[发明专利]铸铁-铜双金属复合材料烧结工艺

说明书

本发明涉及一种铸铁、高碳钢-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，利用现有的双金属复合材料的工艺方法，这类的烧结质量，主要是结合力不够理想。

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、高碳钢-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铸铁或高碳钢的金属基体表面撒布一层稀薄铜粉，所用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，铜粉成不连续状态，铜粉之间没有广泛搭接，然后将撒好铜粉后的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，经第一次烧结后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，然后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，厚铜粉的厚度为0.3～6.5mm，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，烧结后在金属表面形成所需的厚铜层。

在进行第一次烧结时，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