CN115722653A - 一种提高锡-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高锡‑钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，属于复合金属铸造技术领域；方法为：先在钢基体表面镀铜；在镀铜后的钢基体表面附着一层表面改性剂；之后进行干燥预热；将预热好的钢基体置于温度为350‑400℃的纯锡锡浴熔体中进行热浸；将热浸好的钢基体浇铸锡基巴氏合金熔体，制得锡‑钢双金属复合材料；本发明方法通过在钢基体表面建立铜层、改性剂和锡层，在三层中间层的基础上浇铸锡基巴氏合金熔体，提高了镀锡层的完整性，制得的锡‑钢双金属复合材料界面结合处无缺陷，解决了锡‑钢双金属固液复合铸造界面结合强度低的问题。
Description
技术领域
本发明属于复合金属铸造技术领域，涉及一种提高锡-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法。
背景技术
锡基巴氏合金用作轴承材料已有 160 年之久，是大型机械主轴主要使用的材料。主要应用于大型机械主轴的轴瓦、轴承、轴衬、轴套（[孙艳明. 巴氏合金性能与分析[J].广东化工, 2012, 39(1):2.）。如：水泥机械、钢铁机械、化工机械、造纸机械、石油机械、船舶机械、压缩机械、煤矿机械、选矿设备等，还可以用在大型机床上来取代黄铜，效果也很好。
锡基巴氏合金耐磨性好但耐热性较差，而且成本较高，将其与韧性好、强度高、加工性能、力学性能优异、价廉的碳钢采用一定的工艺方法使它们之间良好的连接起来形成双金属复合材料来使用，不但大幅度降低了工业成本，同时很好地提高了工具的性能，具有很高的实用价值。锡-钢双金属复合材料同时具有锡基巴氏合金良好的摩擦磨损性能，且能承受高负载，综合力学性能好，适用性极强。
传统的锡-钢双金属制备工艺是仅仅在巴氏合金和钢基体之间镀一层锡来实现二者的冶金结合（王建梅, 王尧, 项丹,等. 基于Materials Studio锡基巴氏合金与钢体结合性分析[C]// 全国摩擦学大会. 2013.）。尽管此方法制备的锡-钢双金属复合材料实现了所谓的冶金结合，但往往由于其结合强度低的原因，无法在大型机械设备使用，从而限制了锡-钢双金属的工业化发展前景。
现有专利CN 111961914 B公开了一种锡青铜-钢双金属复合材料，其包括铜合金层和钢基体，所述钢基体的表面具有镀铜层；铜合金层由以下组分按重量百分比组成：锡11％～13％、镍4.5％～5.5％、铅2.5％～3.5％，和余量的铜。还公开了锡青铜-钢双金属复合材料的制备方法，是在钢基体的一个平面进行镀铜处理，在钢基体的表面形成镀铜层；将钢基体具有镀铜层的一面朝向锡青铜粉末压坯，然后将钢基体放置于锡青铜粉末压坯上，采用梯度升温的方式进行加热烧结，制备得到。主要是利用了梯度升温的方法，生成α+δ的共析组织，以提高界面结合性能。但该技术还是针对铜钢两种金属复合，锡与铜的性质不同，采取该方法对锡钢双金属界面结合强度未能得到有效提高。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种提高锡-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法。以解决锡-钢双金属固液复合铸造界面结合强度低的问题。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种提高锡-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，包括以下步骤：
1）在钢基体表面镀铜。
2）配置表面改性剂，所述表面改性剂包括质量百分比浓度为：30-40％的饱和ZnCl2溶液、5-10％的饱和NH4Cl溶液，2-5％的饱和CeCl3溶液，2-3%饱和KF溶液，其余为水；在镀铜后的钢基体表面附着一层表面改性剂；之后进行干燥预热。
3）将预热好的钢基体置于温度为350-400℃的纯锡锡浴熔体中进行热浸。
4）将热浸好的钢基体浇铸锡基巴氏合金熔体，制得锡-钢双金属复合材料。
优选的，采用电镀方法在钢基体表面镀铜。
优选的，铜镀层的厚度为20-25μm。
优选的，在镀铜之前将钢基体表面进行机械，物理和化学处理，除去表面的氧化皮和油渍。
优选的，所述的干燥预热是在温度为250-300℃的烘箱中对附着了表面改性剂的钢基体进行烘烤干燥3-5min。
优选的，所述热浸的处理时间为1-3min。
优选的，所述浇铸采用的模具的预热温度为250-300℃。
优选的，所述锡基巴氏合金熔体的温度为430-460℃。
优选的，对镀铜之后的钢基体先采用化学溶液清洗之后，再进行附着表面改性剂的处理。
更优的，所述的采用化学溶液清洗是：配制10％NaOH溶液和10％HCl溶液分别置于水温为70℃的超声清洗机中，将电镀好的钢基体先于NaOH溶液超声清洗2min，取出冲洗干净后继续于HCl溶液中超声清洗2min，取出冲洗干净后在酒精中超声清洗2min，取出吹干待用。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
本发明采用钢基体表面镀铜可以有效防止基体表面氧化，同时也可以改变界面结构，促进冶金结合的实现。在镀层的表面附着一层致密的改性剂，一方面可以防止在镀铜后的表面产生二次氧化，另一方面增加了镀层表面的润湿性，有利于纯锡先与基体发生扩散，从而保证镀层表面实现充分的热浸挂锡处理。
