CN108097927A - 钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面预处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铸件铸造的前处理技术领域，具体涉及一种钢‑铝合金镶嵌铸造的嵌件表面预处理方法，包括清洗步骤、表面活化处理步骤、表面渗铝处理步骤和二次扩散与去应力处理步骤，表面活化处理步骤具体为将钢‑铝合金镶嵌铸造的嵌件置于70‑85℃的ZnCl2、K2ZrF6、十二烷基苯磺酸钠和水组成的溶液中处理3‑6min水组成的溶液中处理3‑6min，表面渗铝处理步骤具体为将经390‑410℃预热后的钢‑铝合金镶嵌铸造的嵌件牢固夹持，浸入710‑730℃稀土铝合金熔体中表面渗铝处理0.5‑6min，液面由氩气保护，渗铝过程施加螺旋磁力外场，励磁电压为50‑80V。该方法能够抑制钢‑铝镶嵌界面的失效行为，显著提高界面的结合强度；细化晶粒，改善组织均匀性；均化界面应力；最大限度发挥铝合金的轻质与钢的高强、耐压、耐磨等性能优势。
Description
技术领域
本发明属于铸件铸造的前处理技术领域，具体涉及一种钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面预处理方法。
背景技术
镶嵌铸造是基于仿生学原理，在浇注前，将金属或非金属零件安放在铸型中，再浇入金属液，经冷却凝固后，这些零件就紧密地镶嵌在所浇注的金属铸件中，成为一个整体的工艺方法，所得的铸件称为镶嵌铸件。镶嵌铸件兼具轻合金的轻质与钢的高强、耐压、耐磨等性能优势。
随着装备制造向轻量化、高机动性方向发展，镶嵌铸件在汽车、航空航天、兵器等领域的应用日益广泛。
最典型的镶嵌铸造方式是不锈钢-铝合金镶嵌铸造。但由于铝基体和不锈钢嵌件的热涨系数、电极电位、界面润湿、应力状态等差异较大，导致充型凝固过程中界面断续、不均匀扩散，应力聚集，并生成脆性中间化合物Fe2A15等，最终演变为气隙、孔洞、裂纹等严重界面缺陷，破坏了钢铝的结合效果，导致铸件断裂、漏气、烧蚀、嵌件松动等质量问题。因此，在浇注前，对钢嵌件进行表面预处理，有利于抑制镶嵌界面的孔洞、裂纹等失效行为，改善界面凝固质量，显著提高结合强度。
滕建业等研究了对20碳钢的固体粉末包埋渗铝工艺，通过新型渗铝渗剂的应用，抑制了渗层内FeAl3等高铝脆性相的生成，改善了钢的机械性能和焊接性能(“碳钢渗铝工艺研究”，滕建业等，株洲工学院学报，2004年九月，第18卷第5期，第51页右栏第3-4段)。但该方法存在以下问题：设备要求高，渗铝温度过高，界面氧化夹杂难控制，且深层厚度不均匀，成本过高，易出现漏渗现象，仅适用于型材材、板材等的表面防护，不适合结构复杂的镶嵌铸造用嵌件。
王院生等在17-4PH不锈钢上热浸镀铝，然后进行扩散退火处理，研究了热浸镀铝层的显微组织和显微硬度的变化，并考察了其高温耐氧化性能，其结果表明：17-4P不锈钢热浸镀铝后表面分为富铝层、合金层、基体层等3层，合金层主要相为Fe2Al5；经950℃、1h的扩散处理后，富铝层全部转变为合金层，厚度约为100μm，且分为内扩散层与外扩散层；内扩散层厚度约为40μm，主要相为 Fe3Al；外扩散层主要相为FeAl；合金层的显微硬度从表面到基体逐渐降低，表面显微硬度最高达到714HV；17-4PH不锈钢经热浸镀铝后，其高温耐氧化性能显著提高；在1000℃，热浸镀铝件的高温耐氧化性能约是未镀铝件的7倍；在氧化过程中，表层致密的γ-Al2O3氧化膜和金属间化合物FeAl、Fe3Al起到高温耐氧化作用(“17-4PH不锈钢热浸镀铝及其高温耐氧化性能”，王院生等，电镀与涂饰，第30卷地3期，2011年3月，第35页摘要)。