CN114921683B - 一种钟形罩用自加压钢铜双金属及其节能型制造方法 - Google Patents

一种钟形罩用自加压钢铜双金属及其节能型制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钟形罩用自加压钢铜双金属及其节能型制造方法，该钟形罩用自加压钢铜双金属的钢制部分采用精锻中碳低合金钢制造，其尺寸外形与设计尺寸一致，内腔直径大于设计最终尺寸1.0mm‑1.4mm，金相组织为屈氏体组织，锻造流线为原精锻流线；铜质部分通过0.08mm‑0.12mm的镍过渡层与钢质部分内腔紧密贴合，材料为铸造铝青铜QAL10‑4‑4，组织为充分固溶后时效的α基体上弥散分布的硬质β相和Km相的组织形态，铜质部分含过渡层的厚度为0.5mm‑0.7mm。本发明是钢铜双金属的、摩擦学性能好、实现性好、成本低、节约能源、双金属材料共性热处理，有着优良的综合机械性能。

Description

一种钟形罩用自加压钢铜双金属及其节能型制造方法
技术领域
本发明涉及汽车用材料技术领域，尤其涉及一种钟形罩用自加压钢铜双金属及其节能型制造方法。
背景技术
现有技术中的钢铜双金属成型只有两种成型方式，一个是高真空下物理加压的长时间真空扩散焊接、一种是铜汁浇铸，这两种方式的设备成本、生产耗能均很高，工艺控制却较难，因而限制了钢铜双金属在低附加值汽车领域的应用。
球笼也叫做“等速万向节”，是轿车传动系统中的重要部件，其作用是将发动机的动力从变速器传递到驱动轮，驱动轿车高速行驶。用于轿车的等速万向节类型很多，其中应用最多的是球笼式等速万向节和三角架式等速万向节，它主要有滑套、三向轴、传动轴、星形套、保持架、钟形壳主要零件组成。由于等速万向节传递繁重的驱动力矩，随受负荷重，传动精度高，需求量很大，又是安全件，因此现市售球笼的钟形壳或大部分专利技术的钟形壳均采用精锻件加工而成，优化的工艺是球笼内腔采用高频淬火+低温回火提升耐磨性。
在球笼滚珠与钟形罩内腔在含二硫化钼润滑油介质环境内摩擦的特定工作环境下，内腔与滚珠接触部位采用铜质材料由于是铝青铜时其摩擦学性能会明显更好，具体原因如下：1、根据材料性质，铜材含油吸油性能较好，一方面更利于润滑，一方面利于冷启动时的干摩擦性能；2、由于铜软钢硬，轴承运转时的自我修正性更好；3、铜质材料更适合刮削等操作，易于贴合及形成油膜；4、运转时，摩擦面下的粒子的相容性更好，通俗地解释就是磨屑可以被压入铜质的软机体，而不会作为新的硬质点加剧磨损。
但目前无论是市售产品还是专利技术的球笼用钟形罩均未采用钢铜摩擦副，究其原因有三：1、钢铜扩散焊接成本高昂，不利于低附加值产品生产；2、钢铜双金属热处理条件不同，难以同时获得最佳材料学性能；3、这项技术构思本身就如同窗户低，未捅穿前难以想到。因此市场上需要一种钢铜双金属的、摩擦学性能好、实现性好、成本低、节约能源、双金属材料共性热处理的钟形罩用自加压钢铜双金属。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明旨在提供一种钢铜双金属的、摩擦学性能好、实现性好、成本低、节约能源、双金属材料共性热处理的钟形罩用自加压钢铜双金属。
为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种钟形罩用自加压钢铜双金属的制造方法，包括以下阶段：
1）原材料准备
①准备钢坯：准备与钟形罩设计尺寸相当的精锻中碳低合金钢毛坯，并将其内腔加工至内腔直径不小于30mm（这里限定的实际上是可适用钟形罩的规格，太小的钟型罩由于尺寸小，热膨胀带来的尺寸变形就小，挤压力就不够了，因而不能适用于本发明）且按轴线对称分布且大于设计最终尺寸1.0mm～1.4mm，内表面粗糙度Ra0.08～Ra0.32，获得钢坯；
②准备直径大于步骤①所述钢坯内腔直径的铝青铜QAl10-4-4棒；
