CN107096905A - 一种钢铜复合缸体的浇铸方法 - Google Patents
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Abstract
一种钢铜复合缸体的浇铸方法,包括:三维建模→浇铸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→熔炼铜合金→浸铜合金→熔化无水硼砂→钢基放入硼砂溶液→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浇铸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
技术领域
本发明应用于金属浇铸领域,尤其涉及一种钢铜复合缸体的浇铸方法。
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浇铸方法,解决钢铜复合缸体复合过程中氧化、复合性能不达标、复合浇铸工装设计及铜材料配比的问题,实现浇铸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浇铸方法,包括以下步骤:
步骤一、进行三维模型建立,计算出浇铸铜金属质量为19.86kg,进行浇铸工艺设计及模拟,优化浇铸工艺,确定钢基的初始温度为1250℃,铜金属的初始浇铸的温度为1250℃,保温时间为9-12min,浇铸时间为15s,浇铸速度为1.5kg/s;
步骤二、采用圆柱型钢坯料作为钢基,对钢基进行热处理退火工艺:缓慢加热到900℃-1050℃,加热15h-20h后冷却至室温;
步骤三、对钢基进行车铣刨磨、钻孔、镗孔,形成中心孔及围绕中心孔圆周分布的进料孔,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、除水处理;
步骤五:室温下将钢基浸入质量浓度5%的H2SO4溶液,保持时间1min,清水冲洗后立即对钢基内表面进行Ni-Cu-P多元镀镍处理,镀镍温度为75℃,镀镍厚度为7μm-10μm;
步骤六:把镀镍后的钢基埋在氧化铝中,放入坩埚内,密封埚盖,缓慢加热到200℃,加热1.5h后冷却至室温;
步骤七:将钢基放入钼酸钠钝化液中进行钝化处理,钝化液pH=2,温度为30~40℃,直流电压通电30~50s;
步骤八:对钢基进行生产前预热处理,预热温度为200℃-300℃;
步骤九、熔炼铜金属,熔炼温度为1250℃,将钢基放入熔炼好的铜金属中浸渗60-120s取出,并放置于200℃-300℃条件下保温;
步骤十、向坩埚中加入无水硼砂,加热无水硼砂使其熔化,将钢基放入无水硼砂中,加热到1250℃,加热时间为2h-3h,所述的无水硼砂液面高于钢基冒口10~30mm,将熔炼好的铜金属通过钢基上的中心孔浇入到钢基内,浇铸时间为15s,浇铸速度为1.5kg/s,并在浇铸过程中用钢丝搅动各孔,浇铸好后保持温度在1250℃-1300℃,保温9-12min,将钢基从无水硼砂中取出,放入水槽中,冷却凝固至室温,得钢铜复合缸体。
优选的,所述的铜金属为铜合金,各组分的重量百分比为:Cu71%-73%,Pb19.5%-21%,Sn4%-6%,Ni1%-2%。
优选的,所述的步骤一中三维模型建立采用UG、PROE、SolidWwork或Ideas;浇铸工艺设计及模拟采用CASTsoft或MAGMA。
优选的,所述的冒口高度为50mm。
优选的,所述的铜层封闭区型腔高度为20mm。
优选的,步骤五中所述的Ni-Cu-P多元镀镍采用以下配方:硫酸镍40g/L、次磷酸钠25g/L、硫酸铜0.85g/L、乙酸钠40g/L、柠檬酸钠45g/L、硫脲1g/L、乙酸铅1g/L、余量为蒸馏水。
优选的,步骤七中所述的钝化液采用以下配方:钼酸钠12g/L、磷酸15g/L、余量为蒸馏水。
优选的,所述的步骤十中水槽的注水速度控制在水面上升速度为10-15mm/min。
本发明的有益效果在于:
1)多元Ni-Cu-P化学镀件耐蚀性和耐磨性好,加入Cu元素形成多元镀层,不仅固溶强化镍固溶体,还在加热时析出Cu0.81Ni0.19强化相等,提高了材料的硬度。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,大大改善了铜钢复合界面的复合能力。
2)本发明制得的钢铜双金属,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。实验通过钢铜复合缸体在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。
3)钢基镀镍后经过退火后,镀层内应力和氢基本消除,镀件不易发生脱皮和鼓泡。
4)钢基镀镍后进行钝化,提高了材料的抗蚀性。
5)采用合理的铜合金配比可以保证钢铜复合缸体的强度和耐磨性。
6)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。本发明采用无水硼砂作为介质,无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浇铸液穴浅,可提高浇铸速度,同时具有细化晶粒,改善黄铜的高温性能的作用。
附图说明
图1为本发明钢铜复合缸体浇铸整体结构示意图。
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。
由图1-2,一种钢铜复合缸体的浇铸方法,包括以下步骤:
步骤一、进行三维模型建立,计算出浇铸铜金属质量为19.86kg,进行浇铸工艺设计及模拟,优化浇铸工艺,确定钢基的初始温度为1250℃,铜金属的初始浇铸的温度为1250℃,保温时间为9-12min,浇铸时间为15s,浇铸速度为1.5kg/s;
