銅合金熔煉與鑄錠1.docx

銅合金熔煉與鑄錠要得到合格的銅合金制品，必須先制得合格的銅、銅合金液。故此，銅合金的熔煉和鑄造是獲得優(yōu)質(zhì)銅合金制品和材料的關(guān)鍵工效之一。銅合金鑄造成錠坯的常見缺陷，如力學性能不合格、氣孔、氧化夾雜、偏析等。主要原因之一是熔煉工藝控制不當造成。所以，對銅合金液的質(zhì)量有如下的要求。 必須嚴格控制銅合金的化學成份，要符合國家標準規(guī)定的指標。 銅合金液要純凈，不得含有氣體和氧化物。 銅合金液不得過燒，不得有偏析。要獲得合格的合金液，除了嚴格控制熔煉工藝外，首要的是要有合格的原材料。在熔煉銅合金是所用的原材料有新金屬、回爐料和中間合金。1.1 銅合金熔煉時的金屬損耗和配料1、我司黃銅用料：電銅、鋅錠、光亮絲、純漆線、Q料、拉伸料、普通角料（回料）、四類搭用料。2、我司磷銅用料：鍍白磷、鍍錫紫銅、普磷、普紫銅。3、熔煉時的金屬損耗金屬熔煉損耗通常是指熔煉過程中，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。1） 金屬的揮發(fā)在熔煉過程中，金屬的揮發(fā)是難以避免的，尤其是一些易揮發(fā)的元素有所回因揮發(fā)損失過大致使控制成份發(fā)生困難；故在熔煉工藝上應(yīng)視其情況采取相應(yīng)的措施。2） 氧化燒損熔融金屬中合金元素的氧化燒損，與合金元素對氧的親合力及含量有關(guān)，凡與氧的親合力比基體金屬大、表面活性強的金屬，必然易燒損。4、降低熔煉損耗的途徑 用熔池面積小的爐子熔煉。 制定合理的工藝操作規(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，或在溶劑覆蓋下溶化。 碎屑散料應(yīng)打包。 選用適宜的覆蓋劑覆蓋。 正確選用溶劑，同時采取高溫扒渣或撈渣，降低渣中金屬損耗。5 配料原則與配料計算1） 配料原則 確定合金各組元的配料比及易耗組元的補償量。 在保證合金的主要成份及雜質(zhì)含量合乎國家標準的前提下，盡可能少用新金屬，以擴大低品位原料及回料的使用量。 在保證合金質(zhì)量的前提下，對合金中貴金屬盡可能按標準的下限含量配料。 為保證某些制品的特殊要求，在國家標準范圍內(nèi)科適當調(diào)整某些元素的含量，及制度生產(chǎn)中實際控制的內(nèi)部標準。2） 配料的計算配料計算程序一般計算程序是：首先算出100Kg所需的爐料，然后再根據(jù)所需投料量乘上倍數(shù)即可。具體計算過程如下： 確定合計的平均化學成分，銅合金一般取牌號成分的平均值。 確定個成分的燒損率，燒損率應(yīng)通過試驗確定。 球場計入燒損量的各合金元素的需要量。 確定爐料組成。 求出回爐料中各成分的重量。 求出減去回爐料中各合金元素含量后尚需補充的用量。 求出各中介合金的用量。 求出尚需補充的新金屬料的用量。 核算雜質(zhì)含量。 寫出配料單。1.2熔煉爐的工作原理我司熔煉設(shè)備分為立式半連續(xù)爐和水平連鑄爐，其工作原理一致，均為有芯工頻感應(yīng)電爐。有芯工頻感應(yīng)電爐，這種爐子是按變壓器的原理構(gòu)成的，一次線圈繞于鐵芯上，二次線圈時與熔池連通的環(huán)形熔溝。當工業(yè)頻率的交流電通過一次線圈時，在周圍產(chǎn)生交流磁通，于是在作為二次線圈的金屬熔溝中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，因而有感應(yīng)電流通過，使金屬加熱。