一种用于制备Cu-Al-Fe合金的熔炼装置的制作方法

本实用新型涉及金属熔炼技术领域，具体的说是一种用于制备cu-al-fe合金的熔炼装置。

背景技术：

cu-al-fe合金具有优良的综合机械性能、物化性能等，被广泛应用于航空航天、交通运输、机械制造等领域，例如：cu-al-fe合金强度高，耐磨损性能好，广泛用于制造齿轮坯料、螺母螺纹等零件；cu-al-fe合金具有优良的弹性性能，高的蠕变极限，常用来制造各种弹性元件；cu-al-fe合金具有优良的耐腐蚀性能，常用于制造螺旋桨、叶轮等耐蚀零件；cu-al-fe合金在冲击作用下不产生火花，被广泛用于制造无火花工具材料；cu-al-fe合金具有优良的导热系数和稳定的刚度，已成为一种新的模具材料类型；cu-al-fe合金性价比高，可以作为一些昂贵金属材料如锡青铜、镍基合金的替代材料。

目前cu-al-fe合金的熔炼主要采用熔配法，即将cu、al、fe金属块一起放入加热炉中，低熔点的al块（熔点660℃）首先熔化，不断熔蚀高熔点的cu块（熔点1083℃）和fe块（熔点1538℃），然后随着加热过程的进行，cu块逐渐熔于al熔体中形成cu-al熔体，最后随着温度的逐渐升高，fe块逐渐熔于cu-al熔体，经搅拌形成成分均匀的cu-al-fe合金。由于fe熔点较高，且密度较大，沉于cu-al熔体底部，熔入cu-al熔体过程较慢，熔体表面需采用大量熔剂覆盖，熔剂大量分解产生气体，污染空气，且熔体需不断搅拌，才能保证cu-al-fe合金成分的均匀性，且cu-al-fe合金传统熔炼方法存在空气污染严重、劳动强度大、加热时间长、能耗高、效率低、合金元素烧损严重的问题。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提供一种用于制备cu-al-fe合金的熔炼装置，速度快、效率高、节约能源，降低了元素烧损量，减少了熔体表面熔剂分解造成的空气污染，提高了cu-al-fe合金成分准确性。

本实用新型通过以下技术方案来实现：

一种用于制备cu-al-fe合金的熔炼装置，所述熔炼装置包括第一坩埚，所述第一坩埚外部套设有感应加热设备，所述第一坩埚内腔中用于填充cu块、al块，在第一坩埚的外部设置有铝热反应装置，所述铝热反应装置包括第二坩埚，所述第二坩埚的底部端面设置有锥形孔，所述锥形孔内套设有自熔塞，在第二坩埚的内腔中填充有铝热剂，所述铝热剂中埋有镁丝引线，所述镁丝引线的另一端设置在第二坩埚的外部，且镁丝引线位于第二坩埚外部的一端靠近于第二坩埚的底部。

进一步的，所述第二坩埚的外径小于第一坩埚的内径。

进一步的，所述第二坩埚为耐高温石墨坩埚。

进一步的，所述自熔塞的外径与锥形孔的内径一致。

本实用新型的有益效果在于：

（1）由感应加热设备将第一坩埚中的cu块、al块熔炼成金属熔体，由金属熔体产生的高温引燃镁丝引线，镁丝引线燃烧产生的高温触发铝热反应装置中的铝热剂发生铝热反应，反应过程安全、可靠；

（2）利用铝热反应产生的高温使fe液熔于温度相对较低的金属熔体中，与传统方法熔炼cu-al-fe合金相比，具有速度快、效率高、节约能源的优点；

（3）该方法缩短了cu-al-fe合金的熔炼时间，大大降低了元素烧损量，减少了熔体表面熔剂分解造成的空气污染，提高了cu-al-fe合金成分准确性。

附图说明

图1是本实用新型熔炼装置的结构示意图；

附图标记：1、感应加热设备，2、第一坩埚，3、第二坩埚，4、铝热剂，5、镁丝引线，6、金属熔体，7、自熔塞。

具体实施方式

一种用于制备cu-al-fe合金的熔炼装置，所述熔炼装置包括第一坩埚2，所述第一坩埚2外部套设有感应加热设备1，所述第一坩埚2内腔中用于填充cu块、al块，在第一坩埚2的外部设置有铝热反应装置，所述铝热反应装置包括第二坩埚3，所述第二坩埚3的外径小于第一坩埚2的内径，所述第二坩埚3为耐高温石墨坩埚；

