铸造铜合金熔炼质量控制优化方案

1.铸造铜合金熔炼的原材料准备

铸造铜合金用原材料包括铸锭、回炉料、中间合金和熔剂等。

（1）回炉料 铸造铜合金用回炉料包括同牌号的报废铸件、浇冒口以及屑料等。其中，同牌号的废铸件及其浇冒口均可直接作为炉料加入，屑料则需重熔成符合相应牌号化学成分的铸锭才能使用。

（2）中间合金 为了降低熔化温度，缩短熔炼时间和减少合金烧损，生产上常将高熔点的合金元素（如Fe、Mn、Ni等）和易氧化的合金元素（如Be Mg、P、Cr、B等）预先制成二元或三元中间合金。

（3）熔剂 铜及其铜合金熔炼时所用的熔剂，按其使用目的不同，分为覆盖剂、精炼剂、脱氧剂及晶粒细化剂。

1）覆盖剂。覆盖剂的主要作用是使合金液与炉气隔绝，防止合金氧化、蒸发、熔液吸气和散热过多。覆盖剂具有稳定的化学性质、较低的熔点、适当的黏度和表面张力，密度应比合金液小，易于上浮，能形成与合金液分离的保护层。铸造铜合金常用的覆盖剂有木炭、玻璃混合物等。

2）精炼剂。铜合金熔炼过程中不可避免地产生一些酸性或中性氧化物，如Al₂O₃、SiO₂、Cr₂O₃、MnO₂、BeO等。这些氧化物很难还原，有效的办法是加入碱性熔剂，使之与合金液内的氧化物反应生成复盐，再扩散至液面，凝集成渣后排出。

铸造铜合金的精炼剂种类很多，一般由碱及碱土金属的卤盐或碳酸盐的混合物组成，如冰晶石、碳酸钠、碳酸钙、食盐、氟化钠、氟石、硼砂、氧化钙氟硅酸钙等。

3）氧化剂。氧化剂也可以认为是一种精炼剂，因为在一定温度和压力下合金液中氢、氧浓度的乘积是一个常数，氧化剂增加合金液的氧含量，也就降低了合金液的氢含量，以达到除氢的目的。

4）脱氧剂。当铜合金在氧化性气氛中熔炼时，或者为了脱氢而加入氧化剂时，合金液中的氧含量显著增加，并以Cu₂O形式存在于合金液之中。当合金凝固后引起“氢脆”，降低合金的力学性能。脱氧剂就是通过加入一种比铜与氧亲和力更大的元素，将Cu₂O中的Cu还原出来，并使脱氧产物上浮而去除。

常用的脱氧剂有表面脱氧剂和溶解于金属的脱氧剂，如碳化硅（CaC₂）、硼化镁（Mg₃B₂）、木炭、硼酐（B₂O₃）等。

5）晶粒细化剂。晶粒细化是改善铜及其合金铸造性能的重要手段。常用晶粒细化的方法是添加细化剂。另外，通过凝固过程中的机械振动、超声波振动压力结晶和快速冷却等措施也能实现晶粒的细化。

2.铸造铜合金的熔炼工艺

（1）熔炼准备 铸造铜合金的熔炼炉有反射炉、坩埚炉、感应电炉等。熔炼开始前需对熔炼炉的炉衬、运动机构、水冷系统、供电系统、熔炼用具等进行全面检查，确保各个环节万无一失。

（2）炉料配料计算

1）配料计算的原始资料：合金牌号、主要化学成分、杂质限量、所用炉料的化学成分、元素烧损率、每炉的投料量等。

2）熔炼损耗包括烟尘损耗和造渣损耗。烟尘损耗与炉料的质量和性质有关，如炉料的油污、水分和其他挥发性有机物，在熔炼过程中随着温度升高而失去。造渣损耗是为了提高金属液的纯净度，在造渣过程中转移至炉渣而损失掉。

3）合金元素的烧损率与熔炼炉、熔化率、加料顺序、熔剂种类等因素有关。铸造铜合金主要元素的烧损率见表13-29。

表13-29 铸造铜合金主要元素的烧损率

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4）覆盖剂加入量为0.5％～1.5％（质量分数），氧化剂加入量1％～2％（质量分数），精炼剂加入量0.2％～1％（质量分数）。

5）铸造铜合金的炉料包括纯金属、合金预制锭、中间合金、回炉料、切屑等

6）炉料的计算步骤：选定合金最佳成分→确定元素烧损率→计算元素烧损量→确定炉料组成→求出回炉料各成分的重量→求出中间合金的用量→求出尚需补加的新料用量→核算主要杂质含量是否符合要求→填写配料单。

（3）熔炼工艺过程控制

1）熔炼前，根据合金的特点、生产成本和熔化量来选择合理的熔化炉，确定合适的炉料组成、加料顺序、精炼和浇注工艺。

2）大型铜合金铸件常选择燃油、燃气反射炉；中小型铸件用燃油底坑炉工频感应炉、中频感应炉；对于易氧化烧损或产生有害物质的某些合金，如铍青铜、铬青铜、锆青铜等，宜采用真空感应炉。

3）铜合金的熔炼方法根据炉料的种类分为直接熔炼法和中间合金重熔法直接熔炼法效率高，节约工时和能耗，但合金熔化时间长，需要更高的过热度增加了合金的氧化和吸气量，工艺控制难度大。

4）加料顺序一般先加入数量最多和熔点高的炉料，熔化后再加入熔点低或具有较高挥发性的炉料；也可以依据合金化的原则，先加入占炉料主要部分的低熔点炉料，再加入高熔点炉料，通过合金化的途径降低温度和加快熔化速度熔化时能产生大量热量的金属，不宜最后加入，防止金属熔体过度过热。

3.铸造铜合金熔炼的炉前控制与检验

（1）炉前检验的内容 铜合金液处理浇注前应严格按照工艺规程的要求测定出炉温度、弯折角、断口、化学成分和气体含量。

（2）温度测量 使用经校正合格的热电偶或光学高温计测量。用光学高温计测温时，应扒开金属液面的浮渣，确保检测的正确性。

（3）炉前折弯角的检验 炉前折弯角检验是熔炼铸造铜合金时常用的质量检验方法。对高强度黄铜和铝青铜更有意义，根据折弯角的大小可以估计合金的锌当量和铝当量及其力学性能。

炉前折弯角检验：在金属型中浇注出直径为φ10mm、长度120mm的试样在金属型内冷却2～3min后投入水中冷却；然后将试样的一端夹在半圆形台钳上，用锤打击至断裂，以折断角大小判断锌当量和铝当量。

（4）断口检验 断口检验可以判断铜合金熔炼和精炼效果，有无夹渣、气孔，组织是否致密，同时根据断口的颜色和形貌特征评估合金的力学性能。

（5）炉前分析 对大型熔炉熔炼的合金或重要用途的铸件，需做炉前分析主要化学成分合格后才能浇注。对小型熔炉熔炼的合金和次要的铸件，可采取每班次选一炉做主要化学成分的分析。

（6）含气量的检测 含气量的检测包括常压下的含气量检测和减压凝固检测。

常压下的含气量检测：用预热的取样勺，自坩埚底部舀取合金液浇注到φ50mm×60mm干燥的铁模中，撇去表面的氧化膜和渣子，凝固后观察期表面收缩情况。收缩显著，表面凹下者为合格；收缩不明显，表面突出或破裂者为不合格。

减压凝固检测：将浇好的试样置于真空度为4～5kPa的真空室中凝固，观察其表面收缩情况。收缩显著，表面凹下或稍突出但不破裂者为合格；收缩不明显，表面突出或破裂者为不合格。