铸造用纯铜及铜合金的典型熔炼工艺

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      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℃。

　　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。

　　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

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。