（1）熔炼铸造铜合金用回炉料及坩埚的禁忌
1）熔炼铸造铜合金时，忌不同牌号的回炉料混放一起；也不可忽视对回炉料牌号的识别。回炉料包括浇冒口、废铸件、浇剩的合金。熔制铸造铜合金时，要根据合金的质量要求，适当搭配使用。为确保铸件的化学成分符合配料的要求，其中重要的一环，是应防止回炉料的混料。因为混料是直接造成铸造铜合金杂质增高，化学成分不合格致废的主要原因。例如在锡青铜中，铝、硅和镁都是极为有害的杂质，其中铝、硅含量大都不得超过0.02%，甚至0.01%，它们的氧化物弥散分布铜液中，降低合金的流动性，且在凝固后期阻塞枝晶间的通道，进一步降低合金的致密性，并使力学性能下降。因此，只要锡青铜中混杂少部分铸造铝青铜的回炉料，就会远远超标，造成一时无法弥补的损失。
通常，为避免回炉料混料，主要应从加强对各种回炉料的管理入手，如每批回炉料，应按化验的成分和物理状态归类，分开存放，且标志明显，以杜绝不同牌号的回炉料混放的可能性。
生产中，除按化学成分分析定出回炉料的牌号外，还应具备必要的靠直觉和简易手段快速识别合金牌号的能力，即根据炉料表面状态、氧化皮色泽及高温下破断情况，可大体上判断出不同的牌号，见表3-162。这样，也有助防止回炉料混料。
表3-162 铜合金回炉料牌号判断方法
2）熔炼不同牌号铜合金的坩埚，必须作标记分别存放，一般不得混用。采用坩埚炉熔制不同种类的铸造铜合金时，最好将它们分别固定在专门的坩埚中熔制，以避免在变料后，可能发生合金液中杂质明显增加的现象，不仅加大调整成分的难度，甚至导致整炉合金液报废。因此，通常对不同牌号铜合金熔炼用坩埚，必须作标记分别存放，以免混用。例如熔炼锡青铜用坩埚，不能与其他铜合金共用；硅黄铜也应单独用之。当需要在同一台坩埚炉中熔制不同种类的铸造铜合金时，则必须在一定的范围内才允许坩埚互相调用，其允许调用范围可参见表3-163。
表3-163 熔制铸造铜合金坩埚的互换表
3）熔炼铜合金时，通常不宜采用铁坩埚。由于铜合金的熔点比铝合金高，其熔炼温度为1150～1250℃，如用铁坩埚熔炼铜合金液，不仅坩埚的使用寿命低，而且还因铁坩埚受到铜合金液的腐蚀，使铁原子溶入铜合金液中，从而引起铜合金中铁含量超标，使其性能下降，故一般应采用石墨坩埚来熔炼铜合金。
（2）铜合金的熔炼工艺及其禁忌
1）熔炼铜合金时，加料的顺序不可随意。熔炼铜合金的加料顺序是非常重要的，应服从“快速熔化”、“防止氧化、吸气”的原则，具体次序根据炉料组成，熔炼设备特性等灵活运用。一般为：先熔化纯铜；熔化后，用磷铜脱氧；均匀搅拌后，再加入难熔的和不易氧化的金属，如铁、硅、锰或它们的中间合金以及回炉料；待这些炉料熔化后，再加入锌、锡、铅、铝等低熔点、易氧化和易蒸发的金属料，加入时，应压入铜液下搅拌均匀。在浇注前，有时还要加入少量磷铜来提高铜合金的流动性。
铸造黄铜含有大量的锌。由于锌的蒸气压高，故不容易吸收气体。由于锌具有强烈的脱氧作用，因此，黄铜一般不需要进行磷铜脱氧。为了减少锌的蒸发和烧损，在熔炼黄铜时，一般是向已熔化的铜液中最后加入锌，必须低温加锌，因为先加入和熔化低熔点的锌，会造成大量产生氧化锌白烟，将后加入但尚未熔化并处于熔融状态的铁、锰、硅等料块包围住，使其周边无法熔化，从而造成合金成分的极不均匀。
