高延展性铝铁青铜感应电炉熔炼工艺
感应加热技术专题
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高延展性铝铁青铜感应电炉熔炼工艺
哈尔滨电机厂有限责任公司 （黑龙江 150040） 王清宇
铜和铝的二元合金及其中再加入Fe、Mn或Ni 的多元合金称为铝青铜，是20世纪初才开始研究、发展起来的合金，但是，由于其具有极高的耐蚀性能，以及可与钢相媲美的强度和韧性，因而得到了迅速发展，现在已成为应用极广泛的铜合金。
铝青铜有许多优异的性能，比如：
（1）高的力学性能 铝青铜不仅强度高，且塑性是锡青铜的两倍以上，与铸钢相当甚至更高。
（2）优良的化学稳定性 铝青铜更耐腐蚀，尤其是腐蚀疲劳强度高，不易腐蚀开裂。还可代替不锈钢作耐蚀零件。
（3）致密性高 常用于铸造高压下工作的重要阀门零件。
（4）经济性好 铝青铜成本比锡青铜低，因为不含昂贵的锡，且密度小。
ZCuAl10Fe3瓷套法兰专用材料*材料
Cu
主要化学成分及力学性能对比
主要化学成分 (质量分数，%)
Al
Fe
力学性能
屈服强度抗拉强度伸长率σs /MPaσb /MPa5 （%）≥200≥200
≥540≥500
≥15≥30
余量8.5～112.0～4.0≥868.5～9.53.0～4.0
注：*力学性能为主要验收依据，化学成分仅为参考。
二、工艺分析
1. 材料特点分析
合金中含Al量和冷却速度对力学性能的影响如图2所示。
在工业上应用的铝青铜， w Al 至多为 12%。查阅铜铝二元状态图可知其具有以下几个特点：
（1）铝在铜中的固溶度很高，并随温度下降而增大，最大可达9.4%（565℃）。
（2）w A l ＜9.4%的合金，在十分缓慢冷却的条件下为α单相固溶体组织，但在铸造条件下w A l ＝7.5%时，便在α相周界出现β相。
（3）β相在 565℃发生共析转化而分解成硬而脆的共析体，βα＋γ2。
这个共析转化过程进行的比较快，当铸件壁厚较厚，因而冷却速度较慢时，更多的β相被分解，致使合金发脆。这种现象称为铝青铜的自行退火或
一、产品概述
瓷套法兰是300MW、600MW汽轮发电机的关键部件。加工后3mm的边与瓷瓶滚压在一起，如图1所示。鉴于加工、装配时出现滚压断裂的状况，我们在熔炼时进行了工艺研究和改进。
瓷套法兰使用的是专用的铝铁青铜材料，其化学成分和力学性能与GB1176－1987 《铜合金铸件技术条件》中铝铁青铜ZC u A l10F e3基本相似，但化学成分范围更严，延展性更高。主要化学成分及力学性能对比见下表。
徐冷脆性。可采用以下两种方法来防止铝青铜的自行退火，使组织主要由α＋β或β相组成：一是加快铸件的冷却速度，使γ2来不及析出；另一种方法是在合金中加入Fe、Mn、Ni等合金元素。前一种方法容易在铸件中引起应力或裂纹，因此，在生产中多采用第二种方法。这种加入了合金元素的铝青铜称为复杂铝青铜。
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3. 成分控制要点
根据以上分析和材料要求，发现主要是要准确控制合金中Al的含量。主要控制w Al ＝9%, w Fe ＝3.5%。
三、熔炼、浇注工艺
铸件的成分是性能的保证，为了精确地控制铸件成分，使用直读光谱仪进行熔炼过程的全程配合，实时进行炉前的快速分析，调整合金液的化学成分。
1. 熔炉、工具要求
采用中频感应炉进行合金液的熔炼，新坩埚用前必须经过严格烘烤。熔炼过其他铜合金的熔炉一般不得使用，必要时经过洗炉后方可使用。熔炼工具使用前应刷氧化锌或黑铅粉涂料预热烘干后方可使用。修砌好的浇包，必须经过700℃以上的烘烤、预热。盛过其他铜合金的浇包未经过处理不能使用。
2. 熔炼过程
将铜（T2）、回炉料同时装入中频感应电炉中快速熔化，严防吸气。铜液温度达1150～1200℃时，加入预热好的铝铁中间合金。加入时应把铝
图2 铝青铜的力学性能
铁中间合金压入铜液内，进行搅拌助熔，防止表面熔化吸气和拖长处理时间。然后加入铝并压入铜液内，仔细上下搅拌，以防止偏析。用钟罩压入脱水Z n C l 2除气精炼。仔细搅拌。炉前检验合格后，除净浮渣，出炉浇注。
2. 铁元素在铝青铜中的作用
（1）Fe在铝青铜中的固溶度很低（约0.4%～0.8%），当超过固溶度上限时，富铁的к相（FeAl）初晶析出来成为晶核，细化合金组织，提高力学性能。因此，铸造铝青铜9-4的组织由α＋β＋к 组成。
（2）w F e ＞5%时，к相过多，会恶化合金的耐蚀性能。铝青铜的w
F e
3. 离心浇注
为了提高铸件的冷却速度和金属的利用率，采用离心浇注工艺。
四、结语
（1）在加工过程中发现长度方向的加工余量和缩尺不合适，长度方向的收缩达到了1.5%，且铸件端头部位的氧化夹杂较多。
（2）严禁用磷铜脱氧，磷对铝铁青铜的力学性能有危害。
（3）离心铸造的铜铸件必须配以合适的热处理方案，才能达到需要的力学性能。
（20110622）
一般以3%～4%为宜。含Mn
的铝青铜，细化晶粒所需要的含Fe量随Mn的增加而减少。如含w
M n
＜1%时，细化晶粒至少需要w
F e
＝3.5%，但w M n 达8%～10%时，w F e 只有 3%便足够了，更多的铁会使耐蚀性能降低。
（3）铁对共析转化的影响不大，只是稍微减慢低温时的共析转化速度，因此略为有利于减弱徐冷脆性。