這種爐子的優(yōu)點是熱烈產(chǎn)生在被熔煉的金屬本身內(nèi)，所以熱效率高，溶化速度快，生產(chǎn)率高。由于感應(yīng)電流不斷攪動金屬液在熔溝中運動，因此合金成分和穩(wěn)定均勻，質(zhì)量較高。缺點是熔溝中必須始終充滿合金液，不適用于經(jīng)常更換合金種類或間歇生產(chǎn)的車間。其次，金屬液翻騰，不宜溶化容易氧化的合金。這種爐子適用于熔煉合金，而且最適合于連續(xù)操作、大量生產(chǎn)少數(shù)幾種合金的鑄銅車間。熔煉銅合金時，爐子容量在0.15-50噸，最普遍是1.5噸。1.3銅合金中雜質(zhì)元素的影響1 普通黃銅中常見的雜質(zhì)有鐵、鉛、鉍、銻、磷和砷等，他們會影響黃銅的性能。1） 鐵鐵作為雜質(zhì)，對普通黃銅的力學性能無顯著影響，具有細化晶粒的作用，可提高強度和硬度。當同時存在硅時兩者形成高硬度的硅化鐵雜點，使切削性能邊壞。2） 鉛和鉍鉛在黃銅中常呈顆粒狀分布在晶界上的易熔共晶中，當a黃銅的鉛含量大于0.03%時，黃銅在熱加工中出現(xiàn)熱脆性。鉍常呈連續(xù)的脆性薄膜分布在黃銅晶界上，產(chǎn)生熱誠性和冷脆性。3） 銻銻亦是普通黃銅的有害雜質(zhì)。銻含量小于0.1%時就會析出脆性化合物Cu2Sb，呈網(wǎng)狀分布在晶界上，不僅嚴重損害黃銅的冷加工性能，而且促使黃銅產(chǎn)生熱脆性。4） 磷磷很少固溶于銅-鋅合金中，在a黃銅中超過0.05%-0.06%磷，就會出現(xiàn)脆性項Cu3P，降低黃銅的塑性。磷顯著提高冷加工黃銅的再結(jié)晶溫度，在退火時易產(chǎn)生晶粒大小不均勻現(xiàn)象，但少量的磷可使黃銅鑄錠晶粒細化，提高黃銅的力學性能。5） 砷室溫時砷在黃銅中的溶解度小于0.1%，過量則產(chǎn)生脆性化合物Cu3As，分布在晶界上，降低黃銅塑性。2 合金元素和雜質(zhì)對錫青銅的影響1） 磷磷是銅合金的良好脫氧劑，能增加錫青銅的流動性，但加大反偏析程度。磷提高錫青銅的強度、硬度、彈性極限、彈性模量和疲勞強度。細晶粒的錫磷青銅加工材料具有比粗晶粒加工材料更高的強度、彈性模量和疲勞強度，但塑性略低。2） 鉛鉛實際上不固溶于錫青銅，它以單獨相存在，呈黑色夾雜物分布在枝晶之間。鉛降低錫青銅的摩擦系數(shù)，顯著改善合金耐磨性和切削加工型，但降低力學性能。3） 鎳在含錫量小于8%的合金固溶體中，可溶解一定數(shù)量的鎳，若增加含鎳量，會使合金中出現(xiàn)新的脆性相、降低塑性，使塑性加工性能變壞。4） 鐵少量的鐵可細化錫青銅的晶粒，顯著延緩再結(jié)晶，提高強度和硬度。但鐵含量超過0.05%時，會出現(xiàn)過多的含鐵相，顯著降低耐蝕性，并使工藝性能變壞，加工錫青銅允許含鐵量0.02%-0.05%。5）鋁、鎂、硅少量的鋁、鎂、硅能溶入銅-錫合金的a固溶體，提高合金的力學性能。但它們在熔鑄時易氧化生產(chǎn)難溶氧化物，而降低錫青銅的流動性和強度。1.4鑄錠中常見缺陷及控制措施1 鑄錠的缺陷分析及防止方法鑄錠質(zhì)量的好壞對其加工材的質(zhì)量影響極大，是決定其質(zhì)量優(yōu)劣的先決條件。因此分析鑄錠缺陷產(chǎn)生的原因，找出防止和消除這些缺陷的方法，對提高產(chǎn)品質(zhì)量是十分重要的，鑄錠的缺陷主要有：化學成分廢品；裂紋；夾渣和夾雜；氣孔；偏析；縮孔與疏松；冷隔及表面缺陷等。1）化學成分廢品化學成分廢品是鑄錠的化學成分中的主成分或雜質(zhì)的含量不符合GB/T5231-2001加工銅及銅合金化學成分和產(chǎn)品形狀中規(guī)定的成分指標要求的鑄錠。