2）熔炼铜合金时，为避免溶入大量的氢，使铸件产生气孔缺陷，通常不宜使炉气缺“氧化或微氧化”气氛。在熔炼铜合金，尤其是熔炼纯铜时，首先是要解决铜的吸氢问题。这是由于氢的原子半径小，在铜液中的扩散速度非常大，极易溶入铜液中，是铜铸件造成气孔（针孔）缺陷的主要原因，也是铸造铜合金最有害的气体。从氢-氧平衡图（图3-143）可以看出：在一定温度和压力下，当铜液氧含量高时，氢的含量就会很低，可获得无氢的铸造铜合金。因此，进行铜合金铸造生产时，可采用氧化还原熔炼法，解决氢气对铜合金铸件的危害性。这也指明，铜合金要求在“氧化性或微氧化性”气氛下熔炼。
目前铸造铜合金氧化熔炼方法有三种：
①控制炉内气氛为氧化性或微氧化性（也叫弱氧化性）：主要为提高炉气中氧的分压，增加铜液中氧的浓度。具体工艺措施是：增加鼓风量，以提高炉膛内氧的分压；对自然通风的焦炭炉可适当增加烟囱高度，加强通风，增强供氧；对于油炉或煤气炉，应控制风量、油量或煤气量，使燃油充分燃烧并有剩余氧。
氧化性炉氛的特征为火焰呈强烈白光，并有淡绿色的透明焰冠，适于熔炼电解铜或铜和镍时；微氧化性炉氛的特征是火焰光亮无烟，炉气中除CO2、H2O和N2外，氧含量为wO20.3%～0.5%，适用于不含铝、硅、锰、锌等易氧化元素的铜合金，如锡青铜、铅青铜等的熔炼；对于含有易氧化元素的铜合金，只在加入这些元素以前，才可以用微氧化法或氧化法去气，去气后要脱氧，然后再加入易氧化合金元素。
图3-143 氢-氧平衡图
②加入氧化性熔剂，使铜液增氧：常用的氧化性熔剂是一些高温下分解的高价氧化物，如MnO2（锰矿石）、KMnO4（高锰酸钾）、CuO（氧化铜皮）、Cu2O（氧化亚铜）等，熔剂装在坩埚底部，与炉料同时加热，高温下熔剂被分解，析出氧溶入铜液中，本身被还原为低价氧化物，具体反应如下：
2MnO2→2MnO+O2↑
4KMnO4→4MnO+2K2O+5O2↑
3MnO2→Mn3O4+O2↑
4CuO→2Cu2O+O2↑
Cu2O和Mn3O4溶于铜液，使之富氧，接着发生如下去氢反应：
Cu2O+2H→2Cu+H2O↑
Mn3O4+2H→3MnO+H2O↑
H2O蒸气逸出，K2O、MnO不溶于铜液中，进入炉渣中被扒去。熔炼有油污的废杂铜，化清后氢含量高，尤宜采用此法。但用合金锭熔炼时，不允许氧化法熔炼，以防元素烧损。
氧化性熔剂加入量为炉料质量分数的1%～2%。
③铜液中吹入压缩空气氧化铜液：用石墨管或衬有耐火材料的钢管，将压力为0.152MPa的干燥空气吹入铜液中，这时部分铜液被氧化成氧化亚铜（Cu2O），发生去氢反应。
目前生产中应用最广泛的，是第一种和第二种方法，第三种方法最适用于导电用纯铜的熔炼。
3）熔炼铜合金时，除气和充分脱氧很重要，不可不知一些主要去气和脱氧的方法。氢在铜液中的溶解度很大，是铸件出现气孔的主要原因；铜液中，溶解的Cu2O，也是铸件中产生显微裂纹或气孔的重要原因，因此除气和充分脱氧是很重要的。
①脱氧：上题所指在微氧化法和氧化法气氛下熔炼铜合金，就是一种去气方法，不过，接着要进行脱氧。生产中最常用的，就是用磷铜脱氧。磷铜加入铜液后，可在整个熔池内进行脱氧反应。其脱氧第一阶段，磷蒸气与铜液中的Cu2O作用，反应式为：
反应产物P2O5的沸点为347℃，在铜液中以气泡形式上浮，上浮过程中继续与Cu2O反应进入脱氧第二阶段：
Cu2O可以清除殆尽。但当Cu2 O含量较高，磷蒸气逸出较慢时，磷也可能直接与Cu2O反应：
偏磷酸铜CuPO3熔点低，相对密度小，在熔炼温度下呈液态，易于聚集上浮到渣中而被除去。
磷的加入量，一般控制在铜液质量的0.03%～0.06%范围内。可按铜合金种类制定磷的加入范围，见表3-164；也可按熔化铜液采用的氧化气氛等的差异，制定磷的加入范围，如用含磷为10%的磷铜（工业用磷铜合金一般磷含量为8%～14%），则
微氧化气氛下熔化的铜液，一般加磷铜0.4%～0.6%；
