CN112877564B - 一种热挤压模具用铜钢固液复合双金属材料及制备方法 - Google Patents

一种热挤压模具用铜钢固液复合双金属材料及制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112877564B
CN112877564B CN202110035496.6A CN202110035496A CN112877564B CN 112877564 B CN112877564 B CN 112877564B CN 202110035496 A CN202110035496 A CN 202110035496A CN 112877564 B CN112877564 B CN 112877564B
Authority
CN
China
Prior art keywords
steel
copper
steel plate
composite
plate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110035496.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112877564A (zh
Inventor
冯丹竹
赵坦
张宏亮
石锋涛
范刘群
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Angang Steel Co Ltd
Original Assignee
Angang Steel Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Angang Steel Co Ltd filed Critical Angang Steel Co Ltd
Priority to CN202110035496.6A priority Critical patent/CN112877564B/zh
Publication of CN112877564A publication Critical patent/CN112877564A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112877564B publication Critical patent/CN112877564B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/01—Alloys based on copper with aluminium as the next major constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES OR PROFILES, OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
    • B21C25/00—Profiling tools for metal extruding
    • B21C25/02—Dies
    • B21C25/025—Selection of materials therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0081—Casting in, on, or around objects which form part of the product pretreatment of the insert, e.g. for enhancing the bonding between insert and surrounding cast metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/06—Casting in, on, or around objects which form part of the product for manufacturing or repairing tools
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/01—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic
    • B32B15/013—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic one layer being formed of an iron alloy or steel, another layer being formed of a metal other than iron or aluminium
    • B32B15/015—Layered products comprising a layer of metal all layers being exclusively metallic one layer being formed of an iron alloy or steel, another layer being formed of a metal other than iron or aluminium the said other metal being copper or nickel or an alloy thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/04—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing manganese
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/22—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20—Recycling

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Heat Treatment Of Steel (AREA)

Abstract

本发明提供了一种热挤压模具用铜钢固液复合双金属材料及制备方法，所述双金属复合材料中基板为钢板，铜合金板附着在钢板表面；所述铜合金板与钢板的厚度比为1：(22.3～27.9)；制备方法包括钢板预处理、预热、固液复合、‑复合板坯加热、热轧、矫直、热处理；应用本发明生产的铜钢双金属复合材料具有36～41HRC的截面洛氏硬度，截面硬度差≤4HRC，Z向抗拉强度Rm≥550MPa，A≥12％，复合界面剪切强度380～410MPa，弯曲检验均合格，同时具有良好的耐摩擦磨损及耐酸腐蚀性能。本发明的双金属复合材料在热挤压模具钢领域具有广阔的应用前景。

Description

一种热挤压模具用铜钢固液复合双金属材料及制备方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种热挤压模具用铜钢固液复合双金属材料及其制备方法。
背景技术
近年来我国从国外进口了大量的铜合金材料来制作挤压模具，取代了合金钢。该种模具铜合金材料要求具有硬度高、减磨性能好、耐磨性高、静载压力大、强度高、刚性稳定、不易变形、导热系数高等优良的性能。用该种铜合金制作的模具在拉伸、压延坯料时不易发生粘模、划伤工件等现象，不仅可以提高产品的质量而且可以减少修模次数及模具损耗，但是价格高昂。因此发展热挤压模具用铜/钢双金属复合材料成为发展趋势，一方面可体现铜合金的性能优势，一方面降低成本同时可发挥合金钢使用上高强度及硬度的优势。
目前，国内外一些专家学者致力于铜-钢双金属的研究，一方面减少贵重金属Cu的使用，另一方面提高复合材料的性能。
发明《铋青铜-钢复合材料双金属轴承材料及其制造方法》(申请号：200910044854.9)中基层采用碳素钢为材料，表层为铋青铜合金，铋青铜合金烧结在碳素钢表面。采用粉末冶金烧结法原理把铋青铜合金烧结在碳素钢材料表面；其不足之处在于，烧结的双金属复合材料孔隙率大，力学性能差，承载能力和抗冲击性较差，使用寿命较短。
发明《一种铜钢复合材料及其制备方法》(申请号：200910162920.2)中化学成分重量比为：Cu 10-15％，钢85-90％，其结构为铜与钢复合为一体。将铜与钢带通过表面处理后，经冷轧轧制成高精度钢带和高精度铜带；经过表面清洗后，去除表面残留物，脱脂，经冷轧机轧制成高精度铜钢复合带，并进行退火；其不足之处在于，采用冷轧轧制复合的方法生产效率低，且成功率较低，产品易分层。
