CN104259438A - 铜钢双金属铸造改进技术 - Google Patents

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张艳波
陈永发
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Abstract

本发明提供了一种铜钢双金属铸造改进技术。通过静态铸型铸造方法直接在钢基体上浇铸一定厚度的铜或铜合金，主要工艺过程包括：钢坯清洗、钢坯加热喷涂硼砂溶液、铸型组合加热保温、铜或铜合金熔炼浇注、向钢坯施加超声波振动、铸型高温保温。通过本发明提供的铜钢双金属铸造改进技术，在静态镶铸的工艺技术基础上加入超声波振动搅拌步骤，可以在各种形状、各种尺寸的钢坯上铸造得到一定厚度、无偏析的铜或铜合金层，并且所得铸件的铜或铜合金层与钢坯之间能够实现良好的冶金结合。

Description

铜钢双金属铸造改进技术
技术领域
本发明涉及金属铸造应用技术，具体的，涉及铜钢双金属铸造改进技术。
背景技术
双金属铸造技术通常用于两种组分相近的金属材料。例如，将两种不同材料的钢熔化后，在液态状态下分别注入型腔中，获得结合面密实的铸件；或者在高铬钢铸件表面熔铸上低碳钢。组分相近的两种金属材料之间容易相互熔合，在铸造中能获得性能优异的冶金结合。
钢材成本低、加工工艺成熟、机械强度高，铜合金耐磨性能好，由铜合金和钢复合制造的轴承、轴套等构件在一些特殊的工况下得到了广泛应用。目前，铜合金和钢材的复合工艺主要通过双金属铸造工艺实现。而铜合金和钢是两种组分、属性完全不同的材料，要在不影响钢坯基体材料性能的前提下通过铸造的方法让铜合金与钢结合为一体，并且不产生分层、夹渣等明显缺陷，是一个较难实现的工艺技术。中国发明专利201410194604.4和200610047348.1分别公开了通过双金属离心铸造制备钢背铜合金双金属轴套和大型铜钢双金属调整螺母的工艺方法。离心铸造铜钢双金属工艺有以下几个方面的不足：1)仅适合旋转体，在生产异形铸件时有局限性；2)在铸造铜合金时容易造成组分比重偏析；3)普通离心铸造工艺不能实现铜钢双金属的冶金结合。
发明内容
为弥补离心铸造铜钢双金属工艺的不足，本发明提供了一种静态的铸型铸造工艺。即通过静态铸型镶铸方法直接在钢基体上浇铸一定厚度的铜或铜合金，最终钢基体与铜或铜合金之间形成良好的冶金结合。
本发明通过以下工艺步骤得以实现。
铜钢双金属铸造改进技术，按如下步骤进行:
a.钢坯依次通过碱煮、酸洗和蒸馏水清洗进行清洁；
b.将钢坯加热至300-400℃，然后在钢坯外表面均匀喷涂硼砂溶液；
c.将钢坯安装到铸型中，并将整个铸型加热至600-800℃后保温，等待浇注；
d.熔化铜或铜合金，熔液到温后清理打渣、浇注；
e.浇注开始后立即在钢坯上通过超声波施加振动，浇注完毕后继续保持超声波振动10-30秒的时间；
f.振动施加完毕立即将铸型转移至高温炉中保温处理，保温温度为1000℃到钢坯的相变温度之间的任一温度，保温时间为1小时到2小时；
g.保温时间到达后关闭高温炉的加热源，待铸型冷却后取出铸件。
优选的，步骤b中喷涂的硼砂溶液为饱和溶液。
优选的，步骤c中铸型的保温时间为2小时到5小时。
优选的，步骤e中超声波的频率为5-20KHz，超声波的功率为100-1000W。
优选的，步骤f中铸型转移过程用时小于1分钟。
优选的，步骤g中铸型的冷却方式为随炉冷却，冷却速度小于10℃每分钟。
本发明提供的铜钢双金属铸造改进技术有以下几个关键点：
1)加热钢坯然后喷涂硼砂溶液，可以大大提高硼砂的喷涂质量；
2)浇注前加热铸型、并在较高温度对铸型进行保温，可以降低铜或铜合金熔液的冷却速度，为后续的高温炉保温处理起到预热的作用，同时提高浇注质量；
3)浇注过程中通过超声波在钢坯上施加振动，振动传递到与钢坯接触的铜或铜合金液，实现搅拌的效果，有利于铜或铜合金液排气和除渣，防止界面处的氧化夹渣和气泡影响钢坯与铜或铜合金的结合质量，减少合金成分偏析，提高铸件质量。
4)浇注、搅拌完成后立即将铸型转移至高温炉中在高温下进行保温，可以大大降低钢与铜或铜合金之间的扩散能垒，并为钢与铜或铜合金之间在界面处的相互扩散提供足够的时间，让铜或铜合金与钢基体的组分原子在界面处相互、充分地扩散、形成良好的冶金结合。
