫鋅鉛青銅吸氣性強(qiáng)，應(yīng)使用煅燒木炭作覆蓋劑，裝料后立即加入足夠木炭，直到澆鑄完畢不再向爐內(nèi)添加木炭。

三、白銅熔煉工藝

1、

白銅宜采用工頻或中頻感應(yīng)電爐熔煉，硅砂或鎂砂爐襯；

2、

為提高普通白銅的熱塑性，可加入鈦、鋯作變質(zhì)劑。

3、

裝料時(shí)如爐內(nèi)殘留銅水過少，鎳、鐵不易熔化時(shí)，允許先加入少量紫銅以加速熔化。

四、鎳和鎳合金熔煉工藝

1、

鎳和鎳合金采用中頻或高頻感應(yīng)電爐熔煉，高鋁砂或鎂砂爐襯；

2、

為提高純鎳和鎳合金的熱塑性，細(xì)化晶粒，可加入少量鈦?zhàn)髯冑|(zhì)劑，在爐料全部熔化后加入；

3、

加炭脫氧時(shí)，可用小塊木炭慢慢加于液面，一次加入過多或過快易造成金屬液上漲，甚至外溢。木炭加入量視木炭與金屬液反應(yīng)情況而增減；

4、

加鎂脫氧時(shí)，鎂用鎳片包住，迅速插入金屬液中。也可采用鎳鎂中間合金作脫氧劑。

第六節(jié)銅合金鑄錠

一、錠模鑄錠

分圓錠對(duì)開立模、圓錠整體模、圓錠水冷模、斜模及無流模等

影響錠模鑄錠品質(zhì)的因素：

1、澆注時(shí)間：

不同牌號(hào)的銅合金都有最適宜的鑄造溫度，高于或低于這個(gè)溫度將直接影響鑄錠的質(zhì)量。對(duì)于錠模鑄錠的方式來說，鑄造溫度的控制與澆注時(shí)間密切相關(guān)，因?yàn)闈沧r(shí)間越長，先后澆注的金屬熔體的溫度差越大。對(duì)于鑄造溫度范圍較窄的合金來說，澆注時(shí)間越長，澆注也益越難控制。

2、氣氛;

熔體從出爐到澆注完畢的整個(gè)過程中，氣氛始終對(duì)熔體的質(zhì)量產(chǎn)生影響。影響的程度取決于澆注方式、流柱大小與長度，通常在大氣下澆注時(shí)，熔體易受到明顯的氧化，因?yàn)榱髦蕉?，與大氣接觸表面積越小，氧化損失就越少。流柱越平穩(wěn)，氧化機(jī)會(huì)也越少。一旦流柱保護(hù)得不嚴(yán)密，不可避免產(chǎn)生氧化，氧化膜與液流俱下，裹入熔體中，凝固后便成夾渣。

3、燒注溫度

溫度過高或過低都是不利的。因?yàn)椴捎幂^高的澆注溫度，勢必就要使?fàn)t內(nèi)熔體的溫度作相應(yīng)的提高。這將引起銅或銅合金在熔化和保溫過程中大量的吸氣，同時(shí)也會(huì)增加燒損，在澆注時(shí)會(huì)使氧化加劇。此外，過高的澆注溫度也會(huì)對(duì)錠查的壽命產(chǎn)生不利影響，尤其是平查澆注時(shí)查底板更容易遭到破壞。

當(dāng)澆注溫度偏低時(shí)，熔體流動(dòng)性變差，不利于氣體和夾渣上浮，也易使鑄錠產(chǎn)生冷隔缺陷。因此，必須根據(jù)合金的性質(zhì)，結(jié)合具體的工藝條件，制定適當(dāng)?shù)臐沧囟确秶?/p>