发明《生产铜钢复合材料的等温熔接法》(申请号：01107029.3)中首先将保护剂加入没有钢芯棒的复合坯料的钢芯棒与外壁间隙中，然后将电解铜加入复合坯料的料斗内；将加料后的复合坯料放入已经升温的井式电炉内，加热至1130-1150℃，待电解铜全部熔化后，电炉从底部开始逐段断电，使复合坯件从底向上顺序冷却；其不足之处在于，其生产双金属复合材料受生产装备限制，尺寸有限，且不能大规模生产。
发明《铜钢复合构件的感应熔铸连接方法》(申请号：200910306947.4)解决了现有钎焊方法焊后工件气密性差、接头抗拉强度低的问题；其不足之处在于，采用感应熔铸方法，使复合构件中抗拉强度可达232MPa,但应用具有局限性，产品仅用于铜钢复合构件的连接。
发明《一种铜钢复合板材的生产方法》(申请号：201210188109.3)中采用表面清理-毛化处理-喷涂结合层-轧制-退火-平整、抛光等步骤进行双金属复合材料的生产；其不足之处在于，该方法对钢和铜表面粗糙度要求较高，且需喷涂结合层，不仅过程繁琐，生产效率低，且易造成结合界面不均匀。
申请号：201710630328.5的发明《一种焊接式铜钢复合冷却壁制作方法》中首先对铜板和钢板进行预处理：切割处理、除锈、打磨抛光、整平和弯曲，随后在惰性环境、高温、高压条件下，将铜板和钢板预处理过的板面相对，边轧制边进行跟踪焊接，形成铜钢复合冷却壁坯体，最后进行后续加工；其不足之处在于，该发明采用边轧制边进行焊接，难度较大，很难在大生产中同步进行，实施困难。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供种热挤压模具用的铜钢复合双金属材料为目标，设计铜合金及钢的合金成分配以适当工艺，并兼顾成本及使用性能，使复合材料具有高硬度，优异的耐腐蚀性、耐摩擦磨损性能，较高的剪切强度及高效的生产流程。
本发明目的是这样实现的：
一种热挤压模具用铜钢固液复合双金属材料，所述双金属复合材料中基板为钢板，铜合金板附着在钢板表面；所述铜合金的成分按重量百分比计如下：Al：9.0％～11.0％，Fe：2.0％～4.0％，Mn：2.0％～3.0％，Ni：0.5％～0.8％，Co：1.0％～1.5％，B：0.1％～0.2％，余量为Cu及不可避免杂质；所述钢的成分按重量百分比计如下：C：0.35％～0.45％，Si：1.00％～1.50％，Mn：0.70％～0.80％，P≤0.015％，S≤0.015％，Cr：4.0％～5.0％，Mo：1.50％～1.80％，余量为Fe及不可避免杂质。
本发明双金属复合材料由铜合金板和基板钢板复合而成。所述铜合金板附着在钢板的一面或两面。所述铜合金板与钢板的厚度比为1：(22.3～27.9)。
所述双金属材料截面洛氏硬度36～41HRC，截面硬度差≤4HRC，Z向抗拉强度Rm≥550MPa，伸长率A≥12％，复合界面剪切强度380～410MPa。
本发明成分设计理由如下：
本发明铜合金成分设计理由如下：
Al：是本发明的铜合金中最主要的强化元素，不仅提高其强度、硬度、耐磨性和耐蚀性，同时提高高温塑性。在该种铜合金表面形成一层致密的Al2O3惰性保护膜，因此在氯盐及酸性介质中有良好的抗蚀性能。但Al含量过多会使该种铜合金晶粒粗大，因此本发明中控制Al：9.0％～11.0％。
Fe：加入适量Fe有利于晶粒细化，并和Ni生成金属化合物析出，有利于提高合金耐腐蚀性能。但Fe含量过高，容易在晶界上出现脆性化合物，会降低腐蚀电位，从而影响合金的耐腐蚀性能。因此本发明中Fe：2.0％～4.0％。
Mn：本发明中适量的Mn起到固溶强化作用，提高合金强度而塑性不下降，此外，Mn加入该种铜合金中虽能缩小α单相区域，但显著降低β相共析转变温度，从而提高β相的稳定性，抑制铜合金的“缓冷脆性”。同时适量Mn元素还能提高耐蚀性能、机械性能、耐磨性等。因此本发明中Mn为2.0％～3.0％。
Ni：在本发明中，Ni在该种铜合金具有提高合金强度、韧性，抗应力腐蚀开裂作用，同时可以改善合金的加工性能，提高合金的耐腐蚀疲劳性能、耐侵蚀腐蚀等性能，本发明在Al的共同作用下，可达到较高的耐蚀和耐磨效果，因此本发明选择加入Ni：0.5％～0.8％。
Co：是有效促成金属间化合物，形成硬质点(K相)弥散分布于基体中的元素，可增加材料的强度和硬度，并且不会破坏合金的韧性，适量的Co还可提高材料的热强性能，净化金属、细化晶粒。因此本发明选择加入Co：1.0％～1.5％。
B：本发明中B主要富集在晶界处，直接影响了凝固界面处的溶质原子的扩散、界面的生长曲率及再次形核的发生等，从而抑制了晶粒的生长，达到细化晶粒作用，一方面可提高合金材料的强度和硬度及塑韧性，一方面和Co共同作用使形成的硬质相均匀弥散的分布在基体上，能显著提高材料的耐磨损性能。因此本发明中选择加入B：0.1％～0.2％。
