CN108326259A - 一种提高钢-铜固液复合铸造界面结合强度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高钢‑铜固液复合铸造界面结合强度的方法，是先在钢基体的拟复合铜材料表面化学镀上一层镍或铬，再在镍或铬镀层上喷涂一层高温防氧化涂料，将钢基体加热至1100～1200℃，在高温防氧化涂料层上浇铸熔炼好的铜材料，使铜材料冷却凝固后，结合在钢基体的表面。采用本发明方法浇铸制备钢‑铜双金属复合材料，界面结合强度比传统硼砂水溶法明显提高。

Description

一种提高钢-铜固液复合铸造界面结合强度的方法
技术领域
本发明属于固液双金属复合铸造技术领域，涉及铸造界面结合强度的提高方法，特别是钢-铜双金属材料固液复合铸造界面结合强度的提高方法。
背景技术
双金属材料固液复合铸造技术是一种利用铸造技术获得两种或者两种以上金属材料在界面上实现冶金结合从而制备出新型材料的技术。该技术成本低、工艺简单、易在产业上推广应用。同时，该技术界面结合良好、材料性能稳定，能够制备出粉末冶金和焊接技术无法生产的具有复杂内腔、异型结构的双金属构件。
对于复杂工况的钢-铜双金属构件，如轴承、轴瓦、缸体等，由于其工作环境恶劣、承受载荷大，要求构件具有高的界面结合强度和高的耐磨性。传统的钢-铜双金属铸造工艺使用熔融硼砂浴进行保护，钢基体预热时间长，易造成界面组织晶粒粗大。同时，受Fe、Cu原子互扩散能力的限制，采用钢-铜双金属材料进行固液复合铸造制备的双金属构件，其界面结合强度不超过120MPa。
水溶硼砂法是将无水硼砂粉末与乙二醇溶液配制成悬浊液，涂覆到钢基体上进行防氧化处理。与熔融硼砂法相比，水溶硼砂法可以简化工序，节约时间，缩短预热时间。CN106001512A公开了一种柱塞泵转子的高温防氧化方法，其采用水溶硼砂法，可以将构件的剪切强度提高至150MPa。但是对于承受高载、高速、高温的轴承、轴瓦、缸体等双金属构件，该剪切强度仍无法满足使用要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高钢-铜固液复合铸造界面结合强度的方法，为生产高结合强度的钢-铜双金属构件提供技术支持。
本发明所述提高钢-铜固液复合铸造界面结合强度的方法是：先在钢基体的拟复合铜材料表面化学镀上一层镍或铬，再在镍或铬镀层上喷涂一层高温防氧化涂料，将钢基体加热至1100～1200℃，在高温防氧化涂料层上浇铸熔炼好的铜材料，铜材料冷却凝固后，结合在钢基体的表面。
其中，所述的高温防氧化涂料是含有硼砂和石墨颗粒的乙二醇溶液。
进一步地，本发明所述的高温防氧化涂料由57～65wt%硼砂、3～5wt%石墨与30～40wt%乙二醇混合配制得到。
进而，本发明所述高温防氧化涂料中，所使用硼砂与石墨颗粒的粒度不大于100µm。
本发明所述提高钢-铜固液复合铸造界面结合强度的方法中，所述镍或铬化学镀层的厚度为15～20µm。
更进一步地，本发明是在所述镍或铬镀层上喷涂一层厚度为1.5～2.5mm的高温防氧化涂料。
进而，喷涂高温防氧化涂料后，将其在100～130℃烘干4～5h。
本发明将熔炼好的铜材料浇铸在钢基体的高温防氧化涂料层上后，还可以在铜材料冷却凝固的过程中，采用超声波对铜材料进行处理，以促进铜与铁元素的结合。
具体地，所述超声波处理时间为1～2min。
更进一步地，本发明优选采用高频感应加热的方式，将所述钢基体加热至1100～1200℃。
对本发明上述方法得到的冷却后的浇铸件进行必要的机加工后，即可获得钢-铜双金属复合构件。
本发明提供了一种提高钢-铜双金属材料固液复合铸造界面结合强度的新方法，该方法的优点体现在以下几个方面。
1、利用Cu、Fe、Ni能够无限互溶，Cr在Cu中的溶解度最高可以达到37%，Cr与Fe无限互溶的性质，采用化学镀技术在钢基体表面镀上一层Ni或Cr镀层，可以促进Fe与Cu原子之间的互扩散，增加互扩散距离，增大Fe与Cu的扩散层厚度，提高钢-铜双金属复合材料的界面结合强度。同时，化学镀技术可以保证复杂型腔构件的镀层均匀。
2、采用高频感应加热技术替代硼砂浴对钢基体进行预热，可以控制并缩短钢基体的预热时间，避免了硼砂浴过长的钢基体预热时间。同时，高频感应加热技术只是对钢基体的外部进行加热，并未加热钢基体内部，从而可以加快浇铸后钢基体的冷却速度，进一步细化界面组织，提高钢-铜双金属复合材料的界面结合强度。
3、使用硼砂和石墨的乙二醇溶液作为高温防氧化涂料，进一步保护了钢基体在1000℃以上高温不被氧化，简化了高温防氧化工艺，操作简单。
4、采用超声处理方式对浇铸的铜液进行振动，能够细化铜合金晶粒、减少偏析，进一步提高钢-铜双金属复合材料的界面结合强度。
采用本发明提供的方法浇铸制备钢-铜双金属复合材料，复合材料的界面结合强度至少可以达到180MPa，比硼砂水溶法浇铸钢-铜双金属复合材料最高150MPa的界面结合强度提高了20%。
附图说明
图1是实施例1制备钢-铜双金属复合材料的界面金相组织图。