③准备电镀镍槽及相应槽液；
2）钢铜挤压件的制造
①采用GB/T 8923.1-2011中Sa2的喷射处理标准对阶段1）步骤①准备的钢坯内表面进行喷砂处理，处理完后采用无水乙醇清洗干净，采用阶段1）步骤③准备的电镀镍槽及相应槽液对钢坯内表面进行镀镍处理，镀镍厚度0.08mm～0.12mm，获得待用钢坯；
②将阶段1）步骤②准备的铝青铜QAl10-4-4棒机械加成与步骤①获得的待用钢坯内腔尺寸相适应、与待用钢坯内腔形状对应的外表面机械抛光至粗糙度Ra0.01～Ra0.04且铝青铜制件外径大于待用钢坯内腔直径0.18mm～0.20mm，获得温室状态下的待用铝青铜芯；
③将步骤①获得的待用钢坯加热至650℃～680℃后，将步骤②获得的铝青铜芯嵌入热膨胀后的待用钢坯内腔，获得所需过盈配合钢铜挤压件；
3）双合金扩散焊接并热处理
①将阶段2）获得的过盈配合钢铜挤压件投放在真空热处理炉内，抽真空至1×10～3Pa～1×10～2Pa后，加热至原钢坯所用精锻中碳低合金钢对应Ac3温度之上30℃～50℃，以钟形罩设计最厚处的厚度d、单位mm计，保温（35+2d）min/mm～（40+2d）min/mm，然后采用4bar～6bar的氮气气冷淬火，获得淬火/固溶/扩散焊双合金；
②对步骤①获得的淬火/固溶/扩散焊双合金立即采用～70℃～～50℃的温度冷处理1h，获得稳定化双合金；
③采用空气电阻炉对步骤②获得的稳定化双合金进行处理，处理温度450℃～480℃，保温2h～3h后出炉空冷至室温，即获得所需双金属钟形罩毛坯；
4）钢铜双金属制钟形罩的机械成型
①将阶段3）获得的双金属钟形罩毛坯按设计尺寸精镗成型并去毛刺至内腔表面粗糙度Ra0.04～Ra0.08；
②对双金属钟形罩毛坯内腔表面进行电抛光处理后采用矿物油浸泡保温170℃～180℃，8h～10h进行除氢处理，即获得最终成型的钢铜双金属制钟形罩。
按上述方法制造的钟形罩用自加压钢铜双金属，该钟形罩用自加压钢铜双金属的钢制部分采用精锻中碳低合金钢制造，其尺寸外形与设计尺寸一致，内腔直径大于设计最终尺寸1.0mm～1.4mm，金相组织为屈氏体组织，锻造流线为原精锻流线；铜质部分通过0.08mm～0.12mm的镍过渡层与钢质部分内腔紧密贴合，材料为铸造铝青铜QAl10-4-4，组织为充分固溶后时效的α基体上弥散分布的硬质β相和Km相的组织形态，铜质部分含过渡层的厚度为0.5mm～0.7mm。
与现有技术相比较，由于采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：（1）不同于同时申请的另一份发明，本发明选择了将涉及环保领域的生产集中在电镀领域，这样方便减少环保要求对生产带来的不利影响（毕竟需要控制的就只有电镀工艺一种），以此为牺牲换取更高的生产精度、更简单的工艺控制、更高产品的可靠性和使用寿命。（2）不同于现有技术的钢铜双金属采用高真空下物理加压的长时间真空扩散焊接或是铜汁浇铸带来的设备成本高、生产耗能高、工艺控制较难的即有局限，本发明通过充分利用材料性能的线膨胀系数差及不同金属层间的亲和性，最优化地选择了几种原材料匹配，其中大于30mm内腔直径的中碳低合金钢，其室温时的线膨胀系数约为1.2×10～5(1/℃)，随着温度逐渐升至650℃～680℃，其线膨胀系数也逐渐升至约1.5×10～5(1/℃)，即使只采用室温时的低膨胀系数计算，直径30mm的钢坯内腔直径在升温至650℃时也增大了0.2268mm，因而创造了与小于室温下内腔直径0.18mm～0.20mm的铝青铜芯过盈配合可能性，这个就提供了一定的紧度；然后过盈配合嵌好后，在阶段3）时的真空热处理中又升温至约850℃（Ac3以上30℃～50℃），这时还是按30mm的尺寸计算，由于铜的线膨胀系数大于钢，室温下本发明所用铝青铜的线膨胀系数为1.76×10～5(1/℃)，在升温至850℃时又提供了不低于0.1mm的过盈紧度，就给了真空下扩散焊接足够大的自紧压力，无需再物理加压等。