WO2012024885A1 - 离心法制造金属基复合双金属制品的方法 - Google Patents

离心法制造金属基复合双金属制品的方法 Download PDF

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刘明强
刘芳
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Liu Mingqiang
Liu Fang
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D13/00—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force
    • 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
    • B22D19/16—Casting in, on, or around objects which form part of the product for making compound objects cast of two or more different metals, e.g. for making rolls for rolling mills

Definitions

  • the invention belongs to the field of metal-based composite bimetal manufacturing technology, and particularly relates to a method for manufacturing a metal-based composite bimetal product by centrifugation.
  • the worm gear in the worm gear reducer are usually made of precious anti-wear material copper alloy.
  • the overall casting type, larger size worm gear Or the gears are in the form of ring gear bolt connection or ring gear casting.
  • the latter two methods must thicken the size of the copper alloy ring gear, which can save some precious metals.
  • the bolt connection must have the matching precision requirement, and the casting mold has casting defects, which often cause the strength to drop. The safety factor is reduced and the quality is difficult to guarantee. For this reason, designers try to use a pressure casting method to composite steel and copper alloys. After the experiment, the pressure casting method cannot be implemented on such products for the following reasons:
  • the most important feature of pressure casting is high-speed high-pressure.
  • the principle is to first cast the copper alloy liquid into the die-casting machine and then die-cast it into the mold by the die-casting machine. Since the upper limit of the casting temperature of the die-casting machine is 950 °C, When this temperature is exceeded, there will be many technical problems, such as the strength of the equipment and the mold will change, the temperature will be too high, the equipment and the mold will be deformed, and under high pressure, it is prone to safety accidents.
  • the wear-resistant copper alloy layer has a melting temperature of more than 95 (TC) and thus cannot be produced by a pressure casting method.
  • the technical problem to be solved by the present invention is to provide a method for manufacturing a metal-based composite bimetal product by a centrifugal method which is simple in process, low in cost, reliable in quality, saves a large amount of copper alloy, and can be mass-produced.
  • the utility model is realized by the following technical solution - that is, a method for manufacturing a metal-based composite bimetal product by centrifugation, which comprises the following steps:
  • Centrifugal compounding Place the mold on the centrifuge and perform centrifugal compounding until the composite metal in the molten state becomes solid;
  • the flow guiding holes penetrate the outer and inner circles of the inner core of the metal base.
  • the metal base inner core is provided with a weight reducing hole, and the flow guiding hole penetrates the outer circle and the weight reducing hole of the metal base inner core.
  • the number of the orifices is 3 to 200, and the diameter of the orifice is 2 mm to 300 mm.
  • the preheating temperature is 380 ° C to 480 ° C
  • the preheating time is 30 minutes to 120 minutes.
  • the temperature of the electric furnace is such that the composite metal is in a molten state, and the time of permeation recombination is 45 minutes to 120 minutes.
  • the speed of the centrifuge is 354 rpm to 3000 rpm, and the time is from 0.5 minutes to 120 minutes.
  • the metal specified by the process is processed into a desired metal-based inner core, and the remaining amount of the composite metal is left, a plurality of flow guiding holes are processed on the metal-based inner core, and the metal-based inner core is placed in a mold to be preheated, and then The molten composite metal is cast in a mold, and after a period of heat preservation, a bimetallic interpenetration effect is formed, and then the mold is placed in a centrifuge to perform centrifugal compounding, and the molten composite metal is subjected to centrifugal force.
  • the flow guiding hole flows out to the outer circle of the metal-based inner core.
  • the molten composite metal can only form a dense composite metal layer in the outer core of the metal-based inner core, and is centrifuged until the molten composite metal becomes solid.
  • the composite metal in the flow guiding hole is formed as a metal pin, and the metal pin is more closely combined with the outer metal composite core and the metal base inner core.
  • the invention has a plurality of flow guiding holes on the inner core of the metal base. Under the action of the centrifuge, the molten composite metal flows outward from the inner circle (or the weight reducing hole) of the inner core of the metal base through the guiding hole to make the composite
  • the metal composite centrifugation method has become a reality, and has the advantages of simple process, convenient operation, mass production, stable and reliable quality, and reduced product cost.
