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銅液是銅加工的靈魂,那么銅液熔體如何處理?

發(fā)布時間:2021-12-15點擊:2132

銅液是加工的靈魂,如何處理好水的純凈度,如何利用化學反應處理好銅液內部質量,傳統(tǒng)的銅熔煉工藝為什么要添加各種輔助材料,我們只有從理論上通透,才能在實踐中指導。

1.變質處理

對合金熔體作變質處理而達到改善鑄錠結晶組織或某種性能的目的,稱為變質處理。添加變質劑、振動下結晶等都是常見的變質處理方法。

變質處理的主要作用如下

(1)細化鑄錠的結晶組織,變粗大柱狀晶為細小等軸晶。

(2)減少晶界上某些低熔點物,或促使其球化。

(3)改變某些有害元素在鑄錠結晶組織中的分布狀況。

(4)兼有脫氧及除氣作用。

(5)提高鑄錠的高溫塑性。

選擇及使用變質劑的原則如下

(1)至少與合金中的一種組元形成化合物,如通過包晶反應形成大量的化合物質點。變質劑元素能與合金中的主要組元形成化合物***為理想。

(2)成為晶核或形成化合物質點,熔點應高于合金熔點。結晶之前應以分散的質點均勻地分布于熔體中。

(3)具有較強的變質能力,避免引起負面影響。

(4)加入時機和加入方法得當,減少燒失。

銅及銅合金熔體變質處理的應用實例

2.除氣精煉

(1)氧化除氣

向熔體中輸入氧時,大量銅將被氧化,其反應式為:

4cu+O2=2cu2O

生成的氧化亞銅首先溶于銅液中,然后氧化亞銅又與銅液中的氫發(fā)生反應

Cu2O+H2=2cu+H20

結果銅被還原,水蒸氣從熔體中逸出。反應連續(xù)不斷地進行時,銅液中的氫將不斷減少。

氧化銅液方法:用風管向熔池內輸送壓縮空氣或氧和氮的混合氣體;采用氧化性熔劑等。氧化過程中應不斷取樣檢查熔體被氧化的程度,當認定銅液中的含氧量已達到要求時應立即停止氧化。經氧化的銅液出爐前應該對銅液進行脫氧處理,以除去銅液中多余的氧。

2)沸騰除氣

鋅的蒸氣壓隨著溫度的升高而增高,在沸點即907℃時所達到的壓力等于ー個大氣壓,鋅的蒸發(fā)強度在還原氣氛下將增大若干倍,此時鋅的揮發(fā)不是通常的氧化性氣氛所能左右的。ZnO的分解壓力在1127℃時為5.4×10-21MPa。當熔融金屬過熱到1250℃時,ZnO的分解壓力不超過1.4×10-17MPa。ZnO的分解壓力如此小,鋅蒸氣被迅速氧化是不可避免的。

工頻有鐵芯感應電爐熔煉黃銅時熔溝中溫度高,形成鋅蒸氣泡上浮。隨著熔池溫度升高,鋅蒸氣氣壓逐漸增大,當整個熔池溫度升高到接近或超過沸點時,大量蒸氣從熔池噴出,即形成噴火現象。這種噴火程度越強烈,噴的次數越多,則熔體中的氫進入蒸氣泡也越多,除氣效果就越好。由于蒸氣泡自下向上分布較均勻,沸騰除氣的效果較好。含鋅低于20%的黃銅不能采用沸騰除氣方法。

(3)情性氣體除氣

用鋼管將氮氣、氬氣等通入金屬熔體時,氣泡內的氫氣分壓為零,而溶于氣泡附近熔體中的氫氣分壓遠大于零,基于氫氣在氣泡內外分壓之差,使溶于熔體中的氫不斷向氣泡擴散,并隨著氣泡的上升和逸出而排除到大氣中,達到除氣目的。

氣泡越小,數量越多,對除氣越有益。由于氣泡上浮的速度快,通過熔體的時間短,且氣泡不可能均勻地分布于整個熔體中,故用此法除氣不容易徹底;隨著熔體中含氫量的減少,除氣效果顯著降低。為提高除氣精煉效果,應控制氣體的純度。研究表明精煉氣體中氧含量不得超過0.03%(體積分數),水分不得超過3.0g/L。若氮氣中氧含量為0.5%和1%,除氣效果分別下降40%和90%。

(4)真空除氣

真空熔煉主要具有以下特點:①可以避免合金元素的氧化損失和吸氣,而且為熔體中氣體的析出創(chuàng)造了良好條件;②熔體免受污染,在某種程度上可以提高純度,有利于獲得純度比較高的金屬及合金;③有利于提高材料的某些物理或力學性能。