4、澆注速度

1）在保證鑄錠產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，適當(dāng)提高澆注速度；

2）對(duì)于某一確定的金屬或合金，若合金化程度低，結(jié)晶溫度范圍小，導(dǎo)熱性好，可適當(dāng)提高澆注速度；

4）

若錠模的冷卻強(qiáng)度大，鑄定直徑小，澆注速度也可適當(dāng)提高。

5、結(jié)晶方向

在錠模鑄錠方法中，應(yīng)力求使鑄錠結(jié)晶的順序是自上而下的，這就必須保證鑄錠的散熱方向盡量保持由下而上。

為了使鑄錠的凝固結(jié)晶過程盡量適應(yīng)其順序結(jié)晶的條件，有多種方法：改進(jìn)錠模結(jié)構(gòu)，增加模底厚度和模體下部壁厚以改善錠模下部的冷卻條件；為了造成錠模上部緩冷條件，在錠查頂部加設(shè)保溫帽；適當(dāng)提高鑄造溫度，同時(shí)降低鑄造速度以保證順序結(jié)晶所需要的鑄錠上下部分之間的溫度梯度。

6、涂料的使用

使用目的：防止熔體粘模，改善鑄錠表面品質(zhì)，保護(hù)錠模、減少磨損、防止模體損壞，使錠模建立起適于澆注的氣氛。

涂料選擇：澆注銅合金所用的最理想的涂料應(yīng)該是：有足夠的揮發(fā)成分；有與熔體的澆注溫度和澆注速度相配合的揮發(fā)溫度和揮發(fā)速度。

例如使用油性涂料時(shí)，理想的狀態(tài)是涂料能在熔體表面與模壁接觸的邊界上大量蒸發(fā)，并且蒸發(fā)出的氣體產(chǎn)物能夠籠罩和包圍住不斷上升的熔體表面，把木炭、氧化物顆粒、涂料揮發(fā)后的殘?jiān)葕A渣物從模壁推向鑄錠中心的液面上，隨液面上升而上浮。

涂料的種類：一是揮發(fā)性的，主要由各種油類和煙灰等組成；二是非揮發(fā)性的，主要是保溫性氧化物，多用于輕合金錠模鑄錠。

主要涂料有：煤油加炭黑；豆油加肥皂；灑精加松香

二、水平連鑄線坯

水平連鑄線坯也稱水平拉鑄，線坯內(nèi)部和表面品質(zhì)都好、致密且力學(xué)性能均一。該法適用黃銅、青銅和小截面線坯的連鑄生產(chǎn)。

水平連鑄采用拉-停-拉-停地步進(jìn)式進(jìn)行的。在”?！钡囊欢螘r(shí)間內(nèi)，讓金屬沿結(jié)晶器內(nèi)壁凝固成殼，而后”拉”出一段，再做下一周期的”停-拉”。因此，”拉”的行程、”拉-?！钡念l率、”停-拉”的時(shí)間比例是重要的工藝參數(shù)。

水平拉鑄線坯也設(shè)有牽引裝置以控制和調(diào)節(jié)拉鑄速度，對(duì)相同規(guī)格的線坯，視合金不同其拉鑄速度也不同。第三章鑄錠組織與控制

第一節(jié)鑄錠的宏觀組織

一、典型的鑄錠組織

銅合金鑄錠的組織包括：晶粒的形狀、大小、取向、分布、完整性，各種缺陷以及合金元素的分布等等。它們對(duì)鑄錠的熱加工性能及制品的性能，尤其是力學(xué)性能都有著重大的影響。

宏觀組織，一般分以分辨出晶粒不同的三個(gè)區(qū)域：

a.激冷區(qū)，緊靠模壁的一個(gè)外殼層，由無規(guī)則排列的細(xì)小等軸晶粒組成，也稱作表面等軸晶區(qū)，僅幾個(gè)晶粒厚。

b.柱狀晶區(qū)，由垂直于模壁，彼此平行的柱狀晶粒組成。

c.等軸晶區(qū)，位于鑄錠的中心區(qū)域，由較粗大的等軸晶粒組成，也稱作中心等軸晶區(qū)。

在經(jīng)細(xì)化處理的銅合金鑄錠中，往往全部為等軸晶，而沒有柱狀晶，或是全部柱狀晶，而沒有等軸晶。即使具有上述三種晶區(qū)的鑄錠，其各自的寬度也會(huì)因合金、鑄錠方法及工藝的不同而不同。