  • the composite metal in the flow guiding hole of the metal-based inner core of the invention is cooled to become a metal pin, and the metal-based inner core outer composite metal and the metal-based inner core are more closely connected together, thereby further improving The composite strength.
  • the composite metal after centrifugation has no casting defects such as pores, blisters, and looseness, and improves the compactness of the composite metal and enhances the comprehensive performance of the composite metal.
  • the following is an example of a pinion in a valve electric actuator.
  • the gear has a diameter of C 45mm, an inner diameter of ⁇ 2 12mm, a thickness of 10mm, and a tooth height of 2mm.
  • the original gears are all made of copper alloy ZHA166-6-3-2, which is costly.
  • the above gear is manufactured using the method of the present invention, and the steps are as follows:
  • the preheating temperature is 380 ⁇ 390 ⁇ , and the preheating time is 30 minutes.
  • the inner core is opened by three flow guiding holes for the molten copper alloy, in the centrifugal operation, the copper alloy in the flow guiding hole is cooled to a solid state, and three copper pins are formed, and the composite copper alloy layer and the inner core are formed. Together, it strengthens the bond strength between the composite copper alloy layer and the inner core.
  • the test report of Tianjin Electromechanical Industry Metal Materials Testing Center proves that the gear made by the method of the invention has a tensile strength of 700Mpa and a hardness of HB232, and the performance is much higher than that of the same brand of copper alloy of GB1176-74. (Tensile strength 637, hardness HB160), the gear produced by the present invention is greatly reduced in cost because its inner core is made of carbon steel and only the outer layer composite copper alloy ZHA166-6-3-2.
  • the worm wheel has a diameter of ⁇ 295mm, an inner diameter of C 45mm and a thickness of 40mm.
  • the original technology is entirely cast using copper alloy ZHA166-6-3-2.
  • the above worm gear is manufactured using the method of the present invention, and the steps are as follows:
  • the preheating temperature is 400 °C ⁇ 420 °C, and the preheating time is 40 ⁇ 50 minutes;
  • the centrifuge Place the mold on the centrifuge, calculate the rotation speed of the centrifuge according to the gravity multiple of the workpiece and the inner radius of the casting.
  • the centrifugation time is preferably 5 minutes.
  • the inner core is opened by six flow guiding holes for the molten copper alloy, in the centrifugal operation, the copper alloy in the guiding hole is cooled to form a solid state, and six copper pins are formed, and the composite copper alloy layer and the inner core are formed. Together, it strengthens the bond strength between the composite copper alloy layer and the inner core.
  • the test report of Tianjin Electromechanical Industry Metal Materials Testing Center proves that the gear made by the method of the invention has a tensile strength of 700Mpa and a hardness of HB232, and its performance is much higher than that of GB1176-74. Copper alloy (tensile strength 637, hardness HB160), the worm wheel produced by the present invention is greatly reduced in cost because its inner core is made of carbon steel and only the outer layer composite copper alloy ZHA166-6-3-2.
  • the diameter of the worm wheel is ⁇ 2 1200mm. Because it is too large, there are 10 uniform weight reduction holes on the worm wheel. The maximum diameter of the 10 weight reduction holes is ⁇ i 800mm and the thickness is 300mm.
  • the above worm gear is manufactured using the method of the present invention, and the steps are as follows:
  • the preheating temperature is 450 °C ⁇ 480 °C, and the preheating time is 120 minutes;
  • the molten copper alloy QAL9-4 was cast in a mold at a temperature of 1200 ° C.
  • the cast mold was placed in an electric furnace for infiltration compounding, the temperature of the electric furnace was 1200 ° C, and the time of the infiltration recombination was 120 minutes.
  • the present invention is not limited to the above embodiments, and the present invention can also be applied to the manufacture of other kinds of metal-based composite bimetallic articles.

