楊 文,徐 剛,張海洲,陳有方

(1. 全國(guó)錳業(yè)技術(shù)委員會(huì),湖南 長(zhǎng)沙 410006;2. 廣西天工冶金科技有限公司,廣西 南寧 530219)

高強(qiáng)度銅錳鎳鋅釬焊合金的研制

楊 文1,徐 剛2,張海洲2,陳有方2

(1. 全國(guó)錳業(yè)技術(shù)委員會(huì),湖南 長(zhǎng)沙 410006;2. 廣西天工冶金科技有限公司,廣西 南寧 530219)

介紹了一種廣泛應(yīng)用于石油天然氣鉆具、礦山地質(zhì)挖掘工具、石材木工割具、不銹鋼薄層結(jié)構(gòu)組合件釬焊的高強(qiáng)度銅—錳—鎳—鋅釬焊合金的研制。通過小型試驗(yàn)室試驗(yàn)和擴(kuò)大試驗(yàn)確定了合金生產(chǎn)的最佳投料配比、投料順序、熔煉溫度、覆蓋劑種類等工藝條件,最終獲得了合格的高強(qiáng)度銅—錳—鎳—鋅釬焊合金產(chǎn)品并形成了批量生產(chǎn)。

釬焊合金;熔煉;銅錳鎳鋅合金

0 前 言

高強(qiáng)度銅—錳—鎳—鋅釬焊合金除具有良好的濕潤(rùn)性、可焊性和相對(duì)熔點(diǎn)較低的共性外,其主要特性是本身合金室溫及高溫強(qiáng)度高、耐腐蝕,合金與刀具、基體材料連接結(jié)合強(qiáng)度高,不易脫落,釬焊縫本身韌性好,能承受沖擊載荷工作。是一種新型的硬釬焊合金材料,適合碳鋼、合金鋼、鑄鐵、不銹鋼、硬質(zhì)合金的釬焊。廣泛應(yīng)用于石油、天然氣鉆具;礦山、地質(zhì)挖掘工具;石材、木工割具;不銹鋼薄層結(jié)構(gòu)組合件的釬焊。

本課題根據(jù)美國(guó)市場(chǎng)需求,自主研制合金配比、冶煉工藝、成型工藝,提供合格產(chǎn)品,滿足國(guó)外該合金的實(shí)用要求。產(chǎn)品的化學(xué)成分及外觀尺寸要求如表1。

表1 銅—錳—鎳—鋅釬焊合金產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)

1 原材料

1.1 對(duì)原材料的定性分析

從合金成分主要組成元素來(lái)看,這是一種銅基硬質(zhì)釬焊合金,其組成元素作用如下:

銅:銅作為基體,它能固熔錳、鎳、鋅形成α固熔體,其可焊性良好,能與碳鋼、合金鋼、不銹鋼、硬質(zhì)合金等多種材料釬焊,結(jié)合強(qiáng)度高,但合金熔點(diǎn)要比銀基釬焊合金高,其成本價(jià)格要比銀基釬焊合金低。

錳:錳提高合金高溫強(qiáng)度,錳能大量固熔于銅中,降低合金熔點(diǎn),改善濕潤(rùn)性。在改善強(qiáng)度的同時(shí),不降低合金塑性。在釬焊時(shí),還起二次脫氧作用,不易形成氣孔。在本合金中錳還起著以錳代鎳的作用,使合金成本降低。

鎳:鎳固熔于銅和錳的合金中。當(dāng)合金中鎳、錳大于10%時(shí),有時(shí)效硬化特性,時(shí)效析出MnNi強(qiáng)化相,大大提高了合金室溫、高溫強(qiáng)度,鎳同時(shí)提高合金濕潤(rùn)性和塑性,焊縫結(jié)合強(qiáng)度高,耐腐蝕和高溫。但鎳提高合金熔點(diǎn),鎳價(jià)格高,影響合金成本。

鋅:鋅能固熔于銅、錳、鎳組成的合金中,它主要作用是降低合金熔點(diǎn),改善濕潤(rùn)性和流動(dòng)性,最大限度地充填焊縫的間隙,含鋅合金有良好的耐蝕性。

