1.1.1铜及铜合金的熔炼过程
熔炼不同于冶炼。冶炼通常是指从矿石中提炼金属的过程。因此根据原料(矿石)性质的不同,需采取不同的冶金方法:物理方法、化学方法或物理化学方法;火法或湿法等。铜的冶炼过程是将铜精矿在反射炉内通过氧化还原反应炼制成粗铜或直接在闪速炉内精炼成阳极铜,再经电解提纯制得阴极铜,成为可以实用的铜原料。熔炼则是特指将阴极铜、铜旧料等在熔炉内高温熔化、精炼和配制合金的过程。
铜及铜合金熔炼与其他金属的熔炼一样,其目的是为铸造准备合格的金属熔体。因此,其基本的过程也大体相同。
第一步是向烘烤好的炉中按先后顺序加入原料。各组分原料的加料顺序依合金牌号不同而不同。各组分原料的加入量则需根据熔炼炉容量、组元在合金中的成分比例及其在原料中的含量经计算而确定。
第二步是升温加热使原料熔化。在此过程中有4种基本现象:一是被加热的原料表面吸附的气体、水分和某些水合物遇热挥发、蒸发、分解;二是金属原料熔化,由固态变成液态;三是金属及合金元素与炉气或炉衬材料发生化学反应;四是部分组元在液态金属中溶解。
第三步是精炼。精炼的作用和目的是根据熔体性质利用物理的和化学的方法除去有害杂质,或尽可能地减少其含量。物理方法主要有析出、飘浮或沉降、吸附等。化学方法主要是氧化和还原反应。在此过程中会产生大量的烟气和熔渣。
第四步是调整化学成分和静置。在完成第三步精炼后将金属熔体从熔炼炉中转入保温炉(亦称混合炉)或在原炉中静置一段时间后取样作炉前快速分析。然后根据分析结果调整化学成分——冲淡或补料:如果熔体中合金元素含量过高,用向炉内投入铜、增加主成分铜的量来冲淡合金元素的含量;如果熔体中合金元素含量不足,则补加合金元素。静置的目的是在保持一定温度的条件下,使熔体静止,以便熔体中的有害气体逸出,使熔渣上浮,也使合金成分通过扩散更加均匀。
第五步是调整温度、准备放流铸造。
1.2.2铜及铜合金的金属的形态及其结构
金属与其他物质一样有3种形态:固态、液态和气态。通常使用的是固态金属,熔化后的金属是液态。不同形态的金属具有不同的性能,这取决于它们的组织结构。
(1)固态金属的结构
一般说来,金属和合金都是晶体而且是多晶体,即都是由许多个晶粒组成的。而晶粒则是由许多内部原子排列有严格晶格位向和距离的最小几何单元即晶胞组成的。金属的晶格类型主要有3种,体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格(见图1-1)所示。
合金中出现的相有3种:纯金属、固溶体和金属间化合物(亦称中间相)。
在固态下A金属溶于B金属而形成的相称为固溶体。根据晶体结构,固溶体可以分为两种:置换型固溶体和嵌入式固溶体。置换型固溶体是B金属的原子占据了A金属原子的位置,而嵌入式固溶体则是B金属的原子侵入到A金属原子间的空隙中,也称此为间隙式固溶体。金属元素之间形成的固溶体一般为置换式固溶体,而金属元素和原子半径与之相差很大的非金属元素之间容易形成间隙式固溶体。
例如碳、氢、氮、硼等元素固溶于金属中便是这样,见图1-2所示。
在铝-铜合金中,如果成分适当,一个铜原子便与两个铝原子结合生成分子式为CuAl2的金属间化合物。该化合物是铝-铜合金中的一种重要组成相。
金属间化合物与离子化合物不同,不服从各元素的原子价数相等的原则,如在CuAl2中Al的原子价总数为(+3)×2=6,如果按原子价结合,Cu的原子价应为-6,而实际上Cu的原子价是+1或+2。
金属间化合物具有以下特点:反应生成热小,化合物只在固态下稳定,在液态下一般都会被分解;组成金属间化合物的金属原子可被其他溶质原子所置换而形成固溶体;减少金属所具有的特性,它们的晶格结构复杂,往往是硬而脆,且具有较大的电阻率。
(2)液态金属的结构模型金属熔化后的结构不同于固态时的晶体结构,也没有固定的晶格参数。目前有3种比较常用的熔体结构模型:
1)自由体积模型。自由体积模型认为,金属熔体是由每个原子占据一个大小相同的自由体积所组成。总自由体积等于金属熔体在过热度时的体积与熔点时固体金属的体积之差。
2)空位模型。空位模型认为,金属熔体的原子在温度升高时,可离开晶格的结点而形成空位,因而原子排列的有序性就比晶体的小。这些空位在某些地方不断出现,又在另一些地方消失,而原子仅能在每个结点附近才成为有序的排列,保持了近程有序。
3)群聚态模型。群聚态模型也称为流动集团模型。它认为,金属熔化时原子间的键在一定程度上仍保持着,但原子的有序分布不仅仅局限于该原子的周围,而且扩展到较大体积的原子团内。即在这种原子团内保持着接近晶体的结构,这称为金属熔体的有序带或群聚态。有序带的周围则是原子混乱排列的无序带,但它们之间没有明显的界面,所以不能视为两个相。这种群聚态不断消失又不断产生,而一个群聚态内的原子可向新形成的群聚态内转移。溶解于金属液中的元素在此两内有不同的溶解度,能大量溶解于金属液中的元素在有序带中的溶解度比较高,而活性元素多在两态界面上存在。
(3)液态金属的结构特点液态金属结构具有以下特点:
1)每个原子集团约有十几个到几百个原子,在原子集团内仍保持较强的结合能,并能保持固体的排列特征。然而,在原子集团之间的结合则受到很大破坏,且原子集团之间距离较大,比较松散,存在“空穴”。
2)组成液态金属的原子集团是很不稳定的,时而长大,时而变小。也可以成组地脱离原有集团而加入其他的原子集团,或者组成新的原子集团。
3)原子集团的平均尺寸和稳定性都与温度有关。温度越高,则原子集团的平均尺寸越小,稳定性越差。
4)当金属中存在着其他种元素时,由于不同原子间的结合力不同,结合力较强的原子容易集聚在一起,同时排斥其他原子。因此,在原子集团之间还存在着成分的不均匀性,即浓度起伏,有时甚至形成不稳定或稳定的化合物。