图2是传统硼砂水溶法制备钢-铜双金属复合材料的界面金相组织图。
图3是实施例2制备钢-铜双金属复合材料的界面金相组织图。
具体实施方式
下述实施例仅为本发明的优选技术方案，并不用于对本发明进行任何限制。对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1
在球磨机中加入720g粒度100µm的硼砂，60g粒度100µm的石墨，混合均匀，转至搅拌机中，加入0.4L乙二醇搅拌均匀，配制成高温防氧化涂料。
采用45钢作为钢基体材质，以10%盐酸溶液和10%氢氧化钠溶液依次清洗加工好的钢基体表面，水洗干净并干燥后，在钢基体表面化学镀镍，镀层厚度15µm。
向镀镍的钢基体表面喷涂高温防氧化涂料，120℃下烘干4.5h，形成厚度1.5mm的涂料层。
将烘干的钢基体外层用保温棉包裹后，置于高频感应加热装置的感应线圈中，加热至1100℃并保温。
以熔炼好的液态ZCuPb20Sn5浇铸上述预热的钢基体，在铜液凝固的过程中，使用超声波振动仪振动2min。之后从高频感应加热装置中取出钢基体进行空气冷却。
对冷却后的浇铸件进行机加工，获得钢-铜双金属复合构件。
图1给出了本实施例制备钢-铜双金属复合材料的界面金相组织图。从图中可以清晰看出，复合材料界面处无缺陷，结合良好，界面中镍层厚度15µm。按照GB 12948-91方法测试复合材料的界面剪切强度，达到了190MPa。
图2给出了同样条件下以传统硼砂水溶法制备钢-铜双金属复合材料的界面金相组织图，界面结合处同样无缺陷，结合良好。按照GB 12948-91方法测试复合材料的界面剪切强度，只达到150MPa。
与传统工艺比较，本实施例界面剪切强度提高了26.7%。
实施例2
在球磨机中加入680g粒度100µm的硼砂，40g粒度100µm的石墨，混合均匀，转至搅拌机中，加入0.4L乙二醇搅拌均匀，配制成高温防氧化涂料。
采用45钢作为钢基体材质，以10%盐酸溶液和10%氢氧化钠溶液依次清洗加工好的钢基体表面，水洗干净并干燥后，在钢基体表面化学镀铬，镀层厚度18µm。
向镀铬的钢基体表面喷涂高温防氧化涂料，115℃下烘干4h，形成厚度2.0mm的涂料层。
将烘干的钢基体外层用保温棉包裹后，置于高频感应加热装置的感应线圈中，加热至1100℃并保温。
以熔炼好的液态ZCuPb20Sn5浇铸上述预热的钢基体，在铜液凝固的过程中，使用超声波振动仪振动1min。之后从高频感应加热装置中取出钢基体进行空气冷却。
对冷却后的浇铸件进行机加工，获得钢-铜双金属复合构件。
图3给出了本实施例制备钢-铜双金属复合材料的界面金相组织图。从图中可以清晰看出，复合材料界面处无缺陷，结合良好，界面中铬层厚度10µm。按照GB 12948-91方法测试复合材料的界面剪切强度，达到了180MPa。与传统工艺比较，界面剪切强度提高了20%。

Claims (10)

1.一种提高钢-铜固液复合铸造界面结合强度的方法，是先在钢基体的拟复合铜材料表面化学镀上一层镍或铬，再在镍或铬镀层上喷涂一层高温防氧化涂料，将钢基体加热至1100～1200℃，在高温防氧化涂料层上浇铸熔炼好的铜材料，铜材料冷却凝固后，结合在钢基体的表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述高温防氧化涂料是含有硼砂和石墨颗粒的乙二醇溶液。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述高温防氧化涂料由57～65wt%硼砂、3～5wt%石墨与30～40wt%乙二醇混合配制得到。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征是所述硼砂与石墨颗粒的粒度不大于100µm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述镍或铬化学镀层的厚度为15～20µm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述高温防氧化涂料层的厚度为1.5～2.5mm。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是将喷涂在镍或铬镀层上的高温防氧化涂料在100～130℃烘干4～5h。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是在铜材料冷却凝固的过程中，采用超声波对铜材料进行处理。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征是所述超声波处理时间1～2min。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征是采用高频感应加热方式，将所述钢基体加热至1100～1200℃。
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