雜質(zhì)元素:雜質(zhì)越多,塑性越差,合金變脆。

基于以上分析,釬焊合金所用原料成分中,雜質(zhì)含量必須小于釬焊合金雜質(zhì)含量要求,這樣才能保證冶煉成品符合雜質(zhì)的要求。

1.2 原料選擇

1.2.1 電解銅

牌號(hào)Cu-CATH-2,標(biāo)準(zhǔn)GB/T467-1997 (化學(xué)成分見表2)。

表2 電解銅化學(xué)成分 %

1.2.2 電解金屬錳

牌號(hào)DJMnD,標(biāo)準(zhǔn)YB/T051-2003(化學(xué)成分見表3)。

表3 電解金屬錳化學(xué)成分 %

1.2.3 電解鎳

牌號(hào)Ni9990,標(biāo)準(zhǔn)GB/T6516-1997(化學(xué)成分見表4)。

表4 電解鎳化學(xué)成分 %

1.2.4 鋅 錠

牌號(hào)Zn99.95,標(biāo)準(zhǔn)GB/T470-1997(化學(xué)成分如表5)。

表5 鋅錠化學(xué)成分 %

2 冶煉工藝路線

原材料準(zhǔn)備→熔煉→鑄板→表面精整→切塊→產(chǎn)品。

3 小型試驗(yàn)

3.1 熔煉操作過程

小試采用ZG-10型真空感應(yīng)爐,非真空冶煉,開始采用鎂質(zhì)坩堝,因料不易熔化,后改為石墨坩堝,冶煉時(shí),依次裝入鎳、銅、錳,塊料先裝,散料后裝,盡量填滿坩堝。熔化時(shí),加覆蓋劑覆蓋,以防吸氣。溶清后,降溫加鋅。

3.2 熔煉技術(shù)條件

熔煉溫度1250～1300℃,鑄板溫度為1100～1200℃,鑄后脫?？绽?。冶煉量每爐為8～10kg,鑄模尺寸見附圖1,所得板料尺寸為:厚10mm,寬150～170mm,高260mm,1爐澆兩塊,板料單重: 3.5～4.0kg,板料表面用手提砂輪精整表面,精整后的板料在型號(hào)Q11-13×2500剪板機(jī)上按產(chǎn)品尺寸要求剪切成塊料。

3.3 鑄模技術(shù)要求(見圖1)

圖1 小型試驗(yàn)鑄模

1) 兩個(gè)外模1個(gè)內(nèi)模組成一付模子,組合形成兩個(gè)內(nèi)腔(澆入合金),內(nèi)腔厚度10～12mm。

2) 內(nèi)、外模合模開模應(yīng)很容易,不能太緊。

3) 模子組合后,上、下端面應(yīng)平整(組合一起后加工上、下端面)。

4) 內(nèi)腔為加工面,不得有氣孔、砂眼、夾雜、突起,表面光滑平整。

4 小型試驗(yàn)結(jié)果

冶煉過程中,隨著溫度和時(shí)間的變化,各種金屬元素的揮發(fā)程度有較大的差別,小型冶煉試驗(yàn)主要是對(duì)原料投料配比、投料順序、溫度控制、覆蓋劑進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過多次試驗(yàn),掌握了合適的投料配比。最后采用此配比及選定的相關(guān)工藝條件進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。證明所得的原料配比和相關(guān)的工藝條件可獲得穩(wěn)定的合格產(chǎn)品,小型試驗(yàn)結(jié)果如表6。

表6 小型熔煉試驗(yàn)結(jié)果 %

小型試驗(yàn)獲得的產(chǎn)品經(jīng)美國(guó)用戶使用后認(rèn)為:產(chǎn)品的成分、物理性能和外觀尺寸都達(dá)到要求。要求進(jìn)一步提供擴(kuò)大試驗(yàn)產(chǎn)品。

5 擴(kuò)大試驗(yàn)

