CN111015017B

CN111015017B - 一种Mn-Cu基焊丝及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN111015017B
Application number: CN201911321213.3A
Authority: CN
Inventors: 胥永刚; 邓明红; 徐紫薇; 张松
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2039-12-20
Also published as: CN111015017A

Abstract

本发明公开了一种Mn‑Cu基焊丝及其制备方法和应用，Mn‑Cu基焊丝包括以下质量百分比的组分：铜35～43％，锰50～60％，铝0.5～2％，锡0.5～1％，锌≤3％，铬≤0.9％。焊丝制备方法包括：装料；熔炼；精炼；浇铸；均匀化；锻造；挤压；拉拔；退火。本发明中焊丝主要用于Mn‑Cu合金与Mn‑Cu合金或钢的焊接。采用本发明中的焊丝，解决Mn‑Cu合金与钢在熔化焊时，焊接热裂纹严重，导致焊缝金属及接头力学性能差的问题。采用现有合金焊丝通过热处理后焊缝金属具有较高的阻尼性能。通过实现Mn‑Cu合金和钢的连接获得高强度和高阻尼的复合材料，能够拓宽Mn‑Cu合金的应用前景。

Description

一种Mn-Cu基焊丝及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于焊接材料技术领域，具体涉及一种Mn-Cu基焊丝及其制备方法和应用。

背景技术

在科技发展日新月异的今天，对于材料人们提出了更多更高的要求。但是单一的材料的性能比较局限，而高性能的材料又比较昂贵。因此要求越来越多不同性能的材料进行结合使用，这就涉及到大量异种材料连接方面的问题。Mn-Cu基阻尼材料广泛的应用于航空航天、海洋、机械等领域，Mn-Cu基阻尼材料在抑制噪声和振动，提高设备的稳定性、可靠性有着非常显著的作用，同时Mn-Cu基阻尼合金具有优良的工艺性能和高阻尼性能，因此十分引人关注，是极有发展前途的阻尼材料。为了将Mn-Cu基阻尼复合材料应用到更高和更宽的领域，需要将Mn-Cu基阻尼合金与其他合金进行连接，这样将会得到两种或者两种性能以上的复合材料。钢综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。这里将Mn-Cu合金与钢进行连接将会得到高强度和高阻尼性能的复合材料。

但是，由于Mn-Cu和钢两者的物理性能相差很大，这势必会对焊接造成困难：中Mn的Mn-Cu合金的熔点大约为900℃，而钢的熔点大约为1500℃，因此在焊接过程中热源位置不当则会出现Mn-Cu已经熔化而钢未熔化的情况。Mn-Cu合金的线膨胀系数是钢的线膨胀系数的2～3倍，因此在熔池金属结过程中，由于热应力的存在，容易使得焊缝及热影响区产生裂纹。基于此，开发一种用于焊接钢与Mn-Cu合金的焊料很有必要。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种Mn-Cu基焊丝及其制备方法和应用，以解决Mn-Cu合金与钢焊接困难的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：提供一种Mn-Cu基焊丝及其制备方法，本发明中的焊丝包括以下质量百分比的组分：

铜35～43％，锰50～60％，铝0.5～2％，锡0.5～1％，锌≤3％，铬≤0.9％。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，Mn-Cu基焊丝包括以下质量百分比的组分：

铜43％，锰54.5％，铝1.5％，锡1％。

进一步，Mn-Cu基焊丝包括以下质量百分比的组分：

铜41％，锰54.5％，铝1.5％，锡1％，锌2％。

进一步，Mn-Cu基焊丝包括以下质量百分比的组分：

铜42.5％，锰54.5％，铝1.5％，锡1％，铬0.5％。

本发明中的焊丝经过以下步骤制得：

S1：将焊丝原料(铜、锰、铝、锡、锌、铬等)与脱渣剂混合，并对混合料依次进行初炼和精炼，再浇注得铸锭；脱渣剂包括氟化钙、氯化钠、硼酸和硼砂，其与焊丝原料的质量比为1:25～30；

S2：依次对铸锭进行均匀化、锻造和挤压，得坯材；

S3：将坯材多次拉拔并进行退火处理，得焊丝。

本发明中焊丝的制备方法在上述基础上还可以进行如下改进。

进一步，脱渣剂中氟化钙、氯化钠、硼酸与硼砂的质量比为1～3:1～3:1～3:1～3。

进一步，初炼温度为1300～1400℃；精炼温度为950～1000℃；浇注温度为920～960℃。

进一步，均匀化处理的温度为800～850℃，均匀化处理时间为24h；锻造温度为600～820℃；挤压温度为650～800℃；退火温度为800～850℃，退火时间为1～2h。

本发明中的焊丝主要用于Mn-Cu合金与钢的焊接，特别是Mn-Cu合金与40号钢的焊接。

本发明的有益效果是：

1.本发明中的焊丝属于中Mn型的焊丝，Mn含量控制在50～60wt％，中Mn型焊丝焊后的强度较高、可加工性能好。焊丝中质量控制比例适中，在焊丝中的Mn和Cu元素占的比例较大，而在焊接过程中，Mn和Fe元素会形成固溶体，不会产生金属间化合物。而Fe与Cu在液态下无限固溶，随着冷却过程的进行，两者之间的固溶度开始下降，但Fe和Cu之间不会形成化合物，所以用本发明的焊丝可以实现两者之间的高强度连接。