二、鑄態(tài)組織對(duì)性能的影響

1、

柱狀晶組織對(duì)性能的影響：工業(yè)生產(chǎn)的鑄錠以柱狀晶組織居多。柱狀晶對(duì)鑄錠的性能影響很大，因?yàn)樵谥鶢罹Ы唤?，往往存在著低熔點(diǎn)共晶組織及夾雜物、氣孔和疏松，還可能出現(xiàn)晶間裂紋，是鑄錠脆弱的地方。當(dāng)鑄錠承受冷熱加工時(shí)，易于沿此處開裂，另外，柱狀晶本身的方向性也降低鑄錠的力學(xué)性能和加工性能。因此，用于塑性加工變形的鑄錠，希望柱狀晶區(qū)盡可能小，等軸晶區(qū)盡可能寬，特別注意避免出現(xiàn)粗大的柱狀晶組織。另一方面，由于柱狀晶本身存在枝晶不甚發(fā)達(dá)而較致密，故其強(qiáng)度較高。對(duì)于高溫機(jī)件，則需得到柱狀晶組織，以顯著改善其耐熱性。

2、

表層粗大晶粒對(duì)性能的影響：在鑄錠生產(chǎn)中，如工藝控制不當(dāng)，易出現(xiàn)鑄錠表層粗晶粒組織，這會(huì)導(dǎo)致加工制品表層組織不均勻，深沖時(shí)會(huì)出現(xiàn)制耳。因此，在加工前需通過銑面以消除。

3、

粗大金屬間化合物對(duì)性能的影響：銅合金鑄錠中的一些高熔點(diǎn)金屬化合物初晶，多呈塊狀、片狀或針狀不均勻地分布在基體中，這些金屬化合物一般較硬脆，降低鑄錠的塑性，并降低材料的橫向性能、疲勞極限和耐蝕性。當(dāng)粗大金屬化合物分布不均時(shí)，則危害更大。

適當(dāng)提高澆鑄溫度、加在冷卻強(qiáng)度，可減少化合物初晶的數(shù)目，有利于防止粗大化合物初晶的形成。嚴(yán)格控制合金成分或進(jìn)行晶粒細(xì)化處理是防止粗大化合物形成的有效方法。

利用過熱法也可以細(xì)化金屬化合物初晶，改善鑄錠組織的均勻性，進(jìn)而提高材料的力學(xué)性能。

三、鑄錠組織控制途徑

由于鑄錠的結(jié)晶組織對(duì)其半成品組織及性能具有遺傳影響。目前一致認(rèn)為細(xì)小等軸晶組織是鑄錠的最佳組織。有如下優(yōu)點(diǎn)：各向同性；組織致密；強(qiáng)度高；枝晶細(xì)；第二相分布均勻，有利于抑制鑄造過程中產(chǎn)生的成分偏析，羽毛狀晶、浮游晶和粗大金屬間化合物的形成；提高抗裂紋的能力。

獲得細(xì)晶組織的途徑：

1）控制凝固時(shí)的溫度制度：即增加冷卻速度和降低澆注溫度，增加冷卻速度的作用是增大過冷度，提高形核率。

2）細(xì)化處理：向熔體中加入少量的特殊物質(zhì)，來保證熔體內(nèi)非均質(zhì)形核，這種特殊添加劑叫作晶粒細(xì)化劑。

3）動(dòng)態(tài)晶粒細(xì)化：向處于凝固過程中的熔體施以某種物理的振動(dòng)或攪拌，在熔體中造成局部起伏，給晶體的游離的增殖創(chuàng)造條件。

第二節(jié)鑄錠缺陷及質(zhì)量檢測

一、化學(xué)成分廢品

分兩類，一類是主要成分不合格，另一類是雜質(zhì)含量超過了限度。

主要成分不合格的原因及分析方法

類別

原因

防止方法

純金屬錠

1、

原料品位不合格2、

熔煉期間吸收了某些雜質(zhì)

1、

原料的品位不應(yīng)低地所熔金屬的品位2、

避免熔體中雜質(zhì)含量增高

合金錠

1、

混料2、

配料計(jì)算或稱量錯(cuò)誤3、

某些元素的熔損大4、

爐前化學(xué)成分時(shí)，發(fā)生差錯(cuò)。如試樣沒有代表性，化學(xué)分析誤差大，補(bǔ)償或沖淡計(jì)算以及稱料錯(cuò)誤5、

