專利名稱：鑄鐵-銅雙金屬?gòu)?fù)合材料燒結(jié)工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鑄鐵-銅雙金屬?gòu)?fù)合材料的燒結(jié)工藝，屬于粉末冶金燒結(jié)技術(shù)領(lǐng)域。
現(xiàn)有工業(yè)機(jī)械中，對(duì)于承受較大磨擦載荷的零件，一般采用銅及其合金做為耐磨對(duì)偶材料，需要大量的銅及其合金材料，使機(jī)械成本加高。采用雙金屬?gòu)?fù)合材料替代銅及其合金制成承載耐磨零件可以大大降低銅材消耗量，同時(shí)又能提高磨擦零件的綜合性能。當(dāng)前生產(chǎn)雙金屬?gòu)?fù)合材料的工藝方法很多，如堆焊、噴涂、復(fù)合澆注、表面合金化和粉末燒結(jié)等，都是在金屬基體表面復(fù)合銅層，存在的問(wèn)題是所用的基體多為含碳量在0.45%以下的低碳鋼，低碳鋼材價(jià)格較貴，使其成本仍然偏高。如果使用普通鑄鐵或高碳鋼材做為金屬基體代替低碳鋼金屬基體，并在鑄鐵或高碳鋼基體上進(jìn)行粉末燒結(jié)銅層復(fù)合，不僅能節(jié)約鋼材，而且還可以將鑄鐵鑄造成零件要求的形狀，然后再燒結(jié)銅層，免去機(jī)械加工費(fèi)用，使成本大幅度降低，但是利用現(xiàn)有的雙金屬?gòu)?fù)合材料的工藝方法，是無(wú)法實(shí)現(xiàn)將鑄鐵或高碳鋼與銅層復(fù)合燒結(jié)在一起的。
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的就是設(shè)計(jì)一種新工藝即鑄鐵-銅雙金屬?gòu)?fù)合材料燒結(jié)工藝，能在鑄鐵或高碳鋼基體表面上進(jìn)行粉末燒結(jié)銅層以制成承載耐磨零件，節(jié)約鋼材、銅材，提高零件耐磨能力。
以鑄鐵或高碳鋼替代傳統(tǒng)的低碳鋼基體材料，按照傳統(tǒng)的燒結(jié)工藝方法，鑄鐵和銅燒結(jié)層之間發(fā)生分離，表面不能結(jié)合。分析其原因主要是由于鑄鐵或高碳鋼含碳量較高(均高于0.45%)。碳對(duì)鐵的導(dǎo)熱性影響較大，隨碳含量增加，鋼和鑄鐵的導(dǎo)熱率大大降低，按照傳統(tǒng)工藝方法在燒結(jié)過(guò)程中達(dá)溫時(shí)，銅粉已達(dá)到自燒結(jié)溫度并發(fā)生自燒結(jié)，而鑄鐵或高碳鋼的基體由于導(dǎo)熱性差，溫度上升較慢，此時(shí)尚未達(dá)到奧氏體轉(zhuǎn)化溫度，表面沒(méi)有活化，因此銅粉與鑄鐵或高碳鋼之間無(wú)法發(fā)生相互擴(kuò)散反應(yīng)，導(dǎo)致分離層現(xiàn)象。本發(fā)明工藝的特點(diǎn)是在潔凈的高碳鋼或鑄鐵的金屬基體表面撒布薄層銅粉，使這一稀薄撒布的粉層成為不連續(xù)狀態(tài)，銅粉之間沒(méi)有廣泛的搭接，此時(shí)將撒好銅粉的鑄鐵或高碳鋼基體置入燒結(jié)爐進(jìn)行第一次燒結(jié)，由于銅粉粒之間不搭接，因此達(dá)到銅自燒結(jié)溫度時(shí)銅粉粒無(wú)法聯(lián)成網(wǎng)，不能板化，在此溫度下停留足夠時(shí)間使鑄鐵或高碳鋼金屬基體充分熱透，表面活化，致使銅粉顆粒與金屬基體之間相互擴(kuò)散，牢固粘接在一起，達(dá)到銅鐵結(jié)合的目的。經(jīng)第一次燒結(jié)，鑄鐵或高碳鋼金屬基體表面出現(xiàn)一層稀薄銅層，在稀薄銅層表面再撒布厚銅粉，撒好后再置入燒結(jié)爐進(jìn)行第二次燒結(jié)，由于第二次燒結(jié)主要是在銅與銅之間進(jìn)行相互擴(kuò)散，因此比第一次燒結(jié)較易實(shí)現(xiàn)，能使銅層燒結(jié)到預(yù)計(jì)的厚度要求，而且銅層與鑄鐵或高碳鋼金屬基體不發(fā)生分離。將第二次燒結(jié)好的雙金屬?gòu)?fù)合材料進(jìn)行冷軋或用擺碾擠壓方法進(jìn)行密實(shí)性處理，密實(shí)后的雙金屬?gòu)?fù)合材料再進(jìn)行補(bǔ)充燒結(jié)和退火處理，以達(dá)到進(jìn)一步燒結(jié)擴(kuò)散和消除冷加工應(yīng)力，到此便完成了本發(fā)明的工藝過(guò)程?？傻玫胶细癞a(chǎn)品。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明包括下列步驟(1)坯料和粉末的準(zhǔn)備將鑄造成型或機(jī)加成型的鑄鐵或高碳鋼金屬基體欲復(fù)合的表面清理干凈，可用有機(jī)溶液清洗并晾干。將選用的金屬粉末或(銅合金粉末)備好待用。