2）裂紋鑄錠中常見的裂紋有熱裂紋和冷裂紋兩種，銅及其合金鑄錠中產(chǎn)生的裂紋多為熱裂紋，常見的熱裂紋的種類及產(chǎn)生原因敘述如下。（1） 表面縱向裂紋表面縱向裂紋產(chǎn)生原因有： 金屬或合金有熱脆本性； 鑄錠出結(jié)晶器下口時，局部表面溫度高； 局部冷卻不均； 結(jié)晶器內(nèi)金屬液面高或使用長結(jié)晶器； 結(jié)晶器內(nèi)套外壁上水垢較厚； 錠?；蚪Y(jié)晶器內(nèi)套變形； 表面橫向裂紋；（2） 表面橫向裂紋 合金本身高溫強度差； 結(jié)晶器內(nèi)表面粗糙或粘有金屬，潤滑不良或鑄錠產(chǎn)生了懸掛； 結(jié)晶器安裝不正或內(nèi)壁變形； 結(jié)晶器內(nèi)套外壁上水垢多，導熱性差加上鑄造速度快； 石墨套與銅套配合不緊密，局部冷卻緩慢； 定模卡子不緊或內(nèi)壁有裂紋； 鑄造開始時，放流快，開車早且鑄造速度快，鑄錠來不及冷凝； 水平連鑄時，停、拉時間不當； 鑄造溫度低；（3） 內(nèi)部裂紋 鑄造速度快，鑄造溫度高； 水冷不均； 受合金本性的影響； 使用了過短的結(jié)晶器； 流管管埋入結(jié)晶器過深；（4） 防止熱裂紋產(chǎn)生的基本方法 調(diào)整合金中的主成分及限制雜質(zhì)含量； 加入微量變質(zhì)劑細化晶?；蚴咕Ы缒承┮兹芪镒?yōu)楦呷埸c化合物； 搞好脫氧去氣等精煉工作； 降低鑄造溫度； 改變供流方式，如由一點供流改為鑄錠周邊均勻?qū)虢饘偃垠w； 降低鑄造速度。減少冷卻強度，必要時采用紅錠鑄造； 力求使鑄錠各部分冷卻均勻； 適當增加結(jié)晶器的長度；3）夾渣和夾雜夾渣包括表面夾渣和內(nèi)部夾渣。它們都破壞基體的連續(xù)性，降低金屬的塑性，使制品分層，降低材料的沖擊韌性與疲勞強度。產(chǎn)生夾渣和夾雜的原因如下所述。（1） 內(nèi)因合金中含有易氧生渣的元素。（2） 外因主要有以下幾點。 除渣精煉不良，清爐不徹底，擋渣不好，扒渣不凈； 潤滑油或涂料過多，質(zhì)量不合要求； 鑄造溫度低，速度快或金屬液翻動厲害； 保護性氣體質(zhì)量不佳； 與鑄造方式有關(guān)，如采用爐頭比直接從爐中倒出來好，有漏斗比無漏斗好； 漏斗孔徑大，漏斗中保持銅水太少； 爐料混雜，如H62中混入復雜黃銅時渣量顯著增多；夾雜多產(chǎn)生在那些含高熔點元素的銅合金。4）氣孔（1） 氣孔的特征氣孔多呈圓形或橢圓形，表面光滑，據(jù)此可與縮孔、疏松相區(qū)別。氣孔在加工過程中，將引起起皮、氣泡等缺陷。（2） 氣孔的種類鑄錠中常出現(xiàn)的氣孔有三種：內(nèi)部氣孔、表面氣孔和皮下氣孔。QBe2、QSe2、QSi-1、B30等合金易出現(xiàn)布滿整個鑄錠斷面的內(nèi)部氣孔；HPB59-1、BZn15-20的皮下氣孔，多離錠表皮20-30mm且不與表面連通，呈沿柱狀晶間分布的長條形。QCd1.0等的皮下氣孔常緊挨錠表皮5-10mm且多與表面缺陷相連。錠模鑄錠時，易產(chǎn)生表面氣孔，連續(xù)鑄錠時，易出現(xiàn)皮下氣孔?？梢姾辖鹦再|(zhì)及含氣量不同，鑄錠工藝條件不同，產(chǎn)生的氣孔類型及分布情況也各異。