铜基合金.docx
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铜基合金
项目密级:
秘密
铜基多元合金的研制与生产
试验报告
KY-KC304-10SB-2003
课题承担单位：
冶金新材料研究室
课题结题时间：
2003年9月
院长：
雷思维（高级工程师）
主管院长：
刘厚明（高级工程师）
所长：
王开群（高级工程师）
项目负责人：
王开群（高级工程师）
项目承担单位主要试验参加人员：
邵传兵：
（冶炼助工）
李永琦：
（冶炼实验工）
魏建平：
（冶炼实验工）
分析人员：
方彦霞：
（分析助工）
王丽：
（分析化验师）
报告执笔：
邵传兵：
（冶炼助工）
审核：
许素敏（高级工程师）
审定：
李宗白（高级工程师）
校对：
李霞（冶炼工程师）
目录
1.前言…………………………………………………………4
2.黄铜的基本性能……………………………………………4
3.试验…………………………………………………………5
3.1主要试验设备、原料及添加剂…………………………5
3.2试验要求及指标…………………………………………6
3.3试验过程…………………………………………………6
3.3.1试验前准备……………………………………………6
3.3.2试验内容………………………………………………6
3.3.3铸件轧制及初步工业试用结果………………………9
4.存在问题及对策…………………………………………11
附:
铜基多元合金批量生产可行性分析…………………12
1.前言
焊接是现代工业中不可缺少的先进制造技术，现代新技术的发展离不开焊接，焊接技术又得到其他高新技术的支持。
随着现代先进制造技术的发展，特别是我国改革开放以来，焊接材料、工艺及焊接设备的研究与应用都有较大的发展。
白银地区是有色金属矿产资源丰富的工矿型城市，有着比较雄厚的产业基础。
为了跟上社会发展的步伐，顺应市场需求，西北矿冶研究院决定斥资自筹项目≤铜基多元合金的研制与生产≥，决定利用本地先天优势，开发、研制广泛用于矿山硬岩钻孔用钻头的焊接材料－无铅镉毒害的铜基四元合金焊料。
这种焊料具有较高的抗疲劳性能、剪切性能和抗冲击性能，并且制造成本低，可创造较高的经济效益。
这项工作由冶金新材料研究室全面承担。
2.黄铜的基本性能
以铜、锌为基本成分的合金称为普通黄铜，表面呈淡黄色。
黄铜具有比紫铜高得多的强度、硬度和耐蚀性，并保持一定的塑性，能很好地承受热压和冷加工。
为了改善普通黄铜的力学性能、耐蚀性能和工艺性能，掺入其它一些元素的叫特殊黄铜，因此，此焊料合金（铜57~60%，钴1.5~2.5%,锰1.5~2.5%，锌为余量）属于特殊黄铜的范畴。
从Cu-Zn二元相图上可看出，黄铜按组织主要可分为三种，α黄铜，（α+β）黄铜，β黄铜，这三种固溶体在工业上应用较多，其中α黄铜（含锌＜39%）具有质软而塑性大的特点，呈树枝状或针状，颜色随Zn含量增加而由紫变黄；β黄铜（含锌＞46%，此时出现β’组织，β’组织无实用价值，在工业上未获应用）是以金属间化合物Cu-Zn为基的固溶体，具有体立方晶格，有着强度比α组织大，耐腐蚀性和塑性较小的特点，呈灰黄色。
（α+β）组织（含锌39~46%）兼有α相和β相的特点。
往黄铜中加入适量的元素钴和锰，可改变Cu-Zn相图中α相和β相的比值，使合金兼有α相和β相的特点，同时还可提高焊料的强度、延性、耐磨性和对焊件的润湿能力，满足工业生产的要求。
3.试验
3.1主要试验设备、原料及添加剂
SG2-12-3，P额12Kw，最高工作温度1300℃的高温井式炉，一台，熔炼合金用
Arjx-12-9,P额12Kw,最高工作温度1000℃的箱式电炉，一台，加热模具和原料用
8号石墨坩埚，2个，熔炼合金用
320×320石墨浇铸模具，内腔尺寸为200×320×15
1＃电铜，GB466-82，≥99.95%
0＃电锌，GB470-83，≥99.99%
1＃电钴，Ys/T255.94，≥99.98%
电解金属锰片，GB3418/82≥99.7%