(2)稀布粉末將所用的銅合金粉末或銅粉通過(guò)200目篩稀薄均勻的撒布在金屬基體欲復(fù)合的清潔面上，要求銅粉末之間無(wú)搭接，不能將金屬基體表面覆蓋嚴(yán)實(shí)，要隱隱約約可見金屬基體亮面。
(3)第一次擴(kuò)散燒結(jié)將稀布銅粉的高碳鋼或鑄鐵成型的金屬基體置入還原氣氛燒結(jié)爐中進(jìn)行升溫?zé)Y(jié)，燒結(jié)溫度可視所用的基體材料和合金粉末的成份而定一般升溫可控制在700℃～920℃之間，保溫時(shí)間隨所選用的金屬基體材料不同和尺寸大小確定，一般控制在15～40分鐘。
(4)厚布粉末經(jīng)第一次擴(kuò)散燒結(jié)后的鑄鐵或高碳鋼基體，其表面已復(fù)合一層薄薄的銅層，再在此薄銅層上撒布一層厚銅粉，根據(jù)不同的工作條件銅粉總厚度可適當(dāng)調(diào)整為0.3～6.5mm。
(5)第二次燒結(jié)將布好厚銅粉的高碳鋼或鑄鐵與薄銅粉復(fù)合基體再置入還原氣氛燒結(jié)爐中進(jìn)行第二次燒結(jié)使薄銅層與銅粉之間粘結(jié)擴(kuò)散使金屬表面復(fù)合一層所要求的厚銅層。燒結(jié)溫度可控制在720℃～840℃，保溫時(shí)間20～35分鐘。
(6)密實(shí)性碾壓處理對(duì)兩次燒結(jié)后的雙金屬?gòu)?fù)合材料銅層進(jìn)行冷軋或擠壓，使表面銅層密實(shí)，由于鑄鐵基體比銅材脆也可用回轉(zhuǎn)冷鍛機(jī)進(jìn)行表面銅層密實(shí)性處理，以防止鑄鐵基體加工過(guò)程中損壞和失效。
(7)補(bǔ)充燒結(jié)對(duì)經(jīng)壓力加工后的雙金屬?gòu)?fù)合材料進(jìn)行補(bǔ)充燒結(jié)，使銅層之間進(jìn)一步牢固粘結(jié)和消除冷加工應(yīng)力。溫度可控制在780℃～820℃，保溫時(shí)間可控制在10～20分鐘。
(8)檢驗(yàn)入庫(kù)將經(jīng)上述步驟后合格的鑄鐵(或高碳鋼)-銅復(fù)合材料燒結(jié)后的產(chǎn)品入庫(kù)，便完成全部工藝過(guò)程。
本發(fā)明的最大優(yōu)點(diǎn)就是解決了長(zhǎng)期以來(lái)困擾人們的高碳鋼和鑄鐵材料無(wú)法進(jìn)行粉末燒結(jié)復(fù)合的問(wèn)題，用高碳鋼或鑄鐵代替了低碳鋼基體并在其表面進(jìn)行銅粉末燒結(jié)復(fù)合，節(jié)約了鋼材，降低了雙金屬?gòu)?fù)合材料的成本，擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域，有些零件可用鑄鐵鑄造成型然后再進(jìn)行粉末復(fù)合燒結(jié)，減少加工環(huán)節(jié)，提高工作效率，對(duì)于使用低碳鋼做金屬基體并采用本發(fā)明工藝進(jìn)行鋼-銅復(fù)合，經(jīng)試驗(yàn)和測(cè)試表明大幅度提高了鋼-銅結(jié)合的強(qiáng)度(其強(qiáng)度大于12Kgf/mm2)，本發(fā)明無(wú)論是在節(jié)約原材料，加工效率，產(chǎn)品技術(shù)性能等多項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益指標(biāo)方面都有實(shí)質(zhì)性改善和提高，本發(fā)明是目前生產(chǎn)以高碳鋼或鑄鐵為金屬基體的承載耐磨零件的最好方法。
本發(fā)明的附圖
是工藝流程圖。
本發(fā)明的實(shí)施過(guò)程是，首先將高碳鋼或鑄鐵(低碳鋼也可以)的金屬基體清理干凈，將金屬粉末或銅粉備好，然后將粉末均勻的稀薄的撒布在金屬基體清潔面上，撒好后置入燒結(jié)爐進(jìn)行第一次燒結(jié)使銅粉末與基體相互擴(kuò)散，擴(kuò)散后再往金屬基體上撒布厚銅粉，厚銅粉撒好后進(jìn)行第二次燒結(jié)使銅粉末在金屬基體表面結(jié)成厚銅層然后進(jìn)行密實(shí)性處理，密實(shí)性處理后再補(bǔ)充燒結(jié)使銅層與金屬基體粘結(jié)更加結(jié)實(shí)成為一體，然后進(jìn)行檢驗(yàn)則可成為成品入庫(kù)。
權(quán)利要求
