CN103627925B - 一种高镍锌白铜胎体合金焊丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高镍锌白铜胎体合金焊丝及其制备方法，其中胎体合金的重量百分比的组分组成：锌20～35%，镍20～35%，铬1.0～4.0%，铁0.5～2.0%，硼0.5～2.0%，硅0.2～1.0%，铝0.2～1.0%，稀土0.02～0.1%，铜为余量。与传统的胎体合金H62黄铜、Cu10Ni40Zn相比具有：（一）强度更高；（二）耐磨性能更好；（三）与钢材和硬质合金的界面结合力更强等特点。

Description

一种高镍锌白铜胎体合金焊丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于制备硬质合金堆焊焊条用高镍锌白铜胎体合金焊丝及其制备方法，属于新材料技术领域。

背景技术

硬质合金堆焊焊条，是由硬质合金颗粒和胎体合金焊丝经烧结制备而成的，该焊条用于堆焊石油钻探行业井下作业工具的易磨损工作面。

上世纪七八十年代国内市场普遍采用H62黄铜作为胎体合金焊丝。后期研究表明，铜镍锌合金（锌白铜）与硬质合金和钢材的润湿性能均较好，适宜用作制备硬质合金堆焊焊条的胎体合金。因此国内部分厂家通过在黄铜基体中添加镍元素并不断提高含量从而提高堆焊层的强度和耐磨性能，但镍含量提高以后焊丝制备难度迅速增加，目前国内市场上以含镍10%的Cu10Ni40Zn最为常见，该类合金的抗拉强度400～500MPa，硬度HB100～150。

随着我国钻探事业的不断发展，硬质合金堆焊焊条的使用寿命也需要不断提高。特别是国外市场近年来陆续出现多种新产品，其胎体合金经检测强度高达600～800MPa，硬度HB200～300，且可堆焊性好，界面结合强度高，堆焊层的寿命更长，但价格为国内材料的4～5倍，极大的限制了国内市场的应用。因此，国内迫切需要开发一种强度和硬度更高、与硬质合金和钢材的界面结合力更强以及使用成本较低的胎体合金，以进一步提升堆焊效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种强度高、耐磨性好且造价相对较低的高镍锌白铜胎体合金焊丝及其制备方法。

为实现上述目的，本发明的解决方案是：

一种高镍锌白铜胎体合金焊丝，其中胎体合金组分的重量百分比为：锌20～35%，镍20～35%，铬1.0～4.0%，铁0.5～2.0%，硼0.5～2.0%，硅0.2～1.0%，铝0.2～1.0%，铈0.02～0.05%，铜为余量。

所述铬优选的重量百分比为3.0～3.5%。

所述铁优选的重量百分比为1.0～1.5%。

所述硼优选的重量百分比为0.5～1.0%。

所述硅优选的重量百分比为0.2～0.5%。

所述铝优选的重量百分比为0.2～0.5%。

所述铈优选的重量百分比为0.02～0.05%。

一种高镍锌白铜胎体合金焊丝的制备方法，其步骤包括：

步骤1、原料铜、镍和锌以纯金属方式配比，铬、硼、铝、硅、铁分别以铜铬、铜硼、铝硅、铁镍中间合金形式配比，稀土金属为铈；

步骤2、将金属及中间合金按以下顺序投入加热炉中熔炼成金属液，并做炉前分析；

加料顺序为：铜→镍→铁镍→铜铬→铜硼→铝硅→锌→稀土；

步骤3、完成炉前分析并确定熔融金属符合产品要求之后，将金属液升温至1150℃～1250℃，精炼、扒渣并添加40%硼砂+60%玻璃作为覆盖剂；

步骤4、启动计算机控制水平连铸机，连续铸造直径3.2mm焊丝线坯；在连续铸造的同时，抛光处理定尺切断。

采用上述方案后，本发明的胎体合金与传统的胎体合金黄铜H62、Cu10Ni40Zn相比，本发明材料具有强度、耐磨性能更高，焊接时流动性更好，与钢材和硬质合金的界面结合强度更高的特点，且成本与国外产品相比降低很多；另外，由于本发明提供的合金组织为共晶或近共晶基体组织，该类组织的合金加工成型性能极差，无法制备成丝材。因此本发明使用计算机控制水平连铸技术制备直径3.2mm的线坯，经表面抛光处理后可直接用于烧结堆焊焊条。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详述。

本发明揭示了一种高镍锌白铜胎体合金焊丝，其中胎体合金组分的重量百分比为：锌20～35%，镍20～35%，铬1.0～4.0%，铁0.5～2.0%，硼0.5～2.0%，硅0.2～1.0%，铝0.2～1.0%，铈0.02～0.05%，铜为余量。

所述铬优选的重量百分比为3.0～3.5%；所述铁优选的重量百分比为1.0～1.5%；所述硼优选的重量百分比为0.5～1.0%；所述硅优选的重量百分比为0.2～0.5%；所述铝优选的重量百分比为0.2～0.5%；所述铈优选的重量百分比为0.02～0.05%。

本发明中各组分对合金性能的影响如下所述：

主元素：

铜、镍和锌：由铜镍锌组成的三元合金称为锌白铜，外观呈银白色，耐蚀性、强度和硬度高，研磨性、钎焊性和抗应力松弛性能优异。尤其是当铜、镍和锌的重量百分比接近1:1:1时，合金可获得共晶或近共晶基体组织，该类组织具有很好的焊接流动性、很高的高温硬度和耐磨性，但加工成型性能极差，很难制备成加工线材。