硼砂,≥95%
3.2试验要求及指标
合金成分及相关要求:
见表1
表1：
焊料成分及要求
项目
牌号
化学成分，％
熔化温度，℃
Cu
Zn
Mn
Co
液相线
固相线
BCu57ZnMnCo
56~60
余量
1.5~2.5
1.5~2.5
890
930
元素回收率：
Cu＞98%，Mn＞90%，
Co＞98%，Zn＞90%。
3.3试验过程
3.3.1试验前准备
为有效避免在熔炼合金过程中带入较多杂质和吸氢，造成合金的机械性能缺陷，需对试验用原料和添加剂采取一些必要的处理措施，主要有：
清洁、干燥合金化元素，除去表面的油污、水分和泥沙；干燥硼砂，在高于200℃时脱去全部结晶水，防止在除氧和撇渣过程中水蒸汽与金属反应放出氢而导致合金吸氢。
3.3.2试验内容
试验中，着重考察了原料配比、加料方式及次序、熔炼温度、恒温时间、搅拌强度、模具预热温度及浇铸方式对合金质量的影响。
原料配比：
试验采用以下三种配比，平均结果如表２所示：
各试验的元素损失情况如表3所示:
加料方式及次序：
熔炼合金的一般原则是，先熔主体金属和难熔金属，再熔低含量和低熔点金属。
试验过程的主要
加料方式及次序为：
先熔约2/3的铜，待熔化后加入钴、锰，全部熔化后加入剩下1/3的铜，降温后再熔锌。
试验中发现曾有一部分块状金属钴未能完全熔化，主要原因是加入的钴块度较大，需以小粒钴加入为宜。
加锌过程中应覆盖一薄层硼砂，减少锌的氧化及挥发损失，提高金属回收率。
表2：
原料配比及试验结果
试验号
配料成分，%
产出成分，%
Cu
Mn
Co
Zn
总重，g
Cu
Mn
Co
Zn
总重，g
1
60
2.5
2.5
35
3336
62.9
1.82
1.83
30.86
3050
2
60
2
2
36
3282
63.01
0.91
2.14
33.20
3090
3﹡
52
2.6
1.8
43.5
3538
53.42
2.26
1.29
41.15
3370
注：
表中3﹡的配比是根据序号1和序号2的试验结果调整而来。
表3:
元素损失情况
试验号
元素损失，%
合金总损失，%
Cu
Mn
Co
Zn
1
4.08
32.75
16.69
19.57
8.13
2
1.17
57.58
__
13.05
5.85
3
2.33
17.39
33.85
9.82
4.75
注：
表3中Mn、Co损失数据波动较大，其原因主要是分析误差，也不排除合金成份的偏析。
温度及时间：
合金融体因吸氢造成产品产生针孔，恶化机械性能。
氢在铜中的溶解度随融体温度的升高迅速增加。
熔炼温度过高，将在增加融体吸氢的同时使合金元素由于氧化和挥发而加大损失；熔炼温度低，融体的粘度大，浇铸困难；浇铸温度对产品的性能也有很大影响，温度太高，冷却速度慢，恶化了结晶的条件，使结晶粗大，造成产品热裂等缺陷；温度太低，融体流动性差，可能带来浇不足、浮渣除不净而造成产品夹渣等缺陷。
试验中主要控制温度为：
熔铜1100℃，熔钴、锰1100~1150℃，熔锌950~1000℃，浇铸温度1050~1100℃，同时控制恒温时间20分钟，全过程1小时。
搅拌强度：
一般情况下，加强对融体的搅拌可使其化学成份均匀，避免产生较大的比重偏析。
在熔炼焊料合金过程中，由于金属锌的熔、沸点较低，化学活性大，容易氧化，强烈搅拌会加重锌的损失，增加生产成本。
试验中不能强烈搅拌，在浇铸前集中搅拌即可使铸件成分均匀。
模具预热温度及浇铸方式：
模具预热温度及浇铸方式是影响铸件质量的一个关键环节。
预热温度低，模具和融体之间温差大，冷却速度快，可使铸件结晶细化，对提高铸件机械性能很有好处，不足之处是铸件冷却过快，有导致热裂的危险；预热温度过高，模具和融体之间温差小，融体冷却速度慢，浇铸容易进行，不足之处是对铸件的结晶细化有影响，还能导致成份的偏析；浇铸方式可分为两种，平模浇铸和立模浇铸。
平模浇铸的特点是：
铸件冷却均匀，不易产生热裂，缺点是浮渣集中在铸件中心位置，影响成品的轧制；立模浇铸的特点是：
