第三节　各类铸造铜合金熔炼工艺

一、黄铜类铸铜

黄铜类铸铜合金牌号如：ZCuZn33Pb2（含Cu 63％～67％，Zn 33％，Pb 1％～3％）、ZCuZn40Pb2（含Cu 58％～63％，Pb 0.5％～2.5％，Zn 38％～40％）和ZCuZn16Si4（含Cu 79％～81％，Si 2.5％～4.5％，Zn 15％～19％）等。其具体化学成分如表4-9所示。

黄铜类铸铜的力学性能与其铸造工艺密切相关，详见表4-10，其中铸造方法中，S为砂型浇铸，J为金属型浇铸造，Li为离心浇铸，La为连续浇铸，Y表示压铸。

黄铜中都含有的合金元素是锌，锌的熔点419℃，汽化温度911℃，远低于黄铜的熔炼温度（1150～1200℃），因而锌易蒸发逸出，有助于驱逐氢气和氧气，故对薄小铸件，可以不另加其他精炼剂，只需在铜液表层加上一定厚度的覆盖剂（如：碎玻璃和硼砂各50％，总重占铜料重的3％左右），以防止吸入大气中的水汽和其他气体，最后可用或不用磷铜脱氧（P 0.04％～0.06％）。对于单件质量为数十千克或数百千克的厚大的黄铜铸件（壁厚>50～200mm），最好还应使用精炼剂（如：NaCl 40％+KCl 30％+NaF 10％），以利于排气和促使杂物上浮入渣，更需用磷铜脱氧。又因为厚大的黄铜铸件容易形成粗大的晶粒和分散的疏松小孔，所以可采用如下措施。

首先铸件应采用铁型，内部刷涂料。炉内压入或大浇包内冲入铈镧稀土合金（0.2％～0.3％）。也可冲入稀土硅铁合金（含稀土30％左右）。冲入量为每包或每炉铜液质量的0.1％（不可多）。据作者的经验，可达到细化晶粒的效果。稀土硅铁合金中含稀土30％～40％，当含金总量0.1％时，带入Fe 0.03％～0.04％，远低于杂质的限量（0.5％）。稀土元素和高熔点的Fe原子皆能使大铜件晶粒细化和组织致密，也略提高铜合金的强度、硬度（有利于铜套的耐磨性）。对于厚大的铸件宜采用低温浇铸，也有利于防止粗晶和分散疏松。黄铜类铸铜的工艺参数对其力学性能的影响见表4-11与表4-12。

二、青铜类铸铜

青铜类铸造铜合金因含有不同的合金元素，须采用不同的铸造工艺，其力学性能有明显的差异。此外不同青铜类铸铜的熔炼工艺也有较大的差异，下面选取三种具有代表性的铸造青铜合金的铸造工艺进行讨论，其室温力学性能如表4-13所示。

1.铝铁镍锰青铜（ZCuAl9Fe4Ni4Mn2）

要求成分范围：Al 9.5％～11％，Fe 3.5％～5.5％，Ni 3.5％～5.5％，Mn 0.8％～2.5％，余为Cu，对低熔点的杂质元素限量严格，Pb<0.02％，Sb<0.05％，As<0.05％。铝铁类青铜，因含铝最高，易氧化成Al₂O₃小粒子夹杂物，且不易上浮，故熔炼宜采用弱氧化性气氛。又因含Fe、Ni、Mn高，需要在1250℃下高温熔炼。扒渣后，用复合盐（NaCl+KCl+NaF=4:5:1，总重量占铜液的2％～3％）撒于液面上，以石墨棒搅拌后静置20min使渣和Al₂O₃夹杂物上浮，再加热升温到1250℃，再扒渣。用石墨钟罩压入六氯乙烷（C₂Cl₆）0.4％～0.6％，进一步脱气，最后清渣。清渣前，有必要补加铝锭3％～5％，补铝后搅拌均匀，然后浇铸。

2.锡锌铅青铜（ZCuSn6Zn6Pb3）

要求成分范围：Sn 5％～7％，Zn 5％～7％，Pb 2％～4％，余为Cu，对杂质元素Al、Si、P、限量<0.05％，限Fe 0.4％。锡锌铅青铜（ZCuSn5Zn5Pb5，SnZnPb各4％～6％）。因锡易氧化生成SnO₂，需在炉料全熔后立即加上覆盖剂（碎玻璃和苏打各50％），覆盖厚度20mm左右，升温至1150℃，可用ZnCl₂0.3％压入铜液内脱气，也可用氮气精炼，但需事先净化氮气中的O₂和H₂O，较麻烦，非必要时，不用氮气。

