CN110791750A - 一种提高铝-钢双金属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铝‑钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，包括以下步骤：将钢基体表面清洗，采用化学镀方法在钢基体表面镀镍；配置表面活性剂，镀镍后的钢基体表面均匀涂敷一层表面活性剂，烘烤干燥；将铸型放置在中频感应加热线圈中，将在涂有高温表面活性剂的镀镍钢基体放置在铸型中，开启中频感应加热线圈将钢基体加热；关闭中频感应加热线圈，将熔炼好的铝合金熔体浇注到铸型中；浇注结束后，再次开启中频感应加热线圈加热钢基体；关闭中频加热线圈，冷却到室温即获得铝‑钢双金属复合材料；该方法能提高固液铸造界面的结合强度，为生产高结合强度的铝‑钢双金属构件提供技术支持。

Description

一种提高铝-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法
技术领域
本发明一种提高铝-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，属于双金属固液复合铸造技术领域。
背景技术
铝-钢双金属材料广泛应用于汽车领域中，如发动机缸体、发动机活塞、刹车盘、变速箱等结构上。铝-钢双金属材料目前主要成型方法有：机械连接和双金属固液复合铸造等方法。随着柴油发动机功率的提高，如全铝发动机主轴承孔部位与钢质缸盖相连，在使用中主轴承孔变形严重，造成轴瓦频繁出现故障，需要采用铝-钢双金属解决这一问题。采用机械连接方法铝-钢双金属界面强度低，无法使用。同时现有铝-钢双金属固液复合铸造技术利用热浸方法将钢放置在铝液中浸泡，首先形成一层铝-钢双金属界面，然后再将热浸后的钢放置在铸型中，进行浇注成型，无法实现界面完全的冶金结合，界面结合处存在一定的缝隙，造成界面结合强度较低，不能满足大功率柴油发动机使用性能要求。
现有铝-钢双金属固液复合铸造技术存在的问题主要有：（1）界面结合强度低。热浸铝时形成一层铝-铁界面，Al、Fe原子易发生反应扩散形成脆性金属间化合物。热浸后浇注又形成一次铝-铝界面，两层界面的存在降低了铝钢双金属界面结合性能，其界面结合强度一般不超过20MPa。（2）工艺控制难。热浸铝后的钢需要快速放置在铸型，并快速浇注，以避免钢的降温造成界面结合不好，但实际过程中工艺很难控制，造成铝-钢双金属界面无法实现全部的冶金结合，工艺操作难控制。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种提高铝-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，该方法能提高铝-钢固液铸造界面的结合强度，提高工艺控制精度，为生产高结合强度的铝-钢双金属构件提供技术支持。
本发明通过以下技术方案实现：
一种提高铝-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，包括以下步骤：
1）将钢基体表面清洗，采用化学镀方法在钢基体表面镀镍。
2）配置表面活性剂，对镀镍后的钢基体表面进行清洗后，在钢基体表面均匀涂敷一层表面活性剂，烘烤干燥；
3）将铸型放置在中频感应加热线圈中，再将在涂有高温表面活性剂的镀镍钢基体放置在铸型中，开启中频感应加热线圈加热钢基体；
4）关闭中频感应加热线圈，将熔炼好的铝合金熔体浇注到铸型中；
5）浇注结束后，再次开启中频感应加热线圈加热凝固中的铝-钢双金属；
6）关闭中频加热线圈，冷却到室温，即获得铝-钢双金属复合材料。
优选的，所述镀镍为化学镀镍，镍层厚度5-10μm。
优选的，所述表面活性剂包括以下原料组分：氯化钠、氯化钾、氟化钾和硼酸。
优选的，所述的表面活性剂由6～9wt%氯化钠、10～11wt%氟化钾、8～9wt%氯化钾与10～11wt%硼酸和60～66wt%水混合配制得到。
优选的，所述钢基体上涂敷的表面活性剂，烘烤干燥后厚度为1.0～2mm。
优选的，所述表面活性剂涂敷后，在100～130℃烘干4～5h。
优选的，所述表面活性剂的涂敷采用浸涂方法实现。
优选的，步骤3）中，采用中频感应加热线圈加热钢基体至600～650℃，保温1～3分钟，所述中频感应加热线圈加热功率为40～50KW。
优选的，步骤5）中，采用中频感应加热线圈加热凝固中的铝-钢双金属至600～650℃，保温2～3分钟，所述中频感应加热线圈加热功率为40～50KW。
优选的，所述铝合金材料为 ZL114A,铝硅合金中的一种。