化學(xué)成分發(fā)生偏析現(xiàn)象

1、

加強(qiáng)原料管理2、

配料計(jì)算及稱量均應(yīng)準(zhǔn)確3、

易熔損元素的配料比應(yīng)取中上限，熔煉過程中應(yīng)力求減少其熔損。盡量縮短熔鑄時(shí)間4、

調(diào)整化學(xué)成分時(shí)應(yīng)嚴(yán)肅認(rèn)真。如取樣前應(yīng)徹底攪拌熔體，爐前分析應(yīng)準(zhǔn)確，補(bǔ)償或沖淡時(shí)應(yīng)認(rèn)真計(jì)算和反復(fù)核實(shí)5、

避免減少化學(xué)成分的偏析現(xiàn)象

雜質(zhì)含量高的原因及防止方法

類別

原因

防止方法

原料不當(dāng)

1、

新金屬品位低，含雜質(zhì)較高2、

舊料多次返工，某些雜質(zhì)積累過高3、

混料

1、

原料中的雜質(zhì)，不應(yīng)高于所熔金屬或合金的雜質(zhì)限度。2、

含雜質(zhì)較高的舊料，應(yīng)與適量的新金屬搭配使用。3、

加強(qiáng)原料管理

熔煉工藝不當(dāng)

1、

變料時(shí)洗爐不徹底2、

熔體中某些元素與爐襯之間發(fā)生化學(xué)作用3、

熔體與覆蓋劑之間發(fā)生化學(xué)作用4、

某些添加劑元素積累5、

工具材質(zhì)不當(dāng)，熔煉時(shí)發(fā)生熔蝕現(xiàn)象6、

返爐殘料中混有雜物

1、

變料時(shí)，應(yīng)徹底洗爐2、

爐襯材料應(yīng)合適；防止熔體溫度過高3、

覆蓋劑應(yīng)選用恰當(dāng)，防止熔體溫度過高4、

盡量少加添加劑；發(fā)現(xiàn)添加劑有明顯積累現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)立即采取措施5、

根據(jù)金屬或合金性質(zhì)不同，應(yīng)選用不同材質(zhì)的熔煉工具；盡量減少工具與高溫熔體的接觸時(shí)間6、

返爐殘料應(yīng)經(jīng)過挑揀

二、氣孔

存在于鑄錠內(nèi)部的氣體空穴，稱作氣孔。形狀有圓形、長圓形及不規(guī)則的針狀等多種，而且大小也不一樣。氣孔的存在減小了鑄錠的密度，加工氣孔可被壓縮，但不易被焊合，常在加工和熱處理后引起材料起皮和起泡等缺陷。

常見氣孔有三種：內(nèi)部氣孔、表面氣孔和皮下氣孔。

內(nèi)部氣孔產(chǎn)生的原因一般有以下情況：

1）

爐料有油污、水分、乳液、銅銹、銅豆等。

2）

工具、新開爐爐襯干燥不徹底；

3）

覆蓋劑、；熔劑潮濕或覆蓋不好；

4）

裝料順序不正確；

5）

熔煉時(shí)間過長；

6）

脫氧、除氣不良；

7）

鑄造溫度高，速度快；

8）

保護(hù)性氣體質(zhì)量不佳；

表面氣孔產(chǎn)生原因：

1）

托座或底墊潮濕；

2）

模溫過低，吊包、中間包等工具不干燥；

3）

涂料刷得不均或太厚；

4）

錠模內(nèi)壁有孔洞、；縫隙。

皮下氣孔產(chǎn)生原因：

1）

潤滑油含水；

2）

水壓過大

3）

結(jié)晶器或水冷模漏水

4）

鑄造速度過快，涂料來不及揮發(fā)

三、夾渣（雜）

包括表面夾渣及內(nèi)部夾渣。夾渣破壞基體的連續(xù)性，降低金屬的塑性，使制品分層，降低材料的沖擊性與疲勞強(qiáng)度。產(chǎn)生原因：去渣精煉不良；清爐不徹底，擋渣不好；扒渣不凈；潤滑油或涂料過多，質(zhì)量不符要求；鑄造溫度低，速度快或金屬液翻動(dòng)厲害；保護(hù)性氣體質(zhì)量不佳；含高熔點(diǎn)元素的銅合金中，特別是當(dāng)鐵、鉻、鈮、鋯等以純金屬形式加入時(shí)，鑄錠內(nèi)部易出現(xiàn)未熔的純金屬夾雜塊。

