CN113102731B - 一种压制硼砂在铜钢双金属熔铸工艺中的使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种压制硼砂在铜钢双金属熔铸工艺中的使用方法，是将硼砂进行脱水处理和颗粒细化后，与氟化钾和碳酸钠混合并压制成硼砂块，然后将硼砂块用于铜钢双金属熔铸过程中。本发明的方法中，硼砂可以起到去氧化、防氧化、保温和构造顺序凝固条件的作用，且通过对硼砂的压制降低了硼砂的体积、减少了其对钢基体尺寸的依赖。

Description

一种压制硼砂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，具体涉及一种压制硼砂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，尤其在轴套、衬套、柱塞泵关键零部件、大中型冲压模具导向零件等中有着关键应用。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。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。但在熔铸的过程中，存在着刚处理的表面再次被氧化的风险，以不锈钢为例：室温干燥空气中，新鲜表面1min即可生产10埃的氧化膜并维持稳定，从而影响铜和钢元素的相互扩散。而双金属熔铸试样在入炉过程中，由于炉膛温度过高对流辐射散发出高额热量，试样入炉的过程中亦会加剧氧化过程。同时熔铸结束后还面临着缩松缩孔等常见的铸造缺陷。
发明内容
基于上述现有技术所存在的不足之处，本发明提供一种压制硼砂在铜钢双金属熔铸工艺中的使用方法，旨在通过对硼砂的使用方法进行设计，使其可以起到去氧化、防氧化、保温和构造顺序凝固条件的作用。
本发明为实现发明目的，采用如下技术方案：
一种压制硼砂在铜钢双金属熔铸工艺中的使用方法，其特点在于：将硼砂进行脱水处理和颗粒细化后，与氟化钾和碳酸钠混合，然后压制成硼砂块；将所述硼砂块用于铜钢双金属熔铸过程中。具体包括如下步骤：
步骤1、将硼砂在350-400℃保温20-40min，以去除结晶水，然后研磨或球磨至颗粒大小为100-200目。
步骤2、将经步骤1处理后的硼砂与氟化钾、碳酸钠混合均匀；对所得混合粉末进行压制，获得硼砂块；在所述混合粉末中，氟化钾的质量百分比占5-10％，碳酸钠的质量百分比占5-10％，余量为硼砂；所述压制的压力为30-200MPa、保压时间为1-10min，所得硼砂块的致密度为40-90％。
步骤3、按照从上至下依次为铜合金、硼砂块及钢基体的顺序，将铜合金、硼砂块及钢基体放置好；将放置好的试样放入到加热炉中，以纯度不小于99.999％的氮气为保护气，首先以10℃/min的速率升温至硼砂可熔融分解出酸性氧化物的温度(880℃)并保温20-30min，然后以5℃/min的速率升温至熔铸温度(1050-1150℃)并保温20-40min；熔融后硼砂层厚度在1mm以上；在熔铸过程中，当铜合金熔化后，由于密度差别(硼砂密度2.75g/cm3小于铜合金密度8.913g/cm3)硼砂层将携带氧化物上浮至铜合金表面，液态铜合金与钢基体发生原子间互扩散，从而形成具有一定强度的结合层，实现铜钢双金属的连接；
步骤4、熔铸完成后，取出试样并用冷却水从钢基体底部进行冷却，硼砂层的保温效果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。
本发明的有益效果体现在：
1、本发明的方法中，通过将硼砂压制成具有一定强度的硼砂块，使得硼砂粉末体积大为缩减，减少了对钢基体凹槽深度的依赖，节约了材料。
2、本发明的方法中，在硼砂呈现熔融态的温度保温10-30min，硼砂熔融后会分解出酸性氧化物，可以充分去除钢基体表面氧化物，避免钢基体被氧化而阻碍铜和钢原子间扩散。
3、本发明的方法中，硼砂熔融层上浮到铜合金表面，即可以隔绝空气与铜合金接触，又起到一定的保温作用，从而在冷却凝固时构造成“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，避免了凝固过程中的诸多铸造缺陷。
4、本发明硼砂块的成分包括硼砂、氟化钾和碳酸钠，其中硼砂在800℃以下粘度大、流动性不好，氟化钾可以提高去膜能力、降低硼砂熔点和表面张力，使其流动性变好，碳酸钠可以增加氧化物的溶解度。
附图说明
图1为钢基体、铜合金、硼砂块的熔铸过程示意图；
图2为实施例1所得样品线切割后铜层表面状态图；
图3为实施例1所得样品中结合面处的SEM像；
图4为实施例1所得样品中结合面处的显微状态图，图中(a)、(b)对应不同放大倍数；
图5为实施例1所得样品结合面不同位置处的剪切强度。
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明显易懂，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
一种压制硼砂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、在石墨坩埚内加入硼砂，将石墨坩埚安装到感应加热炉上，400℃保温30min，以去除结晶水；然后将硼砂球磨至颗粒大小为100-200目。
步骤2、将经步骤1处理后的硼砂与氟化钾、碳酸钠混合均匀，获得混合粉末。在混合粉末中，氟化钾的质量百分比占5％，碳酸钠的质量百分比占5％，余量为硼砂；
对所得混合粉末进行压制，压制的压力为50MPa、保压时间为5min、压制的硼砂质量9.14g，获得致密度为56％硼砂块。
步骤3、在超声波振动清洗机中利用无水乙醇清洗钢基体(45#钢的凹槽直径46mm，9.14g硼砂的熔融层在凹槽内的厚度为2mm)和铜试样(ZCuPb10Sn10)，清洗时间5min。如图1所示，按照从上至下依次为铜合金、硼砂块及钢基体的顺序，将铜合金、硼砂块及钢基体放置好；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，首先以10℃/min的速率升温至880℃并保温30min，然后以5℃/min的速率升温至1050℃并保温30min。
步骤4、保温结束后，取出试样并用冷却水从钢基体底部进行快速冷却，凝固结束后通过线切割去除铜层上表面部分及硼砂。
图2为线切割后保留3mm铜层位置处的状态，未发现缩松缩孔等缺陷。图3为铜钢结合面处的SEM像，上侧为钢下侧为铜，可以看出铜钢双金属结合面处状态良好，未有缩松缩孔出现。图4为结合面处显微状态图，上侧为铜下侧为钢，结合面处未有缩松缩孔，铅的分布较为均匀。图5的剪切面尺寸2×15mm，可以看出双金属结合面的剪切强度在200MPa左右。
实施例2
一种压制硼砂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、在石墨坩埚内加入硼砂，将石墨坩埚安装到感应加热炉上，400℃保温30min，以去除结晶水；然后将硼砂球磨至颗粒大小为100-200目。
步骤2、将经步骤1处理后的硼砂与氟化钾、碳酸钠混合均匀，获得混合粉末。在混合粉末中，氟化钾的质量百分比占5％，碳酸钠的质量百分比占5％，余量为硼砂；
对所得混合粉末进行压制，压制的压力为40MPa、保压时间为5min、压制硼砂质量6.85g，获得致密度为48％硼砂块。
步骤3、在超声波振动清洗机中利用无水乙醇清洗钢基体(45#钢凹槽直径46mm，6.85g硼砂的熔融层在凹槽内的厚度为1.5mm)和铜试样(ZCuPb10Sn10)，清洗时间5min。如图1所示，按照从上至下依次为铜合金、硼砂块及钢基体的顺序，将铜合金、硼砂块及钢基体放置好；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，首先以10℃/min的速率升温至880℃并保温20min，然后以5℃/min的速率升温至1100℃并保温30min。
步骤4、保温结束后，取出试样并用冷却水在钢基体底部进行快速冷却，凝固结束后通过线切割去除铜层上表面部分及硼砂。
经表征，本实施例所得样品的双金属结合面处状态良好、剪切强度高，未有缩松缩孔出现。
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)

