锡基轴承合金切屑的重熔回收
2010-04-14作者：李海炎
（柳州压缩机总厂）
（柳州压缩机总厂）
1 前言
工业上很多产品都需要使用轴承合金，如压缩机中的十字头体、滑块、活塞以及汽车发动机、拖拉机等。生产制造过程中，大量的轴承合金切屑通常被当作废料以每公斤几元钱的价格卖掉，而轴承合金的成品价达40元/kg。若将轴承合金切屑回收利用，将大大降低产品成本，减少浪费，有利于提高企业的经济效益。本文即对锡基轴承合金切屑的重熔回收进行了研究。
2 切削和熔融金属过程中氧化损失的分析
2.1切削时的氧化
锡基轴承合金亦名锡基巴氏合金。这类合金常温下不易被空气氧化。它们的机械性能比钢铁材料的机械性能要低得很多。所以加工切削时，应采用锐利的工具且转速要高。这样加工的切屑温度不会很高，短时温度仅达70℃～100℃，出来的合金切屑还是亮白色，没有象被氧化后所出现的灰暗色。因此，切削时的氧化可以不予考虑。
2.2熔融金属的氧化与金属在熔化时的损耗
2.2.1工艺损失
无论在熔化或配制合金时，主要由于生成氧化渣滓而有一些金属损耗。此外，还有由于金属的挥发、扒渣、倾溅等所引起的损耗。用电炉熔炼锡基轴承合金时，合金总损耗量大约在1.5%～4%，加入松香等有机物作锡基轴承合金熔炼的熔剂可以减少氧化损耗。
2.2.2理论方面
2.2.2.1纯金属的氧化
固体金属氧化的动力学为所形成氧化物的性质所支配。若氧化物的体积小于生成这些氧化物所消耗的金属的体积，则氧化率将不变或与时俱增。如果氧化物的体积超过了生成它的金属的体积，在熔化的金属液面上有紧密和连续的氧化膜的复盖，则氧化率将按W2=kt这一抛物线关系随时间的增长而减少。
2.2.2.2熔融合金的氧化
熔融金属的氧化特性因加入其他元素而可能有所改变。与氧亲和力Z大的元素将优先被氧化，而这个元素所生成的氧化膜的性质就控制着氧化过程。金属对氧的亲和力一般可由它的氧化物的生成热和分解压力来判断。氧化物的生成热愈大，分解压力愈小，则这一金属对氧的亲和力也就愈强。表1列出了铜、锡、锑对氧的亲和力（根据氧化物的生成热）。从表1中可以看出锡、锑、铜中，锑的氧化物生成热Z大，锑对氧的亲和力也就是Z大的。在锡基轴承合金中，合金元素锑将优先被氧化，生成的氧化膜的性质就控制着氧化过程。
工业上很多产品都需要使用轴承合金，如压缩机中的十字头体、滑块、活塞以及汽车发动机、拖拉机等。生产制造过程中，大量的轴承合金切屑通常被当作废料以每公斤几元钱的价格卖掉，而轴承合金的成品价达40元/kg。若将轴承合金切屑回收利用，将大大降低产品成本，减少浪费，有利于提高企业的经济效益。本文即对锡基轴承合金切屑的重熔回收进行了研究。
2 切削和熔融金属过程中氧化损失的分析
2.1切削时的氧化
锡基轴承合金亦名锡基巴氏合金。这类合金常温下不易被空气氧化。它们的机械性能比钢铁材料的机械性能要低得很多。所以加工切削时，应采用锐利的工具且转速要高。这样加工的切屑温度不会很高，短时温度仅达70℃～100℃，出来的合金切屑还是亮白色，没有象被氧化后所出现的灰暗色。因此，切削时的氧化可以不予考虑。
2.2熔融金属的氧化与金属在熔化时的损耗
2.2.1工艺损失
无论在熔化或配制合金时，主要由于生成氧化渣滓而有一些金属损耗。此外，还有由于金属的挥发、扒渣、倾溅等所引起的损耗。用电炉熔炼锡基轴承合金时，合金总损耗量大约在1.5%～4%，加入松香等有机物作锡基轴承合金熔炼的熔剂可以减少氧化损耗。
2.2.2理论方面
2.2.2.1纯金属的氧化
固体金属氧化的动力学为所形成氧化物的性质所支配。若氧化物的体积小于生成这些氧化物所消耗的金属的体积，则氧化率将不变或与时俱增。如果氧化物的体积超过了生成它的金属的体积，在熔化的金属液面上有紧密和连续的氧化膜的复盖，则氧化率将按W2=kt这一抛物线关系随时间的增长而减少。
