專利名稱：一種合金鋼/銅合金整體材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于異質(zhì)金屬材料連接的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種合金鋼/銅合金整體材料的制備方法。
背景技術(shù)：
合金鋼具有較高的強度、硬度、韌性、塑性和一定的可焊性，常被用來作為工程結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)材料。銅合金具有良好的耐磨性和傳導(dǎo)性。若將合金鋼與銅合金兩種異質(zhì)材料通過材料加工的方法連接在一起，制備成合金鋼/銅合金整體材料構(gòu)件，將會協(xié)同發(fā)揮這兩種材料各自的性能優(yōu)勢，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)-功能一體化，也將滿足一些工程機械關(guān)鍵部件對材料的特殊要求
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種合金鋼/銅合金整體材料的制備方法，能夠協(xié)同發(fā)揮這兩種材料各自的性能優(yōu)勢，滿足一些工程機械關(guān)鍵部件對材料的特殊要求。本發(fā)明技術(shù)方案為一種合金鋼/銅合金整體材料的制備方法，首先將銅合金與合金鋼機械加工成圓筒狀，將銅合金的外表面和合金鋼的內(nèi)表面加工成互相配合鑲嵌的齒形結(jié)構(gòu)；其次，對兩類加工好的部件表面進行潔凈化處理；再次，在保護氣氛環(huán)境中對合金鋼筒進行加熱；然后，將銅合金圓筒壓入合金鋼圓筒中；最后，對鑲嵌成型的合金鋼/銅合金整體構(gòu)件材料在氫氣爐中進行保溫，等兩者形成穩(wěn)定連接后，冷卻。本發(fā)明的特點還在于，具體按照以下步驟實施步驟I，機械加工將銅合金與合金鋼經(jīng)機械加工成為圓筒形結(jié)構(gòu)，所述銅合金圓筒的內(nèi)壁為沿銅合金圓筒軸向延伸的齒形結(jié)構(gòu)，合金鋼圓筒外壁為沿合金鋼圓筒軸向延伸且與銅合金圓筒內(nèi)壁相配合的齒形結(jié)構(gòu)，且使銅合金圓筒齒形外徑與合金鋼圓筒齒形內(nèi)徑的公差范圍為在室溫條件下銅合金圓筒不能裝入合金鋼圓筒中；步驟2，合金鋼與銅合金表面處理對步驟I加工好的合金鋼圓筒與銅合金圓筒，首先，用汽油沖洗表面殘留物，再次用超聲波清洗殘留在表面的油污；步驟3，高溫鑲嵌將步驟2表面處理完成的合金鋼圓筒放置于氣氛保護爐內(nèi)，將合金鋼圓筒加熱到200-400°C使其膨脹，保溫10-30分鐘后將合金鋼圓筒移出爐外，將步驟2中處理好的銅合金圓筒快速壓入合金鋼圓筒中，完成熱裝，得到合金鋼/銅合金整體材料構(gòu)件；步驟4，高溫還原條件下的固態(tài)擴散連接將步驟3完成熱裝后的合金鋼/銅合金整體材料構(gòu)件繼續(xù)放入氫氣氣氛保護爐內(nèi)進行二次加熱，加熱溫度為700-1000°C，保溫1-3小時，隨爐冷卻后進行機加工，即成。
步驟3中所述氣氛保護爐中保護氣體為氮氣。步驟4中所述氣氛保護爐內(nèi)還原氣體為氫氣。本發(fā)明的有益效果是，利用合金鋼和銅合金兩者的熱膨脹系數(shù)差異，通過熱裝的方式將銅合金與合金鋼鑲嵌在一起，實現(xiàn)兩者的過盈配合；在隨后的高溫還原氣氛條件下保溫一定時間，同時利用還原氣氛還原表面的氧化物和高溫下銅合金的膨脹大于合金鋼的膨脹而產(chǎn)生的壓應(yīng)力，促使銅合金與合金鋼之間固相擴散更充分，形成高強度的冶金結(jié)合。


