超細(xì)合金絲熔煉技術(shù)研究

□文/房 亞 劉勺華

超細(xì)合金絲熔煉技術(shù)研究

Study on Ultra-Fine Alloy Wire Melting Technology

□文/房 亞 劉勺華

本文通過(guò)對(duì)以銅金屬為基材的合金絲熔煉技術(shù)的研究，探討在合金絲的冶煉過(guò)程中的各金屬元素的配比、熔煉過(guò)程的各種準(zhǔn)備工作和具體的工藝過(guò)程等，以達(dá)到生產(chǎn)高質(zhì)量的超細(xì)合金絲的目的。

合金絲作為通訊特種電纜生產(chǎn)的關(guān)鍵原材料，是以導(dǎo)體材料為突破口，應(yīng)用高新技術(shù)和先進(jìn)適用技術(shù)研發(fā)的金屬導(dǎo)體材料。因此，銅合金的熔煉技術(shù)是銅合金絲制造的關(guān)鍵步驟。目前，在國(guó)外市場(chǎng)已大量使用多元素結(jié)合的合金材料為主，實(shí)踐證明其性能優(yōu)于單元素金屬材料。因此，在制作超細(xì)合金絲時(shí)選擇正確的配料比和工藝過(guò)程將是合金絲制作的關(guān)鍵工序之一。

以錫、銀、鎳、鋅、鎢為主要合金元素的銅基合金為例，由于主要成分變化范圍較大，因此在配料計(jì)算的過(guò)程中。應(yīng)當(dāng)根據(jù)其性能要求，選擇合適的配料成分。合金的化學(xué)成分應(yīng)符合GB1176-1987，幾種元素用的合金熔煉配料化學(xué)成分按表1進(jìn)行。

表1 常用銅合金熔煉配料化學(xué)成分 單位：

按照一般的配料慣例，新料成分占爐料總量理應(yīng)≥30，回爐料≤70。但在實(shí)際生產(chǎn)中，考慮到銅合金的四爐料較多，車爐料的配比是回爐料的質(zhì)量成分?jǐn)?shù)≥90時(shí)，溶化質(zhì)量依然很好，化學(xué)光譜分析證明鑄件的成分合格。但回爐料較多時(shí)需要符合合金中的雜質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

一、熔煉前準(zhǔn)備工作

金屬爐料的準(zhǔn)備：回爐料是同牌號(hào)的廢鑄件，澆冒口及重熔鑄錠需要具有明確的化學(xué)成分。入爐前吹砂清除表面污物，經(jīng)預(yù)熱后裝爐（首批冷爐溶化后可隨爐預(yù)熱）。純銅經(jīng)吹砂去除污物（必要時(shí)在1：1的NaOH溶液中加熱去除表面氧化皮），在500℃～550℃預(yù)熱去除水分后才能裝爐（首批冷爐溶化可隨爐預(yù)熱）。純金屬元素入爐前可在爐邊預(yù)熱。金屬爐料的最大塊度不應(yīng)超過(guò)坩堝直徑的1/3。高度不應(yīng)超過(guò)坩堝深度的4/5。

坩堝和熔煉設(shè)備及工具的準(zhǔn)備：坩堝使用前應(yīng)無(wú)裂紋和影響安全使用以及其他損傷。新坩堝必須經(jīng)過(guò)低溫緩慢加熱處理，以防產(chǎn)生裂紋。舊坩堝應(yīng)將內(nèi)表面的熔渣清理干凈，用新石墨坩堝及更換熔煉合金種類時(shí)，熔煉前坩堝應(yīng)融化同牌號(hào)系列合金進(jìn)行洗爐。用耐火材料及石墨做成攪拌棒必須徹底清理掉殘余涂料和銹跡，并涂敷一層耐火材料或刷涂料后烘干待用，錠模在使用前必須徹底清理干凈。敷涂料后預(yù)熱至100℃～150℃使用。

覆蓋劑及溶劑的準(zhǔn)備：木炭應(yīng)裝入密封的烘箱內(nèi)，以不低于800℃烘烤4小時(shí)，待用時(shí)要防止吸潮。覆蓋劑由63硼砂加37%碎玻璃組成，也可用干燥木炭做覆蓋劑，但均要求干燥并去除其中的雜物。

二、熔煉工藝過(guò)程

1. 先將坩堝預(yù)熱至暗紅色，并在其底部加入20～50cm厚的木炭。

2. 先加入純銅，迅速升溫融化后再加入回爐料，同時(shí)補(bǔ)加木炭，以保證合金液面不暴露在空氣中。

3. 回爐料融化后，加入磷銅（一般加點(diǎn)爐料至0.5，融化磷、錫、青銅時(shí)使用的磷銅可全部加入）。

4. 依次加入錫、鎳、銀、鎢等其他元素（按配料成分），前一種爐料完全融化后，再加入下一種，并不斷攪拌合金液。

5. 調(diào)整合金液溫度在1 100℃～1 150℃。

6. 出爐打渣，再加磷銅進(jìn)行脫氧，均勻攪拌并在合金液表面上撒一層稻草灰，調(diào)整合金液至工藝要求溫度后，迅速出爐澆注。

三、熔煉注意事項(xiàng)