2.向Mn-Cu基材中添加适量Al元素可以改善合金的耐蚀性，而适量Sn的作用提高调幅分解的驱动力，增加合金中的马氏体转变量，使得合金在铸态下能够获得更高的阻尼性能。在Mn-Cu-Al-Sn的基础上向焊丝中添加了Zn或Cr元素使得焊缝的性能有所改变，如向焊丝中添加Cr元素可以在焊缝表面形成氧化膜，防止材料进一步被腐蚀，增强材料的耐蚀性。向焊丝中添加Zn元素，由于Zn在随后的固溶过程中，Zn的原子半径较大，可以固溶到Cu固溶体中进一步增加了调幅分解的驱动力，使得时效过程富Mn区的Mn含量增多，相变点升高，孪晶的数量增多，能够提高焊缝的阻尼性能。

附图说明

图1为焊缝的阻尼性能；

图2为焊缝的横向拉伸强度；

图3为焊缝的纵向拉伸强度。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一

一种Mn-Cu基焊丝，包括以下质量百分比的组分：

铜43％，锰54.5％，铝1.5％，锡1％。

本实施例中的焊丝经过以下步骤制得：

S1：按照原材料挥发程度依次减小的顺序将焊丝原料(挥发性：铜＜锰＜铝＜锡)放入熔炼炉内，在放料的同时加入脱渣剂，所放入的脱渣剂与焊丝原料的质量比为1:30，所用脱渣剂包括氟化钙、氯化钠、硼酸与硼砂，并且氟化钙、氯化钠、硼酸与硼砂的质量比为1:1:1:1；放料完后将熔炼炉温度升至1350℃左右，对炉内原料进行初炼，直至原料完全熔化；然后降温至1000℃左右，进行精炼，精炼时间2h左右，以在熔炼的过程中更好的促使物理化学反应以除去金属溶液中的各种有害的杂质，使得各元素的含量如下：铜43％，锰54.5％，铝1.5％，锡1％；最后在950℃下浇筑成铸锭。

S2：对得到的块状铸锭进行均匀化处理，均匀化处理温度为750℃左右，处理时间为24h；然后对均匀化处理后的铸锭进行锻造处理，锻造温度为750℃左右；再对锻造后的材料进行挤压处理，挤压温度750℃左右；得坯材。

S3：对坯材进行拉拔处理，多次拉拔后需要进行退火处理，退火处理温度为820℃左右，退火时间为2h，退火后的冷却方式采用水冷处理；最后拉拔成所需长度和直径的焊丝。

实施例二

一种Mn-Cu基焊丝，包括以下质量百分比的组分：

铜41％，锰54.5％，铝1.5％，锡1％，锌2％。

本实施例中的焊丝经过以下步骤制得：

S1：按照原材料挥发程度依次减小的顺序将焊丝原料(挥发性：铜＜锰＜铝＜锌＜锡)放入熔炼炉内，在放料的同时加入脱渣剂，所放入的脱渣剂与焊丝原料的质量比为1:25，所用脱渣剂包括氟化钙、氯化钠、硼酸与硼砂，并且氟化钙、氯化钠、硼酸与硼砂的质量比为1:3:1:3；放料完后将熔炼炉温度升至1400℃左右，对炉内原料进行初炼，直至原料完全熔化；然后降温至1000℃左右，进行精炼，精炼时间2h左右，以在熔炼的过程中更好的促使物理化学反应以除去金属溶液中的各种有害的杂质；使各元素的含量如下：铜41％，锰54.5％，铝1.5％，锡1％，锌2％；最后在960℃下浇筑成铸锭。

S2：对得到的块状铸锭进行均匀化处理，均匀化处理温度为820℃左右，处理时间为24h；然后对均匀化处理后的铸锭进行锻造处理，锻造温度为800℃左右；再对锻造后的材料进行挤压处理，挤压温度800℃左右；得坯材。

S3：对坯材进行拉拔处理，多次拉拔后需要进行退火处理，退火处理温度为850℃左右，退火时间为1h，退火后的冷却方式采用水冷处理；最后拉拔成所需长度和直径的焊丝。

实施例三

一种Mn-Cu基焊丝，包括以下质量百分比的组分：

铜42.5％，锰54.5％，铝1.5％，锡1％，铬0.5％。

本实施例中的焊丝经过以下步骤制得：

S1：按照原材料挥发程度依次减小的顺序将焊丝原料(挥发性：铜＜铬＜锰＜铝＜锡)放入熔炼炉内，在放料的同时加入脱渣剂，所放入的脱渣剂与焊丝原料的质量比为1:28，所用脱渣剂包括氟化钙、氯化钠、硼酸与硼砂，并且氟化钙、氯化钠、硼酸与硼砂的质量比为3:1:3:1；放料完后将熔炼炉温度升至1300℃左右，对炉内原料进行初炼，直至原料完全熔化；然后降温至950℃左右，进行精炼，精炼时间2h左右，以在熔炼的过程中更好的促使物理化学反应以除去金属溶液中的各种有害的杂质；使各元素的含量如下：铜42.5％，锰54.5％，铝1.5％，锡1％，铬0.5％；最后在920℃下浇筑成铸锭。

