CN114289703A - 钢基表面复合高强度超耐磨铜合金的铸造方法及其复合合金和应用 - Google Patents
钢基表面复合高强度超耐磨铜合金的铸造方法及其复合合金和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种钢基表面复合高强度超耐磨铜合金的铸造方法及其复合合金和应用，其铸造方法包括：将铜合金熔融后浇铸在经表面清洁和预热处理的钢基体表面，随后保温至钢基体的温度达到1100℃以上，最后将钢基体取出进行高频振动和/或离心处理。本发明所提供的铸造方法所用的铜合金强度高且耐磨性超强，其化学成分使其更易与钢基体紧密结合，能够解决现有钢铜复合技术中产品复合界面强度不高、综合机械性能不够和使用寿命过短等常见技术难题；通过后处理能使钢基体、铜合金结合更紧密和均匀，提高复合界面强度，提升产品综合性能，能彻底解决目前民用或尖端特种工业中存在的产品使用寿命过短、高温失效、高温“抱死”等等技术难题。
Description
技术领域
本发明属于金属合金的锻造技术领域，更具体地，涉及一种钢基表面复合高强度超耐磨铜合金的铸造方法及其复合合金和应用。
背景技术
目前，常用的铜合金大都为铸造铜合金，而蜗轮、螺母、滑动导套等构件也大都是采用镶嵌等方法将钢基与铜合金结合使用。随着社会的进步和制造业的发展，对铸件的使用环境、工作速度、承载能力、精度、耐受温度等都较传统机械提出了更高的要求。
虽然也有一些高强度超耐磨铜合金等实用型铜合金研发问世，但受限于熔点低与综合机械性能不高等缺陷，铸造铜合金越来越无法满足机械装备的要求；此外，也有人进行了钢铜复合合金的研发，但不是钢基的抗拉强度不够就是铜合金的耐磨性不强，只能适用于普通的机械零件，而对于尖端工业，就不能胜任了。
北京航天化工研究所有一种安全阀用的调整螺钉，它的前端是一个球形工作面，要求硬度为HRC 35-40，是靠外径的螺纹来进行调整的。用单一的2Cr13不锈钢材料，螺钉在往复运动中会与螺母发生粘连；如果螺纹改用铜合金，其余用2Cr13不锈钢，就要做成铜合金与不锈钢镶嵌的形式，而这种镶嵌连接的机械强度并不可靠，同时，螺纹整体使用铜合金，也浪费铜合金材料，并且，铜合金的布氏硬度一般在HB110左右，抗拉强度小于550Mpa，其机械性能也难以维持设备的长期稳定运行，需要频繁更换；改用铜合金ZCuAl9Fe4Ni4Mn2，其布氏硬度在HB160，抗拉强度在587Mpa(GB/T1176-1987)，但不能与钢进行复合。在其他尖端工业领域也存在着类似问题，目前仍没有很好的解决办法。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
针对现有技术所存在的不足，本发明提供了一种钢基表面复合高强度超耐磨铜合金的铸造方法及其复合合金和应用，能彻底解决现有技术中产品复合界面强度不高、综合机械性能不够和使用寿命过短等常见技术难题；同时，该铸造方法无须复杂的碱煮、酸洗等过度清洁处理，无须喷涂硼砂溶液等抗氧化剂或浸铜处理，具有工序简单和操作简便的特点。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种钢基表面复合高强度超耐磨铜合金的铸造方法，包括：
将铜合金熔融后浇铸在依次经表面清洁和预热处理的钢基体的表面，随后保温直至钢基体的温度达到1100℃以上，最后将钢基体取出进行后处理；
所述后处理为高频振动和/或离心处理。
具体地，在上述技术方案中，所述钢基体的表面清洁是为了清除钢基体表面的氧化层或锈蚀层，其中，清除的方式可以具有多种，在本发明中并不作具体限定，且不需过度清洁，优选使用钢丝刷清理钢基体的表面。
在上述技术方案中，所述后处理的时间为2-4min。
优选地，在上述技术方案中，所述高频振动的频率和振幅分别为90-200Hz和0.1-3mm。
优选地，在上述技术方案中，所述离心处理的转速为190-5000rpm。
在上述技术方案中，所述铜合金由以下成分组成：Cu 56-75wt％，Al 3-10wt％，Fe0.5-5wt％，Mn 0.2-5wt％，Ni 0.01-5wt％，其余为Zn。