浇铸时浮渣大都集中于浇铸口，可大大提高成品轧制成功率；缺点是铸件在远离浇铸口首先凝固，浇铸口附近最后凝固，温差较大，融体凝固时有产生热裂现象倾向，影响产品机械性能。
综合以上特点，试验中采用立模浇铸，模具预热温度200℃的浇铸作业。
3.3.3铸件轧制及初步工业试用结果
对试验号1的合金铸件进行成品轧制试验,轧制工作在西北铜加工厂板带分厂进行。
由于是小试验，铸件尺寸较小（320×150），轧辊尺寸远大于铸件（ø500×1500），给轧制工作带来困难，当然这种情况在批量生产中是不会存在的。
在工作人员的精心操作下，轧制过程仍然取得了成功，达到了要求的厚度δ1.5，并且结晶组织致密，没有熔渣、夹杂物和明显的成分偏析，表面没有起皮和断裂层，光滑度满足要求。
在我院钎具厂进行了焊料轧制后的工业焊接试验及机械性能检测，试验方法如下：
1.在基体ø42×12㎜、村质为40Cr的圆钢上加工3个合金柱孔。
2.中频感应钎焊，将ø9×8㎜合金柱钎焊在基体上，焊缝间隙0.15㎜（单侧）。
3.使用采矿实验室的万能材料实验机将3个柱推出，测定焊料的抗剪强度。
试验结果见表4
表4:
焊料试用情况
1
2
3
推出力
67.8KN
69.6KN
65.4KN
孔径
8.98㎜
8.98㎜
8.98㎜
有效面积
276.2㎜2
276.2㎜2
276.2㎜2
焊缝抗剪强度
25.04Kg/㎜2
25.70Kg/㎜2
24.15Kg/㎜2
焊缝抗剪强度平均值
24.96Kg/㎜2
据钎具厂反馈信息：
焊接试验工作顺利，气孔、夹渣少，焊缝致密、完整，焊料对合金和钢材的润湿性能及流动性能好，焊件的低温韧性、高温蠕变性、抗疲劳性与耐磨性均达到使用要求。
试验结果表明，利用白银公司生产的几种有色金属，在现有试验条件下，研制成分合格、使用性能满足要求的焊料合金，生产工艺成熟、经济合理，可试投入批量生产。
4.存在问题及对策
⑴试验采用优级原料，未对较次级原料作试验及分析，但批量生产中应给予考虑；
⑵浇铸作业中，采用石墨模具，这与批量生产中用所钢模相比，传热效果不同，对铸件机械性能的影响也不同。
本试验中未分析冷却速率对铸件机械性能的影响；
⑶因是小型试验，试验设备落后，规模小，各元素回收率达不到很高的要求，在批量生产中，随着设备的完善和控制手段的改进，回收率定有较大的提高。
附:
铜基多元合金批量生产可行性分析
1.概述
焊接技术是现代工业中不可缺少的先进技术,广泛应用于机械、冶金、电力、军工和军事装备等产业部门。
特别是应用于矿山硬岩钻孔的钻头，需要克服岩石压强阻力、承受巨大压力钻进岩层，钻头现场损坏率高，需要量大。
如何提高钻头的工作效率，延长使用寿命，降低制造成本，一直是专家们共同研究的主要课题。
影响钻头使用寿命的因素很多，主要有：
⑴根据钻头的凿岩机理设计的钻头结构，即钻头的几何要素。
⑵钻头的组成材料，如钻体的材质、硬质合金刀刃的化学成分、物理特性和烧结质量。
⑶钻头的制造质量。
钻头的制造质量涉及到钎焊焊料的化学成分、物理特性、钎焊温度、机械强度、选择的钎焊工艺和热处理技术等。
近年来，焊料合金的研制情况有了很大的发展，主要有以下几种：
25％银－铜－锌－锰－镍的低银焊料，铜－锌－锰－钴的铜基焊料和铜－锰－镍的铜基焊料。
25％银－铜－锌－锰－镍焊料的特点是：
熔点710～810℃，接近钢的转化温度，少量的锰、镍可促进焊料对钢的润湿性；制造成本高，抗剪强度低。
铜－锰－镍铜基焊料的熔点是950～1000℃，钻体要承受这样高的钎焊温度，钢材在高温形成的奥式体引起晶体迅速生长，减慢了转化率，使钢在冷却后的机械性能降低；对钢有良好的润湿性，钎焊焊缝的剪切强度高，韧性好。
这种焊料虽然抗剪强度高，但钎焊钎头的质量难以保证。
铜－锌－锰－钴铜基焊料，钎焊温度890～930℃，略高于钢的转化温度，焊料中的锰和钴可改进对钢的润湿性和焊缝的充填性，并且抗剪及抗冲击强度高，制造成本低，具有较高的性能、价格比。
研制性能优越的铜－锌－锰－钴四元合金焊料，能满足市场需求，创造较高经济效益，有重要的现实意义和战略意义。
2.焊料合金的生产工艺
详见试验报告
3.批量生产的优越条件
