CN105537565A - 一种钢铜复合缸体的铸造方法 - Google Patents

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Abstract

一种钢铜复合缸体的铸造方法，包括：三维建模→铸造工艺设计及工艺模拟优化→钢基热处理→机加工、工装加工、焊接→钢基表面处理→钢基生产前预热处理→熔化无水硼砂→钢基放入硼砂溶液→熔炼铜合金→将铜合金浇入钢基中→放入水槽、冷却凝固到室温→制得钢铜复合缸体。该方法解决了钢铜缸体复合铸造技术和复合材料成分难题；实现双金属缸体复合强度高，成品率高，成本低，缸体尺寸不受限制，成型过程易控，质量稳定。

Description

一种钢铜复合缸体的铸造方法
技术领域
本发明应用于金属铸造领域，尤其涉及一种钢铜复合缸体的铸造方法。
背景技术
在铸造领域中，钢铜金属复合为一体的铸造技术一直都不成熟和稳定。长期以来，都采用焊接或粉末烧结成型的方法生产，但这两种方法都有很多局限。焊接复合不牢固经常出现金属脱离，使用寿命短的情况；粉末烧结成型不能尺寸太大，成本很高。通过对先进国家了解，通过铸造方法生产的钢铜复合缸体最为可靠。国内钢铜复合缸体需求很大，但大多还依靠进口，且进口的复合缸体大多都是采用铸造方法生产的。钢铜复合缸体作为泵马达中重要铸件，它的质量直接影响整机的性能。军工企业对高品质钢铜复合缸体需求更迫切，由于目前还采用进口的方式，价格高和周期很长，小批单件采购很难实现，新开发所需要的钢铜复合缸体都是以目前进口规格进行依靠，无法很快实现新的设计要求。因此，研究采用铸造方法生产钢铜复合缸体意义重大。
发明内容
本发明的目的是提供一种钢铜复合缸体的铸造方法，解决钢铜复合缸体复合过程中氧化、复合性能不达标、复合铸造工装设计及铜材料配比的问题，实现铸造方法生产合格钢铜复合缸体毛坯。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种钢铜复合缸体的铸造方法，包括以下步骤：
步骤一、进行三维模型建立，计算出浇注铜金属质量为19.86kg，进行铸造工艺设计及模拟，通过工艺设计及工艺模拟技术优化浇注工艺，确定钢基的初始温度为1250℃,铜金属的初始浇注的温度为1250℃,保温时间为9-12min,浇注时间为15s，浇注速度为1.5kg/s；
步骤二、采用圆钢坯料作为钢基，对钢基进行热处理退火工艺：缓慢加热到900℃-1050℃，加热时间为15h-20h；
步骤三、对热处理后的钢基进行车铣、钻孔、镗孔，形成中心孔及围绕中心孔分布的其它进料孔，并在钢基顶部焊接冒口、底部焊接铜层封闭区；
步骤四、对钢基进行除油、除锈、除水、镀镍处理，镀镍厚度为7μm-10μm，
步骤五：对钢基进行生产前预热处理，预热温度为150℃-250℃；
步骤六、向坩埚中加入无水硼砂，加热无水硼砂使其熔化，温度控制在1200℃以上；
步骤七、将经步骤四预热处理后的钢基放入熔化后的无水硼砂中，加热到1250℃，加热时间为2h-3h，所述的无水硼砂液面高于钢基上平面10～30mm；
步骤八、熔炼铜金属，所述的铜金属熔炼温度为1250℃；
步骤九、将熔炼后的铜金属通过钢基上的中心孔浇入到钢基内，浇注时间为15s，浇注速度为1.5kg/s，并在浇注过程中用钢丝搅动各孔，保持温度在1250℃-1300℃，保温时间为9-12min，将铸满铜金属的钢基取出，放入水槽中，冷却凝固至室温，得钢铜复合缸体。
所述的步骤一中三维模型建立采用UG、PROE、SolidWwork、或Ideas。
所述的步骤一中铸造工艺设计及模拟采用CASTsoft或MAGMA。
所述的冒口高度为50mm。
所述的铜层封闭区型腔高度为20mm。
所述的铜金属为铜合金，各组分配比为：Cu71％-73％，Pb19.5％-21％，Sn4％-6％，Ni1％-2％。
所述的步骤八中水槽的注水速度控制在水面上升10-15mm/min。
