CN112570688B - 一种固-液成形的钢铜双金属材料热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固‑液成形的钢铜双金属材料热处理方法，包括顺序进行的空冷阶段及油冷阶段：空冷阶段为将液态铜注入预热的固态钢基体中，迅速冷却，将钢基体放入淬火机油中进行油冷；实现液态成形与热处理淬火一体化，油淬阶段为分阶段进行，取出后进行回火处理；本发明制备的双金属缸体界面无开裂，底部铜合金层结合完整，双金属铜合金试棒抗拉强度为220‑350MPa、钢基体试棒抗拉强度为890‑980Mpa、双金属界面剪切强度为220‑270Mpa、钢基体硬度为29‑37HRC，Fe/Cu原子扩散距离为6‑15μm。

Description

一种固-液成形的钢铜双金属材料热处理方法
技术领域
本发明涉及金属材料热处理技术领域，具体为一种固-液成形的钢铜双金属材料热处理方法。
背景技术
双金属复合材料能够将两种不同类型金属材料的优势结合起来，兼有强度高、抗磨损、成本低等优点，在航天、陆地等诸多领域都有广泛的应用前景，解决了单一材料无法达到的高强度、高耐磨等综合性能。钢铜双金属界面结合质量的好坏主要取决于界面结合强度，界面及两侧组织与Fe/Cu原子扩散层厚度决定了结合强度。
界面作为钢/铜双金属复合材料的核心部分对其性能起着决定作用，目前钢/铜双金属热处理主要存在以下问题：
1、未进行热处理的钢/铜双金属界面结合质量较差，两侧基体组织粗大、钢基体硬度低的问题，这些结构缺陷在特殊的服役环境下会引起复合材料性能的恶化，使材料受到不可逆转的破坏而成为构件损毁的引发点。
2、钢/铜双金属进行常规热处理时面临界面产生热应力的问题，钢的热膨胀系数为12×10-6m/℃，铜的热膨胀系数为17.7×10-6m/℃，两者相差甚远，在高温加热过程中复合界面容易开裂，从而降低界面结合质量。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种固-液成形的钢铜双金属材料热处理方法，通过浇注钢/铜双金属后直接进行液芯淬火，将铸造过程与热处理淬火相结合起来，避免了界面重新加热问题；其能够显著改善双金属界面处组织，提高双金属材料的结合强度。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种固-液成形的钢铜双金属材料热处理方法，包括以下步骤：
a）将熔炼后的呈液态的铜合金注入到预热至1000-1200℃的固态钢基体中，得到双金属试样；
b）在10-100s，使双金属试样表面温度降至750-900℃；
c）将双金属试样高度的1/2-2/3浸入淬火油内，10-60s后将双金属试样全部浸入淬火油内；
d）取出后回火处理，出炉空冷。
优选的，所述步骤b，使双金属试样表面温度降至800-850℃。
更优的，所述步骤b，在10-20s，将双金属试样表面降温。
优选的，所述呈液态的铜合金的温度为1200±30℃。
优选的，所述液态的铜合金为1150±20℃。
优选的，将上金属试样全部浸入淬火油中冷却10-30min。
优选的，所述回火处理的温度为528±30℃，处理时间为2-4h。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
1、本发明实现了双金属铸造与热处理工艺的有机结合，缩短固-液成形的钢/铜双金属的工艺流程，提高了生产效率；
2、本发明提出了带液芯淬火的双金属铸淬一体技术，可有效避免钢与铜复合界面因热膨胀系数不同产生的开裂问题，提高了双金属成品率；
3、本发明采用的铸淬一体化，细化双金属组织。晶界是Cu原子扩散的主要通道，粗大的组织形貌不利于原子扩散，界面处钢侧组织变的细小均匀，晶界增多，增多Cu原子扩散通道，从而将铜/钢双金属结合强度从未做热处理的162MPa提高至259MPa。
4、本发明制备的双金属缸体界面无开裂，底部铜合金层结合完整，基体性能达标。双金属铜合金试棒抗拉强度为220-350MPa、钢基体试棒抗拉强度为890-980Mpa、双金属界面剪切强度为220-270Mpa、界面结合强度达到190MPa、钢基体硬度为29-37HRC，Fe/Cu原子扩散距离为6-15μm。
附图说明
图1为未经热处理和采用实施例1处理后的钢/铜双金属试样宏观界面对照图；其中a为未经热处理的钢/铜双金属，b为经过实施例1处理的钢/铜双金属；