本发明的有益效果在于：通过本发明提供的铜钢双金属铸造改进技术，在静态镶铸的工艺技术基础上加入超声波振动搅拌步骤，可以在各种形状、各种尺寸的钢坯上铸造得到一定厚度、无偏析的铜或铜合金层，而且所得铸件的铜或铜合金层与钢坯之间能够实现良好的冶金结合。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面以Q255碳钢和ZCuSn3Zn11Pb4锡青铜为例，具体描述本发明的技术方案。
Q255碳钢常用于制造对强度要求不太高的零件，如螺栓、键、摇杆、轴、拉杆和钢结构用各种型钢、钢板等，其固液相变温度在1450℃左右。ZCuSn3Zn11Pb4锡青铜是一种常用的铸造铜合金，其力学性能优异，具有良好的减磨性能和耐腐蚀性能，容易进行切削加工，焊接性能好，铸造收缩系数小，常用于制作弹性元件和耐磨零件。
首先，通过机械加工将相应尺寸的Q255碳钢棒材加工成高50mm、外径50mm、壁厚4mm的轴套。设计制作相应的铸型待用然后参照附图1中的流程示意图在上述Q255碳钢轴套的外表面浇铸上一层厚度为5mm的ZCuSn3Zn11Pb4锡青铜合金。具体的铸造工艺过程如下：
1)清洁Q255碳钢轴套。清洁过程包括三个步骤：首先将Q255碳钢轴套放入50g/L的氢氧化钠溶液中煮5-10分钟，取出后用蒸馏水冲洗干净；接着用200g/L的盐酸溶液浸泡Q255碳钢轴套，浸泡时需搅动盐酸溶液，浸泡时间0.5-1分钟，取出后用蒸馏水冲洗干净并立即用干燥氮气吹干。
2)加热喷涂硼砂溶液。将吹干的Q255碳钢轴套放入加热炉中加热，温度到达380℃后取出，并立即在其外表面均匀喷涂饱和的硼砂溶液。硼砂溶液到达高温的轴套表面时，溶液中的水分会快速蒸发掉，硼砂迅速结晶并失去大部分结晶水，形成一层致密、均匀的硼砂涂层。
3)组型、加热、保温。待喷涂完毕硼砂的轴套冷却到50℃以下，将其与预先制作好的铸型组合。然后将整个铸型放入高温炉中加热至700℃，并保温3小时，以待浇注。在这期间，整个铸型的内外温度均达到700℃，轴套上的硼砂涂层失去所有结晶水。
4)熔炼、浇注ZCuSn3Zn11Pb4锡青铜。将ZCuSn3Zn11Pb4锡青铜料放入熔炼炉内，加热至1230℃，待锡青铜料完全熔化后对熔液进行除气、除渣，然后关闭熔炼炉加热源让锡青铜熔液冷却；在锡青铜熔液冷却过程中将铸型从高温炉中转出，待锡青铜熔液冷却至1170℃时开始浇注。
5)通过超声波向钢坯施加振动。浇注开始，立即启动超声波发生装置，通过与钢坯接触的振动件将超声波振动传递到钢坯上，进而再通过钢坯将振动传到锡青铜熔液。所加的超声波功率为200W，频率为10KHz。在浇注完成后继续保持超声振动20秒时间。具体的超声波施加方式可以参照中国专利申请201210143369.9和201110057019.6。在铜钢双金属镶铸的工艺过程中，浇注腔体空间较小，难以通过传统的机械搅拌方式来排气、除渣。本发明对铸型加以设计，在钢坯上引入超声波振动进而对铜或铜合金液产生搅拌效果，达到排气、使氧化夹渣上浮的目的。
6)高温保温。待浇注完毕，立即将整个铸型转移至温度为1200℃的另一高温炉中，待炉温恢复到1200℃后开始保温，保温时间1小时。铸型从700℃的高温炉中转出、浇注到转入1200℃高温炉总共耗费时间应小于3分钟；浇注完毕到铸型转入1200℃高温炉的过程中，耗费时间应小于1分钟。在1200℃的高温下，锡青铜始终保持熔融状态，Q255碳钢保持固态。在1200℃高温下，Q255碳钢轴套与锡青铜熔液之间的扩散能垒大大降低，在Q255碳钢轴套与锡青铜合金的界面处，两种材料的组分原子相互扩散形成一层冶金过渡层，待冷却后Q255碳钢轴套与锡青铜层之间就能形成良好的冶金结合。
7)冷却、取件。保温时间满一小时，关闭高温炉加热源，铸型随炉冷却后取出铸件。
通过以上步骤得到的铜钢双合金轴套在锡青铜和碳钢的界面处形成良好的冶金结合。
上述实施例的具体工艺参数比较适于Q255碳钢和ZCuSn3Zn11Pb4锡青铜的双金属铸造过程。应当理解，在权利要求所保护的工艺参数范围内都可实现钢材与铜或铜合金之间的冶金结合，而对于具体牌号的钢材与铜或铜合金，工艺参数需根据实际情况加以调整，这样才能在钢材与铜或铜合金之间获得较好的冶金结合效果。
本发明提出的静态双金属铸造工艺是指铸型是保持静止不动的，是相对于离心铸造工艺而说的。