本发明钢的成分设计理由如下：
C：对该种热作模具钢而言，钢中的碳一部分进入钢的基体中引起固溶强化。另外一部分碳将和合金元素中的碳化物形成元素结合成合金碳化物。这种合金碳化物部分残留在基体中，部分在热处理过程中析出以强化模具钢，因此本发明选择加入C含量为0.35％～0.45％。
Si：Si为提高回火抗力的有效元素。Si降低碳在铁素体中的扩散速度，使回火时析出的碳化物不易聚集，增加回火稳定性。当处在强氧化介质中时，Si可以提高钢的耐蚀性。但随着Si含量的增加，球化的碳化物尺寸变大，间距增加，促进偏析，形成带状组织，使横向性能低于纵向。因此，本发明选择加入Si含量为1.00％～1.50％。
Mn：是钢中的固溶强化元素，细化晶粒，降低韧脆转变温度，提高淬透性，钢中含有Mn可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状。同时它与S有较大的亲合力，可以避免在晶界上形成低熔点的硫化物FeS。但含量过高将影响钢的塑性，因此本发明选择加入Mn含量为0.70％～0.80％。
P、S：S以MnS的形式分布于钢中，MnS在热轧过程中沿着轧制方向伸长，使得硫易切削钢的横向力学性能显著降低，加剧了钢材的各向异性。同时S对模具钢耐蚀性能有害，使焊接性能恶化。P虽能适量提高铁素体硬度，改进零件的表面光洁度和切削性能，但钢中P过高会增加冷脆，而且S、P过多会影响钢的均质性及纯净度。因此本发明选择加入P≤0.015％，S≤0.015％。
Cr：铬对热作模具钢的耐磨性、高温强度、热态硬度、韧性和淬透性都有有利的影响。铬一部分固溶到基体起到固溶强化作用，另一部分与碳结合形成碳化物。Cr可提高铁－铬合金的淬透性，能使钢钝化并赋予良好的耐蚀性和不锈性，Cr的腐蚀电位比铁要更负，钝化能力较铁要更强，在铁铬合金中，Cr含量增加会导致合金的腐蚀电位和临界钝化电位向负电位方向移动。因此本发明选择加入Cr含量为4.0％～5.0％。
Mo：Mo在钢中可提高钢的淬透性，同时在钢中形成特殊的碳化物，提高钢的热处理稳定性。Mo元素是提高该种钢耐点蚀性能最有效元素之一，Mo元素以MoO42～的形式溶解并吸附在金属表面形成保护膜，使点蚀电位升高，点蚀速度降低，从而改善耐点蚀性能。因此本发明选择加入Mo含量为1.50％～1.80％。
本发明技术方案之二是提供一种热挤压模具用铜钢固液复合双金属材料的制备方法，具体工艺包括钢板预处理、预热、固液复合、-复合板坯加热、热轧、矫直、热处理。
(1)钢板预处理：首先在钢板表面铣出凹槽，所述凹槽深度为5～8mm，将凹槽表面进行机械打磨、酸洗、水洗、干燥，使凹槽表面铁锈打磨掉使其露出光亮的新鲜金属面，同时也使钢板表面变得毛化粗糙，大大增加了铜合金和基体钢板之间的有效接触面积，有利于提高复合材料过渡界面的力学性能。随后对钢板进行脱脂处理，为了有效去除钢板表面的油污，将脱脂液加热至60℃～70℃对钢板表面进行脱脂处理，随后进行丙酮清洗，涂抗氧化剂后烘干备用。浇注复合法成形工艺简单，对设备要求不高，容易操作，但需提高铜、钢两者间的相互润湿性，促进铜、钢之间的原子接触。若直接浇注，难以实现铜-钢复合的冶金结合，因此需在浇注前对钢板进行表面预处理，提高钢板的抗氧化性和原子活性。
(2)预热：将预处理后的钢板在氩气保护下加热至850℃～900℃，之后将其置于石墨模具型腔中。钢板预热可保证铜合金在浇注过程中，液态铜合金与固态钢板之间存在一定的热量体积比，因为铜合金与钢板在复合时会发生元素扩散现象，较高的预热温度能够改善铜合金与基体钢板复合过程中的扩散反应条件，使得界面结合处原子具有足够的能量进行互扩散；优选钢板预热过程处于惰性气体保护或真空保护。
(3)固液复合：在浇注开始前用惰性气体充满浇注空间，降低含氧量，减少氧化。随后迅速将熔炼好的铜合金金属液浇注到预处理的钢板表面，浇注温度为1150℃～1180℃，之后空冷，空冷至铜合金侧温度为930℃～960℃时，取出浇注后坯料并立即在钢板底部喷冷却水冷却，直至浇注后坯料冷却至200℃～250℃，立即在铜合金侧涂抗氧化剂，防止铜合金氧化，随后空冷至室温，经后续机械加工制得铜钢双金属复合板坯。所述双金属复合板坯中铜合金板坯厚度为5～8mm，铜合金与钢的板坯厚度之比为1：(20～25)。
