一种钢-黄铜双金属材料及其制作工艺、模具

摘要

本发明涉及合金冶炼技术领域，尤其是一种钢‑黄铜双金属材料及其制作工艺、模具，该钢‑黄铜双金属材料由包含黄铜、钢基体、镀锌层，通过使用丙酮和乙醇这种极性差异大的有机剂清洗，去除钢基体表面各种油污和灰尘吸附物，干燥处理后，表面喷砂清理表面氧化层，将钢基体表面的铌、铼、钛充分暴露，与镀锌层充分接触，附着效果好，再通过化学镀电镀，防止钢基体金属表面氧化膜的产生，另一方面提高润湿性。本发明黄铜可以与钢基体保持高度的吻合效果，使得黄铜和钢的性能互补，提高合金材料的性能。

权利要求

1.一种钢‑黄铜双金属材料，该材料包含黄铜、钢基体、镀锌层，其特征在于，以质量百分比计，制作元素包括：黄铜，铈0.001～0.02％、钇0.005～0.05％、铝0.5～4％、硅0.1～1％、镁0.011～

0.18％、铁1～3％、Cu 70～78％、Zn为余量；

钢基体，铌0.003～0.008％、碳0.01～0.1％、硅0.001～0.004％、锰1～3％、铬0.1～

0.3％、镍0.33～0.46％、铼0.004～0.005％、钛0.001～0.003％，其余为铁。

2.如权利要求1所述的钢‑黄铜双金属材料，其特征在于，制备方法包括：（1）表面处理

将钢基体材料按照要求放在熔炼炉中熔炼，锻压成型得到钢基体，将钢基体放置到丙酮中浸泡20～30min，除去丙酮，将钢基体烘干，将钢基体与其质量4～5倍的乙醇混合，浸泡

10～15min，加热到50～60℃，浸泡3～5min，除去乙醇，将钢基体烘干，在80～90℃下，通过表面喷砂对钢基体处理13～17min；

所述钢基体与丙酮的质量比为1:3～5；

（2）电镀

将钢基体放入立式电镀锌槽，通过重力法电镀工艺在钢基体表面形成镀锌层，其中，硫酸锌溶液的浓度为105～110g/L，溶液的pH为1～1.5，溶液的温度为50‑55℃；

（3）预热

把上一步骤镀锌的钢基体放入铸型模具中，将整个铸型模具放入高温炉中加热至760～800℃，并保温2～3h，以待浇注；

（4）熔炼

将黄铜各原料放入熔炼炉内，加热至1240℃～1260℃，待黄铜完全熔化后对熔液进行除气、用草木灰覆盖打渣，将黄铜熔液转到浇包，金属液温度在 1140℃～1160℃时开始倒入铸型模具中浇注；

（5）成型

将铸型模具在1040℃～1080℃下保温时间7h～8h，关闭高温炉加热源，铸型空气中冷却。

3.如权利要求2所述的钢‑黄铜双金属材料，其特征在于，所述铸型模具包括托盘（4），所述托盘（4）内垫有砂子（5），所述砂子（5）上设有熔模模壳（6），所述熔模模壳（6）中间有米字形浇口（3），所述熔模模壳（6）由内而外依次为钢坯（1）、金属液型腔（2）。

4.如权利要求1所述的钢‑黄铜双金属材料，其特征在于，所述黄铜与钢基体的质量比为1～3:2～5。

5.如权利要求1所述的钢‑黄铜双金属材料，其特征在于，所述镀锌层的厚度为10～15μm。

6.如权利要求3所述的钢‑黄铜双金属材料，其特征在于，所述托盘（4）呈凹陷型。

7.如权利要求3所述的钢‑黄铜双金属材料，其特征在于，所述米字形浇口（3）呈m型。

8.如权利要求3所述的钢‑黄铜双金属材料，其特征在于，所述钢坯（1）用于放置镀锌钢基体。

9.如权利要求3所述的钢‑黄铜双金属材料，其特征在于，所述金属液型腔（2）用于浇注黄铜。

说明书

一种钢‑黄铜双金属材料及其制作工艺、模具

技术领域

[0001] 本发明涉及合金冶炼技术领域，尤其是一种钢‑黄铜双金属材料及其制作工艺、模具。

背景技术

[0002] 双金属复合材料具备单一金属难以满足的综合性能。固液双金属复合铸造以其界面结合良好、生产效率高、合金适用范围广等特点，得到越来越广泛的应用，并成为当前研究的热点。钢具有较好的强度、塑性、韧性，但是不太适合作为摩擦结合面。而黄铜具有较高的强度和塑性，还具有较好的耐蚀性、耐磨性等性能。因此钢黄铜双金属应用前景广阔。传统的钢黄铜双金属多采用砂型重力铸造、离心铸造等方式，然而多会出现气孔、夹渣、结合强度不够等问题，导致整体力学强度低、耐腐蚀性能较差。

发明内容

[0003] 为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种钢‑黄铜双金属材料及其制作工艺、模具，通过设计针对性的模具配合合金材料的工艺改良，使得制备出来的钢‑黄铜双金属材料具有良好的力学效果和耐腐蚀性能。具体技术方案为：

[0004] 一种钢‑黄铜双金属材料，该材料包含黄铜、钢基体、镀锌层，以质量百分比计，制作元素包括：

[0005] 黄铜，铈0.001～0.02％、钇0.005～0.05％、铝0.5～4％、硅0.1～1％、镁0.011～0.18％、铁1～3％、Cu 70～78％、Zn为余量；

[0006] 钢基体，铌0.003～0.008％、碳0.01～0.1％、硅0.001～0.004％、锰1～3％、铬0.1～0.3％、镍0.33～0.46％、铼0.004～0.005％、钛0.001～0.003％，其余为铁。

[0007] 进一步的，所述的钢‑黄铜双金属材料，制备方法包括：

[0008] （1）表面处理

[0009] 将钢基体各组分倒入熔炼炉中熔炼，锻压成型得到钢基体，将钢基体放置到丙酮中浸泡20～30min，除去丙酮，将钢基体烘干，将钢基体与其质量4～5倍的乙醇混合，浸泡10～15min，加热到50～60℃，浸泡3～5min，除去乙醇，将钢基体烘干，在80～90℃下，通过表面喷砂对钢基体处理13～17min；

[0010] 所述钢基体与丙酮的质量比为1:3～5；

[0011] （2）电镀

[0012] 将钢基体放入立式电镀锌槽，通过重力法电镀工艺在钢基体表面形成镀锌层，其中，硫酸锌溶液的浓度为105～110g/L，溶液的pH为1～1.5，溶液的温度为50‑55℃；

[0013] （3）预热

[0014] 把上一步骤镀锌的钢基体放入铸型模具中，将整个铸型模具放入高温炉中加热至760～800℃，并保温2～3h，以待浇注；

[0015] （4）熔炼

[0016] 将黄铜各原料放入熔炼炉内，加热至1240℃～1260℃，待黄铜完全熔化后对熔液进行除气、用草木灰覆盖打渣，将黄铜熔液转到浇包，金属液温度在 1140℃～1160℃时开始倒入铸型模具中浇注；

[0017] （5）成型

[0018] 将铸型模具在1040℃～1080℃下保温时间7h～8h，关闭高温炉加热源，铸型空气中冷却。

[0019] 进一步的，所述铸型模具包括托盘（4），所述托盘（4）内垫有砂子（5），所述砂子（5）上设有熔模模壳（6），所述熔模模壳（6）中间有米字形浇口（3），所述熔模模壳（6）由内而外依次为钢坯（1）、金属液型腔（2）。

[0020] 进一步的，所述黄铜与钢基体的质量比为1～3:2～5。

[0021] 进一步的，所述镀锌层的厚度为10～15μm。

[0022] 进一步的，所述托盘（4）呈凹陷型。

[0023] 进一步的，所述米字形浇口（3）呈m型。

[0024] 进一步的，所述钢坯（1）用于放置镀锌钢基体。

[0025] 进一步的，所述金属液型腔（2）用于浇注黄铜。

[0026] 有益效果：

[0027] 本发明通过使用丙酮和乙醇这种极性差异大的有机剂清洗，去除钢基体表面各种油污和灰尘吸附物，干燥处理后，表面喷砂清理表面氧化层，将钢基体表面的铌、铼、钛充分暴露，与镀锌层充分接触，附着效果好。再通过化学镀电镀，防止钢基体金属表面氧化膜的产生，另一方面提高润湿性。针对性的设计模具，将熔模膜壳、钢基体放到底部铺满砂子的托盘内，然后膜壳与托盘之间填满砂子一方面增加熔模的强度，另一方面在冷却的过程中起到缓慢冷缺的作用，将整个铸型放入高温炉中加热至760‑800℃，解决了粘砂、夹砂、砂孔等缺陷，使得浇注黄铜后形成的钢‑黄铜材料各层间贴合度好，具有良好的接触整体性，可以提高材料的力学性能和抗腐蚀效果。而且，本发明通过在黄铜熔炼中使用铈、钇，使得黄铜表面晶粒细小、排列整齐，可以与钢基体保持高度的吻合效果，使得黄铜和钢的性能互补，提高材料的性能。

附图说明

[0028] 图1是本发明铸型模具结构图；

[0029] 图中，1为钢坯，2为金属液型腔，3为米字形浇口，4为托盘，5为砂子，6为熔模模壳。

具体实施方式

[0030] 下面结合具体的实施方式和附图来对本发明的技术方案做进一步的限定，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。

[0031] 实施例1

[0032] 一种钢‑黄铜双金属材料，该材料包含黄铜、钢基体、镀锌层，以质量百分比计，制作元素包括：

[0033] 黄铜，铈0.001％、钇0.005％、铝0.5％、硅0.1％、镁0.011％、铁1％、Cu 70％、Zn为余量；

[0034] 钢基体，铌0.003％、碳0.01％、硅0.001％、锰1％、铬0.1％、镍0.33％、铼0.004％、钛0.001％，其余为铁；

[0035] 所述黄铜与钢基体的质量比为1:2；所述镀锌层的厚度为10μm。

[0036] 所述的钢‑黄铜双金属材料，制备方法包括：

[0037] （1）表面处理

[0038] 将钢基体各组分倒入熔炼炉中熔炼，锻压成型得到钢基体，将钢基体放置到丙酮中浸泡20min，除去丙酮，将钢基体烘干，将钢基体与其质量4倍的乙醇混合，浸泡10min，加热到50℃，浸泡3min，除去乙醇，将钢基体烘干，在80℃下，通过表面喷砂对钢基体处理13min；

[0039] 所述钢基体与丙酮的质量比为1:3；

[0040] （2）电镀

[0041] 将钢基体放入立式电镀锌槽，通过重力法电镀工艺在钢基体表面形成镀锌层，其中，硫酸锌溶液的浓度为105g/L，溶液的pH为1，溶液的温度为50℃；

[0042] （3）预热

[0043] 把上一步骤镀锌的钢基体放入铸型模具中，将整个铸型模具放入高温炉中加热至760℃，并保温2h，以待浇注；

[0044] （4）熔炼

[0045] 将黄铜各原料放入熔炼炉内，加热至1240℃，待黄铜完全熔化后对熔液进行除气、用草木灰覆盖打渣，将黄铜熔液转到浇包，金属液温度在 1140℃时开始倒入铸型模具中浇注；

[0046] （5）成型

[0047] 将铸型模具在1040℃下保温时间7h，关闭高温炉加热源，铸型空气中冷却。

[0048] 所述铸型模具包括托盘（4），所述托盘（4）内垫有砂子（5），所述砂子（5）上设有熔模模壳（6），所述熔模模壳（6）中间有米字形浇口（3），所述熔模模壳（6）由内而外依次为钢坯（1）、金属液型腔（2）；所述托盘（4）呈凹陷型；所述米字形浇口（3）呈m型；所述钢坯（1）用于放置镀锌钢基体；所述金属液型腔（2）用于浇注黄铜。

[0049] 实施例2

[0050] 一种钢‑黄铜双金属材料，该材料包含黄铜、钢基体、镀锌层，以质量百分比计，制作元素包括：

[0051] 黄铜，铈0.02％、钇0.05％、铝4％、硅1％、镁0.18％、铁3％、Cu 78％、Zn为余量；

[0052] 钢基体，铌0.008％、碳0.1％、硅0.004％、锰3％、铬0.3％、镍0.46％、铼0.005％、钛0.003％，其余为铁；

[0053] 所述黄铜与钢基体的质量比为3:5；所述镀锌层的厚度为15μm。

[0054] 所述的钢‑黄铜双金属材料，制备方法包括：

[0055] （1）表面处理

[0056] 将钢基体各组分倒入熔炼炉中熔炼，锻压成型得到钢基体，将钢基体放置到丙酮中浸泡30min，除去丙酮，将钢基体烘干，将钢基体与其质量5倍的乙醇混合，浸泡15min，加热到60℃，浸泡5min，除去乙醇，将钢基体烘干，在90℃下，通过表面喷砂对钢基体处理17min；

[0057] 所述钢基体与丙酮的质量比为1:5；

[0058] （2）电镀

[0059] 将钢基体放入立式电镀锌槽，通过重力法电镀工艺在钢基体表面形成镀锌层，其中，硫酸锌溶液的浓度为110g/L，溶液的pH为1.5，溶液的温度为55℃；

[0060] （3）预热

[0061] 把上一步骤镀锌的钢基体放入铸型模具中，将整个铸型模具放入高温炉中加热至800℃，并保温3h，以待浇注；

[0062] （4）熔炼

[0063] 将黄铜各原料放入熔炼炉内，加热至1260℃，待黄铜完全熔化后对熔液进行除气、用草木灰覆盖打渣，将黄铜熔液转到浇包，金属液温度在1160℃时开始倒入铸型模具中浇注；

[0064] （5）成型

[0065] 将铸型模具在1080℃下保温时间8h，关闭高温炉加热源，铸型空气中冷却。

[0066] 所述铸型模具包括托盘（4），所述托盘（4）内垫有砂子（5），所述砂子（5）上设有熔模模壳（6），所述熔模模壳（6）中间有米字形浇口（3），所述熔模模壳（6）由内而外依次为钢坯（1）、金属液型腔（2）；所述托盘（4）呈凹陷型；所述米字形浇口（3）呈m型；所述钢坯（1）用于放置镀锌钢基体；所述金属液型腔（2）用于浇注黄铜。

[0067] 实施例3

[0068] 一种钢‑黄铜双金属材料，该材料包含黄铜、钢基体、镀锌层，以质量百分比计，制作元素包括：

[0069] 黄铜，铈0.009％、钇0.0058％、铝0.54％、硅0.11％、镁0.018％、铁1.3％、Cu 70.78％、Zn为余量；

[0070] 钢基体，铌0.008％、碳0.01％、硅0.004％、锰1％、铬0.3％、镍0.33％、铼0.005％、钛0.001％，其余为铁；

[0071] 所述黄铜与钢基体的质量比为3:2.5；所述镀锌层的厚度为15μm。

[0072] 所述的钢‑黄铜双金属材料，制备方法包括：

[0073] （1）表面处理

[0074] 将钢基体各组分倒入熔炼炉中熔炼，锻压成型得到钢基体，将钢基体放置到丙酮中浸泡20min，除去丙酮，将钢基体烘干，将钢基体与其质量5倍的乙醇混合，浸泡15min，加热到50℃，浸泡5min，除去乙醇，将钢基体烘干，在90℃下，通过表面喷砂对钢基体处理13min；

[0075] 所述钢基体与丙酮的质量比为1:5；

[0076] （2）电镀

[0077] 将钢基体放入立式电镀锌槽，通过重力法电镀工艺在钢基体表面形成镀锌层，其中，硫酸锌溶液的浓度为110g/L，溶液的pH为1，溶液的温度为50℃；

[0078] （3）预热

[0079] 把上一步骤镀锌的钢基体放入铸型模具中，将整个铸型模具放入高温炉中加热至800℃，并保温2h，以待浇注；

[0080] （4）熔炼

[0081] 将黄铜各原料放入熔炼炉内，加热至1260℃，待黄铜完全熔化后对熔液进行除气、用草木灰覆盖打渣，将黄铜熔液转到浇包，金属液温度在 1140℃时开始倒入铸型模具中浇注；

[0082] （5）成型

[0083] 将铸型模具在1080℃下保温时间7hh，关闭高温炉加热源，铸型空气中冷却。

[0084] 所述铸型模具包括托盘（4），所述托盘（4）内垫有砂子（5），所述砂子（5）上设有熔模模壳（6），所述熔模模壳（6）中间有米字形浇口（3），所述熔模模壳（6）由内而外依次为钢坯（1）、金属液型腔（2）；所述托盘（4）呈凹陷型；所述米字形浇口（3）呈m型；所述钢坯（1）用于放置镀锌钢基体；所述金属液型腔（2）用于浇注黄铜。

[0085] 为说明本发明的技术效果，设计对比例如下：

[0086] 对比例1 与实施例1的区别是所述黄铜的制作原料中未加铈；对比例2 与实施例1的区别是所述黄铜的制作原料中未加钇；
对比例3 与实施例1的区别是所述钢基体的制作原料中未加铌；
对比例4 与实施例1的区别是所述钢基体的制作原料中未加铼。

[0087] 试验例

[0088] 分别按照实施例1‑3和对比例1‑4制作钢‑黄铜材料，将材料制成厚度10mm的规格，检测力学性能如下：

[0089]  Rp0.2/MPa Rm/MPa 周浸腐蚀率/% ‑60℃冲击功/J
实施例1 623.35 677.41 0.21 149.06
实施例2 633.19 680.06 0.18 151.16
实施例3 629.51 683.99 0.23 155.92
对比例1 538.47 611.47 0.57 123.44
对比例2 542.86 632.19 0.52 121.97
对比例3 557.32 626.51 0.48 117.86
对比例4 529.73 622.33 0.55 130.08

[0090] 由表可以看出，使用本发明方法制备的钢‑黄铜材料力学性能得到显著提升，低温下也有良好的性能释放，抗腐蚀效果好，具有优良的使用价值。