专利名称：铸铁-铜双金属复合材料烧结工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种铸铁-铜双金属复合材料的烧结工艺，属于粉末冶金烧结技术领域。
现有工业机械中，对于承受较大磨擦载荷的零件，一般采用铜及其合金做为耐磨对偶材料，需要大量的铜及其合金材料，使机械成本加高。采用双金属复合材料替代铜及其合金制成承载耐磨零件可以大大降低铜材消耗量，同时又能提高磨擦零件的综合性能。当前生产双金属复合材料的工艺方法很多，如堆焊、喷涂、复合浇注、表面合金化和粉末烧结等，都是在金属基体表面复合铜层，存在的问题是所用的基体多为含碳量在0.45%以下的低碳钢，低碳钢材价格较贵，使其成本仍然偏高。如果使用普通铸铁或高碳钢材做为金属基体代替低碳钢金属基体，并在铸铁或高碳钢基体上进行粉末烧结铜层复合，不仅能节约钢材，而且还可以将铸铁铸造成零件要求的形状，然后再烧结铜层，免去机械加工费用，使成本大幅度降低，但是利用现有的双金属复合材料的工艺方法，是无法实现将铸铁或高碳钢与铜层复合烧结在一起的。
为了解决上述问题，本发明的目的就是设计一种新工艺即铸铁-铜双金属复合材料烧结工艺，能在铸铁或高碳钢基体表面上进行粉末烧结铜层以制成承载耐磨零件，节约钢材、铜材，提高零件耐磨能力。
以铸铁或高碳钢替代传统的低碳钢基体材料，按照传统的烧结工艺方法，铸铁和铜烧结层之间发生分离，表面不能结合。分析其原因主要是由于铸铁或高碳钢含碳量较高(均高于0.45%)。碳对铁的导热性影响较大，随碳含量增加，钢和铸铁的导热率大大降低，按照传统工艺方法在烧结过程中达温时，铜粉已达到自烧结温度并发生自烧结，而铸铁或高碳钢的基体由于导热性差，温度上升较慢，此时尚未达到奥氏体转化温度，表面没有活化，因此铜粉与铸铁或高碳钢之间无法发生相互扩散反应，导致分离层现象。本发明工艺的特点是在洁净的高碳钢或铸铁的金属基体表面撒布薄层铜粉，使这一稀薄撒布的粉层成为不连续状态，铜粉之间没有广泛的搭接，此时将撒好铜粉的铸铁或高碳钢基体置入烧结炉进行第一次烧结，由于铜粉粒之间不搭接，因此达到铜自烧结温度时铜粉粒无法联成网，不能板化，在此温度下停留足够时间使铸铁或高碳钢金属基体充分热透，表面活化，致使铜粉颗粒与金属基体之间相互扩散，牢固粘接在一起，达到铜铁结合的目的。经第一次烧结，铸铁或高碳钢金属基体表面出现一层稀薄铜层，在稀薄铜层表面再撒布厚铜粉，撒好后再置入烧结炉进行第二次烧结，由于第二次烧结主要是在铜与铜之间进行相互扩散，因此比第一次烧结较易实现，能使铜层烧结到预计的厚度要求，而且铜层与铸铁或高碳钢金属基体不发生分离。将第二次烧结好的双金属复合材料进行冷轧或用摆碾挤压方法进行密实性处理，密实后的双金属复合材料再进行补充烧结和退火处理，以达到进一步烧结扩散和消除冷加工应力，到此便完成了本发明的工艺过程。可得到合格产品。
实现本发明包括下列步骤(1)坯料和粉末的准备将铸造成型或机加成型的铸铁或高碳钢金属基体欲复合的表面清理干净，可用有机溶液清洗并晾干。将选用的金属粉末或(铜合金粉末)备好待用。
(2)稀布粉末将所用的铜合金粉末或铜粉通过200目筛稀薄均匀的撒布在金属基体欲复合的清洁面上，要求铜粉末之间无搭接，不能将金属基体表面覆盖严实，要隐隐约约可见金属基体亮面。
(3)第一次扩散烧结将稀布铜粉的高碳钢或铸铁成型的金属基体置入还原气氛烧结炉中进行升温烧结，烧结温度可视所用的基体材料和合金粉末的成份而定一般升温可控制在700℃～920℃之间，保温时间随所选用的金属基体材料不同和尺寸大小确定，一般控制在15～40分钟。
(4)厚布粉末经第一次扩散烧结后的铸铁或高碳钢基体，其表面已复合一层薄薄的铜层，再在此薄铜层上撒布一层厚铜粉，根据不同的工作条件铜粉总厚度可适当调整为0.3～6.5mm。
(5)第二次烧结将布好厚铜粉的高碳钢或铸铁与薄铜粉复合基体再置入还原气氛烧结炉中进行第二次烧结使薄铜层与铜粉之间粘结扩散使金属表面复合一层所要求的厚铜层。烧结温度可控制在720℃～840℃，保温时间20～35分钟。
(6)密实性碾压处理对两次烧结后的双金属复合材料铜层进行冷轧或挤压，使表面铜层密实，由于铸铁基体比铜材脆也可用回转冷锻机进行表面铜层密实性处理，以防止铸铁基体加工过程中损坏和失效。
(7)补充烧结对经压力加工后的双金属复合材料进行补充烧结，使铜层之间进一步牢固粘结和消除冷加工应力。温度可控制在780℃～820℃，保温时间可控制在10～20分钟。
(8)检验入库将经上述步骤后合格的铸铁(或高碳钢)-铜复合材料烧结后的产品入库，便完成全部工艺过程。
本发明的最大优点就是解决了长期以来困扰人们的高碳钢和铸铁材料无法进行粉末烧结复合的问题，用高碳钢或铸铁代替了低碳钢基体并在其表面进行铜粉末烧结复合，节约了钢材，降低了双金属复合材料的成本，扩大了应用领域，有些零件可用铸铁铸造成型然后再进行粉末复合烧结，减少加工环节，提高工作效率，对于使用低碳钢做金属基体并采用本发明工艺进行钢-铜复合，经试验和测试表明大幅度提高了钢-铜结合的强度(其强度大于12Kgf/mm2)，本发明无论是在节约原材料，加工效率，产品技术性能等多项经济技术效益指标方面都有实质性改善和提高，本发明是目前生产以高碳钢或铸铁为金属基体的承载耐磨零件的最好方法。
本发明的附图
是工艺流程图。
本发明的实施过程是，首先将高碳钢或铸铁(低碳钢也可以)的金属基体清理干净，将金属粉末或铜粉备好，然后将粉末均匀的稀薄的撒布在金属基体清洁面上，撒好后置入烧结炉进行第一次烧结使铜粉末与基体相互扩散，扩散后再往金属基体上撒布厚铜粉，厚铜粉撒好后进行第二次烧结使铜粉末在金属基体表面结成厚铜层然后进行密实性处理，密实性处理后再补充烧结使铜层与金属基体粘结更加结实成为一体，然后进行检验则可成为成品入库。
权利要求
1.一种铸铁-铜双金属复合材料烧结工艺；其特征在于在洁净的铸铁或高碳钢或低碳钢的金属基体表面撒布一层稀薄铜粉，铜粉成不连续状态，铜粉之间没有广泛搭接，撒好后将金属基体置入烧结炉中进行第一次扩散烧结，使粉末在基体表面形成薄薄的铜层并与金属基体牢固粘接扩散一起，经第一次烧结后再厚布一次铜粉，厚铜粉撒好后进行第二次烧结使金属基体表面形成所需的厚铜层，然后将第二次烧结好的双金属复合材料进行密实性处理，处理完毕再进行补充烧结和退火处理以形成合格产品。
2.根据权利要求1所述的工艺;其特征在于金属基体可以铸造成型也可以机加工成型，欲复合表面的清理可以选用有机溶液清洗后晾干。
3.根据权利要求1或2所述的工艺;其特征在于所用的铜粉或铜合金粉末要通过200目筛稀薄的均匀的撒布在金属基体欲复合的清洁面上，覆盖程度要隐约可见金属基体的亮面。
4.根据权利要求3所述的工艺;其特征在于稀布铜粉的高碳钢或铸铁金属基体置入还原气氛烧结炉中进行第一次升温扩散烧结，烧结温度可控制在700℃～920℃之间，保温时间可控制在15～40分钟，烧结后在金属基体表面形成薄铜层。
5.根据权利要求1或4所述的工艺;其特征在于将经第一次扩散烧结好的金属基体表面的薄铜层上再撒布一层厚铜粉，铜粉的总厚度为0.3～6.5mm。
6.根据权利要求5所述的工艺;其特征在于撒布好厚铜粉的铸铁或高碳钢复合基体再置入烧结炉中进行第二次烧结，烧结温度可控制在720℃～840℃之间，保温时间可控制在20～35分钟，烧结后在金属基体表面形成厚铜层。
7.根据权利要求1或6所述的工艺;其特征在于对经两次烧结后的双金属复合材料的铜层进行密实性处理，其方法可采用冷轧或用摆碾碾压密实，也可用回转冷锻机进行密实性处理。
8.根据权利要求7所述的工艺;其特征在于密实性处理后的双金属复合材料再进行补充烧结，使铜层进一步牢固，补充烧结的温度可控制在780℃～820℃之间，保温时间10～20分钟。
全文摘要
一种铸铁-铜双金属复合材料烧结工艺，实现该工艺的过程是在清洁的铸铁或高碳钢金属基体表面，撒布一层稀薄铜粉，稀薄铜粉要均匀，不搭接、不连结，要隐约可见金属面亮度，撒好后置入烧结炉中进行第一次扩散烧结使铜铁相互扩散牢固粘接；然后再撒布一层厚铜粉置入烧结炉中进行第二次烧结，经二次烧结后将复合材料进行密实性处理挤压、冷轧、或冷锻，然后再回炉进行补充烧结使铜层更加牢固结实，补充烧结后进行检验，合格品入库。工艺完毕。
文档编号B22F7/02GK1071107SQ9110910
公开日1993年4月21日 申请日期1991年9月26日 优先权日1991年9月26日
发明者周铁涛, 李海志, 周威扬, 王义虎 申请人:北京航空航天大学, 北京市崇文区京能实业公司