CN115870479A - 一种超声电磁锡-钢双金属复合材料铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声电磁锡‑钢双金属复合材料铸造方法，属于复合金属铸造技术领域；方法为：将预热后的钢套置于温度为320℃‑360℃的液态纯锡熔体中处理20‑30s；所述液态纯锡熔体的外部设置有金属磁场线圈，使液态纯锡以及钢套的外部围绕有磁场；所述金属磁场线圈的电流为300‑400A，频率为1‑30Hz；同时液态纯锡通过超声振动进行处理；超声振动的频率为25KHz‑30KHz，功率为2‑5kw；将处理之后的钢套置于预热后的模具中，用锡基巴氏合金熔体浇铸到模具中，完成锡‑钢双金属复合材料的铸造；本发明保证了纯锡和锡基巴氏合金之间的连接能力，有效提高了锡‑钢的冶金结合强度。

Description

一种超声电磁锡-钢双金属复合材料铸造方法

技术领域

本发明属于复合金属铸造技术领域，涉及一种超声电磁锡-钢双金属复合材料铸造方法。

背景技术

随着工业技术的不断发展，单一金属材料或合金材料的综合性能已经很难满足一些现代化生产的需求。双金属复合材料是利用一种复合技术，将两种化学性能与物理性能有所不同的异质金属利用其各自的性能优势进行牢固结合而形成的一类新型材料，在特定制造领域具有广阔的应用前景。

锡-钢双金属复合材料同时具有锡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，实用性极强。工业中通常将巴氏合金贴附在钢背上做轴瓦衬，广泛应用于机械工业中，特别是在高速、中速和重载的轴承中应用甚多。双金属复合材料的界面结合强度直接影响着复合材料的性能，这就要求合金与钢基体必须紧密结合，一旦出现复合层界面局部脱落或熔化，将破坏连续油膜，轻则造成轴振动过大，重则导致轴瓦烧毁。所以，研究锡合金与钢的连接具有非常重要的工程意义。

目前锡-钢双金属的主要成型方法有：固-液复合铸造，扩散连接，挤压等方法。现在的锡-钢双金属复合铸造技术主要是利用热浸方法先于钢基体表面实现挂锡处理，而后通过纯锡与合金的结合实现锡-钢双金属的制备。此方法制备的锡-钢双金属无法实现界面完全的冶金结合，亦或是因结合强度低而在高工况工作中出现脱落现象。

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，提出一种超声电磁锡-钢双金属复合材料铸造方法，以提高锡-钢的冶金结合强度。

为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。

一种超声电磁锡-钢双金属复合材料铸造方法，包括以下步骤：

1）将预热后的钢套置于温度为320℃-360℃的液态纯锡熔体中处理20-30s；所述液态纯锡熔体的外部设置有金属磁场线圈，使液态纯锡以及钢套的外部围绕有磁场；所述金属磁场线圈的电流为300-400A，频率为1-30Hz；同时液态纯锡通过超声振动进行处理；超声振动的频率为25KHz-30KHz，功率为2-5kw。

2）将处理之后的钢套置于预热后的模具中，用锡基巴氏合金熔体浇铸到模具中，完成锡-钢双金属复合材料的铸造。

优选的，钢套的预热是在250℃的电阻丝炉中预热3min。

优选的，钢套在预热之前进行机械打磨和化学清洗处理。

更优的，所述的机械打磨是先除去表面氧化皮，而后将钢套外表面加工成锯齿状。

更优的，所述化学清洗是将钢套置于10％NaOH溶液中进行除油，除油后用清水冲洗后吹干待用。

优选的，液态纯锡熔体放置在坩埚内，所述坩埚位于由行波磁场线圈和旋转磁场线圈组成的金属线圈内部。

更优的，将超声装置中的振动子预热后移动到置有钢套的坩埚正上方，同时缓慢摇动振动子的升降手柄，使振动子缓慢下降直到接触到液态纯锡熔体，进行超声振动。

优选的，所述模具的预热温度为250℃。

优选的，所述锡基巴氏合金熔体的温度为460℃。

本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：

本发明重点在于改进铸造过程中的挂锡环节，通过电磁搅拌使锡浴熔体内部温度均匀，使钢套各个部分挂锡程度等同；通过超声有助于纯锡先与钢套之间形成金属间化合物，从而使纯锡能与钢套基本实现冶金结合，避免直接固—液连接时因冷速较快所致的界面元素扩散不充分，此外预镀纯锡层熔点相对较低，在后续的浇注过程中，镀层纯锡可以再次重熔，从而保证了纯锡和锡基巴氏合金之间的连接能力。

本发明克服了现有技术的不足，通过电磁搅拌的作用，解决了纯锡熔体的温度不均匀现象，从而使钢套表面挂锡不均匀不完整，解决了漏镀或镀层不完整的现象；而超声波可以促进纯锡和钢的扩散，从而形成金属间化合物，进而使锡合金和钢实现冶金结合。此方法改进后不仅实现了锡-钢的冶金结合，同时还提高了结合强度。

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

本实施例提出一种超声电磁锡-钢双金属复合材料铸造方法，具体步骤为：

1、将钢套首先进行机械打磨，除去表面氧化皮，而后将钢套外表面加工成锯齿状，此操作有助于后续对钢套实现挂锡处理，而后将钢套置于10％NaOH溶液中进行除油，除油后用清水冲洗后吹干待用。