1.一種鑄鐵-銅雙金屬?gòu)?fù)合材料燒結(jié)工藝；其特征在于在潔凈的鑄鐵或高碳鋼或低碳鋼的金屬基體表面撒布一層稀薄銅粉，銅粉成不連續(xù)狀態(tài)，銅粉之間沒(méi)有廣泛搭接，撒好后將金屬基體置入燒結(jié)爐中進(jìn)行第一次擴(kuò)散燒結(jié)，使粉末在基體表面形成薄薄的銅層并與金屬基體牢固粘接擴(kuò)散一起，經(jīng)第一次燒結(jié)后再厚布一次銅粉，厚銅粉撒好后進(jìn)行第二次燒結(jié)使金屬基體表面形成所需的厚銅層，然后將第二次燒結(jié)好的雙金屬?gòu)?fù)合材料進(jìn)行密實(shí)性處理，處理完畢再進(jìn)行補(bǔ)充燒結(jié)和退火處理以形成合格產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的工藝;其特征在于金屬基體可以鑄造成型也可以機(jī)加工成型，欲復(fù)合表面的清理可以選用有機(jī)溶液清洗后晾干。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的工藝;其特征在于所用的銅粉或銅合金粉末要通過(guò)200目篩稀薄的均勻的撒布在金屬基體欲復(fù)合的清潔面上，覆蓋程度要隱約可見金屬基體的亮面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的工藝;其特征在于稀布銅粉的高碳鋼或鑄鐵金屬基體置入還原氣氛燒結(jié)爐中進(jìn)行第一次升溫?cái)U(kuò)散燒結(jié)，燒結(jié)溫度可控制在700℃～920℃之間，保溫時(shí)間可控制在15～40分鐘，燒結(jié)后在金屬基體表面形成薄銅層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的工藝;其特征在于將經(jīng)第一次擴(kuò)散燒結(jié)好的金屬基體表面的薄銅層上再撒布一層厚銅粉，銅粉的總厚度為0.3～6.5mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的工藝;其特征在于撒布好厚銅粉的鑄鐵或高碳鋼復(fù)合基體再置入燒結(jié)爐中進(jìn)行第二次燒結(jié)，燒結(jié)溫度可控制在720℃～840℃之間，保溫時(shí)間可控制在20～35分鐘，燒結(jié)后在金屬基體表面形成厚銅層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的工藝;其特征在于對(duì)經(jīng)兩次燒結(jié)后的雙金屬?gòu)?fù)合材料的銅層進(jìn)行密實(shí)性處理，其方法可采用冷軋或用擺碾碾壓密實(shí)，也可用回轉(zhuǎn)冷鍛機(jī)進(jìn)行密實(shí)性處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的工藝;其特征在于密實(shí)性處理后的雙金屬?gòu)?fù)合材料再進(jìn)行補(bǔ)充燒結(jié)，使銅層進(jìn)一步牢固，補(bǔ)充燒結(jié)的溫度可控制在780℃～820℃之間，保溫時(shí)間10～20分鐘。
全文摘要
一種鑄鐵-銅雙金屬?gòu)?fù)合材料燒結(jié)工藝，實(shí)現(xiàn)該工藝的過(guò)程是在清潔的鑄鐵或高碳鋼金屬基體表面，撒布一層稀薄銅粉，稀薄銅粉要均勻，不搭接、不連結(jié)，要隱約可見金屬面亮度，撒好后置入燒結(jié)爐中進(jìn)行第一次擴(kuò)散燒結(jié)使銅鐵相互擴(kuò)散牢固粘接；然后再撒布一層厚銅粉置入燒結(jié)爐中進(jìn)行第二次燒結(jié)，經(jīng)二次燒結(jié)后將復(fù)合材料進(jìn)行密實(shí)性處理擠壓、冷軋、或冷鍛，然后再回爐進(jìn)行補(bǔ)充燒結(jié)使銅層更加牢固結(jié)實(shí)，補(bǔ)充燒結(jié)后進(jìn)行檢驗(yàn)，合格品入庫(kù)。工藝完畢。
文檔編號(hào)B22F7/02GK1071107SQ9110910
公開日1993年4月21日 申請(qǐng)日期1991年9月26日 優(yōu)先權(quán)日1991年9月26日
發(fā)明者周鐵濤, 李海志, 周威揚(yáng), 王義虎 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué), 北京市崇文區(qū)京能實(shí)業(yè)公司