一种CuNiMnFe/30CrMnSi复合材料转子衬套的制备方法

摘要

本发明公开的一种CuNiMnFe/30CrMnSi复合材料转子衬套的制备方法，将30CrMnSi转子衬套空壳放入石墨型芯中定位；将石墨型芯及30CrMnSi转子衬套空壳放入石墨坩埚内，并将CuNiMnFe合金放在30CrMnSi转子衬套空壳上；将石墨坩埚、30CrMnSi转子衬套空壳、石墨型芯和CuNiMnFe合金放入真空炉内真空处理；当真空炉内的真空度小于3.0×10

说明书

技术领域

本发明属于机械制造技术领域，涉及一种转子衬套的制备方法，具体涉及一种CuNiMnFe/30CrMnSi复合材料转子衬套的制备方法。

背景技术

在金属材料的实际应用中，经常需要将两种材料进行复合，以拓展其应用范围。利用合金材料制作转子衬套时，如果将CuNiMnFe合金与30CrMnSi合金制成整体材料就可以用作转速为50000转/分钟的高速发电机的转子衬套材料。但是目前对于将CuNiMnFe与30CrMnSi两种合金连接制成复合材料的研究还没有成熟的方法，虽然实验中有过采用焊接的方法，但焊接后整体材料的力学性能无法满足高速运转的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种CuNiMnFe/30CrMnSi复合材料转子衬套的制备方法，解决了现有的采用焊接的方法将CuNiMnFe与30CrMnSi两种合金焊接成整体材料制作转子衬套，转子衬套的力学性能无法满足高速运转的要求的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种CuNiMnFe/30CrMnSi复合材料转子衬套的制备方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：装配组件，在30CrMnSi转子衬套空壳上均匀设置U型槽，首先将30CrMnSi转子衬套空壳放入石墨型芯中，通过石墨型芯进行定位；将定位后的石墨型芯及30CrMnSi转子衬套空壳放入石墨坩埚内，并将CuNiMnFe合金放在30CrMnSi转子衬套空壳上；

步骤2：将上步装配好的石墨坩埚、30CrMnSi转子衬套空壳、石墨型芯和CuNiMnFe合金放入真空炉内真空处理；当真空炉内的真空度小于3.0×10^-2Pa-6.0×10^-2Pa时，按熔铸工艺对真空炉内进行加热熔铸，CuNiMnFe合金熔体在重力的作用下流入30CrMnSi转子衬套空壳上的U型槽中，得到熔铸后的铸件；

步骤3：对上步得到的熔铸后的铸件进行机加工，然后依次进行淬火处理、固溶处理和时效处理，得到CuNiMnFe/30CrMnSi复合材料转子衬套。

本发明的特点还在于，

其中步骤2中按熔铸工艺进行加热熔铸，其熔铸工艺为：温度在40分钟-60分钟内由室温升到900℃-1100℃，再在20分钟-40分钟内由900℃-1100℃升到1100℃-1180℃，保温60分钟-120分钟后开始降温，经过40分钟-80分钟降温到700℃-800℃，然后随炉冷却至室温。

其中步骤3中的淬火处理，淬火加热温度为820℃-900℃，保温时间为10分钟-30分钟，淬火介质为机油。

其中步骤3中的固溶处理，固溶处理温度为500℃-560℃，保温时间为30分钟-90分钟。

其中步骤3中的时效处理，时效温度为400℃-460℃，时效时间为12小时-48小时。

本发明的有益效果是，

(1)采用真空熔铸法取代焊接法，能实现CuNiMnFe合金与30CrMnSi合金良好的冶金结合，熔铸温度较低可以节省能源、降低成本、整个制备过程无污染，减少材料的制造工艺、加工环节，整体材料热处理后结合面不会出现缺陷，具有较大CuNiMnFe/30CrMnSi结合面强度，并能大幅度提高材料综合力学性能。