圖I為本發(fā)明合金鋼/銅合金整體材料的制備方法的工藝流程圖；圖2為本發(fā)明的方法中制備銅合金的齒形結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明的方法中制備合金鋼的筒形結(jié)構(gòu)圖； 圖4為本發(fā)明的方法中制備合金鋼/銅合金整體材料構(gòu)件示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。本發(fā)明提供一種合金鋼/銅合金整體材料的制備方法，首先將銅合金與合金鋼機械加工成圓筒狀，將銅合金的外表面和合金鋼的內(nèi)表面加工成互相配合鑲嵌的齒形結(jié)構(gòu)；其次，對兩類加工好的部件表面進行潔凈化處理；再次，在保護氣氛環(huán)境中對合金鋼筒進行加熱；然后，將銅合金圓筒壓入合金鋼圓筒中；最后，對鑲嵌成型的合金鋼/銅合金整體構(gòu)件材料在氫氣爐中進行保溫，讓銅合金與合金鋼發(fā)生固態(tài)擴散，等兩者形成穩(wěn)定連接后，冷卻。如圖I所示，按照以下步驟實施步驟I，機械加工將銅合金與合金鋼經(jīng)機械加工成為圓筒形結(jié)構(gòu)。如圖2所示，所述銅合金圓筒的內(nèi)壁為沿銅合金圓筒軸向延伸的齒形結(jié)構(gòu)；如圖3所示，合金鋼圓筒外壁為沿合金鋼圓筒軸向延伸且與銅合金圓筒內(nèi)壁相配合的齒形結(jié)構(gòu)，且使銅合金圓筒齒形外徑與合金鋼圓筒齒形內(nèi)徑的公差范圍為在室溫條件下銅合金圓筒不能裝入合金鋼圓筒中；步驟2，合金鋼與銅合金表面處理對步驟I加工好的合金鋼圓筒與銅合金圓筒，先用汽油沖洗表面殘留的油污和雜質(zhì)；再用超聲波進一步清洗；步驟3，高溫鑲嵌將步驟2預(yù)處理完成的合金鋼圓筒放置于氮氣氣氛保護爐內(nèi)，將合金鋼圓筒加熱到200-400°C使其膨脹，保溫10-30分鐘后將合金鋼圓筒從爐中移出，將步驟2中處理好的銅合金齒形圓筒快速壓入熱的合金鋼圓筒中，完成熱裝，得到合金鋼/銅合金整體材料構(gòu)件，如圖4所示；步驟4，高溫還原條件下的固態(tài)擴散連接 將步驟3完成熱裝后的合金鋼/銅合金整體材料構(gòu)件繼續(xù)放入氫氣氣氛保護燒結(jié)爐內(nèi)進行二次加熱，加熱溫度700-1000°C，保溫1-3小時，等合金鋼與銅合金實現(xiàn)充分固態(tài)擴散以后，隨爐冷卻，即成。最后，根據(jù)工程構(gòu)件的實際尺寸對銅合金內(nèi)側(cè)和合金鋼外側(cè)進行加工，獲得整體材料構(gòu)件。實施例I將銅合金與合金鋼經(jīng)機械加工成為圓筒形結(jié)構(gòu)，銅合金圓筒的內(nèi)壁為沿銅合金圓筒軸向延伸的齒形結(jié)構(gòu)，合金鋼圓筒外壁為沿合金鋼圓筒軸向延伸且與銅合金圓筒內(nèi)壁相配合的齒形結(jié)構(gòu)，且使銅合金圓筒齒形外徑與合金鋼圓筒齒形內(nèi)徑的公差范圍為在室溫條件下銅合金圓筒不能裝入合金鋼圓筒中；對加工好的合金鋼圓筒與銅合金圓筒用汽油沖洗表面殘留物，再用超聲波清洗殘留在表面的油污；將合金鋼圓筒放置于氣氛保護爐內(nèi)，將合金鋼圓筒加熱到200°C使其膨脹，保溫30分鐘后將合金鋼圓筒移出爐外，銅合金圓筒快速壓入合金鋼圓筒中，完成熱裝，得到合金鋼/銅合金整體材料構(gòu)件；將合金鋼/銅合金整體材料構(gòu)件繼續(xù)放入氫氣氣氛保護爐內(nèi)進行二次加熱，加熱溫度為900°C，保溫I小時，隨爐冷卻后進行機加工，即成。