本发明通过先镀铜，载附着一层盐类的化合物改性剂，防止基体表面发生氧化影响纯锡与钢基体的扩散，这样在基体进行热浸处理后，避免了镀层不完整的现象，起到对钢基体表面的完全保护，防止氧化行为的出现，从而保证了镀锡层的完整，进一步保证了锡-钢双金属复合材料冶金结合的实现。
本发明方法通过在钢基体表面建立铜层、改性剂和锡层，在三层中间层的基础上浇铸锡基巴氏合金熔体，制得的锡-钢双金属复合材料界面结合处无缺陷，且结合良好，界面的剪切强度，达到62.38MPa。
附图说明
图1为实施例1制得的锡-钢双金属复合材料的金相图。
图2为对比例1制得的锡-钢双金属复合材料的金相图。
图3为对比例2制得的锡-钢双金属复合材料的金相图。
图4为实施例2制得的锡-钢双金属复合材料的金相图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，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。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
实施例1
本实施例提出一种锡-钢双金属固液复合铸造的方法，具体步骤为：
1、钢基体表面镀铜，且其镀层厚度为20μm。
2、配制10％NaOH溶液和10％HCl溶液分别置于水温为70℃的超声清洗机中，将电镀好的钢基体先于NaOH溶液超声清洗2min，取出冲洗干净后继续于HCl溶液中超声清洗2min，取出冲洗干净后在酒精中超声清洗2min，取出吹干待用。
3、配置表面改性剂，30％的饱和ZnCl2溶液，7％的饱和NH4Cl溶液，3％的饱和CeCl3溶液，2%饱和KF溶液，其余为水。将钢基体置于盛有改性剂的烧杯中，并且将烧杯置于保温温度为60℃的水浴锅中，静置5min，使钢基体表面附着一层致密得改性剂。
4、将处理好的钢基体置于保温温度为250℃的烘箱中干燥预热5min。
5、将预热好的钢基体置于保温温度为350℃的纯锡锡浴中热浸2min进行挂锡处理，实现双中间层的制备。
6、将制备好的钢基体置于预热温度为300℃的模具中，将熔体温度为460℃的锡基巴氏合金浇铸到模具中，从而实现锡-钢双金属复合材料的制备。
7、将制备好的复合材料进行机加处理，方便进行检测表征。图1给出了该工艺制得的锡-钢双金属复合材料的金相图，发现界面结合处无缺陷，且结合良好。从而进一步对性能进行测试，按照GB 12948-91方法测试复合材料的界面剪切强度，达到60.21MPa。
对比例1
本对比例是一种锡-钢双金属固液复合铸造的方法，具体步骤为：
1、钢基体表面镀铜，且其镀层厚度为20μm。
2、配制10％NaOH溶液和10％HCl溶液分别置于水温为70℃的超声清洗机中，将电镀好的钢基体先于NaOH溶液超声清洗2min，取出冲洗干净后继续于HCl溶液中超声清洗2min，取出冲洗干净后在酒精中超声清洗2min，取出吹干待用。
3、配置表面改性剂，35％的饱和ZnCl2溶液，5％的饱和NH4Cl溶液，5％的饱和CeCl3溶液，3%饱和KF溶液，其余为水。将钢基体置于盛有改性剂的烧杯中，并且将烧杯置于保温温度为60℃的水浴锅中，静置5min，使钢基体表面附着一层致密得改性剂。
4、将处理好的钢基体置于保温温度为280℃的烘箱中干燥预热4min。
5、将钢基体置于预热温度为250℃的模具中，将熔体温度为450℃的锡基巴氏合金浇铸到模具中，从而实现锡-钢双金属复合材料的制备。
6、将制备好的复合材料进行机加处理，方便进行检测表征。图2给出了该工艺制得的锡-钢双金属复合材料的金相图，发现界面结合处出现裂缝。进一步对性能进行测试，按照GB 12948-91方法测试复合材料的界面剪切强度，只有18.26MPa，发现该工艺制备的锡-钢双金属并没有实现冶金结合。
对比例2
本对比例是一种锡-钢双金属固液复合铸造的方法，具体步骤为：
1. 准备钢基体不进行电镀处理。
2. 配制10％NaOH溶液和10％HCl溶液分别置于水温为70℃的超声清洗机中，将钢基体先于NaOH溶液超声清洗2min，取出冲洗干净后继续于HCl溶液中超声清洗2min，取出冲洗干净后在酒精中超声清洗2min，取出吹干待用。
3. 配置表面改性剂，38％的饱和ZnCl2溶液，8％的饱和NH4Cl溶液，4％的饱和CeCl3溶液，2%饱和KF溶液，其余为水。将钢基体置于盛有改性剂的烧杯中，并且将烧杯置于保温温度为60℃的水浴锅中，静置5min，使钢基体表面附着一层致密得改性剂。
4. 将处理好的钢基体置于保温温度为300℃的烘箱中干燥预热3min。
5. 将预热好的钢基体置于保温温度为350℃的纯锡锡浴中热浸2min进行挂锡处理，实现双中间层的制备。
6. 将钢基体置于预热温度为300℃的模具中，将熔体温度为440℃的锡基巴氏合金浇铸到模具中，从而实现锡-钢双金属复合材料的制备。
7. 将制备好的复合材料进行机加处理，方便进行检测表征。图3给出了该工艺制得的锡-钢双金属复合材料的金相图，发现界面同样结合处无缺陷，且结合良好。从而进一步对性能进行测试，按照GB 12948-91方法测试复合材料的界面剪切强度，达到52.75MPa，发现该工艺制备的锡-钢双金属实现冶金结合，但界面结合强度有待提高。
实施例2
本实施例提出一种锡-钢双金属固液复合铸造的方法，具体步骤为：
1. 钢基体表面镀铜，且其镀层厚度为23μm。