温度对促进原子扩散起主要作用，温度越高原子的热运动越激烈，原子在高温热源作用下被激活而进行迁移的几率就越大，在高温状态下原子在短时间内就可以获得足够的能量，偏离平衡位置进行迁移。本发明采用较高的铜合金浇注温度，使原子偏离平衡位置数目增多，各原子之间键合的几率越大，界面有效结合点迅速增加，使板坯复合界面宽度增加，界面结合强度增加。
本发明在浇注复合后对双金属复合坯料采用分段冷却的方法，一方面防止浇注复合后铜合金与钢板冷却速度慢，长时间处于高温段，使得晶粒长大，对材料剪切强度及抗拉强度产生不利影响，一方面提高冷却速度以减少氧化，减少复合板坯结合面处氧化物的产生同时提高生产效率，缩短复合材料制备周期。
本发明中采用该种厚度要求一方面根据铜钢双金属的流动变形行为，在后续轧制过程中以获得较为均匀的金属流动；一方面可发挥该种铜合金硬度高、减磨性能好、耐磨性高、静载压力大、强度高、刚性稳定、不易变形、导热系数高等优良的性能同时降低成本同时可发挥合金钢使用上高强度及硬度的优势，提高产品的质量而且可以减少修模次数及模具损耗。
(4)复合板坯加热：由于铜合金和钢的熔点差别较大，钢的热轧温度几乎接近铜合金的熔化温度，所以应合理选择轧制加热温度。本发明板坯的加热温度控制在910℃～960℃，均热段保温2～3h。经板坯均热段加热后铜-钢两侧内枝晶偏析组织可基本消除，晶界上非平衡凝固第二相也可得到部分溶解，复合材料过渡层可进一步扩散，增强结合强度。优选复合板坯加热过程处于惰性气体保护或真空保护。
(5)热轧：开轧温度控制在850℃～880℃，生产时第一道次采用大变形量压下，第一道次压下率控制在17％～20％，铜/钢板坯厚度比、热变形温度及压下率综合作用对双金属复合材料的流动差异产生较大影响，采用该种厚度比、热轧温度及较大的首道次压下率可使结合界面变得平直，两侧金属间元素相互扩散增多，扩散距离较大，远离难变形区，进入易变形区，有利于金属间的协调变形，且首道次采用较大压下率可破碎铸态组织中的树枝晶，使复合处新生的结合界面增加，使结合处的夹杂减少并破碎分离，为后续轧制做准备。由于钢板和铜合金的延展性不同，经过轧制，势必会引起铜合金向四周铺展，铜合金在向四周铺展的同时，势必产生一个挤压力和横向撕力，因此为防止铜合金表面及结合界面开裂，并使界面结合处和基体组织均匀细小，后续采用小变形量多道次轧制生产，轧制过程中铜合金在上，钢板在下，防止铜合金磨损及划伤。轧制总变形率控制在60％～70％，一方面可使界面处脆性夹杂物和氧化物分布更加弥散，复合界面形成冶金结合；一方面晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，使金属塑性变形抗力增大，因此使得抗剪强度和抗拉强进一步提升度。若进一步增加变形率对结合界面扩散层厚度几乎无影响，即结合界面性能几乎不变，且由于铜合金与钢的机械性能差异在轧制过程中易产生不相容的变形，因此进一步增加变形率对复合材料易产生不利影响。此外经本发明中的热轧变形后可获得铜-钢两侧细化的再结晶晶粒。优选热轧过程处于惰性气体保护或真空保护。
(6)热处理：淬火+回火处理；
淬火温度：880～920℃，保温时间：2～3h，出炉后油冷至室温；之后进行回火热处理，回火温度：600～620℃，保温时间2～3h，得到双金属复合材料。优选热处理过程处于惰性气体保护或真空保护。
由于轧制速度较快，铜钢结合层中金属原子扩散程度有限，并存在一定的内应力，在成品使用时受力不均或冷热交替的状况下出现失效，因此该种复合材料需通过淬火+回火处理降低释放应力，提升原子扩散效率增强复合强度。此外复合板的性能特点由热处理过程中结合面和双金属层相的变化及组织转变所决定，通过淬火+回火处理，双金属复合材料两侧均产生均匀弥散分布的硬质相，有益于提高材料强度和硬度，同时提高材料的耐磨损性能。
所述步骤(2)、步骤(4)—步骤(6)任一工艺过程可采用惰性气体或真空保护，所述惰性气体为氩气，防止铜合金氧化。
本发明的有益效果在于：
本发明双金属复合材料由铜合金板和基板钢板复合而成。本发明采用Co、B共同作用细化铜合金晶粒、净化金属，形成较基体更硬且均匀弥散分布的硬质相，可显著提高材料的耐磨损性能，Al、Ni共同作用提高抗氧化性及耐酸腐蚀性能的设计思路，配合钢板预处理、预热、固液复合、复合板坯加热、热轧、矫直、热处理得到铜钢双金属复合材料，使该种材料具有36～41HRC的截面洛氏硬度，截面硬度差≤4HRC，Z向抗拉强度Rm≥550MPa，A≥12％，复合界面剪切强度380～410MPa，弯曲检验均合格，同时具有良好的耐摩擦磨损及耐酸腐蚀性能。本发明的双金属复合材料在热挤压模具钢领域具有广阔的应用前景。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
