銅的熔點為1083℃。

熔化是一種金屬由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的相變過程,是需要吸收大量熱能的過程。

理論上金屬從室溫到某一高于熔點的溫度所需的熱能可通過下式計算

銅的熔化熱Q熔為209kJ/kg,固態(tài)銅的平均比熱容為0.42kJ/(kg·℃),液態(tài)銅的比熱容為0.45kJ/(kg·℃)。因此1kg銅從20℃加熱到澆鑄溫度(1200℃)時,按式(1-1)計算,理論上共需708kJ的熱量。

在實際加熱條件下,金屬被加熱到熔點溫度時并不熔化,即使在此溫度下長時間保溫也無濟(jì)于事,而要到達(dá)更高的溫度才熔化。也就是說,金屬的熔點只是理論熔化溫度,實際熔化溫度要比理論熔化溫度高。圖1-3是金屬的熔化曲線示意圖。

 

在圖1-3中,金屬溫升曲線的“平臺”表示到達(dá)實際熔化溫度后,在一段時間內(nèi)金屬溫度不再升高,熱能被金屬由固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)的相變消耗了。

金屬的實際熔化溫度與理論熔化溫度的差稱為過熱度,用ΔT表示

ΔT=Tn-T0    (1-2)

過熱是金屬熔化必要的熱力學(xué)條件。金屬的過熱度與金屬自身的性質(zhì)和純度有關(guān),也與加熱速度有關(guān)。加熱速度越快,過熱度越大;加熱速度越慢,過熱度越小,即加熱越緩慢,實際熔化溫度越接近理論熔化溫度。

由于特定金屬的熔化所需能量是一定的,因此過熱度越大,金屬完成熔化的時間越短(圖1-3中平臺越窄)。故高溫熔煉有利于提高生產(chǎn)效率。

銅在固態(tài)時具有密集的面心立方晶格,液態(tài)金屬則是由許多原子集團(tuán)組成的,加熱到一定溫度后,由于原子的能量增加,液態(tài)銅具有更大的原子遷移速率,某些物理性能發(fā)生變化:熔化時,液態(tài)銅的電阻系數(shù)ρ突增約1.04倍,即從100μΩ·mm增加到212μΩ·mm。當(dāng)溫度達(dá)到1197℃時,電阻系數(shù)ρ則為221μΩ·mm;熔化時,銅的原子體積為7.95cm3/g·原子;臨近熔點時,固態(tài)銅的體積膨脹系數(shù)α固為0.051cm3/(mol·K),液態(tài)銅的體積膨脹系數(shù)α液為0.100cm3/(mol·K),二者比值(α固/α液)為0.5。

液態(tài)銅的密度大大低于固態(tài)銅,而且與溫度呈線性關(guān)系,即隨溫度升高而減小。

液態(tài)銅的黏度隨溫度的升高而減小,而且與銅的純度關(guān)系密切,特別是與氧的含量有明顯的關(guān)聯(lián)。當(dāng)銅中氧的含量從0.1%增加到0.45%時,銅的黏度提高了5倍。

 

1.2.2金屬液溫度的均勻性

一般地說,爐料剛剛?cè)刍旰鬆t內(nèi)的溫度各處很不均勻,經(jīng)過一段時間的保溫,溫度逐漸趨于均勻。但均勻的程度受爐內(nèi)熱量傳遞方式的影響很大。而熱量的傳遞方式主要取決于爐型。銅加工熔煉爐中熱量傳遞方式歸納起來有3類。

(1)熱能從金屬液面上向液面以下傳遞

在所有的反射爐(包括火焰反射爐、電阻反射爐)以及單相電弧爐中,熱量都是直接傳到熔渣(或覆蓋劑)上,然后傳到表層金屬。這樣熔池中的金屬液上層熱下層冷。而熱金屬液輕浮在上面,冷金屬液重沉在下面,不能通過對流傳熱的方式將熱量傳到爐子下部,不能達(dá)到上下層溫度均勻的目的。

在反射爐中,上層與底層的溫度差常達(dá)100~200℃,并且,隨著熱源溫度越高、金屬的熱傳導(dǎo)率越低、熔池越深,溫差會變得越大。

表層金屬的過熱會加劇金屬液的氧化和蒸發(fā),并且會加速氣體在熔體中的溶解。為了減輕上述不利影響,常采用攪拌金屬液或搖晃整個爐體的方法來縮小熔體的溫差。

豎爐是一種特殊的反射爐,固態(tài)爐料自上而下通過燃燒后的熱氣流,在熔池上方變成液滴落入熔池,并不斷地流進(jìn)保溫爐,因此豎爐的熔池一般較淺,溫差不大。

(2)熱量從側(cè)面和下面?zhèn)鬟f給金屬液

這種方式見于所有坩堝爐中。此時,從側(cè)面和下面被加熱的金屬液由于密度輕而上浮,較冷的金屬液則由于比較重而下沉。因為存在這種自發(fā)的對流作用,坩鍋內(nèi)各部分金屬液的溫度比較均勻,最大溫差不會超過20℃。

