CN111187917B

CN111187917B - 铜熔体中低含量杂质元素锡的去除剂及去除方法

Info

Publication number: CN111187917B
Application number: CN202010118497.2A
Authority: CN
Inventors: 李海红; 刘晓; 张明; 刘丽; 张新涛; 石运序
Original assignee: Yantai University
Current assignee: Yantai University
Priority date: 2020-02-26
Filing date: 2020-02-26
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2040-02-26
Also published as: CN111187917A

Abstract

本发明提供了一种铜熔体中低含量杂质元素锡的去除剂及去除方法。本发明的去除剂包括精炼剂和除渣剂。本发明适用的铜材料是指包含杂质元素锡的铜及铜合金材料，其中按重量百分数计，锡含量为0.0003‑3%的铜材料。本发明通过向铜熔体中添加去除剂的方法，能有效去除铜熔体中的杂质元素锡，起到净化铜熔体的作用，经过上述方法去除杂质元素锡后的铜材中的锡含量小于10ppm。

Description

铜熔体中低含量杂质元素锡的去除剂及去除方法

技术领域

本发明涉及一种对有色金属材料中低熔点杂质元素去除的方法，尤其涉及一种铜及铜合金中低熔点杂质元素锡的去除剂及去除方法。

背景技术

铜具有良好的导电导热性能，被广泛用于导电、导热器材，如集成电路板、计算机主板、导电触头及空调和制冷行业用的蒸发管和冷凝管等。铜中的微量杂质元素锡属于固溶杂质，会降低铜的导电导热性能。一号、二号无氧铜中一般要求锡含量小于20ppm。在铜的实际冶炼过程中，由于各种废杂铜和回炉料的使用，经常会引起锡含量的超标。目前市场上使用的各种精炼剂对锡元素的去除效果均不佳。锡的熔点为231.9℃，远低于铜的熔点，是一种低熔点的杂质元素。针对铜熔体中杂质元素锡不易去除的技术难题，本发明提出了一种铜熔体中杂质元素锡的去除剂及去除方法。

发明内容

本发明为解决现有技术中铜及铜合金材料中低熔点杂质元素锡引起的缺陷和危害，提供了一种铜熔体中低含量杂质元素锡的去除剂，以及对铜熔体中低含量杂质元素锡的去除方法。

本发明适用的铜材料是指包含低熔点杂质元素锡的铜及铜合金材料，其中按重量百分数计，杂质元素锡含量为0.0003-3%的铜材料。

为实现上述发明目的之一，本发明的技术方案如下所述：

一种铜熔体中低含量杂质元素锡的去除剂，所述去除剂包括精炼剂和除渣剂。

去除铜熔体中杂质元素锡的精炼剂，

所述精炼剂为稀土元素钇、镨、钕、铕与铜的中间合金，并且按重量百分数计，

稀土钇为1-20%、

镨为1-5%、

钕为3-18%、

铕为2-15%、

余量为铜。

优选，所述精炼剂的颗粒大小为50-200目。

去除铜熔体中杂质元素锡的除渣剂，

所述除渣剂由碳酸钠、硼酸钠、氯化钠、氟化钙组成，并且按重量百分数计，

碳酸钠为20-60%、

硼酸钠为10-50%、

氯化钠为10-20%、

氟化钙为5-20%、

余量为不可避免的杂质且杂质含量为0-1%。

优选，所述除渣剂的颗粒大小为150-400目。

为实现上述发明目的之二，本发明的技术方案如下所述：

一种去除铜熔体中低含量杂质元素锡的方法，包括以下步骤,

① 将含有杂质元素锡的铜材置入熔炼炉，控制温度在1150-1250℃将铜材全部熔化成铜液，熔化过程中铜液表面覆盖厚度为10-30厘米的石墨粉覆盖剂来预脱氧和隔绝空气，30-60分钟后即得铜熔体，

② 将权利要求1所述精炼剂用铜箔包裹后用石墨钟罩压入所述铜熔体中精炼20-60分钟，

并且，按重量百分数计，

当铜熔体中锡含量为0.0003-0.03%且不包含0.03%时，所述精炼剂加入量为铜熔体的0.01-0.1%且不包含0.1%，

当铜熔体中锡含量为0.03-1%且不包含1%时，所述精炼剂加入量为铜熔体的0.1-3%且不包含3%，

当铜熔体中锡含量为1-3%时，所述精炼剂加入量为铜熔体的3-8%；

③ 向所述铜熔体中加入权利要求2所述除渣剂并搅拌15-30分钟，按重量百分数计，每100克铜熔体中所述除渣剂的加入量为3-8克，

之后静置20-40分钟后用捞渣勺将所述铜熔体表面的浮渣除去；

④ 将除渣后的所述铜熔体浇入预热好的模具中即得到去除低熔点杂质元素锡的铜材。

经过上述方法去除了杂质元素锡后的铜材中锡元素含量小于10ppm。

有益效果

本发明适用的铜材料是指包含杂质元素锡的铜及铜合金材料，其中按重量百分数计，锡含量为0.0003-3%的铜材料。本发明通过向铜熔体中添加去除剂的方法，能有效去除铜熔体中的杂质元素锡，起到净化铜熔体的作用，经过上述方法去除杂质元素锡后的铜材中的锡含量小于10ppm。