(2)在真空条件中通过将CuNiMnFe与30CrMnSi采用熔铸扩散法制备CuNiMnFe/30CrMnSi双金属复合材料的方法，用这种方法可以实现CuNiMnFe与30CrMnSi两种金属的冶金结合，其中这两种材料之间的扩散过渡层厚度可达142靘，并通过“淬火处理+固溶处理+时效处理”这一特殊热处理工艺强化30CrMnSi与CuNiMnFe合金，保证整体材料中两种材料硬度接近约为320HV-380HV，从而获得结合强度大于750MPa的双金属复合转子衬套材料。

附图说明

图1为本发明CuNiMnFe/30CrMnSi复合材料转子衬套的制备方法的组件装配示意图；

图2为本发明CuNiMnFe/30CrMnSi复合材料转子衬套的制备方法的流程图。

图中，1.CuNiMnFe合金，2.30CrMnSi转子衬套空壳，3.石墨型芯，4.石墨坩埚，5.真空炉。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明CuNiMnFe/30CrMnSi复合材料转子衬套的制备方法，如图2所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1：如图1所示，装配组件。在转子衬套空壳2上均匀设置U型槽，首先将30CrMnSi转子衬套空壳2放入石墨型芯3中，通过石墨型芯3进行定位以保证转子衬套熔铸前后的同心度一致，同时石墨型芯3的存在可以节省一部分CuNiMnFe合金1，还可以在凝固过程中起到防止缩松的效果；将石墨型芯3及30CrMnSi转子衬套空壳2放入石墨坩埚4内，并将3kg-5kg的CuNiMnFe合金1放在坩埚内的30CrMnSi转子衬套空壳2上；

步骤2：将上步装配好的石墨坩埚4、30CrMnSi转子衬套空壳2、石墨型芯3和CuNiMnFe合金1四部分放入真空炉5内真空处理；当真空炉5内的真空度小于3.0×10^-2Pa-6.0×10^-2Pa时，按熔铸工艺进行加热，熔铸工艺为：温度在40分钟-60分钟内由室温升到900℃-1100℃，再在20分钟-40分钟内由900℃-1100℃升到1100℃-1180℃，CuNiMnFe合金1熔体就会在重力的作用下流入30CrMnSi转子衬套空壳2上的U型槽中及石墨型芯3与石墨坩埚4之间的空隙处，保温60分钟-120分钟后开始降温，经过40分钟-80分钟降温到700℃-800℃，然后随炉冷却至室温；

步骤3：将熔铸后的铸件进行机加工成圆筒形，当铸件表面余量为2mm-4mm时可进行热处理，先进行淬火处理，淬火加热温度为820℃-900℃，保温时间为10分钟-30分钟，淬火介质为机油；完成淬火后对铸件进行固溶处理，固溶处理温度为500℃-560℃，保温时间为30分钟-90分钟，固溶完成后进行水冷；最后进行时效处理，铸件进行时效的时效温度为400℃-460℃，时效时间12小时-48小时，制得CuNiMnFe/30CrMnSi复合材料转子衬套。

按照本发明方法制备的转子衬套中CuNiMnFe合金与30CrMnSi两种材料之间的结合强度可达800Mpa-1330Mpa，另外，CuNiMnFe合金的硬度可达到320HV-370HV，30CrMnSi低碳钢的硬度可达到350HV-450HV，两种材料的硬度接近。

实施例1

在转子衬套空壳2上均匀设置5组U型槽，将30CrMnSi转子衬套空壳放入石墨型芯中，通过石墨型芯进行定位以保证转子衬套熔铸前后的同心度一致，将石墨型芯及30CrMnSi转子衬套空壳放入石墨坩埚内，并将3kg的CuNiMnFe合金放在坩埚内的30CrMnSi转子衬套空壳上；最后将以上装配好的石墨坩埚、30CrMnSi转子衬套空壳、石墨型芯和CuNiMnFe合金四部分放入真空炉内；当真空炉的真空度达到小于3.0×10^-2Pa时，熔铸工艺为：从室温经40分钟升温到900℃，再经20分钟升温至1100℃，保温120分钟后开始降温，40分钟降温到800℃，然后随炉冷却至室温。将熔铸后的铸件进行机加工成圆筒形，当铸件表面余量为2mm时可进行热处理，先进行淬火处理，淬火加热温度为820℃，保温时间为30分钟，淬火介质为机油；完成淬火后对铸件进行固溶处理，固溶处理温度为500℃，保温时间为30分钟，固溶完成后进行水冷；最后进行时效处理，铸件进行时效时时效温度为460℃，时效时间36小时，制得CuNiMnFe/30CrMnSi复合材料转子衬套。