但该方法存在以下问题：不锈钢表面助镀处理用单一的KF溶液，难以形成致密的保护膜度，液化后可能因残留夹杂或气泡导致界面孔洞等缺陷；采用纯铝介质渗铝，形成的3层界面中富铝层纯度达到97.08％，硬度、强度等性能较差，会破坏界面结合强度；铝熔体仅采用覆盖剂保护，钢件出水易氧化、夹杂；缺乏干预外场，钢件漏浸、起皱、波纹现象无法解决，且界面凝固组织粗大、不均匀。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面预处理方法，该方法能够抑制镶嵌界面的孔洞、裂纹等失效行为，改善界面组织性能，提高结合强度，均化应力，最大限度发挥铝合金的轻质与钢的高强、耐压、耐磨等性能优势。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面预处理方法，包括清洗步骤、表面活化处理步骤、表面渗铝处理步骤和退火去应力步骤，所述表面活化处理步骤具体为将钢 -铝合金镶嵌铸造的嵌件置于70-85℃的ZnCl2、K2ZrF6、十二烷基苯磺酸钠和水组成的溶液中处理3-6min；所述表面渗铝处理步骤具体为将经390-410℃预热后的钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件牢固夹持，浸入710-730℃稀土铝合金熔熔体中进行表面渗铝处理0.5-6min，液面由氩气保护，渗铝过程施加螺旋磁力外场，励磁电压为50-80V。
所述渗铝处理的时间依据嵌件的最大内切直径进行调整，具体如表1所示：
表1不同规格钢嵌件的渗铝时间
| 最大内切球直径/mm | ≤5 | ＞5且≤25 | ＞25且＜50 | ≥50 |
| 时间/min | 0.5-1 | 1-2 | 2-4 | 4-6 |
进一步，以质量百分比计，所述溶液的配比关系为：2.5％-3.5％ZnCl2、 4.5％-5.5％K2ZrF6、0.1％-0.15％十二烷基苯磺酸钠和水余量。
进一步，ZnCl2、K2ZrF6、十二烷基苯磺酸钠和水组成的溶液的用量为能够将钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件完全覆盖。
进一步，还包括以下步骤：将钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件置于70-85℃的ZnCl2、K2ZrF6和水组成的溶液中处理后烘干。
进一步，所述烘干的温度为180-220℃，时间≥30min。
进一步，所述清洗步骤具体为将钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面喷砂毛化处理后，置于70-80℃的Na2CO3、Na3PO4、Na2SiO3、十二烷基苯磺酸钠和水组成的溶液中处理10-15min。
进一步，所述清洗步骤具体为将钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面喷砂毛化处理后，置于70-80℃的5.5％-6.5％Na2CO3、4％-5％Na3PO4、5％-6％Na2SiO3、 0.1％-0.15％十二烷基苯磺酸钠和水余量组成的溶液中处理10-15min；均以质量百分比计。
进一步，还包括以下步骤：所述清洗步骤具体为将钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面喷砂毛化处理后，置于70-80℃的Na2CO3、Na3PO4、Na2SiO3、十二烷基苯磺酸钠和水组成的溶液中处理后烘干。
进一步，所述烘干的温度为180-220℃，时间≥30min。
进一步，所述稀土铝合金由Si、Mg、Ti、Nd、Ce、Zr和Al组成。
进一步，以质量百分比计，所述稀土铝合金的配比关系为：6.5％-7.5％Si、0.25％-0.45％Mg、0.08％-0.20％Ti、0.05％-0.12％Nd、0.06％-0.15％Ce、 0.10％-0.18％Zr和Al余量。
