本發(fā)明屬于冶金材料領(lǐng)域，具體涉及一種焊接高潤濕性黃銅棒材及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著社會的發(fā)展，人民的生活水平的提高，對于銅合金的應(yīng)用需求越來越大，同時(shí)對于材料應(yīng)用的環(huán)保性能也越發(fā)看中，其中鉛黃銅由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能、切削性能、耐腐蝕性能以及成型性能，被廣泛應(yīng)用于水暖衛(wèi)浴、電工電氣、儀器儀表、裝備制造等諸多產(chǎn)業(yè)。

2、然而，黃銅與紫銅，或者不銹鋼進(jìn)行焊接的過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)焊接不緊密，容易出現(xiàn)脫焊，密封測試出現(xiàn)漏氣和漏液的問題，該問題的存在對于空調(diào)制冷壓力密封，電器電性能連接以及設(shè)備結(jié)構(gòu)支撐引發(fā)較大的安全隱患，對于焊接不良的改善是材料工作者的迫切任務(wù)。

3、專利文獻(xiàn)cn113814510b公開了一種黃銅與鋼鐵的激光焊接工藝，包括：準(zhǔn)備焊接用的黃銅工件與鋼鐵工件；對鋼鐵的表面進(jìn)行鍍鋅處理；將黃銅板和鍍鋅鋼鐵板布置在一起，采用激光熔釬焊的方式，將激光能量主要集中在黃銅一側(cè)，使黃銅熔化為液態(tài)，鋼鐵保持固態(tài)，利用熔化后的液態(tài)黃銅浸潤鋼鐵界面形成釬接接頭；該方式在黃銅側(cè)為深熔焊機(jī)制，在鋼鐵側(cè)為釬焊機(jī)制，采用擺動焊接方式、并調(diào)整合適的離焦量，將液態(tài)黃銅在鋼鐵表面鋪展，實(shí)現(xiàn)黃銅與鋼鐵的平整牢固和均勻的焊接。

4、專利文獻(xiàn)cn103753021a公開了一種紫銅與黃銅的激光焊接方法，包括如下步驟：對待焊接的紫銅與黃銅進(jìn)行清洗；將待焊接的黃銅的焊接部位加工一焊口；將待焊接的黃銅與紫銅在焊口處對接固定；在黃銅的焊口處通過激光熔覆方法涂敷一層中間材料；在中間材料的部位將紫銅與黃銅實(shí)施激光焊接；自然冷卻，完成制備。該發(fā)明通過選用ni基合金材料作為中間材料，在ni基合金材料中補(bǔ)充si、b等元素，提高中間材料的表面質(zhì)量，并填補(bǔ)黃銅在激光熔覆過程中zn元素蒸發(fā)造成的凹陷，同時(shí)結(jié)合激光熔覆工藝使用的激光功率密度遠(yuǎn)低于激光焊接所用的激光功率密度，可以抑制黃銅脫鋅現(xiàn)象，保證黃銅材料的焊接質(zhì)量。

5、盡管現(xiàn)有技術(shù)對如何提高黃銅與其它金屬的焊接質(zhì)量進(jìn)行了研究，但現(xiàn)有技術(shù)較少有研究對黃銅原料本身進(jìn)行改進(jìn)，以使其具有較優(yōu)的焊接性能。此外，黃銅在焊接過程中會采用高溫?zé)崃鲗⒑笚l熔化，從而使得需要焊接的金屬在焊料的黏附下相互結(jié)合，但是高溫會使得待焊接的金屬的組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，例如晶粒異常長大，枝晶組織異常增殖，結(jié)界過燒以及表面脫鋅等問題，嚴(yán)重影響其焊接性能。

6、因此，開發(fā)一種具有優(yōu)異的焊接性能的黃銅棒材用于電子電器，五金衛(wèi)浴等行業(yè)，以解決現(xiàn)有鉛黃銅的焊接問題，是材料工作者迫切需要開展的工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種焊接高潤濕性黃銅棒材及其制備方法與應(yīng)用，本發(fā)明的黃銅棒材組織晶粒細(xì)小均勻，切削表面光潔，粗糙度低，具有較好的鏡面效果，用于后續(xù)加工時(shí)具備良好的焊接性能。