本实施例制备的转子衬套中CuNiMnFe合金与30CrMnSi两种材料之间的结合强度可达800Mpa，另外，CuNiMnFe合金的硬度可达到320HV，30CrMnSi低碳钢的硬度可达到350HV。

实施例2

在转子衬套空壳2上均匀设置5组U型槽，将30CrMnSi转子衬套空壳放入石墨型芯中，通过石墨型芯进行定位以保证转子衬套熔铸前后的同心度一致，将石墨型芯及30CrMnSi转子衬套空壳放入石墨坩埚内，并将5kg的CuNiMnFe合金放在坩埚内的30CrMnSi转子衬套空壳上；最后将以上装配好的石墨坩埚、30CrMnSi转子衬套空壳、石墨型芯和CuNiMnFe合金四部分放入真空炉内；当真空炉的真空度达到小于6.0×10^-2Pa时开始加热熔铸，熔铸工艺为：从室温经60分钟升温到950℃，再经30分钟升温至1130℃，保温90分钟后开始降温，60分钟降温到800℃，然后随炉冷却至室温。将熔铸后的铸件进行机加工成圆筒形，当铸件表面余量为4mm时可进行热处理，先进行淬火处理，淬火加热温度为880℃，保温时间为20分钟，淬火介质为机油；完成淬火后对铸件进行固溶处理，固溶处理温度为530℃，保温时间为50分钟，固溶完成后进行水冷；最后进行时效处理，铸件进行时效时时效温度为440℃，时效时间48小时，制得CuNiMnFe/30CrMnSi复合材料转子衬套。

本实施例制备的转子衬套中CuNiMnFe合金与30CrMnSi两种材料之间的结合强度可达900Mpa，另外，CuNiMnFe合金的硬度可达到370HV，30CrMnSi低碳钢的硬度可达到400HV。

实施例3

在转子衬套空壳2上均匀设置5组U型槽，将30CrMnSi转子衬套空壳放入石墨型芯中，通过石墨型芯进行定位以保证转子衬套熔铸前后的同心度一致，将石墨型芯及30CrMnSi转子衬套空壳放入石墨坩埚内，并将4kg的CuNiMnFe合金放在坩埚内的30CrMnSi转子衬套空壳上；最后将以上装配好的石墨坩埚、30CrMnSi转子衬套空壳、石墨型芯和CuNiMnFe合金四部分放入真空炉内；当真空炉的真空度达到小于4.0×10^-2Pa时，熔铸工艺为：从室温经50分钟升温到1100℃，再经40分钟升温至1180℃，保温60分钟后开始降温，80分钟降温到700℃，然后随炉冷却至室温。将熔铸后的铸件进行机加工成圆筒形，当铸件表面余量为3mm时可进行热处理，先进行淬火处理，淬火加热温度为900℃，保温时间为10分钟，淬火介质为机油；完成淬火后对铸件进行固溶处理，固溶处理温度为560℃，保温时间为90分钟，固溶完成后进行水冷；最后进行时效处理，铸件进行时效时时效温度为400℃，时效时间12小时，制得CuNiMnFe/30CrMnSi复合材料转子衬套。

本实施例制备的转子衬套中CuNiMnFe合金与30CrMnSi两种材料之间的结合强度可达1330Mpa，另外，CuNiMnFe合金的硬度可达到350HV，30CrMnSi低碳钢的硬度可达到450HV。

本发明转子衬套的制备方法，采用真空熔铸法取代焊接法，能实现CuNiMnFe合金与30CrMnSi合金良好的冶金结合，熔铸温度较低可以节省能源、降低成本、整个制备过程无污染，减少材料的制造工艺、加工环节，整体材料热处理后结合面不会出现缺陷，具有较大CuNiMnFe/30CrMnSi结合面强度，并能大幅度提高材料综合力学性能。