优选的，所述钢基体材质为45钢。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明采用中频感应快速加热技术替代传统的热浸镀铝技术，对钢基体进行保温和预热，可以控制并缩短钢基体的预热时间，避免了高温热浸镀过程中发生反应扩散形成铝钢金属件化合物，提高了铝钢双金属界面的结合强度。同时使用中频感应加热钢基体，使得钢基体在铝合金浇注之前迅速加热至其预设温度，在防止钢基体氧化的同时，减少了钢基体预热至浇注过程的时间，同时在浇注结束后快速加热钢基体，保证了铝-钢界面的结合温度，促进铝钢双金属原子的扩散；
（2）利用表面活性剂和和镀镍技术防止钢基体表面高温到600-650℃的氧化问题，同时镍于铝和钢有很好的亲和性，阻碍了铝-钢金属间化学物长大，促进了铝-钢双金属固液界面的结合，提高了界面结合强度。
（3）与热浸镀铝方法相比，采用中频感应直接加热法使得工艺可控，工序简化，节约时间。
采用本发明提供的方法浇铸制备铝-钢双金属复合材料，复合材料的界面结合强度可达85MPa，比热浸镀法浇铸钢-铜双金属复合材料最高20MPa的界面结合强度提高了325%。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的铝钢双金属复合材料的界面金相组织图；
图2为传统热浸镀法制备铝-钢双金属复合材料的界面金相组织图。
图3为本发明实施例2制备的铝钢双金属复合材料的界面金相组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例，凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。
实施例1
钢基体表面镀镍，厚度5μm
采用8wt%氯化钠、10wt%氟化钾、8wt%氯化钾与10wt%硼酸和64%水混合进行均匀混合，转至搅拌机中搅拌均匀，配制成钢基体表面活性剂。
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，干燥后等待涂敷表面活性剂。
向清洗好的钢基体表面涂敷表面活性剂，120℃下烘干4.5h，形成厚度1 .5mm的涂敷层。
将铸型置于高频感应加热装置的感应线圈中，将烘干的钢基体放置于铸型中，中频感应加热功率为45KW，加热至600℃并保温3分钟。
以熔炼好的液态ZL114铝合金浇铸上述铸型中，在铝液凝固的过程中，使用中频感应加热钢基体到600℃，保温2分钟，关闭中频加热线圈，冷却到室温。
对冷却后的浇铸件进行机加工，获得铝-钢双金属复合材料。
对本实施例制得的铝-钢双金属复合构件进行检测表征：
图1给出了本实施例制备铝-钢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。按照GB 12948-91方法测试复合材料的界面剪切强度，达到了88MPa。
图2给出了同样条件下以传统热浸镀法制备铝-钢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20MPa。
与传统工艺比较，本实施例界面剪切强度提高了340%。
实施例2
钢基体表面镀镍，厚度5μm
采用9wt%氯化钠、11wt%氟化钾、9wt%氯化钾与11wt%硼酸和60%水混合进行均匀混合，转至搅拌机中搅拌均匀，配制成钢基体表面活性剂。
采用纯钢作为钢基体材质，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，水洗干净并干燥后等待涂敷表面活性剂。
向清洗好的钢基体表面涂敷表面活性剂，110℃下烘干4 .5h，形成厚度2mm的涂敷层。
将铸型置于高频感应加热装置的感应线圈中，将烘干的钢基体放置于铸型中，中频感应加热功率为50KW，加热至650℃并保温1分钟
以熔炼好的液态ZL114铝合金浇铸上述铸型中，在铝液凝固的过程中，使用中频感应加热钢基体到650℃，保温2分钟，关闭中频加热线圈，冷却到室温。
对冷却后的浇铸件进行机加工，获得铝-钢双金属复合构件。
图3给出了本实施例制备铝钢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。按照GB 12948-91方法测试复合材料的界面剪切强度，达到了86MPa。
与传统工艺比较，本实施例界面剪切强度提高了330%。
实施例3
一种提高铝-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，包括以下步骤：
1）将钢基体表面清洗，采用化学镀方法在钢基体表面镀镍，镍层厚度10μm；
2）配置表面活性剂，所述的表面活性剂由6wt%氯化钠、11wt%氟化钾、8wt%氯化钾与10wt%硼酸和66wt%水混合配制得到。
对镀镍后的钢基体表面进行清洗后，在钢基体表面均匀涂敷一层表面活性剂，130℃下烘干4h，烘烤干燥后形成厚度为1mm涂敷层。
3）将铸型放置在中频感应加热线圈中，再将在涂有高温表面活性剂的镀镍钢基体放置在铸型中，开启中频感应加热线圈加热钢基体至630℃，保温2分钟，所述中频感应加热线圈加热功率为40KW。
