銅鋼雙金屬鑄造改進(jìn)技術(shù)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種銅鋼雙金屬鑄造改進(jìn)技術(shù)。通過(guò)靜態(tài)鑄型鑄造方法直接在鋼基體上澆鑄一定厚度的銅或銅合金，主要工藝過(guò)程包括：鋼坯清洗、鋼坯加熱噴涂硼砂溶液、鑄型組合加熱保溫、銅或銅合金熔煉澆注、向鋼坯施加超聲波振動(dòng)、鑄型高溫保溫。通過(guò)本發(fā)明提供的銅鋼雙金屬鑄造改進(jìn)技術(shù)，在靜態(tài)鑲鑄的工藝技術(shù)基礎(chǔ)上加入超聲波振動(dòng)攪拌步驟，可以在各種形狀、各種尺寸的鋼坯上鑄造得到一定厚度、無(wú)偏析的銅或銅合金層，并且所得鑄件的銅或銅合金層與鋼坯之間能夠?qū)崿F(xiàn)良好的冶金結(jié)合。
【專利說(shuō)明】銅鋼雙金屬鑄造改進(jìn)技術(shù)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬鑄造應(yīng)用技術(shù)，具體的，涉及銅鋼雙金屬鑄造改進(jìn)技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002]雙金屬鑄造技術(shù)通常用于兩種組分相近的金屬材料。例如，將兩種不同材料的鋼熔化后，在液態(tài)狀態(tài)下分別注入型腔中，獲得結(jié)合面密實(shí)的鑄件；或者在高鉻鋼鑄件表面熔鑄上低碳鋼。組分相近的兩種金屬材料之間容易相互熔合，在鑄造中能獲得性能優(yōu)異的冶益彡口口。
[0003]鋼材成本低、加工工藝成熟、機(jī)械強(qiáng)度高，銅合金耐磨性能好，由銅合金和鋼復(fù)合制造的軸承、軸套等構(gòu)件在一些特殊的工況下得到了廣泛應(yīng)用。目前，銅合金和鋼材的復(fù)合工藝主要通過(guò)雙金屬鑄造工藝實(shí)現(xiàn)。而銅合金和鋼是兩種組分、屬性完全不同的材料，要在不影響鋼坯基體材料性能的前提下通過(guò)鑄造的方法讓銅合金與鋼結(jié)合為一體，并且不產(chǎn)生分層、夾渣等明顯缺陷，是一個(gè)較難實(shí)現(xiàn)的工藝技術(shù)。中國(guó)發(fā)明專利201410194604.4和200610047348.1分別公開了通過(guò)雙金屬離心鑄造制備鋼背銅合金雙金屬軸套和大型銅鋼雙金屬調(diào)整螺母的工藝方法。離心鑄造銅鋼雙金屬工藝有以下幾個(gè)方面的不足:1)僅適合旋轉(zhuǎn)體，在生產(chǎn)異形鑄件時(shí)有局限性；2)在鑄造銅合金時(shí)容易造成組分比重偏析；3)普通離心鑄造工藝不能實(shí)現(xiàn)銅鋼雙金屬的冶金結(jié)合。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為彌補(bǔ)離心鑄造銅鋼雙金屬工藝的不足，本發(fā)明提供了一種靜態(tài)的鑄型鑄造工藝。即通過(guò)靜態(tài)鑄型鑲鑄方法直接在鋼基體上澆鑄一定厚度的銅或銅合金，最終鋼基體與銅或銅合金之間形成良好的冶金結(jié)合。
[0005]本發(fā)明通過(guò)以下工藝步驟得以實(shí)現(xiàn)。
[0006]銅鋼雙金屬鑄造改進(jìn)技術(shù)，按如下步驟進(jìn)行:
[0007]a.鋼坯依次通過(guò)堿煮、酸洗和蒸餾水清洗進(jìn)行清潔；
[0008]b.將鋼坯加熱至300-400°C，然后在鋼坯外表面均勻噴涂硼砂溶液；
[0009]c.將鋼坯安裝到鑄型中，并將整個(gè)鑄型加熱至600-800°C后保溫，等待澆注；
[0010]d.熔化銅或銅合金，熔液到溫后清理打渣、澆注；
[0011]e.澆注開始后立即在鋼坯上通過(guò)超聲波施加振動(dòng)，澆注完畢后繼續(xù)保持超聲波振動(dòng)10-30秒的時(shí)間；