在第二坩埚3的底部端面设置有锥形孔，所述锥形孔内套设有自熔塞7，自熔塞7的外径与锥形孔的内径一致，所述自熔塞7为石棉的一种，熔点为1200～1500℃，熔化时对金属成分不造成任何影响；

在第二坩埚3的内腔中填充有铝热剂4，所述铝热剂4中埋有镁丝引线5，所述镁丝引线5的直径为0.1～8mm，所述镁丝引线5的另一端设置在第二坩埚3的外部，且镁丝引线5位于第二坩埚3外部的一端靠近于第二坩埚3的底部，所述铝热剂4中包括fe2o3粉、al粉，所述fe2o3粉的粒度为30～60目，所述al粉的粒度为30～60目。

利用此熔炼装置制备cu-al-fe合金的熔炼方法，包括以下步骤：

步骤一、先根据铝热反应方程式fe2o3+2al=al2o3+2fe+δq（放热）配制铝热剂，设定每炉cu-al-fe合金的重量为m，fe在cu-al-fe合金中的重量百分比为x，cu在cu-al-fe合金中的重量百分比为y，则所需铝热剂的重量为1.91mx，所需cu块的重量为my，所需al块的重量为m（1-x-y）；

步骤二、在第二坩埚3的底部钻一个锥形孔，并用自熔塞7堵住该锥形孔；

步骤三、将配置的铝热剂4放入第二坩埚3内，并将镁丝引线5的一端插入铝热剂4中，另一端放在第二坩埚3的外部，且靠近于第二坩埚3的底部，备用；

步骤四、启动感应加热设备1，将第一坩埚2中的cu块、al块熔炼成金属熔体6；

步骤五、将第二坩埚3放入步骤三得到的金属熔体6中；

步骤六、金属熔体6产生的高温（400～600℃）引燃镁丝引线5，镁丝引线5燃烧产生的高温（1000～1500℃）触发铝热反应，铝热反应产生的高温（2000～2500℃）熔化自熔塞7，高温fe液通过锥形孔进入金属熔体6，且在熔炼的过程中在金属熔体的表面覆盖熔剂，所述熔剂包括以下质量百分比的组分：70%～90%na3alf6、10%～30%naf，搅拌均匀即形成cu-al-fe合金。

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明：

实施例1：

利用此熔炼装置制备400kg的87cu-10al-3fe（中国标准qal10-3-1.5，美国标准c62300）合金的步骤包括如下：

（1）先根据铝热反应方程式fe2o3+2al=al2o3+2fe+δq（放热）配制铝热剂，cu-al-fe合金的重量为400kg，fe在cu-al-fe合金中的重量百分比为2.80%，cu在cu-al-fe合金中的重量百分比为92.70%，则所需铝热剂的重量为21.39kg，所需cu块的重量为370.80kg，所需al块的重量为18.00kg；

（2）在第二坩埚3的底部钻一个锥形孔，并用自熔塞7堵住该锥形孔，将上述重量的铝热剂4放入第二坩埚3内，并将镁丝引线5的一端插入铝热剂4中，另一端放在第二坩埚3的外部，且靠近于第二坩埚3的底部，备用；

（3）启动感应加热设备1，将第一坩埚2中的上述重量的cu块、al块熔炼成金属熔体6，将上述步骤的第二坩埚3放入金属熔体6中，金属熔体6产生的高温（400～600℃）引燃镁丝引线5，镁丝引线5燃烧产生的高温（1000～1500℃）触发铝热反应，铝热反应产生的高温（2000～2500℃）熔化自熔塞7，高温fe液通过锥形孔进入金属熔体6，且在熔炼的过程中在金属熔体的表面覆盖熔剂，所述熔剂包括以下质量百分比的组分：70%na3alf6、30%naf，搅拌均匀即形成cu-al-fe合金。