2.2.2.2熔融合金的氧化
熔融金属的氧化特性因加入其他元素而可能有所改变。与氧亲和力Z大的元素将优先被氧化，而这个元素所生成的氧化膜的性质就控制着氧化过程。金属对氧的亲和力一般可由它的氧化物的生成热和分解压力来判断。氧化物的生成热愈大，分解压力愈小，则这一金属对氧的亲和力也就愈强。表1列出了铜、锡、锑对氧的亲和力（根据氧化物的生成热）。从表1中可以看出锡、锑、铜中，锑的氧化物生成热Z大，锑对氧的亲和力也就是Z大的。在锡基轴承合金中，合金元素锑将优先被氧化，生成的氧化膜的性质就控制着氧化过程。
表1
3 切屑回收熔炼工艺
表2列出两种代表性的锡基轴承合金的化学成分。从表2中可以看出，两种合金牌号的主要成分是锑、铜和锡，铅、铁等都属于杂质。杂质对锡基铀承合金的性能有很大影响。微量铅的存在，会使合金中出现由铅基固溶体与锡基固熔体所组成的易熔包共晶体（熔点189℃），从而恶化合金的耐热性和冲击韧性。微量铋的存在，会使合金中出现熔点只有138.5℃的铋一锡二元共晶体，故更应严格控制，否则合金偶然短时过热，局部就会发生熔化。铁含量超过0.1%时，合金中会形成熔点较高的FeSn2初晶，不但恶化液态合金的流动性，还会使合金变脆，甚至产生裂纹，故合金中的含铁量也应严格控制。由于熔炼过程中各主要成分元素的氧化速率不一样，主要成分元素也应控制在规定含量的范围内，必要时进行调整，才能保证轴承合金的机械性能不变。为了达到以上目的，切屑回收熔炼工艺应考虑下面几点：
表2列出两种代表性的锡基轴承合金的化学成分。从表2中可以看出，两种合金牌号的主要成分是锑、铜和锡，铅、铁等都属于杂质。杂质对锡基铀承合金的性能有很大影响。微量铅的存在，会使合金中出现由铅基固溶体与锡基固熔体所组成的易熔包共晶体（熔点189℃），从而恶化合金的耐热性和冲击韧性。微量铋的存在，会使合金中出现熔点只有138.5℃的铋一锡二元共晶体，故更应严格控制，否则合金偶然短时过热，局部就会发生熔化。铁含量超过0.1%时，合金中会形成熔点较高的FeSn2初晶，不但恶化液态合金的流动性，还会使合金变脆，甚至产生裂纹，故合金中的含铁量也应严格控制。由于熔炼过程中各主要成分元素的氧化速率不一样，主要成分元素也应控制在规定含量的范围内，必要时进行调整，才能保证轴承合金的机械性能不变。为了达到以上目的，切屑回收熔炼工艺应考虑下面几点：
表2
3.1如果工厂中同时制造两种以上的轴承，则必需将切屑严格分开存放，以免在熔炼时混杂在一起。也不能和其他金属切屑混杂，以免在熔炼提纯时，增加清除杂质的困难。
3.2熔炼温度一般高出合金的开始结晶温度50～100℃较为合适。如轴承合金（ZChSnSb11-6）的熔炼温度应是430℃～480℃为宜。熔炼温度太高，会导致合金的晶粒粗大，同时增加合金氧化损耗。熔炼温度过低，也不能获得细小的晶粒，同时对清除杂质也不利。
3.3熔炼时间与熔炉功率大小和熔炼合金切屑量的多少以及合金切屑中含杂质的多少有关。总之，要求熔液温度均匀后，有足够的时间清除杂质、调整合金中各元素的含量为宜。
3.4清除杂质利用各物质之间的比重、熔点、铁磁性等性质的不同，采用适当的工艺方法进行清除杂质。
3.4.1清除切屑中的油污、夹杂物、氧化物。熔炼温度达到200℃以上时，油污即开始挥发、沸腾，随后燃烧除掉。余下的残渣、夹杂物、氧化物可以利用金属本身和悬浮物两者比重的差异可以将后者从金属中清除出来。
3.4.2金属熔炼时使用熔剂如松香以避免金属氧化，但熔剂也可以用来消除熔化金属中悬浮的杂质、除气或改变金属的成分和结晶组织。如熔炼锡基轴承合金切屑时，加入一些氯化氨（NH4Cl）,可除掉合金熔液中的铁元素及夹杂物等。反应式为：