避免措施應(yīng)保證進(jìn)入鑄模（結(jié)晶器）的熔體中不含渣。如：出爐前徹底撈渣；向立式鐵模澆注金屬時(shí)最好采用漏斗等

四、偏析

定義：鑄錠各個(gè)部分及晶粒內(nèi)部成分不均的現(xiàn)象稱為偏析。

其影響表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：由于化學(xué)成分不一致，其力學(xué)性能、物理性能以及抗腐性能也不同；使加工困難。如錫青銅產(chǎn)生反偏析，鑄錠表面含錫高，增加切削量及壓力加工的困難；由于偏析使易熔共晶富集在晶粒連界且成網(wǎng)狀組織，增加鑄錠在冷卻過程產(chǎn)生的熱裂傾向。

連續(xù)鑄錠時(shí)，溫度高、速度快、液穴深，易形成反偏析。

五、縮孔與疏松

當(dāng)金屬或合金由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)，由于發(fā)生體積收縮而在最后凝固的地方出現(xiàn)的孔洞，一般稱為縮孔?？s孔分三種：一種是尺寸較大的集中縮孔，多產(chǎn)生在鑄錠頭部及中部；一種是分布在晶界和枝晶間的分散性小縮孔，常稱為疏松或縮松；肉眼分辨不清的縮孔則為顯微疏松。

1、

縮孔：內(nèi)表面參差不齊，近似于鋸齒狀。與表面光滑的氣孔很容易區(qū)分。

縮孔一般出現(xiàn)在鑄模鑄錠，可在模頂上附加保溫帽并在澆注后不斷用高溫熔體及時(shí)補(bǔ)口，可在很大程度上減少縮孔的深度，甚至可完全把縮孔移至保溫帽內(nèi)。

2、

疏松：與縮孔的主要區(qū)別是，疏松多分散地分布在晶粒之間，縮孔多集中地分布在鑄錠最后凝固的地方。前者洞穴較小，后者洞穴較大。

影響縮孔與疏松產(chǎn)生的因素：金屬或合金本性、鑄錠的形狀及尺寸、鑄造工藝條件等。

鉛黃銅、鋁青銅等結(jié)晶溫度范圍較小的合金，多產(chǎn)生集中縮孔，結(jié)晶溫度范圍較大的錫磷青銅，則易形成疏松。另外，熱容大、吸氣強(qiáng)的合金也易產(chǎn)生疏松，如Qsi3-1等。

防止縮孔和疏松的方法：在保證進(jìn)行順序凝固的條件下，適當(dāng)提高鑄造溫度并及時(shí)補(bǔ)縮。

六、裂紋

鑄造生產(chǎn)中常見裂紋有熱裂（在結(jié)晶過程中產(chǎn)生的）與冷裂（在凝固后的冷卻過程中產(chǎn)生的）兩種。兩種裂紋各有其特征：前者多沿晶界裂開，裂紋曲折而不規(guī)則，有時(shí)還有分枝裂紋，裂紋多分布在鑄錠最后凝固的區(qū)域或靠近這些區(qū)域。后者多產(chǎn)生在溫度較低的彈性狀態(tài)下，常穿過晶粒內(nèi)部，裂紋較規(guī)則，有的冷裂是以熱裂為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)變而來的。

銅、鎳及其合金在鑄造生產(chǎn)中出現(xiàn)的裂紋多為熱裂紋，其產(chǎn)生原因與鑄造應(yīng)力密切相關(guān)。隨著鑄造方法的不同，引起裂紋的主要應(yīng)力也不一樣。當(dāng)采用鐵模及水冷模鑄造時(shí)，所出現(xiàn)的裂紋大多數(shù)是由于受機(jī)械應(yīng)力的影響；而采用直接水冷連續(xù)鑄造時(shí)，則往往由于鑄錠內(nèi)外層溫度梯度大，從而產(chǎn)生的收縮應(yīng)力也大，所以使鑄錠產(chǎn)生裂紋的應(yīng)力主要是收縮應(yīng)力。

影響熱裂紋的因素：

1、

金屬或合金的性質(zhì)”

