铜铅合金/钢双金属层状复合材料的制备方法

摘要

本发明公开一种铜铅合金/钢双金属层状复合材料的制备方法，将钢板经过处理，并在电阻炉中预热至150℃~200℃；然后表面涂刷饱和ZnCl

说明书

技术领域

本发明属于金属复合材料制备技术领域，涉及一种双金属层状复合材料的制备方法，具体涉及一种铜铅合金/钢双金属层状复合材料的制备方法。

背景技术

双金属层状复合材料尽管各层金属仍然保持各自原有特性，但通过复合成型，可以发挥各层金属的优点，补充另一层金属的不足，所得到的复合材料的物理、力学性能比单一金属材料优越得多，扩大了材料的使用范围。文献《铸造》杂志（2005年第二期第103页-107页）中刊登了《双金属复合复层材料制备现状及研究进展》，文章中列举了现代双金属复层材料制备的常用技术，即轧制复合法、爆炸焊接复合法、喷射沉积复合法、铸造复合法等复合技术。

轧制复合法是将金属板的表面通过清洁后装配在一起，通过轧制变形，使两种金属的待复合表面发生塑性变形，使表面的金属发生破裂，暴露出具有很高活性的新鲜金属层，在大压力作用下，异种金属的新鲜表面间形成平面状的冶金结合。之后再进行低温长时间的扩散退火处理后就可以获得具有理想的结合强度的复合界面。但是该工艺仅适用于制备金属薄板产品，且对设备依赖程度高，产品生产周期较长。爆炸复合法是一种利用爆炸能将异种金属复合在一起获得双金属复合材料的方法。用爆炸复合法获得的双金属板两层的连接强度比用轧制复合法获得的双金属板的高1倍。爆炸复合法适合制备单张面积较大、较厚的复合板材或复合板坯以及多层复合板的生产，但是爆炸复合法机械化程度低，劳动条件差，且具有一定的危险性，制备双金属变形较大，不平整，生产成本高。喷射沉积复合法是将金属液体通过惰性气体的高压气流雾化成颗粒后喷射沉积到金属基体上，从而形成双金属复合材料，所制备的材料成分均匀组织细小，可以灵活的生产不同厚度的复合产品，但是雾化喷射沉积过程较复杂，且复合层材料的致密度差，生产成本高，设备复杂，技术难度大。铸造复合法是将两种或两种以上的金属材料通过铸造的方法使其复合成一体。该工艺是通过在砂模内放入复合双金属中熔点较高的金属后将另一金属浇注成型制得。该方法与其余各种复合工艺相比具有设备投资少，复合工艺简单，生产成本低，适用范围广的特点。

铜铅合金是一种耐磨合金，其组份一般是：含铅26％～33％，其余为铜和少量的添加元素和杂质。防止偏析是铜铅合金铸造过程中的一个关键性问题。铜、铅熔化后不形成共晶体，铜和铅在液态下虽然可以互溶但在固态下基本不固溶，故铅在铸造过程中极易产生比重偏析，破坏铜铅合金的使用性能。现代工业中铜铅合金多用于轴瓦材料使用。要使铅呈点块状均匀地嵌在铜的基体上，现在工业上多采取强制快速冷却的离心浇铸方法使铅呈点块状分布，但是由于冷却速度快，已凝固的焊缝金属中化学成分来不及扩散，造成分布不均，产生偏析。另有在实验室条件下采用粉末冶金的方法，利用合金粉末的均匀分布解决该问题，但该方法成本高，工艺复杂等缺点限制其在工业中的应用。另外，现有工艺在铜铅合金与钢复合时，界面有夹渣、气孔的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铜铅合金/钢双金属层状复合材料的制备方法，解决了现有技术中铜铅合金与钢基体的结合界面有夹渣、气孔的问题以及铜铅合金组织偏析的问题，且工艺简单、成本低，适合工业应用。