小型真空感應電爐通常采用石墨質材料制造的坩堝爐襯,可以免受其他耐火材料對熔體的污染,同時也可充分利用碳的良好脫氧作用。真空熔煉的主要缺點是可以造成某些沸點比較低、蒸氣壓力較高的合金元素的大量揮發(fā)損失。因此,出現了先抽真空然后向熔室中充以某種惰性氣體,例如充氬氣的熔煉方式。

真空熔煉爐的爐體多和真空鑄造裝置安裝在同一真空室中,受設備能力***適合于小批量生產某些純度比較高,或者某些高銅合金、銅鎳合金。真空條件下熔池表面的氣壓極低,原溶于銅液中的氫等氣體容易逸出。真空除氣的除氣速度和程度較高,活性難熔金屬及其合金、耐熱及精密合金等,采用真空熔鑄法除氣效果更好。

3、脫氧精煉

(1)擴散脫氧

表面脫氧劑的脫氧反應主要在熔池表面進行,內部熔體的脫氧主要是靠氧化亞銅不斷向熔池表面擴散的作用實現。氧化亞的密度比銅小,易于向熔池表面浮動。熔池表面的氧化亞銅不斷被還原,濃度不斷降低,濃度差作用的結果使熔池內部氧化亞銅不斷上浮。銅液在木炭覆蓋下,溫度為1200℃,保持時間20min,銅液中氧化亞銅的含量可由原來的0.7%下降到0.5%。木炭的脫氧反應是 :2Cu2O+C=4Cu+CO2

除了木炭以外,還可以用某些密度遠小于銅的可還原氧化亞銅的熔劑,例如硼化鎂(Mg3B2)、碳化鈣(CaC2)、硼渣(Na2B1O·MgO)等作表面脫氧劑。

(2)沉淀脫氧

銅及銅合金常用的沉淀脫氧劑有磷、硅、錳、鋁、鎂、鈣、鈦、鋰等,脫氧結果形成氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)生成物。主要反應式如下

5CU2O+2P=P2O5+10cu

Cu2O+P2O5=2CUPO3

Cu2o+Mg =Mgo(S)+2cu

Cu2O+Li=Li2o(S)+2cu

脫氧反應所產生的細小固體氧化物,使金屬的黏度增大或成為金屬中分布不均勻的夾雜物。采用這類脫氧劑時,應控制加入量。沉淀脫氧能在整個熔池內進行,脫氧效果顯著。缺點是脫氧劑殘余可能形成夾雜。

具體分析下常用的磷銅脫氧:

除電工材料用的純銅外,磷是應用***廣泛的脫氧劑;磷以磷銅中間合金形式加入,P-Cu二元相圖中在8.4%P處形成Cu+Cu3P共晶,熔點714℃,超過14%P后,磷以蒸氣形式逸出,故常用的磷銅含磷量低于14%。磷銅加入銅液后,即在整個熔池內進行脫氧反應。

(3)情性氣體除氣

用鋼管將氮氣、氬氣等通入金屬熔體時,氣泡內的氫氣分壓為零,而溶于氣泡附近熔體中的氫氣分壓遠大于零,基于氫氣在氣泡內外分壓之差,使溶于熔體中的氫不斷向氣泡擴散,并隨著氣泡的上升和逸出而排除到大氣中,達到除氣目的。

氣泡越小,數量越多,對除氣越有益。由于氣泡上浮的速度快,通過熔體的時間短,且氣泡不可能均勻地分布于整個熔體中,故用此法除氣不容易徹底;隨著熔體中含氫量的減少,除氣效果顯著降低。為提高除氣精煉效果,應控制氣體的純度。研究表明精煉氣體中氧含量不得超過0.03%(體積分數),水分不得超過3.0g/L。若氮氣中氧含量為0.5%和1%,除氣效果分別下降40%和90%。

(4)真空除氣

真空熔煉主要具有以下特點:①可以避免合金元素的氧化損失和吸氣,而且為熔體中氣體的析出創(chuàng)造了良好條件;②熔體免受污染,在某種程度上可以提高純度,有利于獲得純度比較高的金屬及合金;③有利于提高材料的某些物理或力學性能。

小型真空感應電爐通常采用石墨質材料制造的坩堝爐襯,可以免受其他耐火材料對熔體的污染,同時也可充分利用碳的良好脫氧作用。真空熔煉的主要缺點是可以造成某些沸點比較低、蒸氣壓力較高的合金元素的大量揮發(fā)損失。因此,出現了先抽真空然后向熔室中充以某種惰性氣體,例如充氬氣的熔煉方式。

真空熔煉爐的爐體多和真空鑄造裝置安裝在同一真空室中,受設備能力***適合于小批量生產某些純度比較高,或者某些高銅合金、銅鎳合金。真空條件下熔池表面的氣壓極低,原溶于銅液中的氫等氣體容易逸出。真空除氣的除氣速度和程度較高,活性難熔金屬及其合金、耐熱及精密合金等,采用真空熔鑄法除氣效果更好。

來源:銅合金熔鑄


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