3.2熔炼温度一般高出合金的开始结晶温度50～100℃较为合适。如轴承合金（ZChSnSb11-6）的熔炼温度应是430℃～480℃为宜。熔炼温度太高，会导致合金的晶粒粗大，同时增加合金氧化损耗。熔炼温度过低，也不能获得细小的晶粒，同时对清除杂质也不利。
3.3熔炼时间与熔炉功率大小和熔炼合金切屑量的多少以及合金切屑中含杂质的多少有关。总之，要求熔液温度均匀后，有足够的时间清除杂质、调整合金中各元素的含量为宜。
3.4清除杂质利用各物质之间的比重、熔点、铁磁性等性质的不同，采用适当的工艺方法进行清除杂质。
3.4.1清除切屑中的油污、夹杂物、氧化物。熔炼温度达到200℃以上时，油污即开始挥发、沸腾，随后燃烧除掉。余下的残渣、夹杂物、氧化物可以利用金属本身和悬浮物两者比重的差异可以将后者从金属中清除出来。
3.4.2金属熔炼时使用熔剂如松香以避免金属氧化，但熔剂也可以用来消除熔化金属中悬浮的杂质、除气或改变金属的成分和结晶组织。如熔炼锡基轴承合金切屑时，加入一些氯化氨（NH4Cl）,可除掉合金熔液中的铁元素及夹杂物等。反应式为：
产生的氨气、氢气或水蒸气在金属液体中形成很多小气泡，悬浊的氧化夹杂物遇到它们时就吸附在上面随同上升，或被上升的气泡推顶到液面而被清除掉。
3.4.3利用铁磁性来清除杂质。如铸铁、钢铁细粒的清除。可利用钢铁属于磁性物质，能被磁场强烈吸引。而锡基轴承合金属于抗磁性物质，被磁场所微弱排斥。若锡基轴承合金切屑和铁屑混合在一起时，可将切屑在熔炼前用强磁场把铁屑清除掉。从表中可以看出，两种合金牌号的主要成分是锑、铜和锡，铅、铋、铁等都属于杂质。杂质对锡基轴承合金的性能有很大影响。微量铅的存在，会使合金中出现由铅基固溶体与锡基固熔体所组成的易熔包。
3.5熔炼结束前，应检查、分析合金主要成分是否符合该合金牌号的含量。若某一主要元素缺乏，可将该金属加入到合金熔液中进行冶炼，或用还原剂来还原金属。如可用硼化镁作铜的还原剂，其反应式是：6Cu2O+Mg3B2→3MgO+B2O3+12Cu。但在选用还原剂时必须考虑到剩余的还原剂留在金属中可能影响金属的质量。
4 小结
综上所述，锡基轴承合金切屑是可以进行重熔回收的。切屑的污染物在熔炼时被清除掉，熔炼时合金的损耗量不大，合金的氧化速率按W2=kt这一抛物线关系随时间的增长而减小。所以，将锡基轴承合金切屑回收利用，对降低产品成本，提高企业的经济效益是十分有利的。
3.4.3利用铁磁性来清除杂质。如铸铁、钢铁细粒的清除。可利用钢铁属于磁性物质，能被磁场强烈吸引。而锡基轴承合金属于抗磁性物质，被磁场所微弱排斥。若锡基轴承合金切屑和铁屑混合在一起时，可将切屑在熔炼前用强磁场把铁屑清除掉。从表中可以看出，两种合金牌号的主要成分是锑、铜和锡，铅、铋、铁等都属于杂质。杂质对锡基轴承合金的性能有很大影响。微量铅的存在，会使合金中出现由铅基固溶体与锡基固熔体所组成的易熔包。
3.5熔炼结束前，应检查、分析合金主要成分是否符合该合金牌号的含量。若某一主要元素缺乏，可将该金属加入到合金熔液中进行冶炼，或用还原剂来还原金属。如可用硼化镁作铜的还原剂，其反应式是：6Cu2O+Mg3B2→3MgO+B2O3+12Cu。但在选用还原剂时必须考虑到剩余的还原剂留在金属中可能影响金属的质量。
4 小结
综上所述，锡基轴承合金切屑是可以进行重熔回收的。切屑的污染物在熔炼时被清除掉，熔炼时合金的损耗量不大，合金的氧化速率按W2=kt这一抛物线关系随时间的增长而减小。所以，将锡基轴承合金切屑回收利用，对降低产品成本，提高企业的经济效益是十分有利的。