2、本發(fā)明第一個(gè)方面提供了一種焊接高潤濕性黃銅棒材，包括以下質(zhì)量百分含量的組分，cu：57-61％，pb：1.0-2.0％，al：0.1-0.4％，fe：0.1-0.3％，b：10-20ppm，sn＜0.5％，ni＜0.1％，余量為zn和不可避免的雜質(zhì)；所述的焊接高潤濕性黃銅棒材中，包括fe3al、feb和al2b晶核粒子，所述晶核粒子的直徑為1～5nm。

3、本發(fā)明通過控制晶核(結(jié)晶核心)粒子組成和尺寸調(diào)控黃銅棒材的焊接潤濕性能。fe3al、feb和al2b作為晶核粒子，能夠提供大量的形核位點(diǎn)，從而細(xì)化黃銅的組織。這種細(xì)化作用有助于改善黃銅的微觀結(jié)構(gòu)，使其表面更加平滑，進(jìn)而提高了黃銅與其他金屬或材料的潤濕性。

4、較小的晶核粒子在生長時(shí)由于需要更多的能量來克服表面能的增加，因此可以產(chǎn)生更多較細(xì)的晶粒，從而獲得更加致密的材料組織，同時(shí)細(xì)晶多晶界組織表面可以吸附更多的熔融液體流動，并通過提高強(qiáng)度和韌性，獲得足夠的抗高溫軟化性能，降低潤濕角和提高潤濕性能，因此，本發(fā)明將晶核粒子的直徑控制在5nm以下。對于小于1nm的晶核粒子由于需要更多的能量來克服表面能的增加，只有那些尺寸等于或大于某一臨界尺寸的晶胚才能穩(wěn)定地存在，并能自發(fā)地長大，因此將晶核粒子的直徑控制在1nm以上。

5、優(yōu)選地，所述的晶核粒子在(111)最密排面方向滿足：0.15nm＜晶面距離＜0.2nm；在(110)面方向滿足：0.2nm＜晶面距離＜0.25nm；在(100)面方向滿足：0.2nm＜晶面距離＜0.25nm；最密排方向單位面積晶核粒子的顆粒數(shù)目為2000-6000/mm2。

6、晶面間距的大小會影響原子在晶面上的排列密度和穩(wěn)定性。晶面間距較大的晶面，其面密度較高，即單位面積上的原子數(shù)更多，這有利于原子的吸附和排列，從而可能促進(jìn)晶體的生長，為了獲得更加細(xì)化的晶粒，促進(jìn)焊接過程中焊液的流動，晶面間距越小，晶體的密度越高，晶體的硬度和強(qiáng)度越大，穩(wěn)定材料焊接過程形狀，避免脫焊和開裂問題。同時(shí)本發(fā)明結(jié)合晶粒度超細(xì)晶要求5um以下和晶核粒子長大尺寸限制要求，最終將晶面距離控制在上述范圍。

7、優(yōu)選地，所述的焊接高潤濕性黃銅棒材中，fe、al與b的質(zhì)量比為20000～30000:30000～40000:1。本發(fā)明根據(jù)fe3al、feb和al2b晶核粒子形成的最佳元素比例，確定相關(guān)元素的比例范圍，鐵元素超標(biāo)會形成單質(zhì)鐵的氧化物fe2o3，影響焊接的結(jié)合度。鋁含量超標(biāo)會形成鋁的氧化物al2o3，影響焊接的致密度，引起脫焊和過多焊渣。硼含量超標(biāo)會存在硼氧化物b2o3，引起焊接過程開裂的風(fēng)險(xiǎn)和焊接的結(jié)合度。一種元素過低會引起其他相關(guān)元素的異常，最終引起焊接異常。更優(yōu)選地，所述的焊接高潤濕性黃銅棒材中，fe、al與b的質(zhì)量比為25000～30000:34000～40000:1。

8、優(yōu)選地，所述的焊接高潤濕性黃銅棒材的粗糙度≤0.05um。本發(fā)明控制黃銅棒材的粗糙度≤0.05um，可以獲得較好的鏡面效果，使得棒材表面非常平整，焊接過程可以很好的排氣和排渣，達(dá)到改善潤濕性能的效果。

9、優(yōu)選地，所述的焊接高潤濕性黃銅棒材在焊接時(shí)的潤濕角為5～7°。潤濕角低于5°存在焊料偏薄和過多延展，導(dǎo)致焊接層縮水開裂問題，大于7°焊接容易出現(xiàn)堆料問題，焊接出現(xiàn)夾渣和焊接潤濕不穩(wěn)，漏氣問題。