氧化性气氛下熔化的铜液，一般加磷铜0.6%～1.0%；
用氧化熔剂氧化熔化的铜液，一般加磷铜1.5%～2.0%。
②去气：所谓去气，主要就是去除氢气。上题的微氧化、氧化性气氛下熔化，以及用氧化剂氧化，都是为了去除铜液中的氢气。除了这些方法外，还可采用其他不同去气方法，主要有：
a.吹氮除气及真空去气：吹氮除气适用于各种铜合金，多用于大型熔炉和含有易氧化元素铝、硅的铜合金，可在熔炼后期出炉前进行。所用氮气，应经过脱湿处理，用石墨管或耐热钢管导入，用多孔吹头效果更好。铜液除气温度要高于熔化温度50～60℃，氮气压力也应略大于铜液的静压力，一般为20～30kPa，流量20～25L/min，处理时间约3～5min，每吨金属耗氮180～200L。吹氮去气时，要注意覆盖好铜液的表面，避免氧化。
表3-164 铜合金中磷的加入量范围
真空去气效果很好，对于不含易挥发元素的铜合金，用真空去气能大幅度降低氢含量。
b.用氯化锌（ZnCl2）除气精炼：此法适用于含铝的铜合金，如铝青铜。氯化锌加入前须加热到熔点以上，脱除结晶水，冷凝后成玻璃状。其加入量为金属液的0.15%～0.25%。
c.锌沸腾除气：黄铜含有较多的锌，在熔融状态下，锌的蒸气压力很高，温度越高，锌的蒸气压也越高，到一定温度黄铜达到沸点，称为锌沸腾。黄铜中锌含量不同，沸点也不相同，表3-165给出黄铜锌含量与沸点之间的关系。锌含量≥30%的黄铜，沸腾除气效果好，不必采取其他除气措施；锌含量低于30%的黄铜，在通常熔炼温度下不会沸腾，应在熔炼后期，将金属液加热到1200～1300℃，使锌沸腾、除气，随后，立即降温。(www.daowen.com)
表3-165 黄铜中锌含量与沸点间的关系
4）铜合金液用磷铜脱氧，大都采用分两次加入，其原因不可不究。用磷铜脱氧，一般分两次加入。第一次在原料纯铜熔化后，温度为1150～1200℃时，加入2/3的磷铜，其主要目的，是把纯铜中的Cu2O还原，然后再加其他合金元素（如锡、锌、铝、硅、锰等易氧化元素），避免这些元素被纯铜中的Cu2O氧化，从而减少了合金元素氧化烧损和氧化夹杂物的含量。第二次是在浇注出炉前加入余下的1/3磷铜，一方面起到辅助脱氧作用，主要是提高合金流动性，降低合金黏度，使P2O5、Al2O3等高熔点悬浮夹杂物易于上浮至液面而被排除，因此，二次加磷也有一定的精炼作用。
5）为避免某些铜铸件产生氧化夹渣缺陷，不可不对某些铜合金液用精炼剂进行精炼。铜合金精炼剂的主要作用是除去铜合金液中不溶性氧化夹渣。一般铜合金，经去除氢气和脱氧，就可以获得合格的合金液。对于铝青铜、硅青铜等氧化较严重的铜合金和含杂质量较多的杂铜，其铜液中，存在以Al2O3、SiO2、SnO2等为代表的不溶性氧化夹杂物，它们的熔点高，呈弥散分布，虽然相对密度小，但仍不易上浮，易导致铸件发生氧化夹渣缺陷。由于这些夹杂物中的SiO2、SnO2呈酸性，Al2O3呈中性，因此，可加入碱性熔剂或精炼剂与其反应，使生成低熔点的复盐，其密度比铜液小，能聚成大块，并很快上浮进入熔渣，从而可被清除。
去除不同的氧化物，应选用不同的精炼剂：
①去除Al2O3夹杂物：可用碳酸钠、氟石、冰晶石、碳酸钙、硼砂等作精炼剂。铝青铜常用的精炼剂是：碳酸钠50%加冰晶石（或氟石）50%。
②去除SnO2夹杂物用碳酸钠、硼砂、氧化钙和氧化硼作精炼剂。
③去除SiO2夹杂物用碳酸钠作精炼剂。
采用精炼熔剂时，增加了熔渣量，给清渣带来麻烦，一般只在熔炼夹杂量多的杂铜及易氧化的铝青铜时使用。
精炼剂在使用前要彻底烘干，防止带入水气、油污。硼砂、碳酸钠等精炼剂本身含有结晶水，使用前要进行脱水处理。