本发明实施例根据技术方案的组分配比，工艺过程包括钢板预处理、预热、固液复合、复合板坯加热、热轧、矫直、热处理；
(1)钢板预处理：首先在钢板表面铣出凹槽，所述凹槽深度为5～8mm，将凹槽表面进行机械打磨、酸洗、水洗、干燥，使凹槽表面铁锈打磨掉使其露出光亮的新鲜金属面；随后对钢板进行脱脂处理，为了有效去除钢板表面的油污，将脱脂液加热至60℃～70℃对钢板表面进行脱脂处理，涂抗氧化剂后烘干备用；
(2)预热：将预处理后的钢板在氩气保护下加热至850℃～900℃，之后将其置于模具型腔中；
(3)固液复合：在浇注开始前用惰性气体充满模具型腔，随后迅速将熔炼好的铜合金金属液浇注到预处理的钢板表面，浇注温度为1150～1180℃，之后空冷，空冷至铜合金侧温度为930～960℃时，取出浇注后坯料并立即在钢板底部喷冷却水冷却，直至浇注后坯料冷却至200～250℃，立即在铜合金侧涂抗氧化剂，随后空冷至室温，经后续机械加工制得铜钢双金属复合板坯；
(4)复合坯加热：加热温度控制在910～960℃，均热段保温2～3h；
(5)热轧：开轧温度控制在850～880℃，第一道次压下率控制在17％～20％，轧制总变形率控制在60％～70％；
(6)热处理：淬火+回火热处理；
淬火温度：880～920℃，保温时间：2～3h，出炉后油冷至室温；之后进行回火热处理，回火温度：600～620℃，保温时间2～3h。
所述步骤(3)中双金属复合板坯中铜合金的板坯厚度为5～8mm，铜合金与钢的板坯厚度之比为1：(20～25)。
所述模具型腔为石墨模具型腔。
所述步骤(2)、步骤(4)～步骤(6)任一工艺过程可采用惰性气体或真空保护；所述惰性气体为氩气。
本发明实施例钢双金属复合材料的成分见表1。本发明实施例双金属复合材料预热和浇注的主要工艺参数见表2。本发明实施例双金属复合材料主要轧制和热处理工艺参数见表3。本发明实施例钢的硬度见表4。本发明实施例双金属复合材料Z向拉伸性能和摩擦系数见表5。本发明双金属复合材料复合界面剪切强度及弯曲性能见表6。本发明双金属复合材料的腐蚀性能见表7。
表1本发明实施例钢双金属复合材料的成分见(wt％)
Figure BDA0002894133020000131
表2本发明实施例双金属复合材料预热和浇注的主要工艺参数
Figure BDA0002894133020000132
表3本发明实施例双金属复合材料主要轧制和热处理工艺参数
Figure BDA0002894133020000141
表4本发明实施例钢的硬度
Figure BDA0002894133020000151
表5本发明实施例双金属复合材料Z向拉伸性能和摩擦系数
实施例 Rm(MPa) A(％) 磨损量/mg 平均摩擦因数
1 556 12.8 1.50 0.315
2 559 12.6 1.49 0.317
3 560 12.4 1.45 0.306
4 550 13 1.40 0.297
5 552 13.2 1.51 0.320
6 563 12.5 1.55 0.314
7 565 12.2 1.43 0.305
8 562 12.3 1.40 0.301
9 567 12 1.53 0.312
10 555 13.1 1.46 0.309
备注：摩擦磨损性能试验条件：各实施例铜侧(规格为20×20×4mm)在载荷3N，转速50r/min，温度20℃，摩擦半径为4mm，磨损时间为30min
表6本发明双金属复合材料复合界面剪切强度及弯曲性能
Figure BDA0002894133020000161
表7本发明双金属复合材料的腐蚀性能
实施例 10％HCl中平均腐蚀速率(mm/a) 5％H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>中平均腐蚀速率(mm/a)
1 0.035 0.026
2 0.033 0.028
3 0.030 0.020
4 0.038 0.021
5 0.037 0.029
6 0.032 0.027
7 0.031 0.025
8 0.036 0.023
9 0.039 0.022
10 0.029 0.024
备注：腐蚀试验：各实施例铜侧(规格20×20×5mm)在20℃于10％HCl和5％H2SO4中浸泡170h的平均腐蚀速率。