（3）本发明所选用的铝青铜QAl10-4-4化学成份按中间数计约含10%的铝、4%的镍、4%的铁，从成份就可以看出与镍中间层和钢基体有良好的亲和性（含有含量不低的铁和镍），虽然现有技术中一般认为铝青铜QAl10-4-4不适合“钎焊”，但本领域众所周知的事实是钎焊与扩散焊是两种完全不同的情况，“钎焊”需求的是材料与钎料之间的“浸润性”与钎料本身的“流动性”，扩散焊接需求的就仅仅是材料间的“原子亲和性”，因而本发明所选的材料的扩散焊性能好。（4）不同于现有技术钟形罩所采用钢～钢配磨结构，以中碳钢的钟形罩对应轴承钢材质的滚珠，机械磨损量大且随着时间延长磨损（磨屑增加，增加磨损），具体原因是：根据材料性质，铜中的铝是无法固溶进铜基体的，因此在铜中铝以游离单质的形态存在，而众所周知的是，在与钢磨配时，铝本身的自润滑性很好，能极大地减小摩擦系数，降低磨损，提升使用寿命；铜材含油吸油性能较好，一方面更利于润滑，一方面利于冷启动时的干摩擦性能；由于铜软钢硬，轴承运转时的自我修正性更好；铜质材料更适合刮削等操作，易于贴合及形成油膜；运转时，摩擦面下的粒子的相容性更好，通俗地解释就是磨屑可以被压入铜质的软机体，而不会作为新的硬质点加剧磨损。（5）不同于常规铜钢双金属扩散焊接或铜汁浇铸能源消耗大、成本高昂、工艺要求极高（一般至少要求表面粗糙度不高于Ra0.02，真空度不低于超高真空的1×10～5Pa或采用高真空下液态铜金属液进行浇铸），本发明通过一次真空热处理同时完成了钢的淬火～铜的固溶～钢铜扩散焊接三个技术目的，且温度匹配刚刚好，但即使如此，本发明的钢～铜间结合力也远低于高成本的钢铜真空扩散焊接（本发明实测钢铜接口处抗拉断强度为120MPa～150MPa，而钢铜真空扩散焊接一般要求不低于200MPa），但根据测算与实况模拟，汽车球笼的工况强度远不及航空器的结构部件（钢铜真空扩散焊接一般用于航空器重要部件），分解为层间撕扯力计算只需要保证本发明的钢铜不低于84MPa的抗拉断强度就能在安全系数为1.5（即计算数值最高56MPa，设计50%的余度防止超负荷运转）的条件下保证使用可靠性了。（6）本发明选择的是钢制部分采用精锻中碳低合金钢制造，铜质部分为铸造铝青铜QAl10-4-4的材料设计，这两种材料在各自的技术领域中都属于较常用的材料，但之所以选用这两种材料就是为了材料学性能的极致保留和发挥，中碳低合金钢以40Cr、5CrNiMo等为代表，Ac3线一般在800℃～850℃之间，本发明选用的这种材料，在之后的真空热处理中实际上是钢的充分淬火（结合Ac3温度最高850℃，正好也是本发明所用铝青铜的固溶温度范围）复合中温回火（450℃～480℃对处于淬火马氏体的钢而言是转变成强韧结合的屈氏体，对本发明的铝青铜而言是析出硬质β相和Km相的时效温度），正好较好地找到了钢铜的最优热处理平衡点，获得了性能较优异的钢铜双合金，而最后的450℃～480℃回火/时效处理温度可以钢的表面充分发蓝（又称发黑）处理温度，在空气电阻炉中处理省却了防腐蚀处理工序，节约了成本。（7）本发明选择的材料匹配及相应处理在本领域没有应用，但是明显的本发明采用的材料本身及相应的处理都属于常规材料和常规处理，成本不高、经济性好，相较于高大上的其它双金属材料虽然性能上较差，但相对于常规的钢～钢匹配的球笼用钟形罩则要优异许多，具体体现在：同等工况下正常寿命为钢～钢匹配的三至五倍、不易产生异响、可靠性高、抗疲劳性能更好（主要得益于锻造流线的保留、喷砂带来的钢铜结合处压应力、铜的缓冲及铝青铜时效析出强化相后本身优异的耐磨性能）。因此本发明具有钢铜双金属的、摩擦学性能好、实现性好、成本低、节约能源、双金属材料共性热处理的特性，有着优良的综合机械性能。
具体实施方式