Claims (6)

1.铜钢双金属铸造改进技术，其特征在于按如下步骤进行:
a.钢坯依次通过碱煮、酸洗和蒸馏水清洗进行清洁；
b.将钢坯加热至300-400℃，然后在钢坯外表面均匀喷涂硼砂溶液；
c.将钢坯安装到铸型中，并将整个铸型加热至600-800℃后保温，等待浇注；
d.熔化铜或铜合金，熔液到温后清理打渣、浇注；
e.浇注开始后立即在钢坯上通过超声波施加振动，浇注完毕后继续保持超声波振动10-30秒的时间；
f.振动施加完毕立即将铸型转移至高温炉中保温处理，保温温度为1000℃到钢坯的相变温度之间的任一温度，保温时间为1小时到2小时；
g.保温时间到达后关闭高温炉的加热源，待铸型冷却后取出铸件。
2.如权利要求1所述的铜钢双金属铸造改进技术，其特征在于：步骤b中所述硼砂溶液为饱和溶液。
3.如权利要求1所述的铜钢双金属铸造改进技术，其特征在于：步骤c中所述铸型保温时间为2小时到5小时。
4.如权利要求1所述的铜钢双金属铸造改进技术，其特征在于：步骤e中超声波的频率为5-20KHz，超声波的功率为100-1000W。
5.如权利要求1所述的铜钢双金属铸造改进技术，其特征在于：步骤f中铸型转移过程用时小于1分钟。
6.如权利要求1所述的铜钢双金属铸造改进技术，其特征在于：步骤g中铸型的冷却方式为随炉冷却，冷却速度小于10℃每分钟。
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