銅液是銅加工的靈魂，如何處理好銅水的純凈度，如何利用化學(xué)反應(yīng)處理好銅液內(nèi)部質(zhì)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(dǎo)。

1.變質(zhì)處理

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

變質(zhì)處理的主要作用如下

(1)細(xì)化鑄錠的結(jié)晶組織，變粗大柱狀晶為細(xì)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(jié)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(zhì)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(yīng)形成大量的化合物質(zhì)點。變質(zhì)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(zhì)點，熔點應(yīng)高于合金熔點。結(jié)晶之前應(yīng)以分散的質(zhì)點均勻地分布于熔體中。

(3)具有較強(qiáng)的變質(zhì)能力，避免引起負(fù)面影響。

(4)加入時機(jī)和加入方法得當(dāng)，減少燒失。

銅及銅合金熔體變質(zhì)處理的應(yīng)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(yīng)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(yīng)

Cu2O+H2=2cu+H20

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

氧化銅液方法：用風(fēng)管向熔池內(nèi)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(yīng)不斷取樣檢查熔體被氧化的程度，當(dāng)認(rèn)定銅液中的含氧量已達(dá)到要求時應(yīng)立即停止氧化。經(jīng)氧化的銅液出爐前應(yīng)該對銅液進(jìn)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(dá)到的壓力等于ー個大氣壓，鋅的蒸發(fā)強(qiáng)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(dāng)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(yīng)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(dāng)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(xiàn)象。這種噴火程度越強(qiáng)烈，噴的次數(shù)越多，則熔體中的氫進(jìn)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(nèi)的氫氣分壓為零，而溶于氣泡附近熔體中的氫氣分壓遠(yuǎn)大于零，基于氫氣在氣泡內(nèi)外分壓之差，使溶于熔體中的氫不斷向氣泡擴(kuò)散，并隨著氣泡的上升和逸出而排除到大氣中，達(dá)到除氣目的。

氣泡越小，數(shù)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(yīng)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?jǐn)?shù))，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(xué)性能。

小型真空感應(yīng)電爐通常采用石墨質(zhì)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(xiàn)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(shè)備能力***適合于小批量生產(chǎn)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(kuò)散脫氧

表面脫氧劑的脫氧反應(yīng)主要在熔池表面進(jìn)行，內(nèi)部熔體的脫氧主要是靠氧化亞銅不斷向熔池表面擴(kuò)散的作用實現(xiàn)。氧化亞銅的密度比銅小，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(jié)果使熔池內(nèi)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(yīng)是 ：2Cu2O+C＝4Cu+CO2

除了木炭以外，還可以用某些密度遠(yuǎn)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(jié)果形成氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)生成物。主要反應(yīng)式如下

5CU2O+2P=P2O5+10cu

Cu2O+P2O5=2CUPO3

Cu2o+Mg =Mgo(S)+2cu

Cu2O+Li=Li2o(S)+2cu

脫氧反應(yīng)所產(chǎn)生的細(xì)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(yīng)控制加入量。沉淀脫氧能在整個熔池內(nèi)進(jìn)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(yīng)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(nèi)進(jìn)行脫氧反應(yīng)。

(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(nèi)的氫氣分壓為零，而溶于氣泡附近熔體中的氫氣分壓遠(yuǎn)大于零，基于氫氣在氣泡內(nèi)外分壓之差，使溶于熔體中的氫不斷向氣泡擴(kuò)散，并隨著氣泡的上升和逸出而排除到大氣中，達(dá)到除氣目的。

氣泡越小，數(shù)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(yīng)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?jǐn)?shù))，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(xué)性能。

小型真空感應(yīng)電爐通常采用石墨質(zhì)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(xiàn)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(shè)備能力***適合于小批量生產(chǎn)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