附图说明

图1为本发明中加入精炼剂后的铜材的金相组织照片。

图2为加入精炼剂和除渣剂后的铜材的金相组织照片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1 0.005%锡的铜材

铜熔体中杂质元素锡的去除方法，其具体步骤为：将含有0.005%锡的铜材8.96公斤置入熔炼炉，采用石墨柑锅，温度控制在1158℃，将铜材全部熔化成铜液；在熔化后的铜液表面覆盖一层石墨粉覆盖剂，覆盖剂厚度为18厘米；在熔炼好的铜熔体中加入精炼剂3.64克，其中，按重量百分数计，铜为78%，稀土钇为8%、镨为3%、钕为5%、铕为6%。精炼剂用铜箔包裹并用石墨钟罩压入，精炼38分钟；在精炼后的铜液中加入除渣剂268.81克，其中，按重量百分数计，碳酸钠为25%、硼酸钠为40%、氯化钠为18%、氟化钙为17%，彻底搅拌铜液26分钟，之后静置铜液33分钟后，用捞渣勺将铜熔体表面的浮渣除去后，将铜液浇入预热好的模具中，得到去除了杂质元素锡的铜材，经检测铜材中杂质元素锡的含量仅为4ppm。

实施例2 0.016%锡的铜材

铜熔体中杂质元素锡的去除方法，其具体步骤为：将含有0.016%锡的铜材9.21公斤置入熔炼炉，采用石墨柑锅，温度控制在1182℃，将铜材全部熔化成铜液；在熔化后的铜液表面覆盖一层石墨粉覆盖剂，覆盖剂厚度为21厘米；在熔炼好的铜熔体中加入精炼剂7.41克，其中，按重量百分数计，铜为75%，稀土钇为12%、镨为2%、钕为7%、铕为4%。精炼剂用铜箔包裹并用石墨钟罩压入，精炼42分钟；在精炼后的铜液中加入除渣剂198.62克，其中，按重量百分数计，碳酸钠为40%、硼酸钠为35%、氯化钠为12%、氟化钙为13%，彻底搅拌铜液22分钟，之后静置铜液27分钟后，用捞渣勺将铜熔体表面的浮渣除去后，将铜液浇入预热好的模具中，得到去除了杂质元素锡的铜材，并且经检测铜材中杂质元素锡的含量仅为6ppm。

实施例3 1.12%锡的铜材

铜熔体中杂质元素锡的去除方法，其具体步骤为：将含有1.12%锡的铜材8.79公斤置入熔炼炉，采用石墨柑锅，温度控制在1240℃，将铜材全部熔化成铜液；在熔化后的铜液表面覆盖一层石墨粉覆盖剂，覆盖剂厚度为25厘米；在熔炼好的铜熔体中加入精炼剂281.26克，其中，按重量百分数计，铜为72%，稀土钇为10%、镨为4%、钕为4%、铕为10%。精炼剂用铜箔包裹并用石墨钟罩压入，精炼31分钟；在精炼后的铜液中加入除渣剂307.65克，其中，按重量百分数计，碳酸钠为32%、硼酸钠为36%、氯化钠为14%、氟化钙为18%，彻底搅拌铜液19分钟，之后静置铜液30分钟后，用捞渣勺将铜熔体表面的浮渣除去后，将铜液浇入预热好的模具中，得到去除了杂质元素锡的铜材，并且经检测铜材中杂质元素锡的仅含量为5ppm。

实施例4 2.33%锡的铜材

铜熔体中杂质元素锡的去除方法，其具体步骤为：将含有2.33%锡的铜材9.83公斤置入熔炼炉，采用石墨柑锅，温度控制在1225℃，将铜材全部熔化成铜液；在熔化后的铜液表面覆盖一层石墨粉覆盖剂，覆盖剂厚度为30厘米；在熔炼好的铜熔体中加入精炼剂681.13克，其中，按重量百分数计，铜为70%，稀土钇为12%、镨为5%、钕为5%、铕为8%。精炼剂用铜箔包裹并用石墨钟罩压入，精炼27分钟；在精炼后的铜液中加入除渣剂275.24克，其中，按重量百分数计，碳酸钠为51%、硼酸钠为23%、氯化钠为18%、氟化钙为8%，彻底搅拌铜液16分钟，之后静置铜液36分钟后，用捞渣勺将铜熔体表面的浮渣除去后，将铜液浇入预热好的模具中，得到去除了杂质元素锡的铜材，并且经检测铜材中杂质元素锡的含量为3ppm。