1.一种压制硼砂在铜钢双金属熔铸工艺中的使用方法，其特征在于：将硼砂进行脱水处理和颗粒细化后，与氟化钾和碳酸钠混合，然后压制成硼砂块；将所述硼砂块用于铜钢双金属熔铸过程中；具体包括如下步骤：
步骤1、将硼砂在350-400℃保温20-40min，以去除结晶水，然后研磨或球磨至颗粒大小为100-200目；
步骤2、将经步骤1处理后的硼砂与氟化钾、碳酸钠混合均匀；对所得混合粉末进行压制，获得硼砂块；
步骤3、按照从上至下依次为铜合金、硼砂块及钢基体的顺序，将铜合金、硼砂块及钢基体放置好；将放置好的试样放入到加热炉中，以氮气为保护气，首先升温至硼砂可熔融分解出酸性氧化物的温度并保温20-30min，然后升温至熔铸温度并保温20-40min；在熔铸过程中，当铜合金熔化后，由于密度差别硼砂层将携带氧化物上浮至铜合金表面，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4、熔铸完成后，取出试样并用冷却水从钢基体底部进行冷却。
2.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于：在步骤2所述混合粉末中，氟化钾的质量百分比占5-10％，碳酸钠的质量百分比占5-10％，余量为硼砂。
3.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于：步骤2中，所述压制的压力为30-200MPa、保压时间为1-10min，所得硼砂块的致密度为40-90％。
4.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于：步骤3中，所述硼砂可熔融分解出酸性氧化物的温度为880℃。
5.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于：步骤3中，熔融后硼砂层厚度在1mm以上。
6.根据权利要求1所述的使用方法，其特征在于：步骤3中，所述熔铸温度为1050-1150℃。
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