在上述技术方案中，所述钢基体为碳素钢或合金结构钢。
再进一步地，在上述技术方案中，在所述浇铸的过程中，控制浇铸炉的炉温为1100-1150℃，且所述浇铸在钢基体置于浇铸炉后的30s内完成。
在本发明的一个优选实施方式中，将所述铜合金熔融并浇铸在钢基体的表面后，钢基体的保温是在密闭环境中进行。
又进一步地，在上述技术方案中，所述铜合金熔融得到温度为1060-1150℃的熔融铜液后，浇铸在钢基体的表面。
详细地，在浇铸后，所述熔融铜液应包覆实际应用中钢基体所必须覆铜的位置即可。
在本发明的一个优选实施方式中，表面经过浇铸后的钢基体在浇铸炉内保温20-35min后温度达到1100℃以上。
还进一步地，在上述技术方案中，所述钢基表面复合高强度超耐磨铜合金的铸造方法还包括，在所述钢基体的温度快速(在3-5min之内)达到1100℃以上之后，继续保温5-10min。
在本发明的具体实施方式中，所述预热处理的温度和时间分别为300-600℃和小于15min。
本发明另一方面还提供了由上述铸造方法加工得到的钢铜复合合金。
具体地，上述钢铜复合合金的界面强度为550Mpa以上。
本发明又一方面还提供了上述铸造方法或上述钢铜复合合金在特种工业零部件加工中的应用。
与现有的钢铜复合合金相比，本发明将钢基体与高强度超耐磨铜合金复合，弥补了钢与铜合金的各自缺陷，提升了复合合金的整体机械性能；在实际使用中，该钢铜复合合金能够解决现有技术中产品复合界面强度不高、综合机械性能不够和使用寿命过短等常见技术难题；与镶嵌连接相比，该钢铜复合合金极大地减少了用铜量，能够有效节约国家重要战略金属资源；此外，本发明提供的方法具有工艺简单、操作方便和可以进行批量生产的优点。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)在本发明所提供的锻造方法中，在浇铸之前，钢基体的表面无须经复杂的碱煮和酸洗等过度清洁处理，使用钢丝刷清理即可，简单易行；
(2)在本发明所提供的锻造方法中，在浇铸之前，所述钢基体的表面无需涂覆任何的涂层，现有技术中一般需要使用钢基体防氧化的涂料，如硼砂溶液等；
(3)本发明所提供的钢基表面复合高强度超耐磨铜合金的铸造方法所用的铜合金强度高且耐磨性超强，其化学成分使其更易与钢基体紧密结合，能够解决现有钢铜复合技术中产品复合界面强度不高、综合机械性能不够和使用寿命过短等常见技术难题；
(4)本发明所提供的钢基表面复合高强度超耐磨铜合金的铸造方法通过高频振动和离心能够使得钢基体、铜合金结合地更加紧密和均匀，可进一步提高复合界面强度，提升产品综合机械性能，极大延长产品使用寿命。
附图说明
图1是本发明实施例中所采用的钢铜复合合金的铸造方法的工艺流程图；
图2是本发明应用例1中钢基复合铜合金双金属阀杆螺母剖面示意图；
图3是本发明应用例2中钢基复合铜合金双金属调整螺钉剖面示意图；
图4是本发明应用例1中钢基复合铜合金双金属阀杆在拉伸试验被拉断后的样品照片；
图5是本发明应用例1中钢基复合铜合金双金属阀杆在拉伸试验被拉断后从阀杆螺母中旋出的样品照片；
图6是本发明应用例1中钢基复合铜合金双金属阀杆在拉伸试验被拉断后将阀杆螺母切开后的样品照片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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。
实施例中，如无特别说明，所用手段均为本领域常规的手段。
本文中所用的术语“包含”、“包括”或其任何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
本发明实施例提供了一种钢基表面复合高强度超耐磨铜合金的铸造方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
S1、将管状钢基体的表面进行清洁；
S2、随后在425℃下预热12min；