⑴我院是国家经贸委所属的242家转制院所之一，有一批素质过硬的科研队伍。
其中冶金新材料研究室现有职工15人，包括厂区分部原冶金室的9名。
厂区分部原冶金室曾有近20年的铅－钙合金和铜－铝合金的生产经历，有较扎实的基础和相关的经验可循；现有生产场地，在厂区分部原冶金室一楼大厅，场地面积约200㎡，水、电、汽齐全，现有一台生产用中频感应电炉，略加修缮即可投入使用。
⑵批量生产所需货源充足。
我院地处甘肃省白银市，有国家特大型企业－白银有色金属公司，年产有色金属30多万吨，其中铜5万吨，铅5万吨，锌10万吨，铝10万吨，且铜冶炼厂二期5万吨扩建工程也已动工。
可以说，原材料的供应没有后顾之忧。
⑶交通便利。
我院所处的白银市，109国道途经其间，白银－兰州高速公路也于2002年贯通，白银西火车站离市区不到10公里，交通运输非常方便。
4.成本预算及市场前景预测
4.1成本预算
计算成本时，以合金产品含铜60%，锰2%，钴2%，锌为余量，其中铜回收率以98%，锰90%，钴98%，锌90%记，并以一吨合金计算成本。
4.1.1原料成本
成分
耗量，Kg
单价，元/t
金额，元
Cu
612
18000
11020
Zn
400
8000
3200
Mn
22
7000
156
Co
20.4
200000
4080
合计
18456
4.1.2辅助材料费
名称
耗量
单价
金额，元
水
100m3
1.6元/m3
160
电
1600kw.h
0.5元/kw.h
800
硼砂
100Kg
2000元/t
200
合计
1160
4.1.3分析、检测费：
5000元。
4.1.4物品运输、合金轧制费：
5000元。
4.1.5人员工资：
以生产1吨合金需安排4班，每班4人，每班工资200元计，人员工资为800元。
4.1.6每吨合金总成本：
30416元。
4.2市场前景预测
据初步统计，我国目前从事钎焊技术研究和生产的单位有120多家，专业从事钎焊材料生产的厂家有90多家，其中生产硬钎焊（铜基、银基、镍基）的有20多家。
在所生产的钎料中，用量最大的是铜基、银基、镍基、铝基和锡铅基这五大类，约占全部钎料的95％以上。
据统计，我国每年用于自行车、机械制造行业的铜基钎料约2000吨以上。
目前，我室是针对院钎具厂使用的焊料进行研制，仅甘肃白银地区的年用量就达10吨以上。
在全国范围看，若以占有铜基钎料年销售市场份额的2％计，每年就有40吨的市场份额。
按目前市场价格，每吨焊料含税价52000元，成本30416元，可实现年利税86.34万元，经济效益显著。
此外，我室还生产专用于水合法生产聚丙烯酰胺的铜铝合金催化剂（又称骨架铜催化剂），此催化剂含Cu50%，Al45%，Zn5%，每吨合金生产成本21000元，市场售价25000元。
根据现阶段的市场调查，铜铝合金的年需求量约150吨，年创利税60万元，加上焊料合金，每年利税146万元。
为拓宽市场，搞活经济，促进我院的可持续发展，有必要重新启动我院厂区分部原冶金室一楼大厅的一台中频感应炉及附属设备。
5.新购及修缮现有设备
我室现有一台闲置多年的50Kg的中频感应炉，其电、汽部分大都完好，略加修缮即可投入使用。
主要修缮及添加设备有:
更换炉膛两个石墨坩埚及购买一批备用坩埚；维修电动葫芦；定做浇铸小车；定做5组浇铸腔300×500×30的铸钢模；修复通风设施；检修电力系统；购买冷却可控硅变频装置用软化水。
预计投资2万元，明细表如下：
项目
单位
数量
单价，元
金额，元
石墨坩埚
个
20
120
2400
浇铸小车
个
2
1500
3000
铸钢模
组
5
1000
5000
软化水
m3
10
200
2000
维修电动葫芦
－
－
－
1000
修复通风设施
－
－
－
3000
检修电力系统
－
－
－
1000
其它
－
－
－
2600
合计
20000
资金到位后，我室方可投入批量生产前的安装、检修和调试，并组织生产，以使产品尽快投放市场。
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