銅合金熔煉的除氣方法
金屬熔體除氣的途徑有:
1、是氣體原子擴散至金屬表面,然后脫離吸附狀而逸出;
2、是以氣泡形式從金屬熔體中排除;
3、是與加入金屬中的元素形成化合物,以非金屬夾雜物形式排除。
當銅合金中含有一定數量的鋅、鋁、硅等一類對氧有較大親和力的元素時,由于這些元素本身就是良好的脫氧劑,因此合金中可能存在的主要氣體是氫,而不會是氧。溶解于金屬中的氣體,在鑄錠凝固時析出來最易形成氣孔。
(1)氧化除氣法
氧化除氣法是利用,當銅液中的水蒸氣的分解壓一定的條件下,氫和氧之間存在一個動態(tài)平衡關系的原理,有意識地使銅液中的含氧量增加,以降低氫的含量。凡氧化物能溶于金屬中、最后又能脫氧的金屬,均可采用氧化除氣法。如在大氣下熔煉銅、鎳時,氧化壓成的Cu2O和Nio分別溶于銅液中,增高含氧量即可相應降低銅、鎳中的含氫量。
當向熔體中鼓入氧時,大量的銅將被氧化生產氧化亞銅,生成的氧化亞銅溶于銅液中。隨后,氧化亞銅又與銅液中的氫發(fā)生反應,結果銅被還原,水蒸氣從熔體中逸出。當上述兩個反應能夠連續(xù)不斷地進行時。銅液中的氫將不斷減少。
這種除氣方法只適用于紫銅和Cu-Sn、Cu-Pb等合金。如果合金中含有鋁、硅、錳等活潑元素,則在加入這些元素前,先用氧化方法除氣,脫氧后再加入合金元素,這樣仍可獲得良好的除氣和脫氧效果;如果銅液中已加入某些活潑元素(如爐料中有回爐料時),則采用氧化法處理銅液時,只能使合金元素劇烈氧化,加劇氧化夾雜,而不能除氫。
氧化除氣時銅液增氧的方法主要有:造成氧化性爐氣、加入氧化性熔劑和吹入壓縮空氣的方法。
銅液中常加的氧化性熔劑是一些高溫下不穩(wěn)定的高價氧化物,如MnO2(錳礦石)、K2MnO4(高錳酸鉀)、CuO(氧化銅)等,熔劑裝在坩堝底部,與爐料同時加熱。高溫下,這些熔劑分解并析出的氧溶解在銅液中,而本身變?yōu)榈蛢r氧化物。生成的低價氧化物中,Mn0,K20雖溶于銅液,但可脫氧除去。該方法實施方便,效果好,特別是帶有油污的雜銅,含氫量又較高時,采用此法補救,可達到較徹底的除氫。通常,氧化性熔劑加入量為1%~2%,處理后用Cu-P合金脫氧,其Cu-P合金加入量要比正常的高,并且應由銅液氧化程度來決定。一般在氧化性熔劑下熔煉時,加磷量為0.15%~0.2%。
(2)沸騰除氣法
沸騰除氣法是利用金屬本身在熔煉過程中產生的蒸氣泡內外氣體分壓差來除氣的。該法是在工頻感應電爐熔煉高鋅黃銅時常采用的一種特殊方法。黃銅中鋅的蒸氣壓高,且隨溫度的升高而增加,沸點只有907℃。含鋅高的黃銅受其影響,也有較高的蒸氣壓,而且黃銅的沸騰溫度隨含鋅量的增加而降低。
在工頻有芯感應電爐中熔煉黃銅時,熔溝部分溫度高,形成鋅蒸氣泡隨即上浮,由于熔溝上部的金屬液溫度低,在氣泡上浮過程中,可能有部分蒸氣泡冷凝下來,只有那些吸收了氫以及來不及冷凝的蒸氣泡,才能順利逸出熔池。隨著熔池溫度升高,金屬蒸氣壓也逐漸增大。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,形成“噴火”現(xiàn)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,所以沸騰除氣的效果較好,一般噴火2~3次即可達到除氣的目的。此現(xiàn)象還可作為工頻有芯感應電爐熔煉黃銅時出爐的標志。
對于含鋅量低于30%的黃銅,由于沸點較高些,在熔煉溫度下不沸騰,因此對于低鋅普通黃銅及HSi80-3等低鋅特殊黃銅必須在熔煉后期,快速加熱至沸點以上(1200~1300℃),使銅液短時沸騰,以除去溶于其中的氣體,然后立即降溫至澆注溫度進行澆注。含鋅低于20%的黃銅,一般不用沸騰除氣。沸騰除氣的缺點是低沸點元素(如鋅等)的熔煉損耗較大。
(3)惰性氣體法
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力之差,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。但由于氣泡上浮的速度大,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,應注意控制氣體的純度。精煉氣體中氧含量不得超過0.03%(體積數分數),水分不得超過3.0g/L。
(4)真空除氣法
在真空條件下,由于熔池表面的氣壓極低,原來溶于銅液中的氫等氣體,很容易逸出。其特點是除氣速度和程度高,是一種有效的除氣方法。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較好。
(5)熔劑除氣法
使用固態(tài)熔劑除氣時,將脫水的熔劑用干燥的帶孔罩壓入熔池內,依靠熔劑熱分解或與金屬進行置換反應,產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熔劑除氣,白銅常用熔劑除氣。為提髙除氣效果,也可采用干燥氮氣將粉狀熔劑吹入熔池罩。熔劑在除氣的同時,還可去渣。
加氟鹽、氯化物等除氣的基本要點:①銅液中加入受熱能分解出氣體的物質(除氣劑)。常用的除氣劑有ZnCl2、MnCl2、石灰石、大理石、錳礦石等。前兩種主要用于鋁青銅的除氣,除氣劑在使用前一律要烘干。②ZnCl2和MnCl2的加入量,為銅液重量的0.2%?0.4%,以鐘覃壓入。③ZnCl2脫水方法:緩慢加熱至熔點(365℃)以上溫度,然后倒在鐵板上使之成玻璃狀物質。
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