2、将准备好的钢套置于保温温度为250℃的电阻丝炉中预热3min。

3、将预热好的钢套置于盛有保温温度为350℃的纯锡锡浴熔体的坩埚中，再将钢套和熔体同坩埚一同放入由行波磁场线圈和旋转磁场线圈组成的金属线圈的内部，行波磁场和旋转磁场分别接通电流为300A，频率为15Hz；同时，将超声装置中的振动子预热后移动到置有钢套的坩埚正上方，同时缓慢摇动振动子的升降手柄，使振动子缓慢下降直到接触到锡浴熔体，超声振动的频率为25KHz，功率为2kw，此时同时开启电磁和超声作用20s。

4、作用后会发现钢套表面挂着一层明亮且均匀完整的锡层，从而将热浸锡结束的钢套置于预热温度为250℃的模具中，浇筑熔体温度460℃的巴氏合金，从而实现锡-钢双金属复合材料的制备。

将所得复合材料进行机加处理，所得试样扫描如图1所示，发现该双金属结合界面出现明显扩散层，结合良好；进一步对试样进性剪切强度测试，得到58.83MPa的剪切强度，进一步验证了该双金属复合材料结合良好的结果。

实施例2

本实施例提出一种超声电磁锡-钢双金属复合材料铸造方法，具体步骤为：

1、将钢套首先进行机械打磨，除去表面氧化皮，而后将钢套外表面加工成锯齿状，此操作有助于后续对钢套实现挂锡处理，而后将钢套置于10％NaOH溶液中进行除油，除油后用清水冲洗后吹干待用。

2、将准备好的钢套置于保温温度为250℃的电阻丝炉中预热3min。

3、将预热好的钢套置于盛有保温温度为350℃的纯锡锡浴熔体的坩埚中，将钢套和熔体同坩埚一同放入由行波磁场线圈和旋转磁场线圈组成的金属线圈的内部，行波磁场和旋转磁场分别接通电流为150A，频率为10Hz；同时，将超声装置中的振动子预热后移动到置有钢套的坩埚正上方，同时缓慢摇动振动子的升降手柄，使振动子缓慢下降直到接触到锡浴熔体，超声振动的频率为30KHz，功率为4kw，此时同时开启电磁和超声作用25s。

4、作用后会发现钢套表面挂着一层明亮且均匀完整的锡层，从而将热浸锡结束的钢套置于预热温度为250℃的模具中，浇筑熔体温度460℃的巴氏合金，从而实现锡-钢双金属复合材料的制备。

将所得复合材料进行机加处理，所得试样扫描如图2所示，发现该双金属结合界面出现明显扩散层，结合良好；进一步对试样进性剪切强度测试，得到62.1MPa的剪切强度，进一步验证了该双金属复合材料结合良好的结果。

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、将钢套首先进行机械打磨，除去表面氧化皮，而后将钢套外表面加工成锯齿状，此操作有助于后续对钢套实现挂锡处理，而后将钢套置于10％NaOH溶液中进行除油，除油后用清水冲洗后吹干待用。

2、将准备好的钢套置于保温温度为250℃的电阻丝炉中预热3min。

3、将预热好的钢套置于盛有保温温度为350℃的纯锡锡浴熔体的坩埚中，进行挂锡处理。然后将热浸锡结束的钢套置于预热温度为250℃的模具中，浇筑熔体温度460℃的巴氏合金，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，对其性能进行测试，按照GB 12948-91方法测试复合材料的界面剪切强度，只有16.21MPa，发现该工艺制备的锡-钢双金属冶金结合强度远低于实施例2。

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 (9)

1.一种超声电磁锡-钢双金属复合材料铸造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将预热后的钢套置于温度为320℃-360℃的液态纯锡熔体中处理20-30s；所述液态纯锡熔体的外部设置有金属磁场线圈，使液态纯锡以及钢套的外部围绕有磁场；所述金属磁场线圈的电流为300-400A，频率为1-30Hz；同时液态纯锡通过超声振动进行处理；超声振动的频率为25KHz-30KHz，功率为2-5kw；

2）将处理之后的钢套置于预热后的模具中，用锡基巴氏合金熔体浇铸到模具中，完成锡-钢双金属复合材料的铸造。

2.根据权利要求1所述的一种超声电磁锡-钢双金属复合材料铸造方法，其特征在于，钢套的预热是在250℃的电阻丝炉中预热3min。

3.根据权利要求2所述的一种超声电磁锡-钢双金属复合材料铸造方法，其特征在于，钢套在预热之前进行机械打磨和化学清洗处理。

4.根据权利要求3所述的一种超声电磁锡-钢双金属复合材料铸造方法，其特征在于，所述的机械打磨是先除去表面氧化皮，而后将钢套外表面加工成锯齿状。

5.根据权利要求3所述的一种超声电磁锡-钢双金属复合材料铸造方法，其特征在于，所述化学清洗是将钢套置于10％NaOH溶液中进行除油，除油后用清水冲洗后吹干待用。

6.根据权利要求1所述的一种超声电磁锡-钢双金属复合材料铸造方法，其特征在于，液态纯锡熔体放置在坩埚内，所述坩埚位于由行波磁场线圈和旋转磁场线圈组成的金属线圈内部。

7.根据权利要求6所述的一种超声电磁锡-钢双金属复合材料铸造方法，其特征在于，将超声装置中的振动子预热后移动到置有钢套的坩埚正上方，同时缓慢摇动振动子的升降手柄，使振动子缓慢下降直到接触到液态纯锡熔体，进行超声振动。

8.根据权利要求1所述的一种超声电磁锡-钢双金属复合材料铸造方法，其特征在于，所述模具的预热温度为250℃。

9.根据权利要求1所述的一种超声电磁锡-钢双金属复合材料铸造方法，其特征在于，所述锡基巴氏合金熔体的温度为460℃。

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