2. 配制10％NaOH溶液和10％HCl溶液分别置于水温为70℃的超声清洗机中，将电镀好的钢基体先于NaOH溶液超声清洗2min，取出冲洗干净后继续于HCl溶液中超声清洗2min，取出冲洗干净后在酒精中超声清洗2min，取出吹干待用。
3. 配置表面改性剂，32％的饱和ZnCl2溶液，10％的饱和NH4Cl溶液，3％的饱和CeCl3溶液，2%饱和KF溶液，其余为水。将钢基体置于盛有改性剂的烧杯中，并且将烧杯置于保温温度为60℃的水浴锅中，静置5min，使钢基体表面附着一层致密得改性剂。
4. 将处理好的钢基体置于保温温度为270℃的烘箱中干燥预热4min。
5. 将预热好的钢基体置于保温温度为380℃的纯锡锡浴中热浸1min进行挂锡处理，实现双中间层的制备。
6. 将制备好的钢基体置于预热温度为300℃的模具中，将熔体温度为460℃的锡基巴氏合金浇铸到模具中，从而实现锡-钢双金属复合材料的制备。
将制备好的复合材料进行机加处理，方便进行检测表征。图4给出了该工艺制得的锡-钢双金属复合材料的金相图，发现界面结合处无缺陷，且结合良好。从而进一步对性能进行测试，按照GB 12948-91方法测试复合材料的界面剪切强度，达到62.38MPa。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (10)
1.一种提高锡-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）在钢基体表面镀铜；
2）配置表面改性剂，所述表面改性剂包括质量百分比浓度为：30-40％的饱和ZnCl2溶液、5-10％的饱和NH4Cl溶液，2-5％的饱和CeCl3溶液，2-3%饱和KF溶液，其余为水；在镀铜后的钢基体表面附着一层表面改性剂；之后进行干燥预热；
3）将预热好的钢基体置于温度为350-400℃的纯锡锡浴熔体中进行热浸；
4）将热浸好的钢基体浇铸锡基巴氏合金熔体，制得锡-钢双金属复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种提高锡-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，其特征在于，采用电镀方法在钢基体表面镀铜。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高锡-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，其特征在于，铜镀层的厚度为20-25μm。
4.根据权利要求1所述的一种提高锡-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，其特征在于，在镀铜之前将钢基体表面进行机械，物理和化学处理，除去表面的氧化皮和油渍。
5.根据权利要求1所述的一种提高锡-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，其特征在于，所述的干燥预热是在温度为250-300℃的烘箱中对附着了表面改性剂的钢基体进行烘烤干燥3-5min。
6.根据权利要求1所述的一种提高锡-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，其特征在于，所述热浸的处理时间为1-3min。
7.根据权利要求1所述的一种提高锡-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，其特征在于，所述浇铸采用的模具的预热温度为250-300℃。
8.根据权利要求1所述的一种提高锡-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，其特征在于，所述锡基巴氏合金熔体的温度为430-460℃。
9.根据权利要求1所述的一种提高锡-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，其特征在于，对镀铜之后的钢基体先采用化学溶液清洗之后，再进行附着表面改性剂的处理。
10.根据权利要求9所述的一种提高锡-钢双金属固液复合铸造界面结合强度的方法，其特征在于，所述的采用化学溶液清洗是：配制10％NaOH溶液和10％HCl溶液分别置于水温为70℃的超声清洗机中，将电镀好的钢基体先于NaOH溶液超声清洗2min，取出冲洗干净后继续于HCl溶液中超声清洗2min，取出冲洗干净后在酒精中超声清洗2min，取出吹干待用。
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| CN117483913A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-02-02 | 中国机械总院集团宁波智能机床研究院有限公司 | 一种双金属轴衬及其制备方法和应用 |
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| CN117483913B (zh) * | 2023-12-28 | 2024-04-09 | 中国机械总院集团宁波智能机床研究院有限公司 | 一种双金属轴衬及其制备方法和应用 |
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