3.锡磷青铜（ZCuSn10P1）

要求成分范围：Sn 9％～11.5％，P 0.5％～1.0％，余为Cu，限Al<0.01％。因磷易氧化，宜用中性气氛，与锡锌铅青铜相似，为防止铜液中生成SnO₂硬粒子，影响铜合金的性能，故需用覆盖剂（外购，或自配碎玻璃+硼砂）覆盖铜液表面，1150℃时，可用复合盐或六氯乙烷除气和净化铜液中的固态夹杂物。

三、白铜类铸铜

具有代表性的牌号如ZCuNi30Cr2Fe1Mn1、ZCuNi20Sn4Zn5Pb4和ZCuNi30Nb1Fe1。其具体成分见表4-14。由于白铜中含很高的镍，需在高温熔炼（1250℃），又易生成NiO、FeO、Cr₂O₃和MnO夹杂物，而C和P对白铜都是限量很严的杂质元素，一般限量分别小于0.02％和0.005％，故熔炼时不可用木炭作覆盖剂，但可用磷铜脱氧，最好用锰铜合金脱氧，可用磷铜脱氧的原因是多余的磷可与铜液中的铁生成Fe₃P小粒子，对白铜起到细化晶粒的作用。应选用复合盐精炼，如：NaCl 35％+CaF 15％+冰晶石（Na₃AlF₆）50％，或以NaF代冰晶石，因冰晶石（Na₃AlF₆）于1010℃分解成3NaF和AlF逸出。不宜用六氯乙烷，可以用ZnCl₂0.3％精炼，但Zn蒸气在空气中氧化成ZnO，吸入人体内可引起中毒昏迷，使用时应注意。为了细化晶粒和脱氧、脱硫，可在浇铸之前加入稀土元素（铈0.05％左右）。

对以上各种铜合金的熔炼时，原料必须干净，有油污的车屑必须烧净。通常对回炉料控制在50％以下，除特殊情况下，不采用100％碎屑重熔。

四、铜合金的堆焊技术

所谓堆焊是指用电焊或气焊法把金属熔化，堆在工具或机器零件上的焊接法。通常用来修复磨损和崩裂部分。铜合金常用这焊接技术。其常采用的焊丝如牌号HS222，其焊丝成分包括：锡（Sn）0.3％；铁（Fe）0.35％～1.2％；硅（Si）0.05％～0.15％；锰（Mn）0.03％～0.09％；铜（Cu）57％～59％；锌Zn余量。该焊丝有良好的黏着性，耐磨和耐蚀性，因Fe高，因而不适合修补之用。专用于铜轴承和其他耐蚀表面的堆焊用。

铜基合金焊接的工艺参数：焊条直径用3.2mm，纯铜焊接电流为120～140A、白铜90～100A、锡青铜110～130A、硅青铜90～130A。纯铜熔化极惰性气体保护堆焊的工艺参数：焊丝1.2mm（最粗为1.6mm）；焊接电压30～40V；焊接电流200～300A；保护气体Ar（氩）；氩气流量14.2L/min。

黄铜堆焊时，为减少锌的蒸发，宜采用热源温度较低的氧气+乙炔火焰堆焊，挖去夹杂等缺陷，露出新表面，无缺陷时，堆焊前应用布擦净表面（水分、杂物），去掉氧化层，预热到100℃以上。各种青铜可用惰性气体保护堆焊时，焊丝直径1.6mm；电流280A，焊接电压25～28V；氩气流量14L/min。纯铜堆焊时，宜用丝极或带极埋弧堆焊，或熔化极惰性气体保护焊，以及钨极氩弧填丝堆焊。必要时可预热到400℃。白铜堆焊时，如果该合金中含铁>5％，则易裂，因此，常在该合金表面先堆焊一层纯Ni，或蒙乃尔（镍基合金）为过渡层，然后再用带极埋弧堆焊工艺。异种铜合金堆焊常用的焊条牌号如T237和T227等。