CN101195157A - 钢铜熔合材料的生产工艺 - Google Patents

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Abstract

钢铜熔合材料的生产工艺，首先将钢坯加工成所需形状的主体，预熔合面，可加工成普通光滑面，也可加工成螺纹面等，以提高熔合层的比表面积；然后进行除油－酸洗－涂挂熔合剂，涂挂熔合剂是在该工件的受摩擦工作面上，即准备熔合铜合金的工作面上，涂层最好在2－3mm之间。然后进行浇注－升温－加热离心－冷却－退火，经加工后即得到成品。本发明利用熔合层钢铜之间铁、铜及各种微量元素原子之间的置换和迁移扩散，获得新的高强度组织，铜钢之间的熔合层厚度为1～3mm，铜基体组织细密。本发明提高了双金属材料的减摩、耐磨性能，具有高强度、高致密的特点，广泛的应用于高压、高安全性的特殊场合中，同时减少铜资源的浪费。

Description

钢铜熔合材料的生产工艺
                              技术领域
本发明涉及一种双基金属熔合材料，具体涉及一种钢铜双基金属熔合材料的生产工艺。
                              背景技术
目前在高压、无润滑油、安全性能要求较高的工作场合中，最常用的减摩耐磨材料为铜合金，其次为镍奥氏体球墨铸铁。但这两种材料在实际应用中各自存在缺点：如铜合金，铜资源稀缺，成本较高，虽然减摩性好，但强度较钢件要低，普通铸造方法获得的零件致密性差，并容易产生内部缺陷，安全隐患较大，在要求强度高、安全性高的场合不能单一使用；而镍奥氏体球墨铸铁生产工艺非常复杂，并且镍的价值非常高，导致成本非常高，并在加工时存在严重的加工硬化现象，要求尺寸精确的零件无法保证，难以推广。基于这些问题，业界推出了铜钢复合材料及生产工艺。如中国专利CN1122268A，公布了一种“铜-钢双金属材料的生产方法”和中国专利CN1389319A，公布了一种“铜钢复合工件的制备方法”，但这两种工艺生产的复合材料，生产周期长，铜钢复合时没有压力，铜钢之间无熔合层，只是靠两种材料之间无间隙的配合而复合，两种材料容易分层，复合后合成材料抗剪强度差；且铜的组织致密性差，对要求高压、高强度、高安全性的特种场合无法应用。
                              发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种钢铜熔合材料的生产工艺，提高钢铜之间的复合程度，达到熔合状态。
本发明钢铜熔合材料的生产工艺，其特征在于包括如下步骤：
(1)先将钢坯加工成所需形状的主体，主体内腔壁为预熔合面；
(2)清理预熔合面；
(3)热风预热：利用热风将主体加热至80～100℃；
(4)涂挂熔合剂：将主体放入硼砂液体中浸泡至少五分钟，然后将浸泡的工件放到电阻炉内加热，炉温300℃-350℃，主体呈暗蓝色即可，逐件取出在预熔合面上涂敷熔合剂，涂层厚度为2～3mm；
(5)浇注：涂敷完成后向主体内腔浇注3/4高度的铜液，铜液上面再覆盖一层熔合剂，然后覆盖；
(6)升温：电阻炉温度达到900℃-1000℃时将浇注完的工件放入保温10-15分钟；
(7)加热离心、冷却退火：将工件取出，立即放置在离心机上离心，离心的同时向工件中心喷氧气乙炔火焰，温度2000℃-2500℃，持续15-25秒后撤离，同转速下离心冷却60-120秒，在工件凝固取下后埋在干砂中保温冷却；
(8)对工件进行切削加工后获得成品。
本发明首先根据工件的用途选择构成主体工件的主体材料，如该工件不受到其它工件的摩擦侵蚀部位，需要有较强的刚性，其主体材料可选用合金钢，否则则选用碳素钢。主体材质确定后进行切削加工获得主体，预熔合面，可加工成普通光滑面，也可加工成螺纹面等，以提高熔合层的比表面积；然后进行除油-酸洗-涂挂熔合剂，涂挂熔合剂是在该工件的受摩擦工作面上，即准备熔合铜合金的工作面上，涂层最好在2-3mm之间。然后进行浇注-升温-加热离心-冷却-退火，经加工后即得到成品。
熔合剂的重量组成为：硼砂30％-40％，硼酸25％-35％，无水碳酸钠25％-35％，氟化钠3％-4％和氟化钙1％-2％。
清理预熔合面的目的是除油，方法为：将主体放在温度为60℃-80℃的水中浸泡5-10分钟，然后放入同温度的水中冲洗，将主体放入质量浓度为20～40％的盐酸溶液中浸泡至少五分钟，主体呈银灰色、无斑点时取出，立即放入碳酸钠溶液中中和，再放入清水中清洗干净。
铜合金的浇注量的多少，可根据加工量后铜合金的厚度来计算重量；离心时离心机的转速可根据离心工件的直径、重量计算获得。可参照已知的公式：离心转速 n = β * 55200 / ( γ r 0 ) . 其中β为修正系数1.0～1.5，γ为铜的重度(N/m3)，r0为工件要达到的内表面半径(m)。
本发明利用熔合层钢铜之间铁、铜及各种微量元素原子之间的置换和迁移扩散，获得新的高强度组织，铜钢之间的熔合层厚度为1～3mm，铜基体组织细密。本发明提高了双金属材料的减摩、耐磨性能，具有高强度、高致密等特点，广泛的应用于高压、高安全性的特殊场合中，同时减少铜资源的浪费。该种钢铜熔合材料，经《机械工业阀门产品质量监督检测中心》检测报告表明，符合API 591-2003《炼油阀门的验收》标准用材料的要求。以下为检验报告的主要内容：
