CN107199326A - 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→浸硼砂→熔炼铜合金→将铜合金浇入钢基中→离心处理冷却凝固到室温→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，计算出浇铸铜金属质量为19.86kg，进行铸造工艺设计及模拟，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并保温，预热温度为200℃-300℃；
步骤九、向坩埚中加入无水硼砂，加热无水硼砂使其熔化，保持温度在1100-1300℃，将钢基放入无水硼砂中，浸挂硼砂10-30秒后取出；
步骤十：熔炼铜金属，熔炼温度为1250℃，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，浇铸完成后迅速将钢基置于离心机内，开启离心机以400-600rpm的速度旋转，铜金属逐渐冷却至凝固，然后将钢基放入无水硼砂中降温至常温得钢铜复合缸体。
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；铸造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。
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)采用离心机，离心铸造制取的铜钢复合缸体，合金组织致密，无气孔夹渣等缺陷，复合界面综合力学性能较高。
6)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。
7)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。
附图说明
图1为本发明钢铜复合缸体铸造整体结构示意图。
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，计算出浇铸铜金属质量为19.86kg，进行铸造工艺设计及模拟，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并保温，预热温度为200℃-300℃；
步骤九、向坩埚中加入无水硼砂，加热无水硼砂使其熔化，保持温度在1100-1300℃，将钢基放入无水硼砂中，浸挂硼砂10-30秒后取出；
步骤十：熔炼铜金属，熔炼温度为1250℃，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，浇铸完成后迅速将钢基置于离心机内，开启离心机以400-600rpm的速度旋转，铜金属逐渐冷却至凝固，然后将钢基放入无水硼砂中降温至常温得钢铜复合缸体。
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；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。
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。

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，计算出浇铸铜金属质量为19.86kg，进行铸造工艺设计及模拟，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并保温，预热温度为200℃-300℃；
步骤九、向坩埚中加入无水硼砂，加热无水硼砂使其熔化，保持温度在1100-1300℃，将钢基放入无水硼砂中，浸挂硼砂10-30秒后取出；
步骤十：熔炼铜金属，熔炼温度为1250℃，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，浇铸完成后迅速将钢基置于离心机内，开启离心机以400-600rpm的速度旋转，铜金属逐渐冷却至凝固，然后将钢基放入无水硼砂中降温至常温得钢铜复合缸体。
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；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：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铸造方法，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。
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