高纯铜铸件（99.9%）的生产面临着氧致气孔的挑战，这会严重损害铜的性能。因此，铜的精炼（脱氧）成为该过程中必不可少的步骤。本研究调查了三种脱氧剂对模拟工业实践环境中熔融铜物理和化学性质的影响。所选用的脱氧剂包括石墨粉（C）、磷铜（CuP15%）和碳化钙（CaC2 ）。实验方法涉及在燃气炉中铸造试样，并根据去除 600 ppm 氧气的化学计量比，在三个剂量系数（剂量不足、化学计量剂量和过量）下控制添加每种脱氧剂。此外，仅使用铜屑进行“对照”测试，以作为对照组并隔离脱氧剂的影响。随后，对样品进行化学表征（通过光学发射光谱法）、涡流电导率测量（无损检测）以及通过 ImageJ 软件进行定量气孔率分析。结果揭示了每种脱氧剂对熔融铜影响的显著差异。对照样品（无活性脱氧剂）确立了基线，突显了脱氧的必要性，其电导率维持在 78% 至 84% IACS（国际退火铜标准）之间。石墨处理组的电导率最低降至 73.42% IACS，而 CaC2 处理组的电导率未超过 80% IACS。石墨和 CaC2 表现出大量且细小的气孔，相比之下，对照样品则具有大而分散的气孔（面积高达 8.13 mm2 ）。气孔的形态学分析表明，碳基脱氧剂的反应动力学缓慢，导致在凝固过程中模具内持续产生气体（CO）。相比之下，CuP15% 被证明是最有效的脱氧剂，其气孔值低于对照样品，并产生了本研究中最高的 87.3% IACS 电导率。本研究有助于优化铜生产工艺，为冶金工业提供了明确的参数和科学依据。
**高纯铸造铜脱氧工艺优化及机理研究解读**
铜作为现代工程中至关重要的材料，因其卓越的导电性和导热性而被广泛应用。然而，在高速运输系统及连续铸造铜模具等高性能组件的制造中，铸件的质量控制面临严峻挑战。特别是在使用液化石油气（LPG）作为燃料的工业熔炼环境中，燃烧副产物水蒸气（H
2 O）会导致氢和氧同时溶解于液态铜基体中。在随后的凝固过程中，溶解的原子重新结合形成水蒸气，引发“蒸汽反应”，导致宏观气孔和内生气泡的产生。这些缺陷不仅严重破坏材料的机械完整性，更显著降低其电导率。尽管现有文献多关注高效气体搅拌系统，但在模拟真实工业场景中静止熔池和手动搅拌条件下的脱氧动力学研究尚显不足。特别是对于碳化钙（CaC
2 ）和石墨等非传统脱氧剂在实际操作限制下的表现缺乏对比数据。因此，研究人员旨在评估不同脱氧剂在静止熔池条件下的脱氧效果，探究剂量水平对化学纯度和残留溶质的影响，并确定气孔率降低与电导率维持之间的最佳平衡点。该研究成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》，为冶金工业在无法绝对控制变量的情况下选择最佳脱氧剂类型和用量提供了实践指南。
为开展此项研究，研究人员采用了一套严谨的实验技术体系。首先，利用有限元法（FEM）结合 ProCAST 2016 软件对试样几何形状和模具设计进行数值模拟，以排除几何收缩对气孔研究的干扰，确保研究焦点集中在气体诱导的气孔上。实验原料选用纯度为 99.99% 的高纯阴极铜，在实验室规模的 LPG 燃气炉中进行熔炼，模拟工业二次精炼和砂型铸造条件。研究选取了三种脱氧剂：含磷 15% 的铜合金（CuP15%）、碳化钙（CaC
2 ）和高纯石墨粉（C）。基于去除 600 ppm 溶解氧的理论化学计量比，设置了三个剂量系数：75%（剂量不足）、100%（化学计量剂量）和 150%（过量）。此外，设立仅添加等质量铜屑的对照组以隔离物理因素影响。脱氧过程包括将脱氧剂浸没至坩埚底部并进行机械搅拌均质化。表征手段方面，研究人员综合运用光学发射光谱法（OES）分析化学成分，采用涡流法测量电导率（%IACS），并利用 ImageJ 软件对宏观金相图像进行定量分析，以获取气孔数量、面积百分比及圆度等形态学参数。样本队列来源于模拟工业标准操作的多次重复熔炼实验。
