1.1.1銅及銅合金的熔煉過程

熔煉不同于冶煉。冶煉通常是指從礦石中提煉金屬的過程。因此根據(jù)原料(礦石)性質(zhì)的不同,需采取不同的冶金方法:物理方法、化學方法或物理化學方法;火法或濕法等。銅的冶煉過程是將銅精礦在反射爐內(nèi)通過氧化還原反應煉制成粗銅或直接在閃速爐內(nèi)精煉成陽極銅,再經(jīng)電解提純制得陰極銅,成為可以實用的銅原料。熔煉則是特指將陰極銅、銅舊料等在熔爐內(nèi)高溫熔化、精煉和配制合金的過程。

銅及銅合金熔煉與其他金屬的熔煉一樣,其目的是為鑄造準備合格的金屬熔體。因此,其基本的過程也大體相同。

第一步是向烘烤好的爐中按先后順序加入原料。各組分原料的加料順序依合金牌號不同而不同。各組分原料的加入量則需根據(jù)熔煉爐容量、組元在合金中的成分比例及其在原料中的含量經(jīng)計算而確定。

第二步是升溫加熱使原料熔化。在此過程中有4種基本現(xiàn)象:一是被加熱的原料表面吸附的氣體、水分和某些水合物遇熱揮發(fā)、蒸發(fā)、分解;二是金屬原料熔化,由固態(tài)變成液態(tài);三是金屬及合金元素與爐氣或爐襯材料發(fā)生化學反應;四是部分組元在液態(tài)金屬中溶解。

第三步是精煉。精煉的作用和目的是根據(jù)熔體性質(zhì)利用物理的和化學的方法除去有害雜質(zhì),或盡可能地減少其含量。物理方法主要有析出、飄浮或沉降、吸附等?；瘜W方法主要是氧化和還原反應。在此過程中會產(chǎn)生大量的煙氣和熔渣。

第四步是調(diào)整化學成分和靜置。在完成第三步精煉后將金屬熔體從熔煉爐中轉(zhuǎn)入保溫爐(亦稱混合爐)或在原爐中靜置一段時間后取樣作爐前快速分析。然后根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整化學成分——沖淡或補料:如果熔體中合金元素含量過高,用向爐內(nèi)投入銅、增加主成分銅的量來沖淡合金元素的含量;如果熔體中合金元素含量不足,則補加合金元素。靜置的目的是在保持一定溫度的條件下,使熔體靜止,以便熔體中的有害氣體逸出,使熔渣上浮,也使合金成分通過擴散更加均勻。

第五步是調(diào)整溫度、準備放流鑄造。

1.2.2銅及銅合金的金屬的形態(tài)及其結(jié)構(gòu)

金屬與其他物質(zhì)一樣有3種形態(tài):固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。通常使用的是固態(tài)金屬,熔化后的金屬是液態(tài)。不同形態(tài)的金屬具有不同的性能,這取決于它們的組織結(jié)構(gòu)。

(1)固態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)

一般說來,金屬和合金都是晶體而且是多晶體,即都是由許多個晶粒組成的。而晶粒則是由許多內(nèi)部原子排列有嚴格晶格位向和距離的最小幾何單元即晶胞組成的。金屬的晶格類型主要有3種,體心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格(見圖1-1)所示。

合金中出現(xiàn)的相有3種:純金屬、固溶體和金屬間化合物(亦稱中間相)。

在固態(tài)下A金屬溶于B金屬而形成的相稱為固溶體。根據(jù)晶體結(jié)構(gòu),固溶體可以分為兩種:置換型固溶體和嵌入式固溶體。置換型固溶體是B金屬的原子占據(jù)了A金屬原子的位置,而嵌入式固溶體則是B金屬的原子侵入到A金屬原子間的空隙中,也稱此為間隙式固溶體。金屬元素之間形成的固溶體一般為置換式固溶體,而金屬元素和原子半徑與之相差很大的非金屬元素之間容易形成間隙式固溶體。