4）关闭中频感应加热线圈，将熔炼好的铝合金熔体浇注到铸型中；
5）浇注结束后，再次开启中频感应加热线圈加热凝固中的铝-钢双金属至630℃，保温3分钟，所述中频感应加热线圈加热功率为40KW。
6）关闭中频加热线圈，冷却到室温，即获得铝-钢双金属复合材料。
实施例4
一种提高铝-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，包括以下步骤：
1）将钢基体表面清洗，采用化学镀方法在钢基体表面镀镍，镍层厚度7μm；
2）配置表面活性剂，所述的表面活性剂由7wt%氯化钠、10wt%氟化钾、9wt%氯化钾与11wt%硼酸和63wt%水混合配制得到。
对镀镍后的钢基体表面进行清洗后，在钢基体表面均匀涂敷一层表面活性剂，120℃下烘干5h，烘烤干燥后形成厚度为2mm涂敷层。
3）将铸型放置在中频感应加热线圈中，再将在涂有高温表面活性剂的镀镍钢基体放置在铸型中，开启中频感应加热线圈加热钢基体至610℃，保温1分钟，所述中频感应加热线圈加热功率为50KW。
4）关闭中频感应加热线圈，将熔炼好的铝合金熔体浇注到铸型中；
5）浇注结束后，再次开启中频感应加热线圈加热凝固中的铝-钢双金属至610℃，保温2.5分钟，所述中频感应加热线圈加热功率为50KW。
6）关闭中频加热线圈，冷却到室温，即获得铝-钢双金属复合材料。
本发明不会限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽范围。

Claims (10)

1.一种提高铝-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）将钢基体表面清洗，采用化学镀方法在钢基体表面镀镍；
2）配置表面活性剂，对镀镍后的钢基体表面进行清洗后，在钢基体表面均匀涂敷一层表面活性剂，烘烤干燥；
3）将铸型放置在中频感应加热线圈中，再将在涂有高温表面活性剂的镀镍钢基体放置在铸型中，开启中频感应加热线圈加热钢基体；
4）关闭中频感应加热线圈，将熔炼好的铝合金熔体浇注到铸型中；
5）浇注结束后，再次开启中频感应加热线圈加热凝固中的铝-钢双金属；
6）关闭中频加热线圈，冷却到室温，即获得铝-钢双金属复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种提高铝-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，其特征在于，所述在钢基体表面化学镀镍，镍层厚度5～10μm。
3.根据权利要求1所述的一种提高铝-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，其特征在于，所述的表面活性剂由6～9wt%氯化钠、10～11wt%氟化钾、8～9wt%氯化钾与10～11wt%硼酸和60～66wt%水混合配制得到。
4.根据权利要求1所述的一种提高铝-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，其特征在于，所述钢基体上涂敷的表面活性剂，烘烤干燥后厚度为1.0～2.0mm。
5.根据权利要求1所述的一种提高铝-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，其特征在于，所述表面活性剂涂敷后，在100～130℃烘干4～5h。
6.根据权利要求1所述的一种提高铝-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，其特征在于，所述表面活性剂的涂敷采用浸涂法得到。
7.根据权利要求1所述的一种提高铝-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，其特征在于，步骤3）中，采用中频感应加热线圈加热钢基体至600～650℃，保温1～3分钟，所述中频感应加热线圈加热功率为40～50KW。
8.根据权利要求1所述的一种提高铝-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，其特征在于，步骤5）中，采用中频感应加热线圈加热凝固中的铝-钢双金属至600～650℃，保温2～3分钟，所述中频感应加热线圈加热功率为40～50KW。
9.根据权利要求1所述的一种提高铝-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，其特征在于，所述铝合金材料为ZL114A。
10.根据权利要求1所述的一种提高铝-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，其特征在于，所述钢基体材质为45钢。
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