本发明方法去除杂质元素锡后铜材中锡元素含量小于10ppm，相比现有技术中一号、二号无氧铜中锡含量20ppm的技术指标提高了1倍，而且本发明具体实施方式中的优选实施例1-4铜材中锡元素含量最低能够降到5ppm左右，说明本发明的精炼剂、除渣剂以及去除方法能够有效去除铜熔体中杂质元素锡，而且去除效果显著，远高于现有一号、二号无氧铜中锡含量的标准要求。

理论上钇、镨、钕、铕元素具有很低的吉布斯自由能变化值和很高的化学反应平衡常数，而且本发明的试验也证明即使锡含量较低时钇、镨、钕、铕也能够与锡反应并且反应的非常彻底，本发明所述精炼剂中的钇、镨、钕、铕会捕捉铜熔体中的杂质元素锡并且反应生成上述稀土元素和锡复杂的化合物颗粒，而且能够使分散溶解在铜中的杂质元素锡发生聚集起到充分聚集和稳定杂质元素锡的作用。以实施例4予以说明，如图1加入精炼剂后的铜材的金相组织照片所示，铜中的杂质元素锡与稀土形成的化合物以球状颗粒的形式存在于晶粒内部，这是由于稀土和锡形成的化合物颗粒的表面张力大于铜熔体的表面张力，所以其颗粒形貌为球状，但是，由于铜溶体粘度较高，稀土和锡形成的化合物颗粒在熔体中所受的浮力不足以抵消其重力而上浮到熔体表面，导致了凝固结束后依然存在与铜基体中，并且这些化合物熔点高于铜的熔点，所以在凝固过程中可以作为一些异质形核质点中心使其最终出现在铜的晶粒内部，而不是集中分布于晶界处，即证明精炼剂能够有效捕捉到铜熔体中低含量的锡。

但是，由于反应产物为高熔点低密度的化合物，而且锡含量较低生成的稀土和锡的化合物颗粒小，因此在粘度较高的铜熔体中所受的浮力较小，难以克服自身重力上浮至铜熔体表面作为渣相除去，导致杂质元素锡依然会以化合物的形式残留在铜基体中。因此，本发明在此基础上加入除渣剂，除渣剂呈现弱碱性而上述稀土和锡的化合物为弱酸性，在酸碱的相互作用下所述除渣剂可以容易的捕获熔体中生成的稀土和锡的化合物，使小化合物颗粒长大或者附着在除渣剂表面并上浮于铜熔体表面通过捞渣除去，从而彻底去除了铜熔体中的杂质元素锡，保证了铜材具有良好的导电导热性能。同样，以实施例4为例说明，图2为加入精炼剂和除渣剂后的铜材的金相组织照片。图中的金相组织中晶界和晶粒内部均非常干净，没有杂质存在，这说明稀土和锡形成的球状化合物颗粒在除渣剂的作用下已经作为渣相除去，相应的也除掉了铜材中的杂质元素锡。

本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的但不限于具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims

1.一种去除铜熔体中低含量杂质元素锡的方法，包括以下步骤,

① 将含有杂质元素锡的铜材置入熔炼炉，控制温度在1150-1250℃将铜材全部熔化成铜液，熔化过程中铜液表面覆盖厚度为10-30厘米的石墨粉覆盖剂预脱氧和隔绝空气，30-60分钟后即得铜熔体，

其特征在于还包括如下步骤：

② 将精炼剂用铜箔包裹后用石墨钟罩压入所述铜熔体中精炼20-60分钟，

并且，按重量百分数计，

其中，所述精炼剂为稀土元素钇、镨、钕、铕与铜的中间合金，并且按重量百分数计，

稀土钇为1-20%、

镨为1-5%、

钕为3-18%、

铕为2-15%、

余量为铜；

③ 向所述铜熔体中加入除渣剂并搅拌15-30分钟，按重量百分数计，每100克铜熔体中所述除渣剂的加入量为3-8克，之后静置20-40分钟后用捞渣勺将所述铜熔体表面的浮渣除去；

其中，所述除渣剂由碳酸钠、硼酸钠、氯化钠、氟化钙组成，并且按重量百分数计，

碳酸钠为20-60%、

硼酸钠为10-50%、

氯化钠为10-20%、

氟化钙为5-20%、

余量为不可避免的杂质且杂质含量为0-1%；

2.根据权利要求1所述一种去除铜熔体中低含量杂质元素锡的方法，其特征在于所述精炼剂的颗粒大小为50-200目。

3.根据权利要求1所述一种去除铜熔体中低含量杂质元素锡的方法，其特征在于所述除渣剂的颗粒大小为150-400目。