例如碳、氫、氮、硼等元素固溶于金屬中便是這樣,見圖1-2所示。

　　在鋁-銅合金中,如果成分適當,一個銅原子便與兩個鋁原子結(jié)合生成分子式為CuAl2的金屬間化合物。該化合物是鋁-銅合金中的一種重要組成相。

金屬間化合物與離子化合物不同,不服從各元素的原子價數(shù)相等的原則,如在CuAl2中Al的原子價總數(shù)為(+3)×2=6,如果按原子價結(jié)合,Cu的原子價應為-6,而實際上Cu的原子價是+1或+2。

金屬間化合物具有以下特點:反應生成熱小,化合物只在固態(tài)下穩(wěn)定,在液態(tài)下一般都會被分解;組成金屬間化合物的金屬原子可被其他溶質(zhì)原子所置換而形成固溶體;減少金屬所具有的特性,它們的晶格結(jié)構(gòu)復雜,往往是硬而脆,且具有較大的電阻率。

(2)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)模型金屬熔化后的結(jié)構(gòu)不同于固態(tài)時的晶體結(jié)構(gòu),也沒有固定的晶格參數(shù)。目前有3種比較常用的熔體結(jié)構(gòu)模型:

1)自由體積模型。自由體積模型認為,金屬熔體是由每個原子占據(jù)一個大小相同的自由體積所組成?？傋杂审w積等于金屬熔體在過熱度時的體積與熔點時固體金屬的體積之差。

2)空位模型?？瘴荒Ｐ驼J為,金屬熔體的原子在溫度升高時,可離開晶格的結(jié)點而形成空位,因而原子排列的有序性就比晶體的小。這些空位在某些地方不斷出現(xiàn),又在另一些地方消失,而原子僅能在每個結(jié)點附近才成為有序的排列,保持了近程有序。

3)群聚態(tài)模型。群聚態(tài)模型也稱為流動集團模型。它認為,金屬熔化時原子間的鍵在一定程度上仍保持著,但原子的有序分布不僅僅局限于該原子的周圍,而且擴展到較大體積的原子團內(nèi)。即在這種原子團內(nèi)保持著接近晶體的結(jié)構(gòu),這稱為金屬熔體的有序帶或群聚態(tài)。有序帶的周圍則是原子混亂排列的無序帶,但它們之間沒有明顯的界面,所以不能視為兩個相。這種群聚態(tài)不斷消失又不斷產(chǎn)生,而一個群聚態(tài)內(nèi)的原子可向新形成的群聚態(tài)內(nèi)轉(zhuǎn)移。溶解于金屬液中的元素在此兩內(nèi)有不同的溶解度,能大量溶解于金屬液中的元素在有序帶中的溶解度比較高,而活性元素多在兩態(tài)界面上存在。

(3)液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特點液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)具有以下特點:

1)每個原子集團約有十幾個到幾百個原子,在原子集團內(nèi)仍保持較強的結(jié)合能,并能保持固體的排列特征。然而,在原子集團之間的結(jié)合則受到很大破壞,且原子集團之間距離較大,比較松散,存在“空穴”。

2)組成液態(tài)金屬的原子集團是很不穩(wěn)定的,時而長大,時而變小。也可以成組地脫離原有集團而加入其他的原子集團,或者組成新的原子集團。

3)原子集團的平均尺寸和穩(wěn)定性都與溫度有關(guān)。溫度越高,則原子集團的平均尺寸越小,穩(wěn)定性越差。

4)當金屬中存在著其他種元素時,由于不同原子間的結(jié)合力不同,結(jié)合力較強的原子容易集聚在一起,同時排斥其他原子。因此,在原子集團之間還存在著成分的不均勻性,即濃度起伏,有時甚至形成不穩(wěn)定或穩(wěn)定的化合物。