杨 文,徐 刚,张海洲,陈有方

(1. 全国锰业技术委员会,湖南 长沙 410006;2. 广西天工冶金科技有限公司,广西 南宁 530219)

高强度铜锰镍锌钎焊合金的研制

杨 文1,徐 刚2,张海洲2,陈有方2

(1. 全国锰业技术委员会,湖南 长沙 410006;2. 广西天工冶金科技有限公司,广西 南宁 530219)

介绍了一种广泛应用于石油天然气钻具、矿山地质挖掘工具、石材木工割具、不锈钢薄层结构组合件钎焊的高强度铜—锰—镍—锌钎焊合金的研制。通过小型试验室试验和扩大试验确定了合金生产的最佳投料配比、投料顺序、熔炼温度、覆盖剂种类等工艺条件,最终获得了合格的高强度铜—锰—镍—锌钎焊合金产品并形成了批量生产。

钎焊合金;熔炼;铜锰镍锌合金

0 前 言

高强度铜—锰—镍—锌钎焊合金除具有良好的湿润性、可焊性和相对熔点较低的共性外,其主要特性是本身合金室温及高温强度高、耐腐蚀,合金与刀具、基体材料连接结合强度高,不易脱落,钎焊缝本身韧性好,能承受冲击载荷工作。是一种新型的硬钎焊合金材料,适合碳钢、合金钢、铸铁、不锈钢、硬质合金的钎焊。广泛应用于石油、天然气钻具;矿山、地质挖掘工具;石材、木工割具;不锈钢薄层结构组合件的钎焊。

本课题根据美国市场需求,自主研制合金配比、冶炼工艺、成型工艺,提供合格产品,满足国外该合金的实用要求。产品的化学成分及外观尺寸要求如表1。

表1 铜—锰—镍—锌钎焊合金产品技术指标

1 原材料

1.1 对原材料的定性分析

从合金成分主要组成元素来看,这是一种铜基硬质钎焊合金,其组成元素作用如下:

铜:铜作为基体,它能固熔锰、镍、锌形成α固熔体,其可焊性良好,能与碳钢、合金钢、不锈钢、硬质合金等多种材料钎焊,结合强度高,但合金熔点要比银基钎焊合金高,其成本价格要比银基钎焊合金低。

锰:锰提高合金高温强度,锰能大量固熔于铜中,降低合金熔点,改善湿润性。在改善强度的同时,不降低合金塑性。在钎焊时,还起二次脱氧作用,不易形成气孔。在本合金中锰还起着以锰代镍的作用,使合金成本降低。

镍:镍固熔于铜和锰的合金中。当合金中镍、锰大于10%时,有时效硬化特性,时效析出MnNi强化相,大大提高了合金室温、高温强度,镍同时提高合金湿润性和塑性,焊缝结合强度高,耐腐蚀和高温。但镍提高合金熔点,镍价格高,影响合金成本。

锌:锌能固熔于铜、锰、镍组成的合金中,它主要作用是降低合金熔点,改善湿润性和流动性,最大限度地充填焊缝的间隙,含锌合金有良好的耐蚀性。

杂质元素:杂质越多,塑性越差,合金变脆。

基于以上分析,钎焊合金所用原料成分中,杂质含量必须小于钎焊合金杂质含量要求,这样才能保证冶炼成品符合杂质的要求。

1.2 原料选择

1.2.1 电解铜

牌号Cu-CATH-2,标准GB/T467-1997 (化学成分见表2)。

表2 电解铜化学成分 %

1.2.2 电解金属锰

牌号DJMnD,标准YB/T051-2003(化学成分见表3)。

表3 电解金属锰化学成分 %

1.2.3 电解镍

牌号Ni9990,标准GB/T6516-1997(化学成分见表4)。

表4 电解镍化学成分 %

1.2.4 锌 锭

牌号Zn99.95,标准GB/T470-1997(化学成分如表5)。

表5 锌锭化学成分 %

2 冶炼工艺路线

原材料准备→熔炼→铸板→表面精整→切块→产品。

3 小型试验

3.1 熔炼操作过程

小试采用ZG-10型真空感应炉,非真空冶炼,开始采用镁质坩埚,因料不易熔化,后改为石墨坩埚,冶炼时,依次装入镍、铜、锰,块料先装,散料后装,尽量填满坩埚。熔化时,加覆盖剂覆盖,以防吸气。溶清后,降温加锌。