6）在熔炼纯铜和某些铜合金时，通常不可不采用覆盖剂。在熔炼纯铜和某些铜合金过程中，为了防止铜合金的氧化、吸气和元素蒸发，通常在铜液表面覆盖一层覆盖剂保护层。目前常用的覆盖剂是木炭、玻璃、食盐、硼砂等。
①木炭：木炭在铜液表面燃烧，生成还原性气体CO。它在铜液中的溶解度很小，且不与铜发生化学反应，形成保护气膜，阻止铜液进一步被氧化；它还能扩散脱氧，使铜液表面Cu2O还原，起辅助脱氧作用；木炭燃烧发热，又是良好的保温剂。对于熔池表面积大，浇注时间长的反射炉，浇注过程中应覆盖木炭，防止氧化和温度下降。不过，木炭是疏松多孔的物质，表面活性大，能强烈吸附水气，因此，使用前必须在1000～1050℃高温下焙烧，除去吸附的水气（也可事先加入坩埚内，和坩埚一起升温预热）。
木炭作为覆盖剂，常用于熔炼纯铜、铝青铜、铅青铜，但不能用于黄铜或含镍的铜合金。因为木炭能破坏Zn0保护膜，使锌的蒸发量增大；同时也不能阻止镍对氢和一氧化碳的强烈吸附作用，因为镍和木炭产生的CO、CO2发生下列有害反应：
NiO、Ni3C均能溶解在铜液中，溶解度随温度下降而降低，在铸件凝固过程中，NiO、Ni3C重新析出，促使反应向左进行，在凝固后期产生CO、CO2，在铸件中成为气孔和NiO、Ni3 C夹渣。木炭也不能用作还原性炉气的覆盖剂，例如用焦炭、重油炉熔炼铜合金，当焦炭、重油等燃烧不完全，炉气呈还原性时，如果用木炭覆盖，则炉气中的氢将通过活性的木炭溶入铜合金液中。
废石墨坩埚碎块，碎石墨块不吸附水气，代替木炭作覆盖剂，效果良好。干草灰价格便宜，来源充沛，浇注时，覆盖在铜液表面，也有保温、保护作用，故中、小工厂使用较多。
②玻璃：不宜用木炭时，可使用玻璃。玻璃是一种复合硅酸盐，性能稳定，与铜合金液不发生化学反应，吸附性也低，但它的熔点高（900～1200℃），黏度大，扒渣较困难等，为此，常加入一些碱性物质，以便和玻璃形成低熔点的复合硅酸盐，提高流动性和覆盖性，也便于清除。
常用的二元玻璃覆盖剂有：
碎玻璃50%+碳酸钠50%，适用于熔点高的铝青铜和含镍的锡青铜等合金。
碎玻璃37%+硼砂63%，熔点较低，兼有覆盖和精炼作用，适用于硅黄铜、硅青铜。
硅酸钠（Na4SiO4）90%+食盐（NaCl）10%或氟石（CaF2）10%，在1000～1050℃熔化温度下碎成小块，适用于黄铜。
③食盐NaCl：食盐的熔点为801℃，在铜的熔炼温度时黏度较小。它有良好的覆盖作用，还有去除氧化物夹杂的精炼能力，且价格便宜。食盐可单独使用，也可与硼砂等配合使用。常作为熔化黄铜和锡青铜的覆盖剂。
（3）铸造铜合金液浇注前的炉前质量控制及其禁忌
1）为保证铸件质量，不可不知某些铜合金铸件适宜的熔炼和浇注温度。为保证所浇注铸件质量，铜合金液出炉前，应严格按照工艺规程的要求，测定出炉温度、气体含量、弯角、断口和化学成分。其中，严格控制铜合金的熔炼温度、浇注温度，是保证铸件质量重要的一环。应该根据合金的特点、铸件结构及铸造工艺，合理选择熔炼温度、浇注温度。某些铸造铜合金的熔炼和浇注温度范围见表3-166。目前，一般在出炉前用热电偶测温。
表3-166某 些铸造铜合金的熔炼和浇注温度范围
2）为了能尽量减少铜合金铸件产生气孔缺陷，除严格遵守熔炼工艺规程外，不可忽视对某些铜合金液进行炉前含气量检测。铸造黄铜含有大量锌，锌蒸发时，气体即被带出，除16—4硅黄铜外，可不必在炉前检测含气量；铝青铜（含有较多的铝，容易吸气）、16—4黄铜、含镍锡青铜及废杂铜重熔时，出炉前必须进行含气量检测。锡青铜一般不做此检验。