进一步，还包括以下步骤：渗铝处理后退火去应力之前将嵌件移出液面，并在液面上方100-150mm处的氩气环境中停留10-30s直至表面凝固，取出空冷。
进一步，还包括以下步骤：二次扩散与去应力处理后清理表面飞皮。
进一步，所述二次扩散与去应力处理具体为将嵌件先于550-580℃条件下处理4-6小时，再于200-220℃条件下处理3-5小时，出炉空冷。
进一步，打磨清理表面飞皮、氧化皮并喷砂。
有益效果
本发明所述方法使嵌件表面形成完整、致密的保护膜并在渗铝时迅速液化、上浮，抑制钢铝表面张力，促进界面的连续、均匀、无缺陷生长和紧致结合。
本发明所述方法抑制表面漏浸、起皱、波纹现象，提高界面结合力；同时，改善组织均匀性。
本发明所述方法能够均化界面应力状态，避免界面裂纹等缺陷的产生。
本发明所述方法适合于通过砂型、金属型、石膏型生产的各种尺寸、规格的复杂钢铝镶嵌结构铸件，适用范围广，操作简便，稳定性高，安全可靠，能够最大限度发挥铝合金的轻质与钢的高强、耐压、耐磨等性能优势，实现轻量化，适合大规模推广应用。
将本发明所述方法用于工业生产，钢-铝合金镶嵌铸造的铸件的界面结合方式由机械包紧为主转化为牢固的冶金结合，显著提高了铸件的耐压能力，导致构件频繁漏气的孔洞、裂纹等界面缺陷得到抑制；显著提高了铸件的界面结合强度，消除了钢圈松动导致的咬缸、断裂甚至活塞熔化等严重失效问题；提高了界面附近的铸件内部质量，消除了钢套松动、镶嵌界面渗漏等严重质量问题。
附图说明
图1为本发明所述方法的装置示意图；
图2为实施例1中的预处理前的ZL114A-不锈钢镶嵌界面缺陷形貌；
图3为实施例1中的预处理前ZL114A-不锈钢的XRD分析图谱；
图4为实施例1中的预处理前后ZL114A-不锈钢的界面形貌及元素分布，其中，(a)为未预处理的ZL114A-不锈钢的界面形貌及元素分布，(b)为预处理后的ZL114A-不锈钢的界面形貌及元素分布；
图5为实施例1中的预处理后的ZL114A-不锈钢的界面宏观形貌；
图6为实施例3的预处理后的界面附近的铸件宏观形貌图。
具体实施方式
所举实施例是为了更好地对本发明的内容进行说明，但并不是本发明的内容仅限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
钢-铝镶嵌铸造的嵌件表面预处理方法(铸件为内埋异形薄壁管路的铝合金气动本体，材料为ZL114A-不锈钢，最大内切直径为0.5mm，采用金属型真空加压铸造工艺),按照图1所示装置及以下步骤进行处理：
A.清洗步骤：薄壁管路冷弯成形后，表面喷砂毛化处理，并在75℃的 5.5％Na2CO3、5％Na3PO4、5％Na2SiO3、0.15％十二烷基苯磺酸钠和水余量(均以质量百分比计)组成的溶液中浸泡10min去油去脂，180℃烘干30min；
B.表面活化处理步骤：将经过清洗的不锈钢管路两端孔密封，置于75℃的 2.5％ZnCl2、5.5％K2ZrF6、0.15％十二烷基苯磺酸钠和水余量(均以质量百分比计) 组成的溶液中表面活化处理3min，180℃烘干30min；
C.渗铝处理步骤：采用点接触夹持工装，将经过步骤B处理的管路预热至390℃并牢固夹持，然后浸入稀土铝合金熔体(所述稀土铝合金的组成如表2所示)中进行表面渗铝处理，铝合金熔体温度710℃，液面由99.99％以上高纯氩气保护，渗铝过程施加螺旋磁力外场，励磁电压50V，渗铝时间依据不锈钢管的最大内切球直径取0.5min；渗铝结束后将不锈钢管移出液面，并在液面上方100mm 处的氩气环境中停留10s直至表面凝固，取出空冷渗铝结束取出空冷；
D.二次扩散与去应力处理步骤：将嵌件置于热处理炉中按照先于550℃条件下处理5h，再于200℃条件下处理3h进行二次扩散与去应力处理，出炉空冷，清理表面飞皮、氧化皮并喷砂；
E.预热金属模具至380℃，不锈钢管路至300℃，将管路在模具型腔定位并合模，安装模具至铸造机工作舱，完成真空加压铸造成形，ZL114A浇注温度740℃，真空度-0.06MPa，凝固压力0.4MPa，保压3min。