本发明的有益效果在于：采用无水硼砂作为介质，由于复合过程是在高温1200℃以上进行的，这个温度下钢基和液态铜都十分活泼，易与空气中的氧进行反应，从而在复合面形成氧化皮，从而影响复合质量。无水硼砂的正确使用，是成功铸造钢铜复合缸体毛坯的关键。脱水硼砂主要作用如下：熔融硼砂在钢基内壁形成润滑液膜，减少了引铜阻力，也没有氧化物附着在结晶器壁上，避免了铜金属凝壳的拉裂现象，减少了表面夹杂、冷隔等缺陷；硼砂具有净化熔体的作用，可以溶解熔液上方的氧化渣，克服有害合金元素的不良作用，扩大旧料使用的比例；熔融硼砂减缓了铜金属上部的冷却强度，使冷却主要集中在钢基的下部和二次冷却区，导致纵向结晶效果显著，液穴比气体保护或烟灰覆盖铸造液穴浅，可提高铸造速度，同时具有细化晶粒，改善黄铜的高温性能的作用。钢铜双金属通过扩散复合可使界面实现良好的冶金结合，复合性能良好，界面强度达到100MP超过国家标准GB1328-91规定的验收标准。尤其是通过缸体铸型的钢基镀镍后，钢铜双金属通过扩散复合原子结合过渡层厚可达到10μm-14μm，大大改善了复合能力。钢铜复合缸体在3000r/min，400MP载荷下进行连续50小时，压力无变化。综上所述双金属钢铜复合缸体扩散复合质量较好。
附图说明
图1为本发明钢铜复合缸体整体示意图。
图2为本发明钢铜复合缸体钢基示意图。
附图标记：1-钢基；2-冒口；3-中心孔；4-铜层封闭区；5-坩埚；6-无水硼砂；7-铜金属。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
由图1-2，一种钢铜复合缸体的铸造方法，包括以下步骤：
步骤一、采用UG进行三维模型建立，计算出浇注铜金属7质量为19.86kg，采用CASTsoft进行铸造工艺设计及模拟，通过工艺设计及工艺模拟技术优化浇注工艺，确定钢基1的初始温度为1250℃,铜金属7的初始浇注的温度为1250℃,保温时间为9min,浇注时间为15s，浇注速度为1.5kg/s；
步骤二、采用圆钢坯料作为钢基1，对钢基1进行热处理退火工艺：缓慢加热到900℃，加热时间为15h；
步骤三、对热处理后的钢基1进行车铣、钻孔、镗孔，形成中心孔3及围绕中心孔分布的其它进料孔，并在钢基1顶部焊接冒口2、底部焊接铜层封闭区4，所述的冒口2高度为50mm，铜层封闭区4型腔高度为20mm；
步骤四、对钢基1进行除油、除锈、除水、镀镍处理，镀镍厚度为7μm；
步骤五：对钢基1进行生产前预热处理，预热温度为250℃；
步骤六、向坩埚5中加入无水硼砂6，加热无水硼砂6使其熔化，温度控制在1200℃以上；
步骤七、将经步骤四预热处理后的钢基1放入熔化后的无水硼砂6中，加热到1250℃，加热时间为2h，所述的无水硼砂6液面高于钢基1上平面10mm；
步骤八、熔炼铜金属7，所述的铜金属7熔炼温度为1250℃；
步骤九、将熔炼后的铜金属7通过钢基1上的中心孔3浇入到钢基1内，浇注时间为15s，浇注速度为1.5kg/s，并在浇注过程中用钢丝搅动各孔，保持温度在1250℃，保温时间为9min，将铸满铜金属7的钢基1取出，放入水槽中，水槽的注水速度控制在水面上升10/min，冷却凝固至室温，得钢铜复合缸体。
所述的铜金属为铜合金，各组分配比为：Cu71％，Pb21％，Sn6％，Ni2％。
实施例2
由图1-2，一种钢铜复合缸体的铸造方法，包括以下步骤：
步骤一、采用PROE进行三维模型建立，计算出浇注铜金属7质量为19.86kg，采用MAGMA进行铸造工艺设计及模拟，通过工艺设计及工艺模拟技术优化浇注工艺，确定钢基1的初始温度为1250℃,铜金属7的初始浇注的温度为1250℃,保温时间为12min,浇注时间为15s，浇注速度为1.5kg/s；
步骤二、采用圆钢坯料作为钢基1，对钢基1进行热处理退火工艺：缓慢加热到1050℃，加热时间为20h；
步骤三、对热处理后的钢基1进行车铣、钻孔、镗孔，形成中心孔3及围绕中心孔分布的其它进料孔，并在钢基1顶部焊接冒口2、底部焊接铜层封闭区4，所述的冒口2高度为50mm，铜层封闭区4型腔高度为20mm；；
步骤四、对钢基1进行除油、除锈、除水、镀镍处理，镀镍厚度为10μm，
步骤五：对钢基1进行生产前预热处理，预热温度为250℃；
步骤六、向坩埚5中加入无水硼砂6，加热无水硼砂6使其熔化，温度控制在1200℃以上；
步骤七、将经步骤四预热处理后的钢基1放入熔化后的无水硼砂6中，加热到1250℃，加热时间为3h，所述的无水硼砂6液面高于钢基1上平面30mm；
步骤八、熔炼铜金属7，所述的铜金属7熔炼温度为1250℃；
步骤九、将熔炼后的铜金属7通过钢基1上的中心孔3浇入到钢基1内，浇注时间为15s，浇注速度为1.5kg/s，并在浇注过程中用钢丝搅动各孔，保持温度在1300℃，保温时间为12min，将铸满铜金属的钢基取出，放入水槽中，水槽的注水速度控制在水面上升15mm/min，冷却凝固至室温，得钢铜复合缸体。
所述的铜金属为铜合金，各组分配比为：Cu73％，Pb20％，Sn6％，Ni1％。