含气量的检测方法，有常压凝固法和减压凝固法两种。
①常压凝固法：含气量试样在干砂型中浇注，形状、尺寸如图3-144所示。检测时，用预热的取样勺自熔炼底部盛取铜液，浇入砂型后，刮去表面氧化皮和渣子，待其凝固后，观察其表面的收缩状态。图3-145表示三种不同含气量的试样，其中，图3-145a所示试样凝固后，表面缩陷，表明含气量低，检测结果合格；图3-145b所示试样的表面平坦，含有较多的气体，不合格；图3-145c所示试样表面被气体拱起，有大量气体，必须采取有效的精炼措施，直至检测合格。
常压凝固法简便易行，但灵敏度不高，有时，即使试样收缩，铸件中仍会出现气孔。
图3-144 常压凝固试验用的铸型图
图3-145 含气量不同时的试样收缩情况示意图
②减压凝固法 图3-146所示为减压测氢仪简图。它是根据Sieverts定律，合金液中氢的浓度与氢的分压平方根成正比，[H%]=K。检测时，将铜液倒入取样坩埚，放入测氢仪的压力室内，当试样表面凝固结成一定厚度的硬壳时，进行调压，使试样表面呈凸起而不破裂的气包，如图3-147所示，图3-147a表示减压过大，造成真空除气，表面破裂；图3-147c表示减压过小，铜试样缩陷；图3-147b表示试样表面凸而不破，此时的减压值就相对地代表铜液内的含气量。根据积累的实验研究所获得的减压值与对应的实际氢含量数据可知，减压至5.33～6.67Pa时，相当于2.6～2.7mL/100g的氢含量。用此范围值浇注大型8—13—3—2铝青铜船用推进器，已不会出现气孔缺陷。
图3-146 铜合金液现场测氢仪简图
1—中间罐 2—仪器罩 3—真空泵 4—过滤罐 5—控制阀 6—真空表 7—压力室（包括盖、观察孔） 8—工具箱 9—控制开关 10—放水阀
图3-147 减压值对铜液试样表面的影响示意图
减压测氢仪能随时取样，快速测定铜液的氢含量，及时控制、调整精炼过程，可以节省能源，提高生产率。
3）为能在炉前快速检测要求强度的铜合金是否符合要求，检定的弯曲试验折断角不可过大，也不可过小。同时，弯曲试验，只能在含气量及断口检查均合格的基础上，其检定结果才有效。弯曲试验用的试样及其铸型（金属型）如图3-148所示。浇注弯曲试样时，金属型必须清洁并预热至100～120℃，放平。浇注后的试样尺寸必须符合规定。铝青铜试样出模后，可空冷到550℃以下（暗红色）淬水，黄铜和锡青铜试样淬水温度可低一些，一般在浇注后20～30s内淬水，淬水后，将试样1/3长度一端夹在台虎钳上，留2/3长度，用锤按图3-148c所示锤击方向，将试样打弯至断裂为止，然后，测量其折断角α是否在合格范围之内，见表3-167。弯曲试验应在铜液的含气量试验及断口检查合格后，其弯曲试验的结果才算准确。
图3-148 铜合金炉前弯曲试验
α—折断角 L—试样长度
弯曲试样不可浇得太大，淬水温度也不能太高，以免影响测试的准确性。当折断角α过大时，应补加强化合金的元素；反之，折断角α过小，应补加纯铜。如果是黄铜，可过热片刻，使锌烧损一部分，直到检测折断角合格。
做断口检验，通常应在弯曲试验之前进行，在干砂型中浇注工艺试样，敲断后观察断面组织。也可不用另作试样，直接观察弯曲试验后的断口，根据断口状态，确定是否合格。晶粒细，组织均匀，无偏析、无气体、无夹杂为合格。不合格时，对锡青铜可补加磷铜脱氧，铝青铜可加氯盐或通惰性气体精炼，直至合格为止。
表3-167 不同铜合金折断角的规定范围
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