3.2 熔炼技术条件

熔炼温度1250～1300℃,铸板温度为1100～1200℃,铸后脱模空冷。冶炼量每炉为8～10kg,铸模尺寸见附图1,所得板料尺寸为:厚10mm,宽150～170mm,高260mm,1炉浇两块,板料单重: 3.5～4.0kg,板料表面用手提砂轮精整表面,精整后的板料在型号Q11-13×2500剪板机上按产品尺寸要求剪切成块料。

3.3 铸模技术要求(见图1)

图1 小型试验铸模

1) 两个外模1个内模组成一付模子,组合形成两个内腔(浇入合金),内腔厚度10～12mm。

2) 内、外模合模开模应很容易,不能太紧。

3) 模子组合后,上、下端面应平整(组合一起后加工上、下端面)。

4) 内腔为加工面,不得有气孔、砂眼、夹杂、突起,表面光滑平整。

4 小型试验结果

冶炼过程中,随着温度和时间的变化,各种金属元素的挥发程度有较大的差别,小型冶炼试验主要是对原料投料配比、投料顺序、温度控制、覆盖剂进行试验。经过多次试验,掌握了合适的投料配比。最后采用此配比及选定的相关工艺条件进行3次重复试验。证明所得的原料配比和相关的工艺条件可获得稳定的合格产品,小型试验结果如表6。

表6 小型熔炼试验结果 %

小型试验获得的产品经美国用户使用后认为:产品的成分、物理性能和外观尺寸都达到要求。要求进一步提供扩大试验产品。

5 扩大试验

扩大试验以小型试验获得的原料配比、投料顺序及温度控制等条件为基础,根据各金属在高温下的稳定与挥发程度进行了配比微调。试验是在150 kg非真空感应炉(中频炉)上进行,采用石墨坩埚,装炉量为50～60kg,铸模尺寸见附图2,所得板料尺寸为:厚10～12mm,宽320mm,高420mm。1炉浇5～6块,板料单重:9～9.5kg,其它工艺过程与小试相同。

扩大试验获得的产品成分分析结果如表7。

图2 扩大试验铸模尺寸

表7 扩大试验产品化学成分分析结果 %

6 结 论

1) 通过小型试验和扩大试验,获得了合格的高强度铜—锰—镍—锌钎焊合金产品并形成了批量生产。

2) 采用中频炉冶炼,中频冶炼本身就有磁搅拌作用,冶炼合金成分均匀,冶炼温度容易控制,这就保证了合金成分准确控制。

3) 采用石墨坩埚保证铜合金的快速熔化,有利于冶炼时间缩短,氧化烧损少,合金回收率高。

4) 合金成分控制主要靠配入量的精确控制,合理配入量,加以成熟的冶炼工艺决定了合金的最终成分。

镍的控制:镍在熔炼过程中,最不易烧损,它本身熔点高,且镍不易氧化,因此镍不易烧损,由于锰的烧损大,镍均有回升。另一方面,镍价是最贵的,为降低生产成本,镍不宜过多配入,以下限为宜。

锌的控制:锌的熔点低,为减少锌的烧损,熔炼末期加入锌或熔清降温加锌,由于锰的烧损大,锌有微略的回升,锌按中限配入较为保险。

锰的控制:锰的烧损量是较大的,主要原因是锰以锰片供货,其表面积大,氧化烧损大,本合金成分控制难点是锰的烧损规律的控制,因锰烧损大,锰应按上限配入。

5) 熔炼中覆盖剂的加入很重要,一是减少合金的烧损,二是熔炼下料块,不易架桥,炉子清理也容易。

6) 熔炼合金成品切块送美国公司作实物钎焊,已获得美方使用认可,并出具了有关结果。

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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

杨文(1959-),女,广西南宁人,学士,高级工程师,研究方向:金属矿、非金属矿选矿工艺研究、金属材料研究,手机:13878153273,E-mail:ywen5999@yahoo.com.cn.