本发明所采用的技术方案是，铜铅合金/钢双金属层状复合材料的制备方法，具体按照以下步骤进行，

步骤1，

选择所需尺寸的钢板，对钢板表面进行清洗；

步骤2，

将步骤1清洗过后的钢板用清水漂洗并在箱式电阻炉中预热至150℃~200℃；

步骤3，

将步骤2预热后的钢板表面涂刷一层饱和ZnCl₂溶液后预热至200℃~600℃，得到刚基体；

步骤4，

按照质量百分比，称取1%~3%的木炭，67.9%~81.7%的电解铜，1%~5%的锡、10%~30%的铅，0.1%~0.3%的磷铜，以上组分的质量百分比总和为100％；在中频感应电炉中熔炼铜铅合金液：先在中频感应炉中放入所称得的木炭，再放入所称得的电解铜，加热待电解铜熔化后分别加入所称得的锡和铅，合金混合均匀后加入所称得的磷铜对合金进行脱氧，得到铜铅合金液；

步骤5，

将具有激冷作用的石墨模具在箱式电阻炉中预热至600℃，将步骤3制备好的钢基体放入石墨模具，然后将步骤4得到的铜铅合金液在950℃~1100℃对石墨模具进行浇铸，浇铸完毕待合金温度降至300℃后开模取出复合材料，在空气中冷却至室温即得。

本发明的有益效果是，以传统的铸造工艺为基础，可以低成本且快速的进行铜铅合金/钢基表面复合材料的制备。获得的复合材料的合金组织达到JB-T 9749-1999中对铜铅合金轴瓦的要求，解决了现有技术中铜铅合金与钢基体的界面结合的问题以及铜铅合金本身组织偏析的问题。相对于离心铸造和粉末冶金等方法，具有设备和工艺简单，材料生产成本低的优势。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是本发明方法制备的复合材料的界面金相组织照片。

图3是本发明方法制备的复合材料的界面组织扫描照片。

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。

为了解决铜铅合金在浇铸到钢背上是容易发生偏析的难点，本发明提出采用石墨模具代替常用的砂型模具，利用石墨模具的高热导率迅速降低合金液温度，达到激冷的作用来防止铅元素的偏析。同时利用铜铅合金凝固过程实现与钢清洁表面的冶金结合。

本发明方法的流程如图1所示，具体的来说，本发明的方法按以下步骤进行，

步骤1，

选择所需尺寸的钢板，将钢板在80℃~85℃、浓度为10％的NaOH溶液中清洗2～3分钟除油；然后将钢板在浓度为10％的盐酸中清洗2～5分钟除锈；接着将钢板在浓度为10％的Na₂CO₃中漂洗1～2分钟中和多余的酸；

步骤2，

将步骤1漂洗过后的钢板用清水漂洗并在箱式电阻炉中预热至150℃~200℃；

步骤3，

将步骤2预热后的钢板表面涂刷一层饱和ZnCl₂溶液后预热至200℃~600℃，得到刚基体，待用；

步骤4，

按照质量百分比，称取1%~3%的木炭，67.9%~81.7%的电解铜，1%~5%的锡、10%~30%的铅，0.1%~0.3%的磷铜，以上组分的质量百分比总和为100％；然后在中频感应电炉中熔炼铜铅合金液：先在中频感应炉中放入所称得的木炭，再放入所称得的电解铜，加热待电解铜熔化后分别加入所称得的锡和铅，合金混合均匀后加入所称得的磷铜对合金进行脱氧，得到铜铅合金液；

步骤5，

将具有激冷作用的石墨模具在箱式电阻炉中预热至600℃，将步骤3制备好的钢基体放入石墨模具进行工装，然后将步骤4得到的铜铅合金液转入浇包中在950℃~1100℃对石墨模具进行浇铸，通过重力铸造的方法，浇铸时应避免合金液冲刷钢表面的ZnCl₂涂层而造成保护膜的失效，浇铸完毕待合金温度降至300℃后开模取出复合材料，在空气中冷却至室温即得到铜铅合金/钢双金属层状复合材料。

本发明中的钢管可以选择20钢管。

根据本发明方法制备的铜铅合金/钢双金属复合材料具有如下特征：合金层很好的与钢基体形成表面冶金结合，界面无夹渣、偏析或气孔的缺陷。合金层的组织中铅相呈点块状均匀分布在铜基体上，没有发生铅的严重偏析，保证合金的使用性能。