[0012]f.振動(dòng)施加完畢立即將鑄型轉(zhuǎn)移至高溫爐中保溫處理，保溫溫度為1000°C到鋼坯的相變溫度之間的任一溫度，保溫時(shí)間為I小時(shí)到2小時(shí)；
[0013]g.保溫時(shí)間到達(dá)后關(guān)閉高溫爐的加熱源，待鑄型冷卻后取出鑄件。
[0014]優(yōu)選的，步驟b中噴涂的硼砂溶液為飽和溶液。
[0015]優(yōu)選的，步驟c中鑄型的保溫時(shí)間為2小時(shí)到5小時(shí)。
[0016]優(yōu)選的，步驟e中超聲波的頻率為5-20KHZ，超聲波的功率為100-1000W。
[0017]優(yōu)選的，步驟f中鑄型轉(zhuǎn)移過(guò)程用時(shí)小于I分鐘。
[0018]優(yōu)選的，步驟g中鑄型的冷卻方式為隨爐冷卻，冷卻速度小于10°C每分鐘。
[0019]本發(fā)明提供的銅鋼雙金屬鑄造改進(jìn)技術(shù)有以下幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn):
[0020]I)加熱鋼坯然后噴涂硼砂溶液，可以大大提高硼砂的噴涂質(zhì)量；
[0021]2)澆注前加熱鑄型、并在較高溫度對(duì)鑄型進(jìn)行保溫，可以降低銅或銅合金熔液的冷卻速度，為后續(xù)的高溫爐保溫處理起到預(yù)熱的作用，同時(shí)提高澆注質(zhì)量；
[0022]3)澆注過(guò)程中通過(guò)超聲波在鋼坯上施加振動(dòng)，振動(dòng)傳遞到與鋼坯接觸的銅或銅合金液，實(shí)現(xiàn)攪拌的效果，有利于銅或銅合金液排氣和除渣，防止界面處的氧化夾渣和氣泡影響鋼坯與銅或銅合金的結(jié)合質(zhì)量，減少合金成分偏析，提高鑄件質(zhì)量。
[0023]4)澆注、攪拌完成后立即將鑄型轉(zhuǎn)移至高溫爐中在高溫下進(jìn)行保溫，可以大大降低鋼與銅或銅合金之間的擴(kuò)散能壘，并為鋼與銅或銅合金之間在界面處的相互擴(kuò)散提供足夠的時(shí)間，讓銅或銅合金與鋼基體的組分原子在界面處相互、充分地?cái)U(kuò)散、形成良好的冶金彡口口 ?
[0024]本發(fā)明的有益效果在于:通過(guò)本發(fā)明提供的銅鋼雙金屬鑄造改進(jìn)技術(shù)，在靜態(tài)鑲鑄的工藝技術(shù)基礎(chǔ)上加入超聲波振動(dòng)攪拌步驟，可以在各種形狀、各種尺寸的鋼坯上鑄造得到一定厚度、無(wú)偏析的銅或銅合金層，而且所得鑄件的銅或銅合金層與鋼坯之間能夠?qū)崿F(xiàn)良好的冶金結(jié)合。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為本發(fā)明的工藝流程示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026]下面以Q255碳鋼和ZCuSn3ZnllPb4錫青銅為例，具體描述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0027]Q255碳鋼常用于制造對(duì)強(qiáng)度要求不太高的零件，如螺栓、鍵、搖桿、軸、拉桿和鋼結(jié)構(gòu)用各種型鋼、鋼板等，其固液相變溫度在1450°C左右。ZCuSn3ZnllPb4錫青銅是一種常用的鑄造銅合金，其力學(xué)性能優(yōu)異，具有良好的減磨性能和耐腐蝕性能，容易進(jìn)行切削加工，焊接性能好，鑄造收縮系數(shù)小，常用于制作彈性元件和耐磨零件。
[0028]首先，通過(guò)機(jī)械加工將相應(yīng)尺寸的Q255碳鋼棒材加工成高50mm、外徑50mm、壁厚4mm的軸套。設(shè)計(jì)制作相應(yīng)的鑄型待用然后參照附圖1中的流程示意圖在上述Q255碳鋼軸套的外表面澆鑄上一層厚度為5mm的ZCuSn3ZnllPb4錫青銅合金。具體的鑄造工藝過(guò)程如下:
[0029]I)清潔Q255碳鋼軸套。清潔過(guò)程包括三個(gè)步驟:首先將Q255碳鋼軸套放入50g/L的氫氧化鈉溶液中煮5-10分鐘，取出后用蒸餾水沖洗干凈；接著用200g/L的鹽酸溶液浸泡Q255碳鋼軸套，浸泡時(shí)需攪動(dòng)鹽酸溶液，浸泡時(shí)間0.5-1分鐘，取出后用蒸餾水沖洗干凈并立即用干燥氮?dú)獯蹈伞?br> [0030]2)加熱噴涂硼砂溶液。將吹干的Q255碳鋼軸套放入加熱爐中加熱，溫度到達(dá)380°C后取出，并立即在其外表面均勻噴涂飽和的硼砂溶液。硼砂溶液到達(dá)高溫的軸套表面時(shí)，溶液中的水分會(huì)快速蒸發(fā)掉，硼砂迅速結(jié)晶并失去大部分結(jié)晶水，形成一層致密、均勻的硼砂涂層。
[0031]3)組型、加熱、保溫。待噴涂完畢硼砂的軸套冷卻到50°C以下，將其與預(yù)先制作好的鑄型組合。然后將整個(gè)鑄型放入高溫爐中加熱至700°C，并保溫3小時(shí)，以待澆注。在這期間，整個(gè)鑄型的內(nèi)外溫度均達(dá)到700°C，軸套上的硼砂涂層失去所有結(jié)晶水。
[0032]4)熔煉、澆注ZCuSn3ZnllPb4錫青銅。將ZCuSn3ZnllPb4錫青銅料放入熔煉爐內(nèi)，加熱至1230°C，待錫青銅料完全熔化后對(duì)熔液進(jìn)行除氣、除渣，然后關(guān)閉熔煉爐加熱源讓錫青銅熔液冷卻；在錫青銅熔液冷卻過(guò)程中將鑄型從高溫爐中轉(zhuǎn)出，待錫青銅熔液冷卻至1170°C時(shí)開始澆注。
[0033]5)通過(guò)超聲波向鋼坯施加振動(dòng)。澆注開始，立即啟動(dòng)超聲波發(fā)生裝置，通過(guò)與鋼坯接觸的振動(dòng)件將超聲波振動(dòng)傳遞到鋼坯上，進(jìn)而再通過(guò)鋼坯將振動(dòng)傳到錫青銅熔液。所加的超聲波功率為200W，頻率為ΙΟΚΗζ。在澆注完成后繼續(xù)保持超聲振動(dòng)20秒時(shí)間。具體的超聲波施加方式可以參照中國(guó)專利申請(qǐng)201210143369.9和201110057019.6。在銅鋼雙金屬鑲鑄的工藝過(guò)程中，澆注腔體空間較小，難以通過(guò)傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌方式來(lái)排氣、除渣。本發(fā)明對(duì)鑄型加以設(shè)計(jì)，在鋼坯上引入超聲波振動(dòng)進(jìn)而對(duì)銅或銅合金液產(chǎn)生攪拌效果，達(dá)到排氣、使氧化夾渣上浮的目的。
[0034]6)高溫保溫。待澆注完畢，立即將整個(gè)鑄型轉(zhuǎn)移至溫度為1200°C的另一高溫爐中，待爐溫恢復(fù)到1200°C后開始保溫，保溫時(shí)間I小時(shí)。鑄型從700°C的高溫爐中轉(zhuǎn)出、澆注到轉(zhuǎn)入1200°C高溫爐總共耗費(fèi)時(shí)間應(yīng)小于3分鐘；澆注完畢到鑄型轉(zhuǎn)入1200°C高溫爐的過(guò)程中，耗費(fèi)時(shí)間應(yīng)小于I分鐘。在1200°C的高溫下，錫青銅始終保持熔融狀態(tài)，Q255碳鋼保持固態(tài)。在1200°C高溫下，Q255碳鋼軸套與錫青銅熔液之間的擴(kuò)散能壘大大降低，在Q255碳鋼軸套與錫青銅合金的界面處，兩種材料的組分原子相互擴(kuò)散形成一層冶金過(guò)渡層，待冷卻后Q255碳鋼軸套與錫青銅層之間就能形成良好的冶金結(jié)合。
[0035]7)冷卻、取件。保溫時(shí)間滿一小時(shí)，關(guān)閉高溫爐加熱源，鑄型隨爐冷卻后取出鑄件。
[0036]通過(guò)以上步驟得到的銅鋼雙合金軸套在錫青銅和碳鋼的界面處形成良好的冶金彡口口 ?