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Description

离心法制造金属基复合双金属制品的方法 技术领域
本发明属于金属基复合双金属制造技术类领域， 具体涉及一种离心法制造金属基复合 双金属制品的方法。
背景技术
目前， 在蜗轮减速机中的蜗轮， 以及一些重要的齿轮传动中的齿轮， 都常用贵重的减 磨材料铜合金来制作， 对尺寸较小的蜗轮或齿轮采用整体浇铸式， 尺寸较大的蜗轮或齿轮 多釆用齿圈螺栓连接式或齿圈拼铸式等形式。 后两种方法为了保证蜗轮或齿轮的使用强 度， 就要加厚铜合金齿圈的尺寸， 能够节约部分贵重金属， 此外螺栓连接要有配合精度要 求， 拼铸式存在铸造缺陷， 往往造成强度下降， 安全系数降低， 质量难以保证， 为此设计 人员尝试使用压力浇铸的方法来复合钢基与铜合金。 经实验， 压力铸造法不能实施于此类 产品， 其原因如下：
1 )压力浇铸最重要的特点是高速高压， 其原理是先将铜合金液浇注到压铸机中， 再由 压铸机压铸到模具中去， 由于压铸机的浇注温度的上限为 950°C , —旦超过这个温度， 会 出现很多技术问题， 比如设备和模具的强度会发生变化， 温度过高， 设备和模具会出现变 形， 在高压下， 容易出现安全事故。 耐磨铜合金层的熔融温度超过 95(TC， 因此无法利用 压力浇铸法来制造。
2) 压铸设备复杂， 压铸模具造价昂贵， 投资大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种加工工艺简单、 成本低、 质量可靠、 节约大量铜 合金， 并能进行批量生产的离心法制造金属基复合双金属制品的方法。
本实用新型是采用以下的技术方案实现的- 即一种离心法制造金属基复合双金属制品的方法， 其特征在于包括如下步骤：
1 ) 打孔： 在金属基内芯上打导流孔；
2) 预热： 将金属基内芯放入模具中， 放入电炉中预热；
3 ) 渗透复合： 在模具内浇铸熔融的复合金属， 进行渗透复合；
4) 离心复合： 将模具放在离心机上， 进行离心复合， 直至熔融状态的复合金属变为 固态；
5 ) 冷却；
6) 冷却后从模具中取出毛坯， 进行后续加工。 作为本发明的一个优选方案： 所述导流孔贯通金属基内芯的外圆和内圆。 作为本发明的一个优选方案： 所述金属基内芯上设有减重孔， 所述导流孔贯通金属基 内芯的外圆和减重孔。
作为本发明的一个优选方案： 导流孔的数量为 3~200个， 导流孔的直径为 2 mm ~300mm。
作为本发明的一个优选方案： 预热温度为 380°C~480°C， 预热时间为 30分钟 ~120分 钟。
作为本发明的一个优选方案： 渗透复合时， 电炉的温度要使复合金属处于熔融状态， 渗透复合的时间为 45分钟〜 120分钟。
作为本发明的一个优选方案： 离心复合时， 离心机的转速为 354转 /分〜 3000转 /分， 时 间为 0.5分钟〜 120分钟。
本发明的工作原理如下：
用工艺指定的金属加工成所需要的金属基内芯， 并留出复合金属的余量， 在金属基内 芯上加工多个导流孔，将金属基内芯放入模具中预热，再将熔融的复合金属浇铸在模具中， 经过一段时间的保温， 就形成了双金属相互渗透的作用， 然后将模具放入离心机中， 进行 离心复合， 熔融的复合金属经过离心的作用力， 通过导流孔向金属基内芯的外圆流出， 由 于模具的限制， 熔融的复合金属只能在金属基内芯外圆形成一层致密的复合金属层， 离心 直至熔融的复合金属变为固态后， 导流孔内的复合金属就形成为金属销， 金属销把金属基 内芯外圆的复合金属和金属基内芯更紧密的联在一起。