表2稀土铝合金组成
| 成分 | Si | Mg | Ti | Nd | Ce | Zr | Al |
| 配比wt.％ | 7.5 | 0.45 | 0.20 | 0.05 | 0.15 | 0.10 | 余量 |
测试ZL114A-不锈钢气动本体铸件预处理前的界面形貌和XRD分析图谱，预处理前后界面形貌及元素分布和预处理后的界面宏观形貌，结果如表3和图2-5所示；其中，图2为预处理前的ZL114A-不锈钢镶嵌界面缺陷形貌；图3为预处理前ZL114A-不锈钢的XRD分析图谱；图4为预处理前后ZL114A-不锈钢的界面形貌及元素分布，其中(a)为未预处理的ZL114A-不锈钢的界面形貌及元素分布，(b)为预处理后的ZL114A-不锈钢的界面形貌及元素分布；图5为预处理后的ZL114A-不锈钢的界面宏观形貌；
其中，预处理前的界面形貌的测试方法为剖面扫描电镜观测；
预处理前的XRD分析图谱按照《YB/T5320-2006金属材料定量相分析X 射线衍射仪法》进行测试；
预处理前后界面形貌及元素分布的测试方法为扫描电镜观察、元素线扫描法；
耐压能力测试方法为：铸件加工后内部腔体密封，通入压缩空气并保压一定时间后，检测压力降低值。
表3耐压能力测试结果
由表3可知，与未预处理的ZL114A-不锈钢气动本体铸件相比，预处理后的ZL114A-不锈钢气动本体铸件的耐压能力从4MPa×10min压降0.38MPa，提高至 10MPa×10min压降0.42MPa，气密性级别提高了150％。由此证明，本发明所述方法显著提高了不锈钢-铝合金镶嵌铸造的铸件的耐压能力。
由图2-5可知，未预处理前的ZL114A-不锈钢气动本体铸件的界面结合方式为以机械抱紧为主的结合方式，预处理后的ZL114A-不锈钢气动本体铸件的界面结合方式为牢固的冶金结合；孔洞、裂纹等界面缺陷问题得到解决。由此证明，本发明所述方法解决了导致构件频繁漏气的孔洞、裂纹等界面缺陷问题，使界面结合方式由以机械抱紧为主的结合方式转化为牢固的冶金结合方式。
实施例2
钢-铝镶嵌铸造的嵌件表面预处理方法，(铸件为镶嵌有耐磨钢圈的铝合金活塞，材料为ZL205A-高镍铸钢，最大内切直径为18.5mm，采用砂型低压铸造工艺),按照图1所示装置及以下步骤进行处理：
A.清洗步骤：耐磨钢圈加工后，表面喷砂毛化处理，并在70℃的6.5％Na2CO3、 4％Na3PO4、6％Na2SiO3、0.1％十二烷基苯磺酸钠和水余量(均以质量百分比计) 组成的溶液中浸泡15min去油去脂，至表面无油污残留，220℃烘干45min待用；
B.表面活化处理步骤：将钢圈置于70℃的3.5％ZnCl2、4.5％K2ZrF6、0.1％十二烷基苯磺酸钠和水余量(均以质量百分比计)组成的溶液中进行6min的表面活化处理，处理完毕在220℃烘干45min待用；
C.渗铝处理步骤：采用点接触夹持工装，将经过步骤B处理的钢圈预热至 410℃并牢固夹持，然后浸入稀土铝合金熔体(所述稀土铝合金的组成如表4所示)中进行表面渗铝处理，铝合金熔体温度710℃，液面由99.99％以上高纯氩气保护，渗铝过程施加螺旋磁力外场，励磁电压80V，渗铝时间依据钢圈的最大内切球直径取1.5min；渗铝结束后将钢圈移出液面，并在液面上方100mm处的氩气环境中停留30s直至表面凝固，取出空冷渗铝结束取出空冷；
D.将嵌件置于热处理炉中按照先于550℃条件下处理4h，再于220℃条件下处理5h进行二次扩散与去应力处理，出炉空冷，清理表面飞皮、氧化皮并喷砂；
E.预热钢圈至300℃，并在砂型型腔中安装定位，合型并置于铸造机平板，完成低压铸造成形，ZL205A浇注温度700℃，压力50kPa，保压12min。
表4稀土铝合金组成
| 成分 | Si | Mg | Ti | Nd | Ce | Zr | Al |