实施例1

选择普通钢板，普通钢板在80℃的10％浓度的NaOH溶液中清洗2分钟除油；在10％浓度的盐酸中清洗2分钟除锈；在10％Na₂CO₃中漂洗1分钟中和残留的酸，清水冲洗，将钢板放在箱式电阻炉中预热至150℃，然后在钢板表面刷涂一层饱和ZnCl₂溶液后并预热至200℃得到刚基体待用；按照质量百分比，称取1%的木炭，67.9%的电解铜，1%的锡、30%的铅，0.1%的磷铜，先在中频感应炉中放入木炭，再放入电解铜，加热待铜熔化后加入锡和铅，合金混合均匀后加入磷铜对合金进行脱氧；将具有激冷作用的石墨模具在箱式电阻炉中预热至600℃，将预热好的石墨模具和钢基体进行工装，同时把铜铅合金液转入浇包中在950℃进行浇铸，浇铸完毕待合金温度降至300℃合金凝固后开模取出复合材料，在空气中冷却至室温，制得铜铅合金/钢双金属层状复合材料。

实施例2

选择普通钢板，钢板在85℃的10％浓度的NaOH溶液中清洗3分钟除油；在10％浓度的盐酸中清洗5分钟除锈；在10％Na₂CO₃中漂洗2分钟中和残留的酸，清水冲洗，将钢板放在箱式电阻炉中预热至200℃，然后在钢板表面刷涂一层饱和ZnCl₂溶液后并预热至600℃得到刚基体待用；按照质量百分比，称取3%的木炭，81.7%的电解铜，5%的锡、10%的铅，0.3%的磷铜，先在中频感应炉中放入木炭，再放入电解铜，加热待铜熔化后加入锡和铅，合金混合均匀后加入磷铜对合金进行脱氧；将具有激冷作用的石墨模具在箱式电阻炉中预热至600℃，将预热好的石墨模具和钢基体进行工装，同时把铜铅合金液转入浇包中在1100℃进行浇铸，浇铸完毕待合金温度降至300℃合金凝固后开模取出复合材料，在空气中冷却至室温，制得铜铅合金/钢双金属层状复合材料。

实施例3

 选择20钢板，20钢板在83℃的10％浓度的NaOH溶液中清洗2分钟除油；在10％浓度的盐酸中清洗3分钟除锈；在10％Na₂CO₃中漂洗2分钟中和残留的酸，清水冲洗，将钢板放在箱式电阻炉中预热至170℃，然后在钢板表面刷涂一层饱和ZnCl₂溶液后并预热至400℃得到刚基体待用；按照质量百分比，称取2%的木炭，74%的电解铜，3%的锡、20.8%的铅，0.2%的磷铜，先在中频感应炉中放入木炭，再放入电解铜，加热待铜熔化后加入锡和铅，合金混合均匀后加入磷铜对合金进行脱氧；将具有激冷作用的石墨模具在箱式电阻炉中预热至600℃，将预热好的石墨模具和钢基体进行工装，同时把铜铅合金液转入浇包中在1000℃进行浇铸，浇铸完毕待合金温度降至300℃合金凝固后开模取出复合材料，在空气中冷却至室温，制得铜铅合金/钢双金属层状复合材料。

图2是采用实施例3制备得到的复合材料的界面金相组织照片，从图2中可以看出本发明方法制备的铜铅合金/钢双金属层状复合材料的金相组织中上半部分为合金组织，可见细小点、块状铅均匀分布在α铜固溶体中，未出现连续的铅偏析平行于钢背。达到《JB-T 9749-1999铸造铜铅合金轴瓦金相检验》标准中的一级标准。复合界面接合良好，在钢背与合金的界面上没有中间固溶体或夹杂物存在。

图3是采用实施例3制备的复合材料的界面组织扫描照片，从图3的界面组织扫描照片中可以进一步直观的验证金相照片的分析结果，即结合界面无夹渣、无气孔，合金组织无偏析。