本发明在金属基内芯上开设多个导流孔， 在离心机的作用下， 熔融的复合金属由金属 基内芯的内圆 （或减重孔） 经导流孔流向外圆， 使复合金属复合离心法变为现实， 具有工 艺简单、 操作方便、 可以进行批量生产、 质量稳定可靠、 降低产品成本的优点。 本发明的 金属基内芯的导流孔中的复合金属冷却后变为金属销， 把金属基内芯外圆的复合金属和金 属基内芯之间更紧密的联在一起， 这样就更提高了复合强度。 经离心后的复合金属没有气 孔、 砂眼、 疏松等铸造缺陷， 并提高了复合金属的密实度， 增强了复合金属的耐磨性等综 合性能。
具体实施方式
实施例 1
下面是制作阀门电动执行器中的小齿轮为例说明本实施例。
该齿轮的直径为 C 45mm, 内径 <2 12mm， 厚度为 10mm, 齿高 2mm， 原先齿轮全部采 用铜合金 ZHA166-6-3-2， 成本高。 使用本发明所述的方法制造上述齿轮， 其步骤如下：
1 ) 在 C 32mm的碳钢材质的内芯上打 3个 <22mm的导流孔， 所述导流孔贯通内芯的 外圆和内圆；
2) 将内芯放入模具中， 放入电炉中预热， 预热温度为 380Ό~390Ό , 预热时间为 30 分钟；
3 )在模具内浇铸熔融状态的铜合金 ZHA166-6-3-2,温度为 1080°C， 将浇铸完毕的模具 放入电炉中进行渗透复合， 电炉的温度为 1050°C， 渗透复合的时间为 45分钟。
4) 将模具放在离心机上， 根据工件的重力倍数和铸件的内半径， 计算出离心机的转 速， 上述转速按照《机械工程手册》表 39-6-54取重力倍数为 180， 内半径为 1.6 cm， 由下 述公式 "n=299 V^ "算出， 离心机的转速为 2990转 /分 3000转 /分， 启动离心机对模 具进行离心旋转， 直至熔融的铜合金 ZHA166-6-3-2变为固态， 离心时间优选 0.5分钟。
5) 离心完毕后将模具从离心机上取下， 自然冷却；
6) 冷却后从模具中取出钢铜复合毛坯， 进行后续加工。
由于内芯上开由 3个供熔融铜合金流动的导流孔， 在离心操作中， 导流孔内的铜合金 冷却成固态后就形成了 3个铜销， 将复合铜合金层和内芯联成了一个整体， 增强了复合铜 合金层与内芯之间的结合强度。
由天津市机电工业金属材料检测中心的检测报告证明， 采用本发明的方法制得的齿 轮， 其复合铜合金的抗拉强度为 700Mpa， 硬度 HB232, 性能远高于 GB1176-74同牌号的 铜合金（抗拉强度 637， 硬度 HB160), 使用本发明制得的齿轮由于其内芯采用碳钢， 仅外 层复合铜合金 ZHA166-6-3-2, 因此成本大大降低。
实施例 2
下面以核电站核岛内冷却水滤芯提拉装置中的蜗轮为例说明本实施例。
该蜗轮直径为 <295mm， 内径为 C 45mm， 厚度为 40mm， 原有技术是全部采用铜合金 ZHA166-6-3-2来整体铸造。
使用本发明所述的方法制造上述蜗轮， 其步骤如下：
1 ) 在 (270mm的碳钢材质的内芯上打 6个 <28mm的导流孔， 所述导流孔贯通内芯的 外圆和内圆；
2)将内芯放入模具中，放入电炉中预热，预热温度为 400°C〜420°C ,预热时间为 40~50 分钟；
3 )在模具内浇铸熔融状态的铜合金 ZHA166-6-3-2,温度为 1080°C , 将浇铸完毕的模具 放入电炉中进行渗透复合， 电炉的温度为 1050°C， 渗透复合的时间为 60分钟。
4) 将模具放在离心机上， 根据工件的重力倍数和铸件的内半径， 计算出离心机的转 速， 上述转速按照 《机械工程手册》 表 39-6-54取重力倍数为 70， 内半径为 3.5 cm, 由下 述公式 "n=299 V^ "算出， 离心机的转速为 1337转 /分， 启动离心机对模具进行离心旋 转， 直至熔融的铜合金 ZHA166-6-3-2变为固态， 离心时间优选 5分钟。
5 ) 离心完毕后将模具从离心机上取下， 自然冷却；
6) 冷却后从模具中取出钢铜复合毛坯， 进行后续加工。
由于内芯上开由 6个供熔融铜合金流动的导流孔， 在离心操作中， 导流孔内的铜合金 冷却形成固态后就形成了 6个铜销， 将复合铜合金层和内芯联成了一个整体， 增强了复合 铜合金层与内芯之间的结合强度。