| 配比wt.％ | 7.5 | 0.45 | 0.08 | 0.12 | 0.06 | 0.18 | 余量 |
界面结合强度按照《GBT228.1-2010金属材料拉伸试验第一部分：室温试验方法》进行测试。
表5界面结合强度测试结果
由表5可知，与未预处理的ZL205A-高镍铸钢活塞铸件相比，预处理后的 ZL205A-高镍铸钢活塞铸件的界面结合强度从37MPa提高至92MPa，提高了 149％。由此证明，本发明所述方法显著提高了不锈钢-铝合金镶嵌铸造的铸件的界面结合强度。
同时，过剖面扫描电镜观察发现，相比钢圈未表面预处理方案，界面结合方式由机械包紧为主转化为牢固的冶金结合；消除了钢圈松动导致的咬缸、断裂甚至活塞熔化等严重失效问题。
实施例3
钢铝镶嵌铸造的嵌件表面预处理方法(铸件为镶嵌有钢套的铝合金壳体铸件，材料为ZL114A-DCCr12MoV，最大内切直径为32mm，采用砂型差压铸造工艺), 按照图1所示装置及以下步骤进行处理：
A.清洗步骤：钢套加工后，表面喷砂毛化处理，并在80℃的6.2％Na2CO3、 4.5％Na3PO4、5.6％Na2SiO3、0.12％十二烷基苯磺酸钠和水余量(均以质量百分比计)组成的溶液中浸泡12min去油去脂，至表面无油污残留，180℃烘干60min 待用；
B.表面活化处理步骤：将钢套置于70℃的3.2％ZnCl2、4.8％K2ZrF6、0.12％十二烷基苯磺酸钠和水余量(均以质量百分比计)组成的溶液中进行5min的表面活化处理，处理完毕在200℃烘干60min待用；
C.渗铝处理步骤：采用点接触夹持工装，将经过步骤B处理的钢套预热至 390℃并牢固夹持，然后浸入稀土铝合金熔体(所述稀土铝合金的组成如表6所示)中进行表面渗铝处理，铝合金熔体温度720℃，液面由99.99％以上高纯氩气保护，渗铝过程施加螺旋磁力外场，励磁电压70V，渗铝时间依据不锈钢管的最大内切球直径取2.5min；渗铝结束后将不锈钢管移出液面，并在液面上方150mm 处的氩气环境中停留20s直至表面凝固，取出空冷渗铝结束取出空冷；
D.将嵌件置于热处理炉中按照先于565℃条件下处理6h，再于200℃条件下处理5h进行二次扩散与去应力处理，出炉空冷，清理表面飞皮、氧化皮并喷砂；
E.预热钢套至300℃，并在砂型型腔中安装定位，合型并置于铸造机平板，完成差压铸造成形，ZL114A浇注温度710℃，凝固压力0.5MPa，保压20min。
表6稀土铝合金组成
| 成分 | Si | Mg | Ti | Nd | Ce | Zr | Al |
| 配比wt.％ | 7.2 | 0.35 | 0.15 | 0.06 | 0.09 | 0.15 | 余量 |
通过X射线探伤法分析发现，与未预处理的ZL114A-DCCr12MoV壳体铸件相比，预处理后的ZL114A-DCCr12MoV壳体铸件的界面附近铸件内部质量从III级提升到I级，消除了钢套松动、镶嵌界面渗漏等严重质量问题，界面结合紧密，图6为预处理后的界面附近的铸件宏观形貌图。由此证明，本发明所述方法显著改善了不锈钢-铝合金镶嵌铸造的铸件的界面附近的结合状态及内部质量。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面预处理方法，其特征在于，包括清洗步骤、表面活化处理步骤、表面渗铝处理步骤和二次扩散与去应力处理步骤，其特征在于，所述表面活化处理步骤具体为将钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件置于70-85℃的ZnCl2、K2ZrF6、十二烷基苯磺酸钠和水组成的溶液中处理3-6min，所述表面渗铝处理步骤具体为将经390-410℃预热后的钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件牢固夹持，浸入710-730℃稀土铝合金熔熔体中进行表面渗铝处理0.5-6min，液面由氩气保护，渗铝过程施加螺旋磁力外场，励磁电压为50-80V。
