CN113214799B - 一种复合相变材料在铜钢双金属熔铸工艺中的使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合相变材料在铜钢双金属熔铸工艺中的使用方法，是将熔盐、SiO2、硬脂酸和硼砂混合并球磨均匀，再压制成型、烧结，获得用于铜钢双金属熔铸过程中的复合相变材料，其中熔盐由KF与MgF2混合而成。本发明的方法中，将复合相变材料放置于铜合金的上层，其在熔铸时发生固态向液态的转变从而吸收并储存热量，在冷却时发生液态向固态的转变从而将储存的热量释放出来，对铜合金起到很好的保温作用，从而使冷却时铜合金的下层与上层存在更大的温度差，上层对下层可以达到很好的补缩效果，避免缩松缩孔的问题。

Description

一种复合相变材料在铜钢双金属熔铸工艺中的使用方法
技术领域
本发明属于双金属复合成型领域，具体涉及一种复合相变材料在铜钢双金属熔铸工艺中的使用方法。
背景技术
铜钢双金属由于兼备铜合金优良的摩擦学性能和钢在力学、机械加工性能等方面的优点，在各种机械零件中有着广泛的应用。铜钢双金属的成型方法有许多，目前被广泛应用到生产中的方法主要有轧制复合法、粉末烧结法、浇铸复合法、电磁连铸法、熔铸法等，其中轧制复合法和粉末烧结法普遍存在结合强度不高的限制难以在高负荷下稳定运行，浇铸和电磁连铸存在着操作复杂、设备昂贵等问题。采用熔铸法制备铜钢双金属复合材料具有操作便捷、装置简单并能获得拥有更高的结合强度、可在高负载下稳定运行的铜钢双金属材料的优势。
但是熔铸法制备的铜钢双金属容易出现缩松缩孔的问题，原因在于：熔铸法主要包括高温扩散和冷却两步。在高温扩散过程结束后，铜合金熔为液态；当从钢基体底部进行冷却时，铜合金凝固将产生体积上的收缩，当收缩条件达不到铜合金的顺序凝固条件时，铜合金在凝固过程中上方的铜液将难以对下方的收缩部分进行补缩，从而出现缩松缩孔。目前对于缩松缩孔的主要解决办法有顺序凝固和同时凝固等方法。顺序凝固，即通过冒口保温使铸件远离冒口的部位先凝固，靠近冒口的部位后凝固，最后才是冒口本身凝固。同时凝固，即铸件各处凝固开始及结束的时间相同或相近，甚至是同时完成凝固过程，无先后的差异及明显的方向性。在现有的解决办法中，顺序凝固方法较为适用铜钢双金属熔铸工艺。在常规铸造工艺中往往采用低导热系数、高比热容的材料对铜液进行保温并配合快速冷却构造顺序凝固条件。但对于零件尺寸较大或较为复杂的情况往往所需的保温材料用量较大，这样才能达到很好的保温效果。
而由无机盐和陶瓷材料复合而成无机盐陶瓷基复合相变材料，由于兼具无机盐熔点高、热稳定性好、比热容和相变潜热较大、相变温度可调和陶瓷材料耐高温、低导热系数和耐腐蚀等性能优点，若能将复合相变材料应用于铜钢双金属熔铸工艺中，使加热时无机盐相变所吸收的相变潜热在铜合金液相线附近的温度释放出来，从而强化保温效果，或许可以很好地构建出“铜层底部先凝固，铜层上部最后凝固”的顺序凝固条件，从而达到较好的补缩效果，但目前并无相关报导，且目前已有的复合相变材料由于应用领域的不同，相变温度一般在600～700℃及以下，不能满足铜钢双金属熔铸工艺的使用需求。
发明内容
基于上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种复合相变材料在铜钢双金属熔铸工艺中的使用方法，旨在通过复合相变材料的使用并配合快速冷却来构造更佳的顺序凝固条件，以避免缩松缩孔的问题。
本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：
一种复合相变材料在铜钢双金属熔铸工艺中的使用方法，其特点在于：将熔盐、SiO2、硬脂酸和硼砂混合并球磨均匀，再压制成型、烧结，获得复合相变材料；将所述复合相变材料用于铜钢双金属熔铸过程中；所述熔盐由KF与MgF2按摩尔比20～50％：50％～80％混合而成。
进一步地，在所述复合相变材料中各原料的质量百分比为：熔盐为10％～30％，硬脂酸0.5％～2％，硼砂1％～5％，余量为SiO2。
进一步地，所述球磨的转速为200r/min，球磨时间为1～2h。
进一步地，所述压制成型的压力为20～50MPa、保压时间为5～15min。
进一步地，所述烧结是在氨气分解气氛的保护下，首先以3℃/min的升温速率从室温升到200℃并保温30～60min，随后以5℃/min的升温速率升到1050℃并保温1～2h。
进一步地，将所述复合相变材料用于铜钢双金属熔铸过程的方法为：