其他元素：

铬：适量的铬能大幅提高合金的硬度和耐磨性能，且能增强合金与钢材、合金和硬质合金结合界面的润湿性，提高堆焊硬度和断裂韧性。

硼：适量的硼能显著提高合金的焊接流动性，能显著减少堆焊时界面处缺陷，提高堆焊层的使用寿命。硼元素的加入会进一步降低合金的可加工性，但同时也增加了合金水平连铸成型的可能性。

铝：适量的铝能增加合金的强度和耐腐蚀性能，在熔炼时能形成致密的氧化铝膜，减少合金的氧化。

硅：适量的硅能增加合金的强度和耐磨性，降低合金低温脆性，但过量会增加合金的开裂倾向。

铁：适量的铁能增加合金的抗腐蚀性能和机械性能，并进一步细化结晶组织。

稀土铈：少量稀土元素能有效去除杂质、净化基体金属、细化基体金属结晶组织，从而提高液态金属的流动性，消除缺陷和提高与硬质合金的润湿性。

本发明的提供的胎体合金材料主要用于制备硬质合金堆焊焊条，应用于石油钻探行业。

与传统的胎体合金黄铜H62、Cu10Ni40Zn相比，本发明材料具有强度、耐磨性能更高，焊接时流动性更好，与钢材和硬质合金的界面结合强度更高的特点，且成本与国外产品相比降低很多。

实施例一

1、原料铜、镍和锌以纯金属方式配比，铬、硼、铝、硅、铁分别以铜铬、铜硼、铝硅、铁镍中间合金形式配比，稀土金属为铈。

2、将金属及中间合金按以下顺序投入加热炉中熔炼成金属液，并做炉前分析；

加料顺序为：铜→镍→铁镍→铜铬→铜硼→铝硅→锌→稀土。

炉料经分析后得到的重量百分比如下：

锌27.05%，镍30.50%，铬3.30%，

铁1.45%，硼0.89%，硅0.45%，

铝0.45%，铈0.05%，铜为余量。

3、完成炉前分析并确定熔融金属符合产品要求之后，将金属液升温至1150℃～1250℃，精炼、扒渣并添加40%硼砂+60%玻璃作为覆盖剂。

4、启动计算机控制水平连铸机，连续铸造直径3.2mm焊丝线坯；在连续铸造的同时，抛光处理定尺切断。

本实施例的直径3.2mm产品性能与国产胎体合金H62和Cu10Ni40Zn、美国进口镍铬银胎体合金的性能及成本对比如下表：

表1本实施例产品与相应规格的国内外产品性能对比

从表1可以看出，本发明的产品和现有国内胎体合金材料相比，具有更加优异的性能表现，即使与进口产品相比，性能上亦可媲美，因此本发明提供的产品是对传统胎体合金的创新，是具有优异的综合性能和性价比的高质量产品，替补了国内空白。

实施例二～五

实施例二～五的基本原理与工艺与实施例一相同，其区别在于各组分在合金中的比例不同，参照表2，为各实施例产品组分及性能参数。

硬质合金堆焊焊条是由硬质合金颗粒和胎体合金烧结而成。国内外的研究表明，胎体合金使用粉状、块状等烧结效果均很差，使用丝材的烧结效果最好。由于本发明提供的合金组织为共晶或近共晶基体组织，该类组织的合金加工成型性能极差，无法制备成丝材。因此本发明使用计算机控制水平连铸技术制备直径3.2mm的线坯，经表面抛光处理后可直接用于烧结堆焊焊条。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (7)

1.一种高镍锌白铜胎体合金焊丝，其特征在于：其中胎体合金组分的重量百分比为：锌20～35%，镍20～35%，铬1.0～4.0%，铁0.5～2.0%，硼0.5～2.0%，硅0.2～1.0%，铝0.2～1.0%，铈0.02～0.05%，铜为余量。

2.如权利要求1所述的一种高镍锌白铜胎体合金焊丝，其特征在于：所述铬的重量百分比为3.0～3.5%。

3.如权利要求1所述的一种高镍锌白铜胎体合金焊丝，其特征在于：所述铁的重量百分比为1.0～1.5%。

4.如权利要求1所述的一种高镍锌白铜胎体合金焊丝，其特征在于：所述硼的重量百分比为0.5～1.0%。

5.如权利要求1所述的一种高镍锌白铜胎体合金焊丝，其特征在于：所述硅的重量百分比为0.2～0.5%。

6.如权利要求1所述的一种高镍锌白铜胎体合金焊丝，其特征在于：所述铝的重量百分比为0.2～0.5%。

7.一种高镍锌白铜胎体合金焊丝的制备方法，其步骤包括：

步骤1、原料铜、镍和锌以纯金属方式配比，铬、硼、铝、硅、铁分别以铜铬、铜硼、铝硅、铁镍中间合金形式配比，稀土金属为铈；其中各组分的重量百分比为：锌20～35%，镍20～35%，铬1.0～4.0%，铁0.5～2.0%，硼0.5～2.0%，硅0.2～1.0%，铝0.2～1.0%，铈0.02～0.05%，铜为余量；

步骤2、将金属及中间合金按以下顺序投入加热炉中熔炼成金属液，并做炉前分析；

加料顺序为：铜→镍→铁镍→铜铬→铜硼→铝硅→锌→稀土；

步骤3、完成炉前分析并确定熔融金属符合产品要求之后，将金属液升温至1150℃～1250℃，精炼、扒渣并添加40%硼砂+60%玻璃作为覆盖剂；

步骤4、启动计算机控制水平连铸机，连续铸造直径3.2mm焊丝线坯；在连续铸造的同时，抛光处理定尺切断。