由上可知，具有36～41HRC的截面洛氏硬度，截面硬度差≤4HRC，Z向抗拉强度Rm≥550MPa，A≥12％，复合界面剪切强度380～410MPa，弯曲检验均合格，同时具有良好的耐摩擦磨损及耐酸腐蚀性能。
为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，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，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (5)

1.一种热挤压模具用铜钢固液复合双金属材料，其特征在于，所述双金属复合材料中基板为钢板，铜合金板附着在钢板表面；所述铜合金的成分按重量百分比计如下：Al：9.0%~11.0%，Fe：2.0%~4.0%，Mn：2.0%~3.0%， Ni：0.5%~0.8%，Co：1.0%~1.5%，B：0.1%~0.2%，余量为Cu及不可避免杂质；所述钢的成分按重量百分比计如下：C：0.35%~0.45%，Si：1.00%~1.50%，Mn：0.70%~0.80%，P≤0.015%，S≤0.015%，Cr：4.0%~5.0%，Mo：1.50%~1.80%，余量为Fe及不可避免杂质；
所述的一种热挤压模具用铜钢固液复合双金属材料的制备方法，具体工艺包括：
（1）钢板预处理：首先在钢板表面铣出凹槽，所述凹槽深度为5~8mm，将凹槽表面进行机械打磨、酸洗、水洗、干燥，使凹槽表面铁锈打磨掉使其露出光亮的新鲜金属面；随后对钢板进行脱脂处理，为了有效去除钢板表面的油污，将脱脂液加热至60~70℃对钢板表面进行脱脂处理，涂抗氧化剂后烘干备用；
（2）预热：将预处理后的钢板加热至850℃~900℃，之后将其置于模具型腔中；
（3）固液复合：在浇注开始前用惰性气体充满模具型腔，随后迅速将熔炼好的铜合金金属液浇注到预处理的钢板表面，浇注温度为1150~1180℃，之后空冷，空冷至铜合金侧温度为930~960℃时，取出浇注后坯料并立即在钢板底部喷冷却水冷却，直至双浇注后坯料冷却至200~250℃，随后空冷至室温，经后续机械加工制得铜钢双金属复合板坯；
（4）复合板坯加热：加热温度控制在910~960℃，均热段保温2~3h；
（5）热轧：开轧温度控制在850~880℃，第一道次压下率控制在17%~20%，轧制总变形率控制在60%~70%；
（6）热处理：淬火+回火处理；
淬火温度：880~920℃，保温时间：2~3h，出炉后油冷至室温；之后进行回火热处理，回火温度：600~620℃，保温时间2~3h。
2.根据权利要求1所述的热挤压模具用铜钢固液复合双金属材料，其特征在于，所述铜合金板附着在钢板的一面或两面。
3.根据权利要求1所述的热挤压模具用铜钢固液复合双金属材料，其特征在于，所述铜合金板与钢板的厚度比为1：（22.3~27.9）。
4.根据权利要求1所述的热挤压模具用铜钢固液复合双金属材料，其特征在于，所述双金属材料截面洛氏硬度36~41HRC，截面硬度差≤4HRC，Z向抗拉强度Rm≥550MPa，伸长率A≥12%，复合界面剪切强度380~410MPa。
5.根据权利要求1所述的热挤压模具用铜钢固液复合双金属材料，其特征在于，所述步骤（3）中双金属复合板坯中铜合金的板坯厚度为5~8mm，铜合金与钢的板坯厚度之比为1：（20~25）。
CN202110035496.6A 2021-01-12 2021-01-12 一种热挤压模具用铜钢固液复合双金属材料及制备方法 Active CN112877564B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110035496.6A CN112877564B (zh) 2021-01-12 2021-01-12 一种热挤压模具用铜钢固液复合双金属材料及制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110035496.6A CN112877564B (zh) 2021-01-12 2021-01-12 一种热挤压模具用铜钢固液复合双金属材料及制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112877564A CN112877564A (zh) 2021-06-01
CN112877564B true CN112877564B (zh) 2022-05-17