[0037]上述實(shí)施例的具體工藝參數(shù)比較適于Q255碳鋼和ZCuSn3ZnllPb4錫青銅的雙金屬鑄造過(guò)程。應(yīng)當(dāng)理解，在權(quán)利要求所保護(hù)的工藝參數(shù)范圍內(nèi)都可實(shí)現(xiàn)鋼材與銅或銅合金之間的冶金結(jié)合，而對(duì)于具體牌號(hào)的鋼材與銅或銅合金，工藝參數(shù)需根據(jù)實(shí)際情況加以調(diào)整，這樣才能在鋼材與銅或銅合金之間獲得較好的冶金結(jié)合效果。
[0038]本發(fā)明提出的靜態(tài)雙金屬鑄造工藝是指鑄型是保持靜止不動(dòng)的，是相對(duì)于離心鑄造工藝而說(shuō)的。
【權(quán)利要求】
1.銅鋼雙金屬鑄造改進(jìn)技術(shù)，其特征在于按如下步驟進(jìn)行: a.鋼坯依次通過(guò)堿煮、酸洗和蒸餾水清洗進(jìn)行清潔； b.將鋼坯加熱至300-40(TC，然后在鋼坯外表面均勻噴涂硼砂溶液； c.將鋼坯安裝到鑄型中，并將整個(gè)鑄型加熱至600-80(TC后保溫，等待澆注； d.熔化銅或銅合金，熔液到溫后清理打渣、澆注； e.澆注開始后立即在鋼坯上通過(guò)超聲波施加振動(dòng)，澆注完畢后繼續(xù)保持超聲波振動(dòng)10-30秒的時(shí)間； f.振動(dòng)施加完畢立即將鑄型轉(zhuǎn)移至高溫爐中保溫處理，保溫溫度為1000°C到鋼坯的相變溫度之間的任一溫度，保溫時(shí)間為I小時(shí)到2小時(shí)； g.保溫時(shí)間到達(dá)后關(guān)閉高溫爐的加熱源，待鑄型冷卻后取出鑄件。
2.如權(quán)利要求1所述的銅鋼雙金屬鑄造改進(jìn)技術(shù)，其特征在于:步驟b中所述硼砂溶液為飽和溶液。
3.如權(quán)利要求1所述的銅鋼雙金屬鑄造改進(jìn)技術(shù)，其特征在于:步驟c中所述鑄型保溫時(shí)間為2小時(shí)到5小時(shí)。
4.如權(quán)利要求1所述的銅鋼雙金屬鑄造改進(jìn)技術(shù)，其特征在于:步驟e中超聲波的頻率為5-20KHz，超聲波的功率為100-1000W。
5.如權(quán)利要求1所述的銅鋼雙金屬鑄造改進(jìn)技術(shù)，其特征在于:步驟f中鑄型轉(zhuǎn)移過(guò)程用時(shí)小于I分鐘。
6.如權(quán)利要求1所述的銅鋼雙金屬鑄造改進(jìn)技術(shù)，其特征在于:步驟g中鑄型的冷卻方式為隨爐冷卻，冷卻速度小于10°c每分鐘。
【文檔編號(hào)】B22D27/08GK104259438SQ201410508033
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】勾忠毅, 張艷波, 陳永發(fā) 申請(qǐng)人:貴州安吉航空精密鑄造有限責(zé)任公司