S3、将铜合金加热熔融得到温度为1120℃的熔融铜液，并在将钢基体置于1140℃的熔融炉中的30S内，将熔融铜液浇铸在钢基体的表面，随后将熔融炉密封后保温25min直至钢基体的温度＞1100℃；
S4、将钢基体取出，在2500rpm转速下离心3min。
具体地，所述钢基体的材质为市售45#碳素钢。
具体地，所述铜合金由以下成分组成：Cu 67.5wt％，Al 7wt％，Fe 2.5wt％，Mn3wt％，Ni 2wt％，Zn 18wt％。
实施例2
本发明实施例提供了一种钢基表面复合高强度超耐磨铜合金的铸造方法，具体包括以下步骤：
S1、将管状钢基体的表面进行清洁；
S2、随后在360℃下预热15min；
S3、将铜合金加热熔融得到温度为1080℃的熔融铜液，并在将钢基体置于1100℃的熔融炉中的30S内，将熔融铜液浇铸在钢基体的表面，随后将熔融炉密封后保温30min直至钢基体的温度＞1100℃；
S4、将钢基体取出，在频率180Hz和振幅0.25mm下振动3min。
具体地，所述钢基体的材质为市售40Cr合金结构钢。
具体地，所述铜合金由以下成分组成：Cu 72.5wt％，Al 9wt％，Fe 0.8wt％，Mn0.5wt％，Ni 0.2wt％，Zn 17wt％。
实施例3
本发明实施例提供了一种钢基表面复合高强度超耐磨铜合金的铸造方法，具体包括以下步骤：
S1、将管状钢基体的表面进行清洁；
S2、随后在580℃下预热15min；
S3、将铜合金加热熔融得到温度为1150℃的熔融铜液，并在将钢基体置于1150℃的熔融炉中的30S内，将熔融铜液浇铸在钢基体的表面，随后将熔融炉密封后保温22min直至钢基体的温度＞1100℃，继续保温5min；
S4、将钢基体取出，在3600rpm转速下离心1.5min。
具体地，所述钢基体的材质为市售2Cr13合金结构钢。
具体地，所述铜合金由以下成分组成：Cu 60wt％，Al 4.5wt％，Fe 5wt％，Mn4.5wt％，Ni 4.5wt％，Zn 21.5wt％。
对比例1
本发明对比例提供了一种钢基表面复合高强度超耐磨铜合金的铸造方法，其具体步骤与实施例1类似，区别仅在于，所述铜合金由以下成分组成：Cu 82.5wt％，Al 4wt％，Fe2.5wt％，Mn 7.5wt％，Ni 2wt％，Zn 1.5wt％。
对比例2
本发明对比例提供了一种钢基表面复合高强度超耐磨铜合金的铸造方法，其具体步骤与实施例2类似，区别仅在于，将熔融铜液浇铸在钢基体的表面后，尚未等到钢基体的温度＞1100℃，就将钢基体取出，在频率180Hz和振幅0.25mm下振动3min。
采用拉力实验方法检测实施例1-3和对比例1-2铸造得到的钢铜复合合金的界面强度，结果如下表1所示。
表1钢铜复合合金的界面强度
应用例1钢基复合铜合金双金属阀杆螺母
其结构如图2所示；具体地，阀杆螺母的规格：外径105mm，内梯形螺纹Tr 44×7，长度150mm。
钢基复合铜合金双金属阀杆螺母的浇铸，步骤如下：
(1)使用45#优质碳素钢加工成螺母体工件，用钢丝刷去除内表面氧化层；
(2)螺母体置于箱式炉中充分预热，温度为450℃，预热时间为20min；
(3)将预热后的螺母体并模具放入上开式高温炉中，高温炉预设温度为1100℃。
(4)立刻浇铸熔融铜液包覆钢基体内表面，熔融铜液的化学成分为：Cu 57wt％，Al3wt％，Fe 2wt％，Mn 1wt％，Ni 0.05wt％，Zn 36.95wt％；铜液浇铸温度为1060℃；浇铸后密闭保温20min，至工件整体温度达到1100℃，继续保温5min以促进渗透复合。
(5)将达到温度的工件快速转移至密封式离心机上进行离心，转速为2800rpm，时间为3min，至熔融铜液完全凝固；
(6)将冷却后的工件进行加工，以达到图纸要求。
根据设计要求，该工件的机械性能通过华夏阀门有限公司企业标准进行检测，结果如表2所示。
表2拉伸试验和破坏性试验数据
结果表明：前10次≥160KN拉伸试验后，塞规检查阀杆螺母的梯形螺纹及钢铜结合处均完好；持续施加拉力至614.7KN时，试验用拉杆被拉断，图4、5和6分别是钢基复合铜合金双金属阀杆在拉伸试验被拉断后的样品照片、从阀杆螺母中旋出的样品照片和将阀杆螺母切开后的样品照片，从图4-6中可以看出，阀杆螺母的梯形螺纹及钢铜结合处完好。
