1.氣體的溶解

能溶解于銅中的氣體,主要是氫和氧。雙原子的分子氣體都不能直接溶解于金屬熔體中。氣體的溶解過程是:吸附在金屬表面---離解成單質氣體的原子---擴散進入金屬晶格內(nèi),形成固溶體和化合物。氫和氧在銅中都是有害元素,它不但能降低銅的性能,而且可能導致“氫氣病”的產(chǎn)生。銅錠中都有一定的含氧量,但若溶入了過量的氧或氫,將是造成鑄錠質量事故的主要原因。因此,在熔煉紫銅時,必須采取措施盡力堵住氣體的來源,避免或盡量減少空氣、水分、油以及各種污染物與熔體接觸。氣體的溶解過程也就是消除“吸附”這一條件,使得溶解過程不能建立。

在一定的吸附條件下,氣體在金屬中的溶解程度主要取決于:

(1)氣體與金屬的結合力。

氣體單質的氫原子半徑***小,是極活潑的元素,它幾乎可以溶于所有金屬液體和固體中。在許多金屬中,氫占全部氣體含量的60%～ 90%,所以金屬吸氣往往稱為“吸氫”。氧和液體下的銅也有很強的親和力,存在吸氧或氧化,所以Cu2O形成溶于銅液中。

(2)溫度和時間

金屬的溫度越高,氣體與金屬接觸時間越長,則溶解的氣體越多。只有繼續(xù)提高溫度,熔體金屬本身具有相當高的蒸汽壓下,才導致溶解度逐漸降低。

(3)氣體在銅液中的擴散速度

工頻感應爐由于電磁力的自動攪拌作用,極大地增強了擴散速度。

(4)銅液中氫與氧之間的關系

氫和氧在液態(tài)銅中的含量關系是氧少氫多、氧多氫少這種成反比的關系,這可以解釋為什么脫氧徹底的TP2比T2對氫害更為敏感的原因。

2.紫銅熔煉

紫銅電爐熔煉采用電解銅作原料。電解銅材質本身含有氣體,其表面狀態(tài)優(yōu)劣對熔池吸氣有重要影響。

熔煉紫銅時常用木炭作覆蓋和脫氧劑,其脫氧作用僅在與液體金屬接觸的表面進行,因此稱為表面脫氧劑。對脫氧銅(如TP1、TP2),使用木炭脫氧的同時,在出爐前還用磷銅進行***終脫氧,磷銅可沉于熔池,溶解于整個熔池內(nèi),與熔融金屬中的氧化物相互作用,脫氧效果顯著。

以上兩種脫氧的還原反應中,都有氣體產(chǎn)生,即CO、CO2和P2O5,這些氣體產(chǎn)物由熔體在上升途中可將氫帶上一起逸出液面。但是與脫氧作用比較,這種脫氫作用是次要的或是有限的。

但是,實際上木炭都含有氣體和水分,特別是未經(jīng)煅燒良好的木炭含量尤多。因此,木炭覆蓋條件下很難避免氧化和吸氫。熔煉時多是氧化和脫氫、吸氫和脫氧過程同時存在的,問題是哪個為主,是有利的一面還是有害的一面,這需要控制工藝條件趨利避害。   

3.氣體對鑄錠的影響

常規(guī)生產(chǎn)中,銅材上產(chǎn)生的氣泡可由擠壓、也可由鑄錠的原因所產(chǎn)生,屬技術廢料中的偶然缺陷。長期的、異常的大量氣泡的質量責任在前工序———熔鑄,是由銅錠中的氣孔所造成的。

銅錠中的氣孔內(nèi)是氣體。較小的氣孔經(jīng)過加工后可以被壓合,在其后加工工序可能會暴露為表面缺陷———起皮。銅錠中氣孔很多時,同時會存在較大的氣孔,此時在擠壓管坯中后段會起泡,起泡多沿擠壓方向連續(xù)分布,越到后端(壓余端)越嚴重,而在圓周方向上起泡分布并無規(guī)律。此類起泡嚴重者無法修理而只能報廢,較輕微者經(jīng)修理后進入拉伸工序。但拉伸中暴露起皮、夾雜較多,對成品率有較大的影響。水封擠壓尺寸較小的管坯時,由于冷卻強度大、起泡較小(氣體來不及聚集膨脹),在其后冷軋-拉伸生產(chǎn)過程中暴露起皮、夾雜等缺陷多,管材打頭中發(fā)生部分劈裂。拉制管材退火后則表現(xiàn)為大量的疹狀起泡,與擠壓坯起泡所不同的是:泡多不連續(xù)、較小,泡大者如米粒,小者如針尖,肉眼不易發(fā)現(xiàn),需憑手感方可發(fā)覺。

氣泡的形成是氣孔壓合后在溫度-時間作用下氣體重新聚集和膨脹的結果。

成品管(無起泡)耐壓、擴口、壓扁性能較差,反映材料的塑性有損失。

銅管起泡的另一形成原因是:鑄錠為過飽和銅固溶體,使晶格歪扭造成第三類應力,降低塑性。在擠壓或退火中,因溫度變化,氫從沿擠壓方向伸長的晶界或夾雜等界面析出形成氣泡。

紫銅吸氣引起擠壓坯起泡,退火管材起泡的特點是:基本上每根管子都有氣泡,導致成品率銳減和成批報廢。這與其他起泡原因大不相同。

防止吸氣措施建議

銅錠中含氣過高是由于生產(chǎn)操作不符合紫銅熔鑄工藝要求,以及原料、覆蓋劑和保護氣體不佳等多種因素綜合造成的。所有不利因素均應盡力予以排除,才能確保生產(chǎn)建立在安全、優(yōu)質的基礎上。完善和改進過程表明:熔池(一次吸氣)吸氣影響***大,在這個環(huán)節(jié)基本解決之后,銅管起泡即明顯減輕(泡較少亦較小)。只有當二次吸氣和引錠座、墊料問題同時解決之后,銅管起泡才能徹底消除。

防止吸氣的關鍵在于堵住“氣源”。主要措施有:

(1)電解銅必須符合標準;起泡管的回爐料不用于生產(chǎn)紫銅。

(2)裝料(料應“無油、無水、無混雜”)必須一次多裝、裝滿,以充分驅除爐料吸附的水汽。集中2～ 3次裝完一爐,不得多次少投。

(3)木炭必須干燥(以煅燒木炭為佳)。***裝料后必須立即加入木炭,覆蓋厚度100mm～150mm,以滿足防止吸氣、脫氧和保溫的要求。

(4)裝料熔化后必須及時關上爐門。

(5)煤氣發(fā)生系統(tǒng)的干燥器內(nèi)裝入氯化鈣(脫水劑),并及時更換,以便吸收煤氣中的水分。煤氣罩要罩好,放流前5min～ 10min提前通上煤氣,充分驅除罩內(nèi)原有空氣。

(6)引錠座要用煤氣烘干、預熱,用干燥的

銅塊墊底,不得使用鋸屑墊底。

 來源：銅合金熔鑄