1. 熔煉時(shí)間的控制：融化時(shí)間的長(zhǎng)短不僅會(huì)影響生產(chǎn)效率，并會(huì)直接影響澆注的鑄件質(zhì)量。因?yàn)槿诨瘯r(shí)間延長(zhǎng)會(huì)使合金元素的融化損耗增加，吸氣機(jī)會(huì)增加，因此，應(yīng)以最短的時(shí)間進(jìn)行融化，在允許的情況之下，盡量提高爐料的預(yù)熱溫度，操作應(yīng)緊湊，動(dòng)作要迅速。

2. 攪拌棒的使用：銅合金中的某些元素如鐵、鉛等在融化時(shí)是以機(jī)械混合物的形式存在的，還有些元素由于密度不同，有產(chǎn)生密度偏析分層的可能。實(shí)踐證明，這些元素在熔煉和澆注的過(guò)程當(dāng)中，容易引起化學(xué)成分和力學(xué)性能的不合格。要克服這種現(xiàn)象，必須借助攪拌的作用，這是熔煉澆注不可缺少的環(huán)節(jié)，但在降溫及測(cè)溫的環(huán)節(jié)一般不需要攪拌，而所用攪拌物的成分一般用石墨，這是因?yàn)槿绻跀嚢璧倪^(guò)程中如果用鐵棒，則攪拌時(shí)鐵棒會(huì)融化，使合金的化學(xué)成分受到影響。同時(shí)，如果鐵棒在爐內(nèi)預(yù)熱的溫度較高或攪拌的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，鐵棒上的氧化物會(huì)進(jìn)入合金液中成為雜質(zhì)，如果鐵棒的預(yù)熱溫度較低則合金液在攪拌時(shí)容易粘貼在鐵棒上，這是在生產(chǎn)中經(jīng)常能觀察到的現(xiàn)象。

3. 熔煉中覆蓋劑的使用：對(duì)于銅合金來(lái)講，覆蓋劑的用量一般為：用玻璃和硼砂時(shí)為爐料重量的0.8～1.2，以保持覆蓋層的厚度為達(dá)到10～15cm，用木炭時(shí)用量約為爐料重量的0.5～0.7，以保障覆蓋層的厚度達(dá)到25～35cm。覆蓋劑的扒除一般在澆注前進(jìn)行，太早會(huì)增加銅合金的氧化和吸氣。如果是用木炭作覆蓋劑效果較好時(shí)，也可以不扒除覆蓋劑，使其在澆注的過(guò)程當(dāng)中起到檔渣的作用，效果更為理想。

圖1 合金含量與力學(xué)性能的關(guān)系

表2 超絲銅合金絲的主要性能

四、結(jié)論

1. 在銅合金的熔煉過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，銅合金鑄錠在1 200℃～1 300℃進(jìn)行熱加工后的所有鑄態(tài)組織的晶粒基本破碎，同時(shí)破碎的晶粒大小較為均勻一致，這種結(jié)構(gòu)對(duì)銅合金的后續(xù)冷加工是非常有利的。圖1所示為合金含量與力學(xué)性能的關(guān)系。

2. 由于銅合金的加工硬化速度非常快，冷加工過(guò)程中首次加工率應(yīng)控制在5左右，并配以中間熱處理，使材料的加工性能有較明顯的改善。在銅合金的熔煉中我們還發(fā)現(xiàn)，銅合金的硬度及抗拉強(qiáng)度隨合金含量的增加而增加，同時(shí)電阻率隨著合金元素的增加而增大（如圖1所示）。但是，隨著硬度的增大，材料的加工難度也相應(yīng)增大。不僅對(duì)拉絲模的磨損很大影響，同時(shí)在拉絲過(guò)程中絲材非常容易斷裂。因此經(jīng)過(guò)嚴(yán)格控制合金元素的配比，采用精確地控制拉絲模具的配比，直接冷加工控制超細(xì)合金絲材的方式，最終可制造出 15～50m的合金絲，其性能可達(dá)到表2的要求。

3. 后期工作應(yīng)進(jìn)一步在技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，提供對(duì)外生產(chǎn)，參與市場(chǎng)銷售，形成研發(fā)和效益之間的良性循環(huán)。設(shè)計(jì)內(nèi)容可以為行業(yè)主管部門、企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)提供依據(jù)，據(jù)市場(chǎng)的需求，可以考慮與企業(yè)合作對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)或升級(jí)。