銅及其合金具有一系列優(yōu)良的性能,其加工產(chǎn)品被廣泛用于電氣、儀表、熱工、機(jī)械制造和軍工等部門。然而銅在熔煉過程中易產(chǎn)生氧化、吸氣和吸雜，使銅熔體產(chǎn)生污染,降低材料的工藝性和產(chǎn)品的性能。熔體的氧化是指銅在熔煉過程中,銅熔體與環(huán)境中的氧發(fā)生反應(yīng),形成氧化亞銅及在隨后的冷卻過程中生成氧化銅。這些氧化物夾雜會惡化銅的工藝性，降低銅的導(dǎo)電性能。溶解于熔體中的氫是使鑄錠產(chǎn)生氣孔、縮松、氣泡和分層的主要原因,使隨后的加工過程發(fā)生氫脆。氫主要以固溶體的形式存在于銅熔體中,它主要來自于熔體還原時(shí)所用的碳?xì)浠衔锖蜖t氣及環(huán)境中的水蒸氣和結(jié)晶水。銅在熔煉過程中熔體還常常會吸收各種雜質(zhì)。這些雜質(zhì)包括各種金屬雜質(zhì)元素和非金屬夾雜物,它們對銅制品的***終使用性能往往會產(chǎn)生不利的影響。為了獲得***終合乎質(zhì)量要求的銅制品,銅熔體在澆注前一般都需要進(jìn)行必要的精煉凈化處理。

技術(shù)現(xiàn)狀

2.1除雜

銅熔煉過程中夾雜主要通過密度差作用、吸附作用、化合作用和機(jī)械過濾作用去除。密度差利用銅液在高溫靜置時(shí),非金屬夾雜物的密度小于銅液密度，上浮出銅液表面而去除。吸附作用是向熔體中導(dǎo)入惰性氣體或采取熔劑產(chǎn)生中性氣體，在氣泡上浮過程中，與懸浮的夾渣相遇時(shí)，夾渣便可能被吸附在氣泡表面而被帶出熔體。化合作用是夾渣和熔劑之間有一定親和力并能形成化合物或絡(luò)合物，***后利用靜置的方法分離除去。所謂機(jī)械過濾作用，是指當(dāng)銅液通過過濾介質(zhì)時(shí)，過濾介質(zhì)會對非金屬夾雜物產(chǎn)生機(jī)械的阻擋作用。

2.1.1　靜置澄清法

這種方法一般是將銅液在精煉溫度和覆蓋劑覆蓋的條件下保持一段時(shí)間,讓夾雜物上浮而去除。

2.1.2　浮選法

浮選發(fā)是利用通入熔體中的惰性氣體或加入的熔劑所產(chǎn)生的氣泡，在上浮過程中與懸浮的夾渣相遇時(shí)，夾渣被吸附到氣泡表面并被帶到熔體液面的熔劑中去，如下圖所示。氣泡的數(shù)目越多、尺寸越大,浮選的效果越好。所用的惰性氣體一般為氮?dú)饣驓鍤狻?/span>

2.1.3　熔劑法

熔劑法是通過熔劑與夾渣之間的吸附、溶解、化合等作用而實(shí)現(xiàn)除渣。如下圖所示。熔劑加在銅液的表面，熔池上層的夾渣與熔劑接觸，發(fā)生吸附、溶解或化合作用而進(jìn)入熔劑中。這時(shí),與熔劑接觸的一薄層銅液較純，其密度比含渣的金屬液大而向下運(yùn)動，與此同時(shí)，含渣較多的下層金屬液則上升與熔劑接觸，其中的夾渣又不斷地與熔劑發(fā)生吸附、溶解或化合作用而滯留在熔劑中。這一過程一直進(jìn)行到整個(gè)熔池內(nèi)的夾渣幾乎被熔劑吸收完為止。

2.2　脫氣

銅液中所含的氣體主要是指氫，脫氣精煉就是指從熔體中去除氫氣。氣體從金屬液中脫除的途徑主要有三：一是氣體原子擴(kuò)散到金屬液表面，然后脫離吸附狀態(tài)而逸出；二是以氣泡形式從金屬熔體中排除；三是與加入金屬液中的元素形成化合物，以非金屬夾雜物形式排除。

銅液脫氫一般是采用前兩條途徑。

2.2.1　氧化脫氣

向熔體中輸入氧時(shí),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解于銅液中。然后氧化亞銅又與銅液中的氫發(fā)生反應(yīng):

Cu2O+H2= 2Cu+H2O↑

銅被還原，水蒸氣從熔體中逸出。反應(yīng)連續(xù)不斷進(jìn)行時(shí)，銅液中的氫將不斷減少。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)定銅液中的氧含量已達(dá)到要求時(shí)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。