实施例1：
一种钟形罩用自加压钢铜双金属，该钟形罩用自加压钢铜双金属的钢制部分采用精锻40CrNiMoA制造，其尺寸外形与设计尺寸一致，内腔直径大于设计最终尺寸1.0mm，金相组织为屈氏体组织，锻造流线为原精锻流线；铜质部分通过0.08mm～0.12mm的镍过渡层与钢质部分内腔紧密贴合，材料为铸造铝青铜QAl10-4-4，组织为充分固溶后时效的α基体上弥散分布的硬质β相和Km相的组织形态，铜质部分含过渡层的厚度为0.5mm。
上述一种钟形罩用自加压钢铜双金属的制造方法，包括以下阶段：
1）原材料准备
①准备钢坯：准备与钟形罩设计尺寸相当的精锻中碳低合金钢毛坯，并将其内腔加工至内腔直径50mm且按轴线对称分布且大于设计最终尺寸1.0mm～1.4mm，内表面粗糙度Ra0.08～Ra0.32，获得钢坯；
②准备直径大于步骤①所述钢坯内腔直径的铝青铜QAl10-4-4棒；
③准备电镀镍槽及相应槽液；
2）钢铜挤压件的制造
①采用GB/T 8923.1～2011中Sa2的喷射处理标准对阶段1）步骤①准备的钢坯内表面进行喷砂处理，处理完后采用无水乙醇清洗干净，采用阶段1）步骤③准备的电镀镍槽及相应槽液对钢坯内表面进行镀镍处理，镀镍厚度0.08mm～0.12mm，获得待用钢坯；
②将阶段1）步骤②准备的铝青铜QAl10-4-4棒机械加成与步骤①获得的待用钢坯内腔尺寸相适应、与待用钢坯内腔形状对应的外表面机械抛光至粗糙度Ra0.01～Ra0.04且铝青铜制件外径大于待用钢坯内腔直径0.18mm～0.20mm，获得温室状态下的待用铝青铜芯；
③将步骤①获得的待用钢坯加热至650℃～680℃后，将步骤②获得的铝青铜芯嵌入热膨胀后的待用钢坯内腔，获得所需过盈配合钢铜挤压件；
3）双合金扩散焊接并热处理
①将阶段2）获得的过盈配合钢铜挤压件投放在真空热处理炉内，抽真空至1×10～3Pa～1×10～2Pa后，加热至850℃，以钟形罩设计最厚处的厚度10mm计，保温60min，然后采用4bar～6bar的氮气气冷淬火，获得淬火/固溶/扩散焊双合金；
②对步骤①获得的淬火/固溶/扩散焊双合金立即采用～50℃的温度冷处理1h，获得稳定化双合金；
③采用空气电阻炉对步骤②获得的稳定化双合金进行处理，处理温度480℃，保温3h后出炉空冷至室温，即获得所需双金属钟形罩毛坯；
4）钢铜双金属制钟形罩的机械成型
①将阶段3）获得的双金属钟形罩毛坯按设计尺寸精镗成型并去毛刺至内腔表面粗糙度Ra0.04～Ra0.08；
②对双金属钟形罩毛坯内腔表面进行电抛光处理后采用矿物油浸泡保温180℃，10h进行除氢处理，即获得最终成型的钢铜双金属制钟形罩。
实施例2
整体与实施例1一致，差异之处在于：
一种钟形罩用自加压钢铜双金属，该钟形罩用自加压钢铜双金属的钢制部分采用精锻40Cr制造，其尺寸外形与设计尺寸一致，内腔直径大于设计最终尺寸1.4mm，金相组织为屈氏体组织，锻造流线为原精锻流线；铜质部分通过0.08mm～0.12mm的镍过渡层与钢质部分内腔紧密贴合，材料为铸造铝青铜QAl10-4-4，组织为充分固溶后时效的α基体上弥散分布的硬质β相和Km相的组织形态，铜质部分含过渡层的厚度为0.7mm。
上述一种钟形罩用自加压钢铜双金属的制造方法，包括以下阶段：
1）原材料准备
①准备钢坯：准备与钟形罩设计尺寸相当的精锻中碳低合金钢毛坯，并将其内腔加工至内腔直径30mm且按轴线对称分布且大于设计最终尺寸1.4mm，内表面粗糙度Ra0.08～Ra0.32，获得钢坯；
3）双合金扩散焊接并热处理
①将阶段2）获得的过盈配合钢铜挤压件投放在真空热处理炉内，抽真空至1×10～3Pa～1×10～2Pa后，加热至840℃，以钟形罩设计最厚处的厚度15mm计，保温65min，然后采用4bar～6bar的氮气气冷淬火，获得淬火/固溶/扩散焊双合金；