2.根据权利要求1所述的钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面预处理方法，其特征在于，以质量百分比计，所述溶液的配比关系为：2.5％-3.5％ZnCl2、4.5％-5.5％K2ZrF6、0.1％-0.15％十二烷基苯磺酸钠和水余量。
3.根据权利要求1或2所述的钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面预处理方法，其特征在于，还包括以下步骤：将钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件置于70-85℃的ZnCl2、K2ZrF6、十二烷基苯磺酸钠和水组成的溶液中处理后烘干。
4.根据权利要求3所述的钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面预处理方法，其特征在于，所述烘干的温度为180-220℃，时间≥30min。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面预处理方法，其特征在于，所述清洗步骤具体为将钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面喷砂毛化处理后，置于70-80℃的Na2CO3、Na3PO4、Na2SiO3、十二烷基苯磺酸钠和水组成的溶液中处理10-15min。
6.根据权利要求5所述的钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面预处理方法，其特征在于，所述清洗步骤具体为将钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面喷砂毛化处理后，置于70-80℃的5.5％-6.5％Na2CO3、4％-5％Na3PO4、5％-6％Na2SiO3、0.1％-0.15％十二烷基苯磺酸钠和水余量组成的溶液中处理10-15min；均以质量百分比计。
7.根据权利要求5或6所述的钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面预处理方法，其特征在于，还包括以下步骤：所述清洗步骤具体为将钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面喷砂毛化处理后，置于70-80℃的Na2CO3、Na3PO4、Na2SiO3、十二烷基苯磺酸钠和水组成的溶液中处理后烘干。
8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面预处理方法，其特征在于，所述稀土铝合金由Si、Mg、Ti、Nd、Ce、Zr和Al组成。
9.根据权利要求8所述的钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面预处理方法，其特征在于，以质量百分比计，所述稀土铝合金的配比关系为：6.5％-7.5％Si、0.25％-0.45％Mg、0.08％-0.20％Ti、0.05％-0.12％Nd、0.06％-0.15％Ce、0.10％-0.18％Zr和Al余量。
10.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9所述的钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面预处理方法，其特征在于，所述二次扩散与去应力处理具体为将嵌件先于550-580℃下处理4-6小时，再于200-220℃下处理3-5小时。
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