与传统熔炼方法相比，节约熔炼时间53%，节约电能46%，元素烧损量降低63%，大大提高了中间合金成分准确性。

实施例2：

利用此熔炼装置制备200kg的87cu-10al-3fe（中国标准qal10-3-1.5，美国标准c62300）合金的步骤如下：

（1）根据铝热反应方程式fe2o3+2al=al2o3+2fe+δq（放热）配制铝热剂，cu-al-fe合金的重量为200kg，fe在cu-al-fe合金中的重量百分比为2.80%，cu在cu-al-fe合金中的重量百分比为92.70%，则所需铝热剂的重量为10.70kg，所需cu块的重量为185.40kg，所需al块的重量为9kg；

（2）在第二坩埚3的底部钻一个锥形孔，并用自熔塞7堵住该锥形孔，将上述重量的铝热剂4放入第二坩埚3内，并将镁丝引线5的一端插入铝热剂4中，另一端放在第二坩埚3的外部，且靠近于第二坩埚3的底部，备用；

（3）启动感应加热设备1，将第一坩埚2中的上述重量的cu块、al块熔炼成金属熔体6，将上述步骤的第二坩埚3放入金属熔体6中，金属熔体6产生的高温（400～600℃）引燃镁丝引线5，镁丝引线5燃烧产生的高温（1000～1500℃）触发铝热反应，铝热反应产生的高温（2000～2500℃）熔化自熔塞7，高温fe液通过锥形孔进入金属熔体6，且在熔炼的过程中在金属熔体的表面覆盖熔剂，所述熔剂包括以下质量百分比的组分：70%na3alf6、30%naf，搅拌均匀即形成cu-al-fe合金。

与传统熔炼方法相比，节约熔炼时间48%，节约电能42%，元素烧损量降低55%，大大提高了合金成分准确性。

实施例3：

利用此熔炼装置制备400kg的86cu-11al-3fe（美国标准c62400）合金的步骤如下：

（1）根据铝热反应方程式fe2o3+2al=al2o3+2fe+δq（放热）配制铝热剂，cu-al-fe合金的重量为400kg，fe在cu-al-fe合金中的重量百分比为2.81%，cu在cu-al-fe合金中的重量百分比为92.20%，则所需铝热剂的重量为21.47kg，所需cu块的重量为368.80kg，所需al块的重量为19.96kg；

（2）在第二坩埚3的底部钻一个锥形孔，并用自熔塞7堵住该锥形孔，将上述重量的铝热剂4放入第二坩埚3内，并将镁丝引线5的一端插入铝热剂4中，另一端放在第二坩埚3的外部，且靠近于第二坩埚3的底部，备用；

（3）启动感应加热设备1，将第一坩埚2中的上述重量的cu块、al块熔炼成金属熔体6，将上述步骤的第二坩埚3放入金属熔体6中，金属熔体6产生的高温（400～600℃）引燃镁丝引线5，镁丝引线5燃烧产生的高温（1000～1500℃）触发铝热反应，铝热反应产生的高温（2000～2500℃）熔化自熔塞7，高温fe液通过锥形孔进入金属熔体6，且在熔炼的过程中在金属熔体的表面覆盖熔剂，所述熔剂包括以下质量百分比的组分：70%na3alf6、30%naf，搅拌均匀即形成cu-al-fe合金。

与传统熔炼方法相比，节约熔炼时间55%，节约电能44%，元素烧损量降低61%，大大提高了合金成分准确性。

按照上述方法还可制备200kg86cu-11al-3fe（美国标准c62400）合金，与传统熔炼方法相比，节约熔炼时间47%，节约电能42%，元素烧损量降低53%，大大提高了合金成分准确性。

按照上述方法还可制备400kg82.7cu-13al-4.3fe（美国标准c62500）合金：与传统熔炼方法相比，节约熔炼时间65%，节约电能57%，元素烧损量降低69%，大大提高了合金成分准确性。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点，本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内，本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。