Claims (7)

1.一种钢铜复合缸体的铸造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、进行三维模型建立，计算出浇注铜金属质量为19.86kg，进行铸造工艺设计及模拟，通过工艺设计及工艺模拟技术优化浇注工艺，确定钢基的初始温度为1250℃,铜金属的初始浇注的温度为1250℃,保温时间为9-12min,浇注时间为15s，浇注速度为1.5kg/s；
步骤二、采用圆钢坯料作为钢基，对钢基进行热处理退火工艺：缓慢加热到900℃-1050℃，加热时间为15h-20h；
步骤三、对热处理后的钢基进行车铣、钻孔、镗孔，形成中心孔及围绕中心孔分布的其它进料孔，并在钢基顶部焊接冒口、底部焊接铜层封闭区；
步骤四、对钢基进行除油、除锈、除水、镀镍处理，镀镍厚度为7μm-10μm；
步骤五：对钢基进行生产前预热处理，预热温度为150℃-250℃；
步骤六、向坩埚中加入无水硼砂，加热无水硼砂使其熔化，温度控制在1200℃以上；
步骤七、将经步骤四预热处理后的钢基放入熔化后的无水硼砂中，加热到1250℃，加热时间为2h-3h，所述的无水硼砂液面高于钢基上平面10～30mm；
步骤八、熔炼铜金属，所述的铜金属熔炼温度为1250℃；
步骤九、将熔炼后的铜金属通过钢基上的中心孔浇入到钢基内，浇注时间为15s，浇注速度为1.5kg/s，并在浇注过程中用钢丝搅动各孔，保持温度在1250℃-1300℃，保温时间为9-12min，将铸满铜金属的钢基取出，放入水槽中，冷却凝固至室温，得钢铜复合缸体。
2.根据权利要求1所述的一种钢铜复合缸体的铸造方法，其特征在于：所述的步骤一中三维模型建立采用UG、PROE、SolidWwork、或Ideas。
3.根据权利要求1所述的一种钢铜复合缸体的铸造方法，其特征在于：所述的步骤一中铸造工艺设计及模拟采用CASTsoft或MAGMA。
4.根据权利要求1所述的一种钢铜复合缸体的铸造方法，其特征在于：所述的冒口高度为50mm。
5.根据权利要求1所述的一种钢铜复合缸体的铸造方法，其特征在于：所述的铜层封闭区型腔高度为20mm。
6.根据权利要求1所述的一种钢铜复合缸体的铸造方法，其特征在于：所述的铜金属为铜合金，各组分配比为：Cu71％-73％，Pb19.5％-21％，Sn4％-6％，Ni1％-2％。
7.根据权利要求1所述的一种钢铜复合缸体的铸造方法，其特征在于：所述的步骤八中水槽的注水速度控制在水面上升10-15mm/min。
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