步骤1、按照从上至下依次为复合相变材料、铜合金及钢基体的顺序，将复合相变材料、铜合金及钢基体放置好；将放置好的试样放入到加热炉中，以氮气为保护气，首先升温至800～900℃并保温20～30min，然后升温至熔铸温度1080～1180℃并保温30～60min；在熔铸过程中，当铜合金熔化后，液态铜合金与钢基体发生原子间互扩散，实现铜钢双金属的连接；
步骤2、加热过程完成后，取出试样并用冷却水从钢基体底部进行冷却。
进一步地，步骤1中的升温速率为5℃/min。
进一步地，在步骤1的熔铸过程中，复合相变材料中的熔盐发生固态向液态的转变从而吸收并储存热量；在步骤2的冷却过程中，复合相变材料中的熔盐发生液态向固态的转变从而将储存的热量释放出来，起到保温作用，使得冷却过程中构造出液态铜合金的底部先凝固、上表面最后凝固的顺序凝固条件。
本发明的方法中，复合相变材料可以通过其中熔盐材料的配比使熔盐材料在铜合金液相线附近熔化，发生固态到液态的相变并吸收大量的热量储存熔盐材料中，在随后的冷却过程中熔盐由液态向固态的转变过程中会将储存的热量释放出来，并配合二氧化硅材料的低导热特性使复合相变材料在铜合金液相线附近的保温效果得到极大提升，配合底部的快速冷却，使铜液底部先凝固上部最后凝固，在凝固过程中上部铜液会不断向下进行补缩，构造出较好的顺序凝固条件。
本发明的有益效果体现在：
1、本发明的方法中，将复合相变材料放置于铜合金的上层，其在熔铸时发生固态向液态的转变从而吸收并储存热量，在冷却时发生液态向固态的转变从而将储存的热量释放出来，对铜合金起到很好的保温作用，从而使冷却时铜合金的下层与上层存在更大的温度差，上层对下层可以达到很好的补缩效果，避免缩松缩孔的问题。
2、在本发明的复合相变材料中：熔盐选用KF与MgF2按摩尔比20～50％：50％～80％的混合，使其相变温度在铜合金液相线附近，从而使其可满足构建顺序凝固条件的要求；配合SiO2的低导热特性，从而使复合相变材料在铜合金液相线附近的保温效果达到最佳；硬脂酸的加入有助于压制时脱模，硼砂作为助烧剂引入。
附图说明
图1为复合相变材料、铜合金、钢基体的组合示意图；
图2为实施例1所得铜钢双金属试样经线切割后铜层表面的状态图；
图3为实施例1所得铜钢双金属试样在铜钢结合面附近的显微图像，其中上部为铜层、下部为钢层。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加清晰明了，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。以下内容仅仅是对本发明的构思所做的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施案例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式代替，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
实施例1
一种复合相变材料在铜钢双金属熔铸工艺中的使用方法，包括如下步骤：
步骤1、制备复合相变材料
将KF与MgF2按摩尔比30％：70％混合，构成熔盐；将熔盐、SiO2、硬脂酸和硼砂混合并球磨(球磨的转速为200r/min，球磨时间为1.5h)均匀，再压制成直径45mm、厚度4mm的圆片，压制压力为30MPa、保压时间为10min；将圆片加入到烧结炉，在氨气分解气氛的保护下，首先以3℃/min的升温速率从室温升到200℃并保温60min，随后以5℃/min的升温速率升到1050℃并保温1h，获得复合相变材料。其中，各原料的质量百分比为：熔盐为30％，硬脂酸0.5％，硼砂3％，余量为SiO2。
步骤2、铜钢双金属的熔铸
在超声波振动清洗机中利用无水乙醇清洗45#钢基体和铜试样(ZCuPb10Sn10)，清洗时间5min，其中：铜合金为直径45mm、厚度5mm的圆片；45#钢基体呈圆筒状，底面厚5mm、总高18mm，内筒直径45mm，筒壁厚2mm。如图1所示，按照从上至下依次为复合相变材料、铜合金及钢基体的顺序，将复合相变材料、铜合金及钢基体放置好(复合相变材料、铜合金的筒内，位于其底面上方)；将放置好的试样放入到加热炉中，以纯度为99.999％的氮气为保护气，以5℃/min的升温速率，首先升温至850℃并保温30min，然后升温至熔铸温度1090℃并保温40min；在熔铸过程中，当铜合金熔化后，液态铜合金与钢基体发生原子间互扩散，实现铜钢双金属的连接。
加热过程完成后，取出试样并用冷却水从钢基体底部进行冷却。