由天津市机电工业金属材料检测中心的检测报告证明， 采用本发明的方法制得的齿 轮， 其复合铜合金的抗拉强度为 700Mpa， 硬度 HB232, 其性能要远高于 GB1176-74同牌 号的铜合金 （抗拉强度 637， 硬度 HB160), 使用本发明制得的蜗轮由于其内芯采用碳钢， 仅外层复合铜合金 ZHA166-6-3-2, 因此成本大大降低。
实施例 3
下面以大型海轮上使用的蜗轮减速机的蜗轮为例说明本实施例。
该蜗轮直径为 <2 1200mm， 由于其过于巨大， 因此在蜗轮上设有均布的 10个减重孔， 10个减重孔所围的最大直径为 <i 800mm， 厚度为 300mm。
使用本发明所述的方法制造上述蜗轮， 其步骤如下：
1 ) 在 1000mm的内芯上打 6个 (T 200mm的导流孔 （或 200个 C 10mm的导流孔)， 所述导流孔贯通内芯外圆和减重孔， 内芯的材质为铸铁 HT20-40或 20号碳钢；
2) 将内芯放入模具中， 放入电炉中预热， 预热温度为 450°C~480°C , 预热时间为 120 分钟；
3 ) 在模具内浇铸熔融状态的铜合金 QAL9-4,温度为 1200°C , 将浇铸完毕的模具放入 电炉中进行渗透复合， 电炉的温度为 1200°C， 渗透复合的时间为 120分钟。
4) 将模具放在离心机上， 根据工件的重力倍数和铸件的内半径， 计算出离心机的转 速， 上述转速按照《机械工程手册》表 39-6-54取重力倍数为 70， 内半径为 50cm， 由下述 公式 " n=299 ^7 "算出， 离心机的转速为 354转约等于 350转 /分， 启动离心机对模具 进行离心旋转， 直至熔融的铜合金 QAL9-4变为固态， 离心时间优选 120分钟。
5 ) 离心完毕后将模具从离心机上取下， 自然冷却； 6) 冷却后从模具中取出钢铜复合毛坯， 进行后续加工。
由于内芯上开由 6个 （或 200个） 供熔融铜合金流动的导流孔， 在离心操作中， 导流 孔内的铜合金冷却形成固态后就形成了 6个 （或 200个） 铜销， 将复合铜合金层和内芯联 成了一个整体， 增强了复合铜合金层与内芯之间的结合强度。
本发明不局限于以上实施例， 本发明还可以应用于制造其他种类的金属基复合双金属 制品。

Claims

1、 一种离心法制造金属基复合双金属制品的方法， 其特征在于包括如下步骤：
1 ) 打孔： 在金属基内芯上打导流孔；
2) 预热： 将金属基内芯放入模具中， 放入电炉中预热；
3 ) 渗透复合： 在模具内浇铸熔融的复合金属， 进行渗透复合；
4)离心复合：将模具放在离心机上，进行离心复合，直至熔融状态的复合金属变为固态;
5 ) 冷却；
6) 冷却后从模具中取出毛坯， 进行后续加工。
2、根据权利要求 1所述的离心法制造金属基复合双金属制品的方法， 其特征在于所述导 流孔贯通金属基内芯的外圆和内圆。
3、根据权利要求 1所述的离心法制造金属基复合双金属制品的方法， 其特征在于所述金 属基内芯上设有减重孔， 所述导流孔贯通金属基内芯的外圆和减重孔。
4、根据权利要求 1所述的离心法制造金属基复合双金属制品的方法， 其特征在于导流孔 的数量为 3~200个， 导流孔的直径为 2 mm ~300mm。
5、根据权利要求 1所述的离心法制造金属基复合双金属制品的方法， 其特征在于预热温 度为 380°C~480°C， 预热时间为 30分钟 ~120分钟。
6、根据权利要求 1所述的离心法制造金属基复合双金属制品的方法， 其特征在于渗透复 合时， 电炉的温度要使复合金属处于熔融状态， 渗透复合的时间为 45分钟〜 120分钟。
7、根据权利要求 1所述的离心法制造金属基复合双金属制品的方法， 其特征在于离心复 合时， 离心机的转速为 354转 /分〜 3000转 /分， 时间为 0.5分钟〜 120分钟。
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