  检验项目   单位   技术要求   检验数据   单项评价
  阀杆与阀杆螺母拉伸试验   /   断裂点应在阀杆螺纹处，螺纹根部。   阀杆螺纹根部断裂   符合要求
  KN   要求：≥235.5   345.28
  备注   最小抗拉强度为480Mpa；阀杆为32×6mm。
                              附图说明
图1为钢铜熔合材料的金相图。
                            具体实施方式
实施例一：
制作外径为∮80mm，内螺纹为Tr40×7，高度为80mm的钢铜熔合双金属螺母：
首先，将钢坯加工成外径为∮84mm，内径为∮49mm，一端封闭(封闭端壁厚为3mm)，整体高度为90mm的零件主体。内腔(预熔合面)可加工成光滑圆柱面，也可以加工成螺纹面来增加熔合层的表面积，但螺纹的小径不得小于∮49mm。
将主体放在温度为80℃的水中浸泡8分钟，然后放入同温度的水中冲洗，将主体放入质量浓度为20％的盐酸溶液中浸泡7分钟，主体呈银灰色、无斑点时取出，立即放入碳酸钠溶液中中和，再放入清水中清洗干净。
利用热风将主体加热至80～100℃。
将主体放入硼砂液体中浸泡至少五分钟，然后将浸泡的工件放到电阻炉内加热，炉温300℃-350℃时放入，再升至300℃-350℃时保温15-30分钟，主体呈暗蓝色，逐件取出在预熔合面上涂敷熔合剂，涂层厚度为2～3mm；
处理主体的同时用中频感应电炉熔化铜液。
涂敷完成后向主体内腔浇注3/4高度的铜液，约1.1kg，铜液上面再覆盖一层3-5mm厚度的熔合剂，然后覆盖。
电阻炉温度达到900℃-1000℃时将浇注完的工件放入保温10-15分钟。达到要求后立即放在立式离心机上加热离心，转速为2100r/min。离心的同时向工件中心喷氧气乙炔火焰，温度2000℃，持续15秒后撤离，开始同转速下离心冷却。离心机要安装3-4根气冷管，一根水冷管。火焰撤离后5-10秒同时用气冷管冷却工件，在工件凝固取下后将工件埋在干砂中保温冷却。
离心冷却后，得到铜层厚度为10mm，钢层厚度为16mm，钢铜熔合层厚度为1.5-2mm的双金属熔合套筒，再经退火、按图纸尺寸加工后得到成品。
熔合剂的重量组成为：硼砂40％，硼酸28％，无水碳酸钠27％，氟化钠4％和氟化钙1％。
实施例二：
制作外径为∮80mm，内螺纹为Tr44×7，高度为100mm的钢铜熔合双金属螺母：
首先，将钢坯加工成外径为∮84mm，内径为∮53mm，一端封闭(封闭端壁厚为3mm)，整体高度为110mm的零件主体。内腔加工成光滑圆柱面。
将主体放在温度为60℃的水中浸泡10分钟，然后放入同温度的水中冲洗，将主体放入质量浓度为40％的盐酸溶液中浸泡5分钟，主体呈银灰色、无斑点时取出，立即放入碳酸钠溶液中中和，再放入清水中清洗干净。
利用热风将主体加热至80～100℃。
将主体放入硼砂液体中浸泡至少五分钟，然后将浸泡的工件放到电阻炉内加热，炉温300℃-350℃时放入，再升至300℃-350℃时保温15-30分钟，主体呈暗蓝色，逐件取出在预熔合面上涂敷熔合剂，涂层厚度为2～3mm；
处理主体的同时用中频感应电炉熔化铜液。
涂敷完成后向主体内腔浇注3/4高度的铜液，约1.5kg，铜液上面再覆盖一层3-5mm厚度的熔合剂，然后覆盖，再进入电阻炉升温(900℃-1000℃，保温10-15分钟)，达到要求后立即放在立式离心机上加热离心，转速为2100r/min，离心的同时向工件中心喷氧气乙炔火焰，温度2500℃，持续15秒后撤离，同转速下离心冷却100秒后(同实施例1)，得到铜层厚度为11mm，钢层厚度为14mm，钢铜熔合层厚度为1.5-2mm的双金属熔合套筒，再经退火、按图纸尺寸加工后得到成品。
熔合剂的重量组成为：硼砂35％，硼酸35％，无水碳酸钠25％，氟化钠3％和氟化钙2％。
实施例三：
制作外径为∮60mm，内螺纹为Tr32×6，高度为60mm的钢铜熔合双金属螺母：
首先，将钢坯加工成外径为∮64mm，内径为∮41mm，一端封闭(封闭端壁厚为3mm)，整体高度为70mm的零件主体。内腔加工成光滑圆柱面，然后按照实施例1、2或本发明的描述进行预熔合面的清理、预热、加热、涂挂熔合剂，涂挂熔合剂是在预熔合面上进行，涂层厚度2-3mm。从电炉内取出后向主体内腔浇注3/4高度的铜液，约0.6kg，铜液上面再覆盖一层3-5mm厚度的熔合剂，然后覆盖，再进入电阻炉升温(同实施例1和2)，达到要求后立即放在立式离心机上加热离心，转速为2400r/min，离心的同时向工件中心喷氧气乙炔火焰，温度2000℃，持续20秒后撤离，同转速下离心冷却70秒后(同实施例1)，得到铜层厚度为8mm，钢层厚度为10mm，钢铜熔合层厚度为1.5-2mm的双金属熔合套筒，再经退火、按图纸尺寸加工后得到成品。
熔合剂的重量组成为：硼砂30％，硼酸30％，无水碳酸钠35％，氟化钠3％和氟化钙2％。
图1为采用本发明的工艺得到的钢铜熔合材料的金相图。从图中可以看出，钢铜之间的组织细密，不同于钢或铜的组织。