(3)熱量從金屬內(nèi)部向外表傳遞的方式

在感應(yīng)電爐內(nèi),交變電流在金屬內(nèi)部所產(chǎn)生的感應(yīng)電流會使整個金屬都被加熱,與此同時,由于感應(yīng)電流的磁力作用而使金屬液被攪拌,使?fàn)t內(nèi)金屬液的溫度均勻一致。

感應(yīng)電爐分有芯爐和無芯爐兩類。無芯爐一般為坩鍋式,電磁攪拌力較強(qiáng),溫度易于均勻。而有芯爐熔溝處溫度最高,熔池上部溫度較低,但金屬對流作用也使?fàn)t內(nèi)溫度易于均勻。現(xiàn)代設(shè)計的噴流式感應(yīng)器更是加強(qiáng)了這種對流作用,不但提高了熔化速度,而且使溫度更加均勻。

1.2.3銅的溶解

當(dāng)一種物質(zhì)(稱為“溶質(zhì)”)均勻分布于另一種物質(zhì)(稱為“溶劑”)而成為溶液的過程稱為溶解。許多金屬可在液態(tài)銅中溶解,如鋅、鎳、銀、錫、鋁等。溶解的實質(zhì)是溶質(zhì)原子或離子進(jìn)入溶劑的原子之間成為溶液的過程。達(dá)到平衡的溶液不能容納更多的溶質(zhì)稱之為飽和溶液。在特殊條件下,溶液中溶解的溶質(zhì)會比正常飽和狀態(tài)下更多,這時它便成為過飽和溶液。每份溶劑所能溶解的溶質(zhì)的最大值就是“溶質(zhì)在這種溶劑中的溶解度”。溶解度并不是一個恒定的值。一種溶質(zhì)在溶劑中的溶解度由它們的分子間作用力、溫度、溶解過程中所伴隨的熵的變化以及其他物質(zhì)的存在及多少來決定,有時還與氣壓或氣體溶質(zhì)的分壓有關(guān)。

各種元素在銅中的溶解能力很不一樣,有的和銅無限互溶,如鎳;有的幾乎不溶于銅中,如鉛、鈣、鉍等。一般情況下固態(tài)元素溶入銅的過程都與熔化相伴進(jìn)行,熔化的條件是過熱,而溶解無須過熱,但隨著溫度的升高,溶解速度加快。

溶解總是伴隨擴(kuò)散而進(jìn)行的,因此,雖然影響金屬溶解速度的因素很多,但主要是溫度、溶質(zhì)的表面積。溫度越高原子的動能越大,越有利于擴(kuò)散和溶解的進(jìn)行;表面積越大,溶質(zhì)與溶劑的接觸面積越大,溶質(zhì)原子擴(kuò)散到溶劑中的機(jī)會越多,因而溶解速度就越快。金屬的溶解速度還和熔體的運動有關(guān),當(dāng)熔體流動或有劇烈的攪動時溶解速度大于靜止熔體內(nèi)金屬的溶解速度,并且熔體流動或攪拌速度越快,溶解速度就會越快。

1.2.4銅的揮發(fā)

金屬由固態(tài)或液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過程統(tǒng)稱為揮發(fā)。它是金屬熔煉的重要特征之一。通常人們把物質(zhì)從固態(tài)直接轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的現(xiàn)象稱為升華,而把液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的現(xiàn)象稱為蒸發(fā)。揮發(fā)增加了合金成分控制的難度,也給環(huán)境帶來污染,因此應(yīng)當(dāng)盡量避免。

(1)揮發(fā)的熱力學(xué)條件

揮發(fā)是一種相變,即物質(zhì)由固相或液相轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗟倪^程?？杀硎鰹橄率?/p>

Me(s,l)=Me(g)    (1-3)

從物質(zhì)固、液、氣三態(tài)的結(jié)構(gòu)看,固態(tài)原子結(jié)合緊密、液態(tài)時次之,而氣態(tài)時原子最松散。要使固、液態(tài)物質(zhì)向氣態(tài)轉(zhuǎn)變,必須給原子以更多的熱能克服原子之間的引力,這是揮發(fā)的熱力學(xué)條件。

在某一溫度下達(dá)到平衡時,氣相中金屬的蒸氣分壓稱為該金屬在該溫度下的飽和蒸氣壓,簡稱蒸氣壓。記為pMe。蒸氣壓是衡量金屬揮發(fā)趨勢大小的一個重要參數(shù)。在相同條件下,蒸氣壓高的容易揮發(fā)。金屬揮發(fā)的難易程度還可以用其沸點來衡量。通常,沸點低的金屬易于揮發(fā)。部分元素的沸點見表1-1。

在外部壓強(qiáng)一定的情況下,純金屬的蒸氣壓只取決于該金屬所處的溫度,換言之,外壓一定時純金屬的蒸氣壓是溫度的函數(shù),即

p0Me=f(T)    (1-4)

金屬蒸氣壓可以由實驗測定,也可以由相變反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)計算。通常,蒸氣壓采用以下實驗公式近似計算