擴(kuò)大試驗(yàn)以小型試驗(yàn)獲得的原料配比、投料順序及溫度控制等條件為基礎(chǔ),根據(jù)各金屬在高溫下的穩(wěn)定與揮發(fā)程度進(jìn)行了配比微調(diào)。試驗(yàn)是在150 kg非真空感應(yīng)爐(中頻爐)上進(jìn)行,采用石墨坩堝,裝爐量為50～60kg,鑄模尺寸見附圖2,所得板料尺寸為:厚10～12mm,寬320mm,高420mm。1爐澆5～6塊,板料單重:9～9.5kg,其它工藝過程與小試相同。

擴(kuò)大試驗(yàn)獲得的產(chǎn)品成分分析結(jié)果如表7。

圖2 擴(kuò)大試驗(yàn)鑄模尺寸

表7 擴(kuò)大試驗(yàn)產(chǎn)品化學(xué)成分分析結(jié)果 %

6 結(jié) 論

1) 通過小型試驗(yàn)和擴(kuò)大試驗(yàn),獲得了合格的高強(qiáng)度銅—錳—鎳—鋅釬焊合金產(chǎn)品并形成了批量生產(chǎn)。

2) 采用中頻爐冶煉,中頻冶煉本身就有磁攪拌作用,冶煉合金成分均勻,冶煉溫度容易控制,這就保證了合金成分準(zhǔn)確控制。

3) 采用石墨坩堝保證銅合金的快速熔化,有利于冶煉時(shí)間縮短,氧化燒損少,合金回收率高。

4) 合金成分控制主要靠配入量的精確控制,合理配入量,加以成熟的冶煉工藝決定了合金的最終成分。

鎳的控制:鎳在熔煉過程中,最不易燒損,它本身熔點(diǎn)高,且鎳不易氧化,因此鎳不易燒損,由于錳的燒損大,鎳均有回升。另一方面,鎳價(jià)是最貴的,為降低生產(chǎn)成本,鎳不宜過多配入,以下限為宜。

鋅的控制:鋅的熔點(diǎn)低,為減少鋅的燒損,熔煉末期加入鋅或熔清降溫加鋅,由于錳的燒損大,鋅有微略的回升,鋅按中限配入較為保險(xiǎn)。

錳的控制:錳的燒損量是較大的,主要原因是錳以錳片供貨,其表面積大,氧化燒損大,本合金成分控制難點(diǎn)是錳的燒損規(guī)律的控制,因錳燒損大,錳應(yīng)按上限配入。

5) 熔煉中覆蓋劑的加入很重要,一是減少合金的燒損,二是熔煉下料塊,不易架橋,爐子清理也容易。

6) 熔煉合金成品切塊送美國(guó)公司作實(shí)物釬焊,已獲得美方使用認(rèn)可,并出具了有關(guān)結(jié)果。

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The Development of Copper,Manganese,Nickel and Zinc Alloy Brazing in High-intensity

YANG Wen1,XU Gang2,ZHANG Hai-zhou2,CHEN You-fang2
(1. China Manganese Industry &Technology Committee,Changsha,Hunan 410006,China;
2. Tiangong Metallurgy Technology Co.,Ltd.of Guangxi,Nanning,Guangxi 530219,China)

A widely usage in oil and gas drilling,geology mining tools,stone wood cutting tools are introduced.Stainless steel structural assemblies have brazed thin layer of high strength Copper - Manganese-Nickel - Zinc Brazing Alloy.On the small - scale laboratory tests and by expanding the production test to determine the optimum alloy feed ratio,it will form a mass of the feed sequence,melting temperature,covering agent types and processing conditions,ultimately qualified for high-strength Cu - Mn - Ni- zinc brazing alloys.

Brazing alloys;Feed ratio;Smelting;Alloy of Copper,Manganese,Nickel and Zinc

TF662

A

1002-4336(2010)02-0039-04

2010-03-07

楊文(1959-),女,廣西南寧人,學(xué)士,高級(jí)工程師,研究方向:金屬礦、非金屬礦選礦工藝研究、金屬材料研究,手機(jī):13878153273,E-mail:ywen5999@yahoo.com.cn.