Claims (4)

1.一种钢铜熔合材料的生产工艺，其特征在于包括如下步骤：
(1)先将钢坯加工成所需形状的主体，主体内腔壁为预熔合面；
(2)清理预熔合面；
(3)热风预热：利用热风将主体加热至80～100℃；
(4)涂挂熔合剂：将主体放入硼砂液体中浸泡至少五分钟，然后将浸泡的工件放到电阻炉内加热，炉温300℃-350℃，主体呈暗蓝色即可，逐件取出在预熔合面上涂敷熔合剂，涂层厚度为2～3mm；
(5)浇注：涂敷完成后向主体内腔浇注3/4高度的铜液，铜液上面再覆盖一层熔合剂，然后覆盖；
(6)升温：电阻炉温度达到900℃-1000℃时将浇注完的工件放入保温10-15分钟；
(7)加热离心、冷却退火：将工件取出，立即放置在离心机上离心，离心的同时向工件中心喷氧气乙炔火焰，温度2000℃-2500℃，持续15-25秒后撤离，同转速下离心冷却60-120秒，在工件凝固取下后埋在干砂中保温冷却；
(8)对工件进行切削加工后获得成品。
2.根据权利要求1所述的钢铜熔合材料的生产工艺，其特征在于步骤(4)所述熔合剂的重量组成为：硼砂30％-40％，硼酸25％-35％，无水碳酸钠25％-35％，氟化钠3％-4％和氟化钙1％-2％。
3.根据权利要求1所述的钢铜熔合材料的生产工艺，其特征在于步骤(2)清理预熔合面的方法为：将主体放在温度为60℃-80℃的水中浸泡5-10分钟，然后放入同温度的水中冲洗，将主体放入质量浓度为20～40％的盐酸溶液中浸泡至少五分钟，主体呈银灰色、无斑点时取出，立即放入碳酸钠溶液中中和，再放入清水中清洗干净。
4.根据权利要求1所述的钢铜熔合材料的生产工艺，其特征在于步骤(2)的预熔合面加工成普通光滑面或加工成螺纹面。
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