图2为本实施例所得铜钢双金属试样在线切割后保留3mm厚铜层位置处的状态图，宏观上未发现缩松缩孔等缺陷。
图3为本实施例所得铜钢双金属试样在铜钢结合面附近的显微图像，其中上部为铜层、下部为钢层，可以看出铅均匀弥散分布在铜基体中，微观上未发现缩松缩孔等缺陷，界面结合良好。
实施例2
一种复合相变材料在铜钢双金属熔铸工艺中的使用方法，包括如下步骤：
步骤1、制备复合相变材料
将KF与MgF2按摩尔比35％：65％混合，构成熔盐；将熔盐、SiO2、硬脂酸和硼砂混合并球磨(球磨的转速为200r/min，球磨时间为1.5h)均匀，再压制成直径45mm、厚度4mm的圆片，压制压力为30MPa、保压时间为10min；将圆片加入到烧结炉，在氨气分解气氛的保护下，首先以3℃/min的升温速率从室温升到200℃并保温60min，随后以5℃/min的升温速率升到1050℃并保温1h，获得复合相变材料。其中，各原料的质量百分比为：熔盐为20％，硬脂酸0.5％，硼砂5％，余量为SiO2。
步骤2、铜钢双金属的熔铸
在超声波振动清洗机中利用无水乙醇清洗45#钢基体和铜试样(ZCuPb10Sn10)，清洗时间5min，其中：铜合金为直径45mm、厚度5mm的圆片；45#钢基体呈圆筒状，底面厚5mm、总高18mm，内筒直径45mm，筒壁厚2mm。如图1所示，按照从上至下依次为复合相变材料、铜合金及钢基体的顺序，将复合相变材料、铜合金及钢基体放置好(复合相变材料、铜合金的筒内，位于其底面上方)；将放置好的试样放入到加热炉中，以纯度为99.999％的氮气为保护气，以5℃/min的升温速率，首先升温至800℃并保温30min，然后升温至熔铸温度1120℃并保温30min；在熔铸过程中，当铜合金熔化后，液态铜合金与钢基体发生原子间互扩散，实现铜钢双金属的连接。
加热过程完成后，取出试样并用冷却水从钢基体底部进行冷却。
经表征，本实施例所得铜钢双金属试样无缩松缩孔等缺陷，界面结合良好。
以上仅为本发明的示例性实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种复合相变材料在铜钢双金属熔铸工艺中的使用方法，其特征在于：将熔盐、SiO2、硬脂酸和硼砂混合并球磨均匀，再压制成型、烧结，获得复合相变材料；将所述复合相变材料用于铜钢双金属熔铸过程中；
所述熔盐由KF与MgF2按摩尔比20～50％：50％～80％混合而成；
将所述复合相变材料用于铜钢双金属熔铸过程的方法为：
步骤1、按照从上至下依次为复合相变材料、铜合金及钢基体的顺序，将复合相变材料、铜合金及钢基体放置好；将放置好的试样放入到加热炉中，以氮气为保护气，首先升温至800～900℃并保温20～30min，然后升温至熔铸温度1080～1180℃并保温30～60min；在熔铸过程中，当铜合金熔化后，液态铜合金与钢基体发生原子间互扩散，实现铜钢双金属的连接；
步骤2、加热过程完成后，取出试样并用冷却水从钢基体底部进行冷却；
在步骤1的熔铸过程中，复合相变材料中的熔盐发生固态向液态的转变从而吸收并储存热量；在步骤2的冷却过程中，复合相变材料中的熔盐发生液态向固态的转变从而将储存的热量释放出来，起到保温作用，使得冷却过程中构造出液态铜合金的底部先凝固、上表面最后凝固的顺序凝固条件。
2.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于：在所述复合相变材料中各原料的质量百分比为：熔盐10％～30％，硬脂酸0.5％～2％，硼砂1％～5％，余量为SiO2。
3.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于：所述球磨的转速为200r/min，球磨时间为1～2h。
4.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于：所述压制成型的压力为20～50MPa、保压时间为5～15min。
5.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于：所述烧结是在氨气分解气氛的保护下，首先以3℃/min的升温速率从室温升到200℃并保温30～60min，随后以5℃/min的升温速率升到1050℃并保温1～2h。
6.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于：步骤1中的升温速率为5℃/min。
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