2.2.2　惰性氣體脫氣

用鋼管將氮?dú)?、氬氣、氯氣等通入金屬熔體時(shí),氣泡內(nèi)的氫氣分壓為零，而溶于氣泡附近熔體的氫氣分壓遠(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，對除氣越有利。由于氣泡上浮的速度快,通過熔體的時(shí)間短，其氣泡不可能均勻地分布于整個(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，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?dú)庵醒鹾繛?.5%和1%，除氣效果分別下降40%和90%。

2.2.3　真空脫氣

銅的真空脫氣法分為靜態(tài)真空脫氣法和動態(tài)真空脫氣法。靜態(tài)真空脫氣法是將銅熔體置于一定的真空度(通常為1333～ 4000Pa的低真空)下,保持一段時(shí)間。動態(tài)真空脫氣過程是將銅液經(jīng)流槽導(dǎo)入真空室內(nèi)，使熔體一分散的液滴噴落在熔池中，借助于對熔體的機(jī)械攪拌火電池?cái)嚢?，或通過爐低的多孔磚吹入精煉氣體，加快脫氣過程。

2.2.4　其他除氣方法

使用固態(tài)熔劑除氣時(shí),將脫水的熔劑用干燥的帶孔罩壓入熔池內(nèi)，依靠熔劑熱分解或與金屬進(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。例如鋁青銅常用冰晶石除氣，白銅常用螢石、硼砂、碳酸鈣等熔劑除氣。

2.3　脫氧

所謂脫氧就是向熔體中加入與氧親和力比銅與氧親和力更大的物質(zhì)，將銅從其氧化物中還原出來,本身形成不溶于銅液的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)產(chǎn)物而被排除的工藝過程。能使銅的氧化物還原的物質(zhì)稱為脫氧劑。脫氧反應(yīng)為：

x[M]+y[O]=(MxOy) (4)

[M]為脫氧劑。MxOy為脫氧產(chǎn)物,不溶于銅液。

2.3.1　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?cái)U(kuò)散的作用實(shí)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℃ ，保溫時(shí)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(Na2B4O6·MgO)等作表面脫氧劑。擴(kuò)散脫氧速度較慢，達(dá)到完全脫氧需要較長時(shí)間,但卻不會污染熔體。

2.3.2　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)如下:

5Cu2O + 2P = P2O5←+ 10Cu

Cu2O + P2O5= 2CuPO3(L)

Cu2O + Mg = MgO(S)+ 2Cu

Cu2O + Li= Li2O(S)+ 2Cu

脫氧反應(yīng)所產(chǎn)生的細(xì)小的固體氧化物,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(shí)，應(yīng)控制加入量。沉淀脫氧能在整個(gè)熔池內(nèi)進(jìn)行，脫氧效果顯著。缺點(diǎn)是脫氧劑殘余可能形成夾雜。

2.3.3　復(fù)合脫氧

工業(yè)生產(chǎn)中，有時(shí)會采用“木炭-氬氣(氮?dú)?”復(fù)合脫氧，這是一種通過擴(kuò)散脫氧方式進(jìn)行的復(fù)合脫氧方法。其方法是在熔體表面采用木炭覆蓋的條件下，通過一根中空的石墨管，或是頭部帶有多孔噴頭的石墨管，采用旋轉(zhuǎn)石墨管的方式，向熔池深處吹入氬氣(也可吹入氮?dú)?。向銅液中吹入氬氣，有助于擴(kuò)大熔融銅鐘的二氧化碳與木炭的接觸面積，使熔融銅鐘的二氧化碳的擴(kuò)散速度加快，分布更加均勻。這種方法不但有利于脫氧,同時(shí)也有利于除氫

3.銅液凈化所用熔劑

銅及銅合金熔體中產(chǎn)生的金屬氧化物幾乎都屬于堿性的，故可以通過酸性熔劑例如石英砂或硼酸等材料造渣排除。所用熔劑應(yīng)具備的基本條件:

a)經(jīng)過脫水或干燥,具有較強(qiáng)的吸附、溶解和化合造渣能力;

b)熔點(diǎn)低于金屬熔體溫度;

c)密度低于金屬熔體,與銅液有較大的密度差;

d)與銅液間的界面張力大,便于與熔體分離;

e)適宜的黏度;

f)具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，不與爐襯耐火材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不含有有害氣體雜質(zhì);

g)吸濕性小,蒸汽壓低,制造方便,價(jià)格便宜。

來源：銅合金熔鑄