S2：对得到的块状铸锭进行均匀化处理，均匀化处理温度为850℃左右，处理时间为24h；然后对均匀化处理后的铸锭进行锻造处理，锻造温度为700℃左右；再对锻造后的材料进行挤压处理，挤压温度650℃左右；得坯材。

S3：对坯材进行拉拔处理，多次拉拔后需要进行退火处理，退火处理温度为800℃左右，退火时间为1h，退火后的冷却方式采用水冷处理；最后拉拔成所需长度和直径的焊丝。

结果分析

分别用实施例一至实施例三中的焊丝采用钨极氩弧焊实现接Mn-Cu合金与40号钢的连接。并将焊接处理的试样进行固溶850℃，保温时间1h；时效380℃，保温时间为2h的处理。

利用倒扭摆内耗仪测量焊缝的内耗，实验尺寸为1.5mm×1.5mm×50mm，实验结果如图1所示。其中实施例一中焊缝金属的阻尼性能Q^-1＝0.034(ε＝600×10^-3)；其中实施例二中焊缝金属的阻尼性能Q^-1＝0.056(ε＝600×10^-3)；其中实施例三中焊缝金属的阻尼性能Q^-1＝0.074(ε＝600×10^-3)。采用电子万能力学试验机对焊缝的横向和纵向(尺寸按GB/T228-2002要求执行)进行力学性能测试，其拉伸曲线如图2和图3所示。从图中可以看出，从图中可以看出，实施例一中焊丝焊接后焊缝的横向拉伸抗拉强度σb约为44.9MPa；焊缝的纵向拉伸抗拉强度σb约为461.3MPa；屈服强度σ0.2约为316.4MPa。实施例二中焊丝焊接后焊缝的横向拉伸抗拉强度σb约为244.8MPa；焊缝的纵向拉伸抗拉强度σb约为402.6MPa；屈服强度σ0.2约为265MPa。实施例三中焊丝焊接后焊缝的横向拉伸抗拉强度σb约为332.4MPa；焊缝的纵向拉伸抗拉强度σb约为397.2MPa；屈服强度σ0.2约为271.4MPa。

本发明提供的Mn-Cu合金用焊丝的熔焊接头具有良好的力学性能，且焊接时焊缝成型较好，没有看到飞溅。在40号钢的熔合线附近可以看到40号钢有部分熔化，出现了熔化未混合区域。通过对阻尼性能测试发现，Zn元素的加入能够提高合金的阻尼性能，而Cr元素的加入则有利于焊缝的耐蚀性的挺高。同时相比与其他焊丝的特点是焊缝在通过热处理后能够具有较高的阻尼性能。这样能够将Mn-Cu合金的高阻尼性能和钢的较好的力学性能综合起来利用。所以更加能够提高Mn-Cu合金的应用前景。

虽然结合实施例对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims

1.一种Mn-Cu基焊丝，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：铜35～43％，锰50～60％，铝0.5～2％，锡0.5～1％，锌0～3％和铬0～0.9％，用于Mn-Cu合金与钢的熔焊。

2.根据权利要求1所述的Mn-Cu基焊丝，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：铜43％，锰54.5％，铝1.5％和锡1％。

3.根据权利要求1所述的Mn-Cu基焊丝，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：铜41％，锰54.5％，铝1.5％，锡1％和锌2％。

4.根据权利要求1所述的Mn-Cu基焊丝，其特征在于，包括以下质量百分比的组分：铜42.5％，锰54.5％，铝1.5％，锡1％和铬0.5％。

5.如权利要求1～4任一项所述的Mn-Cu基焊丝的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将焊丝原料与脱渣剂混合，并对混合料依次进行初炼和精炼，再浇注得铸锭；所述脱渣剂包括氟化钙、氯化钠、硼酸和硼砂，其与焊丝原料的质量比为1:25～30；

S2：依次对铸锭进行均匀化、锻造和挤压，得坯材；

S3：将坯材拉拔成丝并进行退火处理，得焊丝。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述脱渣剂中氟化钙、氯化钠、硼酸与硼砂的质量比为1～3:1～3:1～3:1～3。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述初炼温度为1300～1400℃；所述精炼温度为950～1000℃；所述浇注温度为920～960℃。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述均匀化处理的温度为800～850℃，均匀化处理时间为24h；所述锻造温度为600～820℃；所述挤压温度为650～800℃；所述退火温度为800～850℃，退火时间为1～2h。

9.如权利要求1～4任一项所述的Mn-Cu基焊丝在Mn-Cu合金与40号钢焊接中的应用。