**研究结果分析**
**化学表征结果**
光学发射光谱分析显示，不同脱氧剂在铜基体中留下了独特的化学特征。对于 CuP15% 组，随着剂量增加，残留磷（P）含量显著上升，从系数 I 的 0.0130% 增至系数 III 的 0.0370%。磷作为强电子散射中心，其固溶残留是导致电导率下降的关键因素。对于 CaC
2 组，观察到硅（Si）含量的系统性降低，这是由于硅作为活性脱氧剂优先氧化所致；但在过量添加（系数 III）时，铁（Fe）残留量显著增加至 0.0235%。石墨组在系数 III 时检测到异常高的残留碳（C）含量（0.0720%），这表明由于反应动力学缓慢，部分石墨颗粒未及反应即被物理包裹在基体中，而非处于固溶平衡状态。对照组则表现出化学不稳定性，铁和硅含量波动剧烈，主要源于熔炼过程中的非受控污染。
**气孔率及其形态学结果**
气孔率分析表明，CuP15% 是最有效的脱氧剂。在系数 II 和 III 条件下，其气孔面积百分比趋近于零，显著优于其他组别。相比之下，CaC
2 和石墨处理组虽然气孔尺寸较小但数量众多，平均气孔面积维持在 0.21%-0.24% 左右，远高于 CuP15%组。形态学分析进一步揭示，CuP15%组的气孔圆度较高且面积极小，表明其能有效去除溶解氧。而 CaC
2 和石墨组呈现出大量细小且分布广泛的气孔，这与对照组中出现的大而分散的气孔形成鲜明对比。这种现象归因于碳基脱氧剂反应动力学缓慢，导致在模具内的凝固过程中持续释放一氧化碳（CO）气体。由于熔体粘度迅速增加，晚期生成的气泡无法及时上浮逸出而被捕获在基体中，形成了所谓的“细化气孔”。统计分析及方差分析（ANOVA）虽显示组间差异处于临界显著性水平，但 CuP15%组在减少气孔方面的优势在统计趋势和物理意义上均十分明确。
**电导率结果**
电导率测试结果显示，CuP15% 在系数 II（化学计量剂量）下达到了本研究最高值 87.3% IACS，显著高于对照组（78%-84%）及其他处理组。然而，当 CuP15% 过量添加（系数 III）时，尽管气孔几乎完全消除，但过量的固溶磷导致电导率下降至 83.35% IACS。石墨和 CaC
2 处理组的电导率始终较低，分别最低降至 73.42% IACS 和未超过 80% IACS。这一结果证实，电导率受气孔率（物理障碍）和残留杂质（电子散射中心）的双重影响。虽然 CuP15% 引入了降低电导率的磷，但其消除气孔的正面效应远超磷带来的负面影响，从而实现了整体性能的提升。相比之下，碳基脱氧剂因未能有效去除气孔且可能引入其他杂质或残留物，导致电导率改善有限。
**讨论与结论**
本研究深入探讨了高纯铸造铜在不同脱氧条件下的微观结构与性能演变。研究结论表明，在模拟工业静止熔池条件下，控制氧活性的动力学效率是决定铸件质量的关键。磷铜（CuP15%）被证实为最高效的脱氧剂，特别是在化学计量剂量下，能在最小化气孔的同时保持较高的电导率（87.3% IACS），尽管过量添加会因固溶磷的散射效应导致性能回落。相比之下，石墨和碳化钙由于热解离或反应动力学缓慢，导致在凝固后期持续产生 CO 气体，形成大量细小气孔，限制了其脱氧效果和电导率的提升。虽然 CuP15%成本较高且残留磷会轻微降低电导率，但在当前工艺条件下，它是平衡气孔消除与导电性能的最佳选择。未来研究可聚焦于通过惰性气体喷射搅拌等技术改善碳基脱氧剂的反应动力学，以期在降低成本的同时达到甚至超越磷铜的脱氧效果。该研究为优化冶金工艺参数、解决高纯铜铸造中的气孔缺陷提供了坚实的科学依据和实践指导。
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