步骤二、采用圆柱型钢坯料作为钢基,对钢基进行热处理退火工艺:缓慢加热到900℃-1050℃,加热15h-20h后冷却至室温;
步骤三、对钢基进行车铣刨磨、钻孔、镗孔,形成中心孔及围绕中心孔圆周分布的进料孔,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、除水处理;
步骤五:室温下将钢基浸入质量浓度5%的H2SO4溶液,保持时间1min,清水冲洗后立即对钢基内表面进行Ni-Cu-P多元镀镍处理,镀镍温度为75℃,镀镍厚度为7μm-10μm;
步骤六:把镀镍后的钢基埋在氧化铝中,放入坩埚内,密封埚盖,缓慢加热到200℃,加热1.5h后冷却至室温;
步骤七:将钢基放入钼酸钠钝化液中进行钝化处理,钝化液pH=2,温度为30~40℃,直流电压通电30~50s;
步骤八:对钢基进行生产前预热处理,预热温度为200℃-300℃;
步骤九、熔炼铜金属,熔炼温度为1250℃,将钢基放入熔炼好的铜金属中浸渗60-120s取出,并放置于200℃-300℃条件下保温;
步骤十、向坩埚中加入无水硼砂,加热无水硼砂使其熔化,将钢基放入无水硼砂中,加热到1250℃,加热时间为2h-3h,所述的无水硼砂液面高于钢基冒口10~30mm,将熔炼好的铜金属通过钢基上的中心孔浇入到钢基内,浇铸时间为15s,浇铸速度为1.5kg/s,并在浇铸过程中用钢丝搅动各孔,浇铸好后保持温度在1250℃-1300℃,保温9-12min,将钢基从无水硼砂中取出,放入水槽中,冷却凝固至室温,得钢铜复合缸体。
所述的铜金属为铜合金,各组分的重量百分比为:Cu71%-73%,Pb19.5%-21%,Sn4%-6%,Ni1%-2%。
所述的步骤一中三维模型建立采用UG、PROE、SolidWwork或Ideas;浇铸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。
步骤五中所述的Ni-Cu-P多元镀镍采用以下配方:硫酸镍40g/L、次磷酸钠25g/L、硫酸铜0.85g/L、乙酸钠40g/L、柠檬酸钠45g/L、硫脲1g/L、乙酸铅1g/L、余量为蒸馏水。
步骤七中所述的钝化液采用以下配方:钼酸钠12g/L、磷酸15g/L、余量为蒸馏水。
步骤十中水槽的注水速度控制在水面上升速度为10-15mm/min。
Claims (8)
1.一种钢铜复合缸体的浇铸方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一、进行三维模型建立,计算出浇铸铜金属质量为19.86kg,进行浇铸工艺设计及模拟,优化浇铸工艺,确定钢基的初始温度为1250℃,铜金属的初始浇铸的温度为1250℃,保温时间为9-12min,浇铸时间为15s,浇铸速度为1.5kg/s;
步骤二、采用圆柱型钢坯料作为钢基,对钢基进行热处理退火工艺:缓慢加热到900℃-1050℃,加热15h-20h后冷却至室温;
步骤三、对钢基进行车铣刨磨、钻孔、镗孔,形成中心孔及围绕中心孔圆周分布的进料孔,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、除水处理;
步骤五:室温下将钢基浸入质量浓度5%的H2SO4溶液,保持时间1min,清水冲洗后立即对钢基内表面进行Ni-Cu-P多元镀镍处理,镀镍温度为75℃,镀镍厚度为7μm-10μm;
步骤六:把镀镍后的钢基埋在氧化铝中,放入坩埚内,密封埚盖,缓慢加热到200℃,加热1.5h后冷却至室温;
步骤七:将钢基放入钼酸钠钝化液中进行钝化处理,钝化液pH=2,温度为30~40℃,直流电压通电30~50s;
步骤八:对钢基进行生产前预热处理,预热温度为200℃-300℃;
步骤九、熔炼铜金属,熔炼温度为1250℃,将钢基放入熔炼好的铜金属中浸渗60-120s取出,并放置于200℃-300℃条件下保温;
步骤十、向坩埚中加入无水硼砂,加热无水硼砂使其熔化,将钢基放入无水硼砂中,加热到1250℃,加热时间为2h-3h,所述的无水硼砂液面高于钢基冒口10~30mm,将熔炼好的铜金属通过钢基上的中心孔浇入到钢基内,浇铸时间为15s,浇铸速度为1.5kg/s,并在浇铸过程中用钢丝搅动各孔,浇铸好后保持温度在1250℃-1300℃,保温9-12min,将钢基从无水硼砂中取出,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浇铸方法,其特征在于:所述的铜金属为铜合金,各组分的重量百分比为:Cu71%-73%,Pb19.5%-21%,Sn4%-6%,Ni1%-2%。
3.根据权利要求1所述的一种钢铜复合缸体的浇铸方法,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;浇铸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浇铸方法,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浇铸方法,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浇铸方法,其特征在于:步骤五中所述的Ni-Cu-P多元镀镍采用以下配方:硫酸镍40g/L、次磷酸钠25g/L、硫酸铜0.85g/L、乙酸钠40g/L、柠檬酸钠45g/L、硫脲1g/L、乙酸铅1g/L、余量为蒸馏水。
7.根据权利要求1所述的一种钢铜复合缸体的浇铸方法,其特征在于:步骤七中所述的钝化液采用以下配方:钼酸钠12g/L、磷酸15g/L、余量为蒸馏水。
8.根据权利要求1所述的一种钢铜复合缸体的浇铸方法,其特征在于:所述的步骤十中水槽的注水速度控制在水面上升速度为10-15mm/min。
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