图2为经过实施例1处理后的钢/铜双金属试样界面SEM；
图3为经过实施例1处理后的钢/铜双金属界面Fe/Cu原子扩散图；
图4为经过实施例2处理后的钢/铜双金属试样界面SEM；
图5为经过实施例2处理后的钢/铜双金属界面Fe/Cu原子扩散图；
图6为未经热处理的钢/铜双金属界面SEM；
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
实施例1
1、将熔炼后的铜合金以1200℃注入预热1150℃的固态钢基体中，在20s内使注入了液态铜合金的钢基体静置冷却至752℃。
2、将双金属试样冒口以下部分置入淬火油内，使双金属结合部分迅速冷却，但试样上端冒口处仍然保持液态可以及时向下补缩至双金属结合部分，待15s后将双金属试样全部置入淬火油内，双金属试样在油中冷却15min，取出后进行528℃回火处理，时间为2.5h。
按照上述步骤即可得到钢/铜双金属试样，制备的双金属界面无开裂，基体性能达标。双金属界面剪切强度为237Mpa、钢基体硬度为31HRC，Fe/Cu原子扩散距离为7.2μm。
实施例2
1、将熔炼后的铜合金以1220℃注入预热1150℃的固态钢基体中，在50s内下静置冷却至835℃。
2、将双金属试样高度的2/3部分置入淬火油内，使双金属结合部分迅速冷却，但试样上端1/3处仍然保持液态可以及时向下补缩至双金属结合部分，待50s后将双金属试样全部置入淬火油内，双金属试样在油中冷却25min，取出后进行528℃回火处理，时间为4h。
按照上述步骤即可得到钢/铜双金属试样，制备的双金属界面无开裂，基体性能达标。双金属铜合金试棒抗拉强度为316MPa、钢基体试棒抗拉强度为921Mpa、双金属界面剪切强度为249Mpa、钢基体硬度为35.0HRC，Fe/Cu原子扩散距离为12.3μm。
未经热处理的铜/钢双金属界面处钢侧组织以珠光体与铁素体为主，且组织较为粗大，界面处钢侧晶界是Cu原子扩散的主要通道，粗大的组织形貌不利于原子扩散。并且钢/铜双金属界面结合强度较低、钢侧硬度值不达标。其未热处理金相组织如图6所示。浇注后冷却至室温重新加热进行热处理，此时的界面铜侧合金出现如图1（a）所示的缩松缺陷，无法保证得到无缺陷的样件。本发明采用消除合金缺陷及消除应力两步热处理工艺，即可制备出达标的双金属试件，界面处钢侧组织变的细小均匀，晶界增多，增多Cu原子扩散通道，将铜/钢双金属结合强度从未做热处理的142MPa提高至190MPa，有效提高界面结合强度，并且无缺陷/成品率高。并且，本发明较一般热处理比较，采用降温淬火模式，不经过冷却在升温淬火过程，节约生产成本。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.一种固-液成形的钢铜双金属材料热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
a）将熔炼后的呈液态的铜合金注入到预热至1000-1200℃的固态钢基体中，得到双金属试样；
b）在10-100s，使双金属试样表面温度降至750-900℃进行带液芯淬火；
c）将双金属试样高度的1/2-2/3浸入淬火油内，10-60s后将双金属试样全部浸入淬火油内；
d）取出后回火处理，出炉空冷。
2.根据权利要求1所述的一种固-液成形的钢铜双金属材料热处理方法，其特征在于，所述步骤b，使双金属试样表面温度降至800-850℃。
3.根据权利要求2所述的一种固-液成形的钢铜双金属材料热处理方法，其特征在于，所述步骤b，在10-20s，将双金属试样表面降温。
4.根据权利要求1所述的一种固-液成形的钢铜双金属材料热处理方法，其特征在于，所述呈液态的铜合金的温度为1200±30℃。
5.根据权利要求1所述的一种固-液成形的钢铜双金属材料热处理方法，其特征在于，所述液态的铜合金为1150±20℃。
6.根据权利要求1所述的一种固-液成形的钢铜双金属材料热处理方法，其特征在于，将所述双金属试样全部浸入淬火油中冷却10-30min。
7.根据权利要求1所述的一种固-液成形的钢铜双金属材料热处理方法，其特征在于，所述回火处理的温度为528±30℃，处理时间为2-4h。
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