1）

金屬或合金本身的熱脆性；

2）

凝固線收縮率大?。?/p>

3）

金屬或合金在固液區(qū)內(nèi)的抗拉強(qiáng)度及伸長率的高低；

4）

雜質(zhì)含量及分布情況。

2、鑄造工藝及設(shè)備、工具情況；

3、冷卻強(qiáng)度大小。

防止產(chǎn)生熱裂紋的基本方法：

1、

調(diào)整合金中的主成分及限制雜質(zhì)含量；

2、

加入微量變質(zhì)劑細(xì)化晶?；蚴咕Ы缒承┮兹畚镒?yōu)楦呷埸c(diǎn)化合物；

3、

搞好脫氧去氣等精煉工作；

4、

降低鑄造溫度；

5、

改變供流方式，如由一點(diǎn)供流改為向鑄錠周邊均勻?qū)虢饘偃垠w；

6、

降低鑄造速度、減小冷卻強(qiáng)度，必要時(shí)采用紅錠鑄造；

7、

力求使鑄錠各部分冷卻均勻；

8、

適當(dāng)增加結(jié)晶器的長度。

常見熱裂紋的類別及產(chǎn)生原因：

1.表面縱向裂紋產(chǎn)生原因：

1）

金屬或合金有熱脆本性（如紫銅、鋁青銅、錫磷青銅等較易出現(xiàn)這種裂紋）；

2）

鑄錠出結(jié)晶器下口時(shí)，局部表面溫度高；

3）

局部冷卻不均；

4）

結(jié)晶器內(nèi)套外壁上水垢較厚；

5）

結(jié)晶器內(nèi)金屬水平高或使用長結(jié)晶器；

6）

錠?；蚪Y(jié)晶器內(nèi)套變形；

7）

鑄造溫度高，鑄造速度快。

2.

表面橫向裂紋的產(chǎn)生原因：

1）

合金本身高溫強(qiáng)度差；

2）

結(jié)晶器（或錠模、石墨套）內(nèi)表面粗糙或粘有金屬，潤滑不良或鑄錠產(chǎn)生了懸掛；

3）

結(jié)晶器（或錠模）安裝不正或內(nèi)壁變形；

4）

結(jié)晶器內(nèi)套外壁上水垢多，導(dǎo)熱性差加上鑄造速度快；

5）

石墨套與銅套配合不緊密，局部冷卻緩慢；

6）

錠?？ㄗ硬痪o或內(nèi)壁有裂紋；

7）

鑄造開始時(shí)，放流快，開車早且鑄造速度快，鑄錠來不及冷凝（如鑄造鈹青銅時(shí)，這一點(diǎn)較明顯）；

8）

臥式連鑄時(shí)，停、拉時(shí)間不當(dāng)；

9）

鑄造溫度低。

3.

內(nèi)部裂紋產(chǎn)生原因有：

1）

鑄造速度快，鑄造溫度高；

2）

水冷不均；

3）

受合金本性影響；

4）

使用了過短的結(jié)晶器；

5）

坩堝或澆鑄管埋入過深。

七、麻面（麻坑）：

麻面是鐵模鑄錠時(shí)易出現(xiàn)的一種缺陷，其產(chǎn)生的原因是：

1、

錠模內(nèi)壁不平整光滑；

2、

清理錠模不徹底；

3、

錠模、漏斗溫度特低；

4、

涂料不均或過??；

5、

漏斗眼堵塞；

6、

注流不直或沖燙模壁；

7、

鑄造溫度特低，鑄造速度慢。

八、表面縱向條痕：

臥式連鑄時(shí)石墨內(nèi)套上粘有氧化渣或其上產(chǎn)生了凹槽，往往造成鑄錠表面縱向條痕。消除辦法，若條痕呈斷續(xù)式，可以降低拉速，提高頻率，當(dāng)缺陷消除后再恢復(fù)原來的拉速和頻率。若條痕呈連續(xù)式，則應(yīng)更換石墨內(nèi)套。第四章熔煉設(shè)備

第一節(jié)工頻有鐵芯感應(yīng)電爐

一、工作原理

工頻爐也叫低頻爐，相當(dāng)于在短路狀態(tài)下工作的變壓器。爐子的感應(yīng)線圈相當(dāng)于變壓器的一次線圈，熔溝中的金屬相當(dāng)于變壓器的二次線圈。將工業(yè)頻率的交流電引進(jìn)一次線圈時(shí)，通過電磁感