1.气体的溶解

能溶解于铜中的气体,主要是氢和氧。双原子的分子气体都不能直接溶解于金属熔体中。气体的溶解过程是:吸附在金属表面---离解成单质气体的原子---扩散进入金属晶格内,形成固溶体和化合物。氢和氧在铜中都是有害元素,它不但能降低铜的性能,而且可能导致“氢气病”的产生。铜锭中都有一定的含氧量,但若溶入了过量的氧或氢,将是造成铸锭质量事故的主要原因。因此,在熔炼紫铜时,必须采取措施尽力堵住气体的来源,避免或尽量减少空气、水分、油以及各种污染物与熔体接触。气体的溶解过程也就是消除“吸附”这一条件,使得溶解过程不能建立。

在一定的吸附条件下,气体在金属中的溶解程度主要取决于:

(1)气体与金属的结合力。

气体单质的氢原子半径***小,是极活泼的元素,它几乎可以溶于所有金属液体和固体中。在许多金属中,氢占全部气体含量的60%～ 90%,所以金属吸气往往称为“吸氢”。氧和液体下的铜也有很强的亲和力,存在吸氧或氧化,所以Cu2O形成溶于铜液中。

(2)温度和时间

金属的温度越高,气体与金属接触时间越长,则溶解的气体越多。只有继续提高温度,熔体金属本身具有相当高的蒸汽压下,才导致溶解度逐渐降低。

(3)气体在铜液中的扩散速度

工频感应炉由于电磁力的自动搅拌作用,极大地增强了扩散速度。

(4)铜液中氢与氧之间的关系

氢和氧在液态铜中的含量关系是氧少氢多、氧多氢少这种成反比的关系,这可以解释为什么脱氧彻底的TP2比T2对氢害更为敏感的原因。

2.紫铜熔炼

紫铜电炉熔炼采用电解铜作原料。电解铜材质本身含有气体,其表面状态优劣对熔池吸气有重要影响。

熔炼紫铜时常用木炭作覆盖和脱氧剂,其脱氧作用仅在与液体金属接触的表面进行,因此称为表面脱氧剂。对脱氧铜(如TP1、TP2),使用木炭脱氧的同时,在出炉前还用磷铜进行***终脱氧,磷铜可沉于熔池,溶解于整个熔池内,与熔融金属中的氧化物相互作用,脱氧效果显著。

以上两种脱氧的还原反应中,都有气体产生,即CO、CO2和P2O5,这些气体产物由熔体在上升途中可将氢带上一起逸出液面。但是与脱氧作用比较,这种脱氢作用是次要的或是有限的。

但是,实际上木炭都含有气体和水分,特别是未经煅烧良好的木炭含量尤多。因此,木炭覆盖条件下很难避免氧化和吸氢。熔炼时多是氧化和脱氢、吸氢和脱氧过程同时存在的,问题是哪个为主,是有利的一面还是有害的一面,这需要控制工艺条件趋利避害。   

3.气体对铸锭的影响

常规生产中,铜材上产生的气泡可由挤压、也可由铸锭的原因所产生,属技术废料中的偶然缺陷。长期的、异常的大量气泡的质量责任在前工序———熔铸,是由铜锭中的气孔所造成的。

铜锭中的气孔内是气体。较小的气孔经过加工后可以被压合,在其后加工工序可能会暴露为表面缺陷———起皮。铜锭中气孔很多时,同时会存在较大的气孔,此时在挤压管坯中后段会起泡,起泡多沿挤压方向连续分布,越到后端(压余端)越严重,而在圆周方向上起泡分布并无规律。此类起泡严重者无法修理而只能报废,较轻微者经修理后进入拉伸工序。但拉伸中暴露起皮、夹杂较多,对成品率有较大的影响。水封挤压尺寸较小的管坯时,由于冷却强度大、起泡较小(气体来不及聚集膨胀),在其后冷轧-拉伸生产过程中暴露起皮、夹杂等缺陷多,管材打头中发生部分劈裂。拉制管材退火后则表现为大量的疹状起泡,与挤压坯起泡所不同的是:泡多不连续、较小,泡大者如米粒,小者如针尖,肉眼不易发现,需凭手感方可发觉。

气泡的形成是气孔压合后在温度-时间作用下气体重新聚集和膨胀的结果。

成品管(无起泡)耐压、扩口、压扁性能较差,反映材料的塑性有损失。

铜管起泡的另一形成原因是:铸锭为过饱和铜固溶体,使晶格歪扭造成第三类应力,降低塑性。在挤压或退火中,因温度变化,氢从沿挤压方向伸长的晶界或夹杂等界面析出形成气泡。

紫铜吸气引起挤压坯起泡,退火管材起泡的特点是:基本上每根管子都有气泡,导致成品率锐减和成批报废。这与其他起泡原因大不相同。

防止吸气措施建议

铜锭中含气过高是由于生产操作不符合紫铜熔铸工艺要求,以及原料、覆盖剂和保护气体不佳等多种因素综合造成的。所有不利因素均应尽力予以排除,才能确保生产建立在安全、优质的基础上。完善和改进过程表明:熔池(一次吸气)吸气影响***大,在这个环节基本解决之后,铜管起泡即明显减轻(泡较少亦较小)。只有当二次吸气和引锭座、垫料问题同时解决之后,铜管起泡才能彻底消除。

防止吸气的关键在于堵住“气源”。主要措施有:

(1)电解铜必须符合标准;起泡管的回炉料不用于生产紫铜。

(2)装料(料应“无油、无水、无混杂”)必须一次多装、装满,以充分驱除炉料吸附的水汽。集中2～ 3次装完一炉,不得多次少投。

(3)木炭必须干燥(以煅烧木炭为佳)。***装料后必须立即加入木炭,覆盖厚度100mm～150mm,以满足防止吸气、脱氧和保温的要求。

(4)装料熔化后必须及时关上炉门。

(5)煤气发生系统的干燥器内装入氯化钙(脱水剂),并及时更换,以便吸收煤气中的水分。煤气罩要罩好,放流前5min～ 10min提前通上煤气,充分驱除罩内原有空气。

(6)引锭座要用煤气烘干、预热,用干燥的

铜块垫底,不得使用锯屑垫底。

 来源：铜合金熔铸

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