②对步骤①获得的淬火/固溶/扩散焊双合金立即采用～70℃的温度冷处理1h，获得稳定化双合金；
③采用空气电阻炉对步骤②获得的稳定化双合金进行处理，处理温度450℃，保温2h后出炉空冷至室温，即获得所需双金属钟形罩毛坯；
4）钢铜双金属制钟形罩的机械成型
②对双金属钟形罩毛坯内腔表面进行电抛光处理后采用矿物油浸泡保温170℃，8h进行除氢处理，即获得最终成型的钢铜双金属制钟形罩。
实施例3
整体与实施例1一致，差异之处在于：
3）双合金热处理
②对步骤①获得的淬火/固溶双合金立即采用～70℃的温度冷处理1h，获得稳定化双合金；
③采用空气电阻炉对步骤②获得的稳定化双合金进行处理，处理温度450℃，保温2h后出炉空冷至室温，即获得所需双金属钟形罩毛坯；
对所公开的实施例的上述说明，仅为了使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种钟形罩用自加压钢铜双金属，其特征在于：该钟形罩用自加压钢铜双金属的钢制部分采用精锻中碳低合金钢制造，其尺寸外形与设计尺寸一致，内腔直径大于设计最终尺寸1.0mm～1.4mm，金相组织为屈氏体组织，锻造流线为原精锻流线；铜质部分通过0.08mm～0.12mm的镍过渡层与钢质部分内腔紧密贴合，材料为铸造铝青铜QAl10-4-4，组织为充分固溶后时效的α基体上弥散分布的硬质β相和Km相的组织形态，铜质部分含过渡层的厚度为0.5mm～0.7mm；
上述钟形罩用自加压钢铜双金属的节能型制造方法，包括以下阶段：
1)原材料准备
①准备钢坯：准备与钟形罩设计尺寸相当的精锻中碳低合金钢毛坯，并将其内腔加工
至内腔直径不小于30mm且按轴线对称分布且大于设计最终尺寸1.0mm～1.4mm，内表面粗糙度Ra0.08～Ra0.32，获得钢坯；
②准备直径大于步骤①所述钢坯内腔直径的铝青铜QAl10-4-4棒；
③准备电镀镍槽及相应槽液；
2)钢铜挤压件的制造
①采用GB/T8923.1-2011中Sa2的喷射处理标准对阶段1)步骤①准备的钢坯内表面进行喷砂处理，处理完后采用无水乙醇清洗干净，采用阶段1)步骤③准备的电镀镍槽及相应槽液对钢坯内表面进行镀镍处理，镀镍厚度0.08mm～0.12mm，获得待用钢坯；
②将阶段1)步骤②准备的铝青铜QAl10-4-4棒机械加成与步骤①获得的待用钢坯内腔尺寸相适应、与待用钢坯内腔形状对应的外表面机械抛光至粗糙度Ra0.01～Ra0.04且铝青铜制件外径大于待用钢坯内腔直径0.18mm～0.20mm，获得温室状态下的待用铝青铜芯；
③将步骤①获得的待用钢坯加热至650℃～680℃后，将步骤②获得的铝青铜芯嵌入热膨胀后的待用钢坯内腔，获得所需过盈配合钢铜挤压件；
3)双合金扩散焊接并热处理
①将阶段2)获得的过盈配合钢铜挤压件投放在真空热处理炉内，抽真空至1×10-3Pa～1×10-2Pa后，加热至原钢坯所用精锻中碳低合金钢对应Ac3温度之上30℃～50℃，以钟形罩设计最厚处的厚度d、单位mm计，保温(35+2d)min/mm～(40+2d)min/mm，然后采用4bar～6bar的氮气气冷淬火，获得淬火/固溶/扩散焊双合金；
②对步骤①获得的淬火/固溶/扩散焊双合金立即采用～70℃～～50℃的温度冷处理1h，获得稳定化双合金；
③采用空气电阻炉对步骤②获得的稳定化双合金进行处理，处理温度450℃～480℃，保温2h～3h后出炉空冷至室温，即获得所需双金属钟形罩毛坯；
4)钢铜双金属制钟形罩的机械成型
①将阶段3)获得的双金属钟形罩毛坯按设计尺寸精镗成型并去毛刺至内腔表面粗糙度Ra0.04～Ra0.08；
②对双金属钟形罩毛坯内腔表面进行电抛光处理后采用矿物油浸泡保温170℃～180℃，8h～10h进行除氢处理，即获得最终成型的钢铜双金属制钟形罩。
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