10、本發(fā)明第二個(gè)方面提供了所述的焊接高潤濕性黃銅棒材的制備方法，包括以下步驟：配料→熔鑄→拉絲→退火→研磨；

11、其中，所述的熔鑄工序中，采用的細(xì)化劑為氟硼酸鉀、氟鈦酸鉀和氟硅酸鉀的混合物；

12、所述的熔鑄工序中，采用二次水環(huán)冷卻，棒材出結(jié)晶器口溫度為550～650℃，二次水環(huán)冷卻后棒材溫度為15～30℃。

13、在細(xì)化劑的基礎(chǔ)上，本發(fā)明通過控制熔鑄過程，得到上述尺寸和晶面距離的晶核粒子。本發(fā)明通過熔鑄過程細(xì)化劑中的b元素化合出的晶核粒子，配合熔鑄溫度以及冷卻速度獲得一定的過冷度，控制晶粒生產(chǎn)，并獲得所需要的晶粒大小和晶面距離。

14、細(xì)化劑主要用于細(xì)化黃銅的晶粒組織。本發(fā)明的細(xì)化劑進(jìn)入銅水會形成較小尺寸的fe3al，feb和al2b等晶核粒子，可以產(chǎn)生更多較細(xì)的晶粒，從而獲得更加致密的材料組織，可以吸附更多的熔融液體流動，提高所制備材料的強(qiáng)度、韌性和抗高溫軟化性能，降低潤濕角和提高潤濕性能，此外本發(fā)明的細(xì)化劑晶核粒子在焊接過程中起到抑制晶粒長大的作用。

15、現(xiàn)有的細(xì)化劑如硼鋁合金、硼鐵、氟硼酸鉀以及硼粉等，細(xì)化過程中存在盲區(qū)，且容易出現(xiàn)細(xì)化劑中毒以及細(xì)化晶核粒子形成質(zhì)量不佳的問題。本發(fā)明的細(xì)化劑采用氟硼酸鉀、氟鈦酸鉀和和氟硅酸鉀的混合物，加入氟鹽可以降低晶核粒子核心反應(yīng)的觸發(fā)問題，使得晶粒更加細(xì)小均勻，可克服上述問題。

16、此外，本發(fā)明的細(xì)化劑可以均勻鉛顆粒的分布，改善材料的綜合力學(xué)性能。由于晶粒得到細(xì)化，界面通道增加，第二相切削粒子pb相可以更加均勻的分布在基體和晶界部位，使得加工產(chǎn)品更加順滑，屑末更加細(xì)小，加工面粗糙度更加低。

17、優(yōu)選地，所述的細(xì)化劑中，氟硼酸鉀，氟鈦酸鉀與氟硅酸鉀的質(zhì)量比為6～8:1～2:2～4。此組成的細(xì)化劑具有較好的細(xì)化效果，可以更好的提高材料的潤濕性能、強(qiáng)度、韌性等綜合性能。

18、優(yōu)選地，所述的細(xì)化劑的加入量為原料總質(zhì)量的0.02～0.05％。本發(fā)明通過控制細(xì)化劑的組成和加入量控制合金棒材中fe3al、feb和al2b晶核粒子的形成以提供大量的形核位點(diǎn)，從而細(xì)化黃銅的組織，避免出現(xiàn)fe2o3、al2o3或b2o3氧化物，影響材料的焊接性能。

19、更優(yōu)選地，所述的細(xì)化劑的加入量為原料總質(zhì)量的0.03％。

20、優(yōu)選地，所述的二次水環(huán)冷卻在水環(huán)冷卻裝置中進(jìn)行，所述水環(huán)冷卻裝置包括間距為50～200mm的第一水環(huán)和第二水環(huán)，所述的第一水環(huán)和第二水環(huán)上設(shè)有進(jìn)水口，水環(huán)內(nèi)壁上設(shè)有若干個(gè)噴水方向傾斜向下的噴水孔，冷卻過程中，冷卻水從噴水孔噴出，對依次從第一水環(huán)和第二水環(huán)中心穿過的棒材進(jìn)行冷卻。

21、優(yōu)選地，所述的噴水孔沿水環(huán)內(nèi)壁呈圓周設(shè)置。

22、優(yōu)選地，所述的二次水環(huán)冷卻過程中，一次冷卻水流量為10～40m3/h，二次冷卻水流量為1～30m3/h，水壓為0.4～0.6mpa，進(jìn)水溫度為20～40℃，出水溫度為40～60℃。