Family

ID=76045693

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110035496.6A Active CN112877564B (zh) 2021-01-12 2021-01-12 一种热挤压模具用铜钢固液复合双金属材料及制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112877564B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114042918A (zh) * 2021-11-05 2022-02-15 潍柴动力股份有限公司 一种铜钢双金属构件的制备工艺、制备工装及缸体
CN118374762A (zh) * 2024-04-10 2024-07-23 浙江凯蒂滑动轴承有限公司 一种Cu-Pb-Sn复合金属材料及其制备方法和应用

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2870831B2 (ja) * 1989-07-31 1999-03-17 日本精工株式会社 転がり軸受
CN1930314A (zh) * 2004-03-12 2007-03-14 住友金属工业株式会社 铜合金及其制造方法
CN101954474B (zh) * 2010-08-06 2012-06-13 西安理工大学 铜铅合金/钢双金属层状复合材料的制备方法
CN104308123A (zh) * 2014-09-28 2015-01-28 贵州安吉航空精密铸造有限责任公司 铜钢双金属铸造应用技术

Also Published As

Publication number Publication date
CN112877564A (zh) 2021-06-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112877606B (zh) 一种超高强全奥氏体低密度钢及制备方法
CN109628850B (zh) 一种多用途全奥氏体低密度钢及制备方法
CN113106338B (zh) 一种超高强度高塑性热冲压成形钢的制备方法
CN112874058B (zh) 一种建筑用铜钢固液复合双金属材料及其制备方法
CN101265547B (zh) 一种高铬锰铸铁轧辊及其制备方法
CN102409267B (zh) 一种含硼高速钢轧辊及其制备方法
CN111826589B (zh) 具有高强度高耐蚀性的塑料模具钢及其制备方法
CN109023119A (zh) 一种具有优异塑韧性的耐磨钢及其制造方法
CN111945053B (zh) 复合变质处理高速钢轧辊制备方法
CN112877564B (zh) 一种热挤压模具用铜钢固液复合双金属材料及制备方法
CN112226687B (zh) 一种低轧制压缩比齿条钢板及其制造方法
CN113249645B (zh) 一种高延性超高强韧钢及其制备方法
CN115433878B (zh) 一种高铋节硫型易切削耐蚀奥氏体不锈钢及其制备方法
CN112695256A (zh) 一种铁素体马氏体钢包壳材料及其制备方法
CN101215671B (zh) 抗锌液腐蚀磨损材料及其制造方法
CN109112423A (zh) 一种优良低温韧性特厚合金钢板及其制备方法
CN112848552B (zh) 一种海洋工程用铜钢固液复合双金属材料及其制备方法
CN112877565B (zh) 一种铜钢固液双金属复合材料及其制备方法
CN104862521B (zh) 一种润滑性良好的轴套
CN113579558A (zh) 一种核级镍铬铁合金焊芯及其制造方法
CN112662940B (zh) 一种具有良好成型性能的深冲套筒用精线及其制备方法
WO2024093461A1 (zh) 一种经济性高寿命大功率风电偏航轴承圈用钢、轴承圈及生产工艺
CN103805909A (zh) 一种奥氏体热作模具钢的制备方法
CN112853150B (zh) 一种化工用铜钢固液复合双金属材料及其制备方法
CN115710668A (zh) 一种强塑积48GPa%级中锰钢成分设计及制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant