[发明专利]钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面预处理方法

说明书

本发明属于铸件铸造的前处理技术领域，具体涉及一种钢‑铝合金镶嵌铸造的嵌件表面预处理方法，包括清洗步骤、表面活化处理步骤、表面渗铝处理步骤和二次扩散与去应力处理步骤，表面活化处理步骤具体为将钢‑铝合金镶嵌铸造的嵌件置于70‑85℃的ZnCl2、K2ZrF6、十二烷基苯磺酸钠和水组成的溶液中处理3‑6min水组成的溶液中处理3‑6min，表面渗铝处理步骤具体为将经390‑410℃预热后的钢‑铝合金镶嵌铸造的嵌件牢固夹持，浸入710‑730℃稀土铝合金熔体中表面渗铝处理0.5‑6min，液面由氩气保护，渗铝过程施加螺旋磁力外场。该方法能够最大限度发挥铝合金的轻质与钢的高强、耐压、耐磨等性能优势。

技术领域

本发明属于铸件铸造的前处理技术领域，具体涉及一种钢-铝合金镶嵌铸造的嵌件表面预处理方法。

背景技术

镶嵌铸造是基于仿生学原理，在浇注前，将金属或非金属零件安放在铸型中，再浇入金属液，经冷却凝固后，这些零件就紧密地镶嵌在所浇注的金属铸件中，成为一个整体的工艺方法，所得的铸件称为镶嵌铸件。镶嵌铸件兼具轻合金的轻质与钢的高强、耐压、耐磨等性能优势。

随着装备制造向轻量化、高机动性方向发展，镶嵌铸件在汽车、航空航天、兵器等领域的应用日益广泛。

最典型的镶嵌铸造方式是不锈钢-铝合金镶嵌铸造。但由于铝基体和不锈钢嵌件的热涨系数、电极电位、界面润湿、应力状态等差异较大，导致充型凝固过程中界面断续、不均匀扩散，应力聚集，并生成脆性中间化合物Fe₂A1₅等，最终演变为气隙、孔洞、裂纹等严重界面缺陷，破坏了钢铝的结合效果，导致铸件断裂、漏气、烧蚀、嵌件松动等质量问题。因此，在浇注前，对钢嵌件进行表面预处理，有利于抑制镶嵌界面的孔洞、裂纹等失效行为，改善界面凝固质量，显著提高结合强度。

滕建业等研究了对20碳钢的固体粉末包埋渗铝工艺，通过新型渗铝渗剂的应用，抑制了渗层内FeAl3等高铝脆性相的生成，改善了钢的机械性能和焊接性能（“碳钢渗铝工艺研究”，滕建业等，株洲工学院学报，2004年9月，第18卷第5期，第51页右栏第3-4段）。但该方法存在以下问题：设备要求高，渗铝温度过高，界面氧化夹杂难控制，且深层厚度不均匀，成本过高，易出现漏渗现象，仅适用于型材材、板材等的表面防护，不适合结构复杂的镶嵌铸造用嵌件。

王院生等在17-4PH不锈钢上热浸镀铝，然后进行扩散退火处理，研究了热浸镀铝层的显微组织和显微硬度的变化，并考察了其高温耐氧化性能，其结果表明：17-4P不锈钢热浸镀铝后表面分为富铝层、合金层、基体层等3层，合金层主要相为Fe₂Al₅；经950℃、1h的扩散处理后，富铝层全部转变为合金层，厚度约为100μm，且分为内扩散层与外扩散层；内扩散层厚度约为40μm，主要相为Fe₃Al；外扩散层主要相为FeAl；合金层的显微硬度从表面到基体逐渐降低，表面显微硬度最高达到714HV；17-4PH不锈钢经热浸镀铝后，其高温耐氧化性能显著提高；在1000℃，热浸镀铝件的高温耐氧化性能约是未镀铝件的7倍；在氧化过程中，表层致密的γ-Al₂O₃氧化膜和金属间化合物FeAl、Fe₃Al起到高温耐氧化作用（“17-4PH不锈钢热浸镀铝及其高温耐氧化性能”，王院生等，电镀与涂饰，第30卷地3期，2011年3月，第35页摘要）。但该方法存在以下问题：不锈钢表面助镀处理用单一的KF溶液，难以形成致密的保护膜度，液化后可能因残留夹杂或气泡导致界面孔洞等缺陷；采用纯铝介质渗铝，形成的3层界面中富铝层纯度达到97.08%，硬度、强度等性能较差，会破坏界面结合强度；铝熔体仅采用覆盖剂保护，钢件出水易氧化、夹杂；缺乏干预外场，钢件漏浸、起皱、波纹现象无法解决，且界面凝固组织粗大、不均匀。

发明内容