23、優(yōu)選地，所述的熔鑄工序中，按照合金成分配比加入原料，熔化后進(jìn)行保溫，保溫溫度為980-1020℃，保溫時(shí)間為3-5min，待保溫結(jié)束后，爐溫提高到1050-1080℃，精煉、清渣后，將溫度調(diào)低至1000-1030℃，加入上述細(xì)化劑，攪拌，待光譜測試成分合格，進(jìn)行牽引鑄造，牽引速度為220-400mm/min，牽引溫度為1030-1040℃。

24、優(yōu)選地，所述的去應(yīng)力退火工序中，退火溫度為280-350℃，退火時(shí)間為2～4h。本發(fā)明去應(yīng)力退火中采用均勻退火，消除組織缺陷。

25、優(yōu)選地，所述的研磨工序中，將棒材的粗糙度控制在0.05um以下。棒材退火加工完成后，表面的粗糙度較高，在焊接過程中會成為氣孔和夾渣的避難所，所以需要獲得鏡面級別的棒材，通過對棒材表面進(jìn)行研磨拋光處理，可以使得棒材表面非常平整，焊接過程可以很好的排氣和排渣，達(dá)到改善潤濕性能的效果。棒材的粗糙度≤0.05um可以獲得較好的鏡面效果。

26、本發(fā)明第三個(gè)方面提供了所述的焊接高潤濕性黃銅棒材在制備電子電器、儀器儀表或五金衛(wèi)浴配件中的應(yīng)用。本發(fā)明的黃銅棒材在保證鉛黃銅原有的綜合性能的前提下，同時(shí)具備良好的焊接性能，在電子電器、儀器儀表或五金衛(wèi)浴中具有廣闊的應(yīng)用前景。

27、優(yōu)選地，在制備上述電子電器、儀器儀表或五金衛(wèi)浴配件過程中，將所述的黃銅棒材與其它金屬材料進(jìn)行焊接，焊接完成后將所得焊接材料在空冷10～25s后進(jìn)行水冷。

28、黃銅在焊接過程中會采用高溫?zé)崃鲗⒑笚l熔化，從而使得需要焊接的金屬在焊料的黏附下相互結(jié)合，但是高溫也會使得被焊接的金屬組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，例如晶粒異常長大，枝晶組織異常增殖，結(jié)界過燒以及表面脫鋅等問題，通過開發(fā)合適的焊接冷卻工藝，可以使得焊接組織處于初生態(tài)，加工性能，焊接性能，腐蝕和電化學(xué)性能得到保證。

29、焊接冷卻過程的時(shí)間會引起組織的變化，現(xiàn)有技術(shù)中通常采用較短的焊接空冷時(shí)間(5s左右)，這使得焊接材料高溫下的組織主要是粗大的β相晶粒組織，此時(shí)再進(jìn)行快速冷卻會使得粗大的硬脆性的β相遺留到室溫組織，同時(shí)材料的應(yīng)力也增加，最終引起材料的開裂風(fēng)險(xiǎn)。

30、本發(fā)明設(shè)計(jì)將焊接冷卻工藝中的空冷時(shí)間延長至10～25s，之后進(jìn)行快速冷卻，可以獲得較好的細(xì)晶組織，避免焊接過程黃銅組織性能惡化，提高了焊接的穩(wěn)定性。

31、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明至少具備以下有益效果：

32、(1)本發(fā)明通過在熔鑄工序中加入特制的細(xì)化劑并控制熔鑄過程，通過細(xì)化劑中的b元素化合出的晶核粒子，配合熔鑄溫度以及冷卻速度獲得一定的過冷度，控制晶粒生產(chǎn)，并獲得所需要的晶粒大小和晶面距離。本發(fā)明可通過調(diào)控晶核粒子的組成、尺寸和晶面距離，調(diào)控黃銅棒材的焊接潤濕性能，并提高黃銅棒材的強(qiáng)度、韌性和抗高溫軟化性能。

33、(2)本發(fā)明在棒材退火加工完成后，對棒材表面進(jìn)行研磨拋光處理，獲得較好鏡面效果的棒材，使得其在焊接過程可以很好的排氣和排渣，達(dá)到改善潤濕性能的效果。

34、(3)本發(fā)明在黃銅焊接過程中，開發(fā)合適的焊接冷卻工藝，通過適當(dāng)延長黃銅焊接冷卻工藝的空冷時(shí)間，使得焊接組織處于初生態(tài)，進(jìn)而使得其加工性能，焊接性能，腐蝕和電化學(xué)性能得到保證。