应用例2钢基复合铜合金双金属调整螺钉
其结构如图3所示；调整螺钉的规格：外齿M 95×3，内径40mm，长度220mm。
钢基复合铜合金双金属调整螺钉的浇铸，其步骤如下：
(1)使用2Cr13不锈钢加工成调整螺钉主体，用钢丝刷去除外表面氧化层，放入外径120mm、内径112mm、长度240mm的模具中；
(2)调整螺钉主体并模具置于箱式炉中充分预热，温度为500℃，预热时间20min；
(3)将预热后的调整螺钉主体并模具放入上开式高温炉中，高温炉预设温度为1150℃；
(4)立刻浇铸熔融铜液包覆图纸中钢基体所须覆铜位置，熔融铜液的化学成分为：Cu 61wt％，Al 3wt％，Fe 1wt％，Mn 1wt％，Ni 0.03wt％，Zn 33.97wt％；铜液浇铸温度为1150℃，浇铸后密闭保温20min，至工件整体温度达到1150℃，继续保温5min以促进渗透复合；
(5)将达到温度的工件快速转移至高频振动机上进行振动，振动频率为120Hz，振幅为0.5mm，持续3min，至熔融铜液完全凝固。
(6)将冷却后的工件进行加工，以达到图纸要求。
根据设计要求，依据北京航天化工研究所企业标准，该工件的机械性能评价如下。
试验要求：抗拉强度＞635Mpa，球形工作面HRC 35～40。
试验结果：抗拉强度＞750Mpa，球形工作面HRC 40，合格。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。
应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种钢基表面复合高强度超耐磨铜合金的铸造方法，其特征在于，
包括：
将铜合金熔融后浇铸在依次经表面清洁和预热处理的钢基体的表面，随后保温直至钢基体的温度达到1100℃以上，最后将钢基体取出进行后处理；
所述后处理为高频振动和/或离心处理。
2.根据权利要求1所述的钢基表面复合高强度超耐磨铜合金的铸造方法，其特征在于，
所述后处理的时间为2-4min；
优选地，所述高频振动的频率和振幅分别为90-200Hz和0.1-3mm，和/或，所述离心处理的转速为190-5000rpm。
3.根据权利要求1所述的钢基表面复合高强度超耐磨铜合金的铸造方法，其特征在于，
所述铜合金由以下成分组成：Cu 56-75wt％，A13-10wt％，Fe 0.5-5wt％，Mn 0.2-5wt％，Ni 0.01-5wt％，其余为Zn；
和/或，所述钢基体为碳素钢或合金结构钢。
4.根据权利要求1-3任一项所述的钢基表面复合高强度超耐磨铜合金的铸造方法，其特征在于，
在所述浇铸的过程中，控制浇铸炉的炉温为1100-1150℃，且所述浇铸在钢基体置于浇铸炉后的30s内完成；
优选地，将所述铜合金熔融并浇铸在钢基体的表面后，钢基体的保温是在密闭环境中进行。
5.根据权利要求1-4任一项所述的钢基表面复合高强度超耐磨铜合金的铸造方法，其特征在于，
所述铜合金熔融得到温度为1060-1150℃的熔融铜液后，浇铸在钢基体的表面；
优选地，表面经过浇铸后的钢基体在浇铸炉内保温20-35min后温度达到1100℃以上。
6.根据权利要求4或5所述的钢基表面复合高强度超耐磨铜合金的铸造方法，其特征在于，
还包括，在所述钢基体的温度达到1100℃以上之后，继续保温5-10min。
7.根据权利要求1-6任一项所述的钢基表面复合高强度超耐磨铜合金的铸造方法，其特征在于，
所述预热处理的温度和时间分别为300-600℃和小于15min。
8.一种钢铜复合合金，其特征在于，
由权利要求1-7任一项所述的铸造方法加工得到。
9.权利要求8所述的钢铜复合合金，其特征在于，
所述钢铜复合合金的界面强度为大于550MPa。
10.权利要求1-7任一项所述的铸造方法或权利要求8-9任一项所述的钢铜复合合金在特种工业零部件加工中的应用。
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