（3） 氣孔產(chǎn)生的原因 內(nèi)部氣孔產(chǎn)生的原因A、 爐料有油污、水分、乳濁液、銅銹、銅豆等；B、 工具、新開爐爐襯干燥不徹底；C、 覆蓋劑、溶劑潮濕或覆蓋不好；D、 裝料順序不正確；E、 熔煉時間過長；F、 脫氧、除氣不良；G、 鑄造溫度高，速度快；H、 保護性氣體質(zhì)量不佳；I、 坩堝或澆鑄管埋液面過深； 表面氣孔產(chǎn)生的原因A、 引錠頭潮濕；B、 模溫過低，吊包、中間包等工具不干燥；C、 潤滑劑含水；D、 錠模內(nèi)壁有空洞、縫隙； 皮下氣孔產(chǎn)生的原因A、 潤滑劑含水；B、 水壓過大會二次冷卻射角大；結(jié)晶器或水冷模內(nèi)套漏水；C、 結(jié)晶器或水冷模內(nèi)套漏水；D、 鑄造速度過快，氣泡來不及上浮。5）偏析（1）概述鑄錠各個部分及晶粒內(nèi)部成分不均的現(xiàn)象稱為偏析。偏析分為三種類型：晶內(nèi)偏析又稱枝晶偏析，即在同一個晶粒內(nèi)各部分化學成分不一致；重度偏析又稱重力偏析，它是沿鑄錠高度上發(fā)生了成分變化；區(qū)域偏析，其中又分正偏析和反偏析。區(qū)域偏析使鑄錠外層或中部某些元素的含量，超過了合金的平均成分。（2）偏析對鑄錠質(zhì)量的影響偏析對鑄錠質(zhì)量的影響很大，主要表現(xiàn)在： 由于各部分化學成分不一致，其力學性能，物理性能以及抗腐蝕性等也不同； 使加工發(fā)生困難。如錫青銅產(chǎn)生反偏析，鑄錠表面含錫高，增加切削量及塑性加工的困難。（3）各種偏析的形成概況及防止方法晶內(nèi)偏析 晶內(nèi)偏析在凝固溫度范圍較大的固熔體合金較為突出，其成因是由于合金在凝固溫度范圍內(nèi)進行選分結(jié)晶的結(jié)果，使先后形成的結(jié)晶層成分濃度不一樣。為防止晶內(nèi)偏析，可采取以下措施：a. 細化晶粒，以減少晶內(nèi)成分的偏差；b. 加大冷卻速度以減少晶內(nèi)偏析；c. 進行均勻化處理； 重度偏析 這類偏析主要是由于金屬液中各組成物間的密度差較大，在冷卻較慢時產(chǎn)生了上浮或下沉而造成的。他的產(chǎn)生于合金性質(zhì)、冷卻速度、初晶的密度、形狀和大小、鑄造工藝等有關(guān)。冷卻速度越小，初晶的密度越小，尺寸越大，液固兩相的相對運動速度越大，越有利于初晶上浮。在鑄造溫度高、鑄造速度快、冷卻速度較小的鐵模鑄錠時，會促進重度偏析。此外，在凝固過程中有氣體析出時，也可促使密度小的初晶上浮。6）縮孔與疏松（1） 縮孔與疏松的分類 集中縮孔是尺寸較大的、多產(chǎn)生在鑄錠頭部及中部的縮孔。 疏松或縮松是分布在晶界和枝晶間的分散性小縮孔。 顯微疏松是肉眼分辨不清的縮孔。（2） 影響縮孔與疏松產(chǎn)生的因素影響縮孔與疏松的基本因素是：金屬或合金本性、鑄錠的形狀及尺寸、鑄造工藝條件等。 金屬或合金性質(zhì)金屬或合金的收縮率隨性質(zhì)的不同而異。金屬在液態(tài)及結(jié)晶過程中的收縮以體積的變量來表示，稱為體收縮。在固態(tài)下的收縮常以直線尺寸的變化來表示，稱為線收縮。金屬從鑄造溫度冷至室溫的過程中，要經(jīng)歷液態(tài)、凝固和固態(tài)三種收縮。但最終的縮孔大小，主要是由液態(tài)和凝固收縮決定的，固態(tài)下的收縮反而會減少縮孔。金屬的凝固溫度范圍大則易形成分散性疏松；凝固溫度范圍小則易形成分散性疏松，凝固溫度范圍小則易形成集中縮孔。如HPb59-1，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、吸氣性強的合金也易產(chǎn)生疏松，如QSi3-1等。 鑄造工藝及鑄錠尺寸 凡提高鑄錠斷面溫度梯度和縮小過渡區(qū)的因素，如采用水冷的連續(xù)鑄錠及水冷模鑄錠，加大冷卻速度、鑄造時溫度高、速度快、鑄錠直徑小等，均有利于縮孔的形成，反之則