實施例2 將銅合金與合金鋼經(jīng)機械加工成為圓筒形結(jié)構(gòu)，銅合金圓筒的內(nèi)壁為沿銅合金圓筒軸向延伸的齒形結(jié)構(gòu)，合金鋼圓筒外壁為沿合金鋼圓筒軸向延伸且與銅合金圓筒內(nèi)壁相配合的齒形結(jié)構(gòu)，且使銅合金圓筒齒形外徑與合金鋼圓筒齒形內(nèi)徑的公差范圍為在室溫條件下銅合金圓筒不能裝入合金鋼圓筒中；對加工好的合金鋼圓筒與銅合金圓筒用汽油沖洗表面殘留物，再用超聲波清洗殘留在表面的油污；將合金鋼圓筒放置于氣氛保護爐內(nèi)，將合金鋼圓筒加熱到300°C使其膨脹，保溫20分鐘后將合金鋼圓筒移出爐外，銅合金圓筒快速壓入合金鋼圓筒中，完成熱裝，得到合金鋼/銅合金整體材料構(gòu)件；將合金鋼/銅合金整體材料構(gòu)件繼續(xù)放入氫氣氣氛保護爐內(nèi)進行二次加熱，加熱溫度為700°C，保溫2小時，隨爐冷卻后進行機加工，即成。實施例3將銅合金與合金鋼經(jīng)機械加工成為圓筒形結(jié)構(gòu)，銅合金圓筒的內(nèi)壁為沿銅合金圓筒軸向延伸的齒形結(jié)構(gòu)，合金鋼圓筒外壁為沿合金鋼圓筒軸向延伸且與銅合金圓筒內(nèi)壁相配合的齒形結(jié)構(gòu)，且使銅合金圓筒齒形外徑與合金鋼圓筒齒形內(nèi)徑的公差范圍為在室溫條件下銅合金圓筒不能裝入合金鋼圓筒中；對加工好的合金鋼圓筒與銅合金圓筒用汽油沖洗表面殘留物，再用超聲波清洗殘留在表面的油污；將合金鋼圓筒放置于氣氛保護爐內(nèi)，將合金鋼圓筒加熱到400°C使其膨脹，保溫10分鐘后將合金鋼圓筒移出爐外，銅合金圓筒快速壓入合金鋼圓筒中，完成熱裝，得到合金鋼/銅合金整體材料構(gòu)件；將合金鋼/銅合金整體材料構(gòu)件繼續(xù)放入氫氣氣氛保護爐內(nèi)進行二次加熱，加熱溫度為1000°C，保溫I小時，隨爐冷卻后進行機加工，即成。由于合金鋼與銅合金兩類材料在物理、化學性能及力學性能等有顯著差異，本發(fā)明的方法利用銅合金與合金鋼在膨脹系上的差別，將合金鋼與銅合金加工成一定形狀后在一定溫度下進行機械鑲嵌，形成整體結(jié)構(gòu)后利用高溫下產(chǎn)生的膨脹力讓兩種材料進行自生壓力下的固態(tài)擴散，最終形成的整體材料除了具有合金鋼和銅合金各自性能外，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化。本發(fā)明的方法先熱裝然后再利用還原氣氛還原表面的氧化物和高溫下銅合金的膨脹大于合金鋼的膨脹而產(chǎn)生的壓應(yīng)力，促使銅合金與合金鋼之間固相擴散更充分，形成一定強度的結(jié)合。
本發(fā)明的優(yōu)點是，提供一種能夠制備出同時具有合金鋼和銅合金兩種材料性能優(yōu)點的整體材料，更為重要的是，本發(fā)明制備 的整體材料結(jié)合穩(wěn)定，制備工藝簡單可靠，成本低。
權(quán)利要求
1.一種合金鋼/銅合金整體材料的制備方法，其特征在于，首先將銅合金與合金鋼機械加工成圓筒狀，將銅合金的外表面和合金鋼的內(nèi)表面加工成互相配合鑲嵌的齒形結(jié)構(gòu)；其次，對兩類加工好的部件表面進行潔凈化處理；再次，在保護氣氛環(huán)境中對合金鋼筒進行加熱；然后，將銅合金圓筒壓入合金鋼圓筒中；最后，對鑲嵌成型的合金鋼/銅合金整體構(gòu)件材料在氫氣爐中進行保溫，等兩者形成穩(wěn)定連接后，冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施 步驟I，機械加工 將銅合金與合金鋼經(jīng)機械加工成為圓筒形結(jié)構(gòu)，所述銅合金圓筒的內(nèi)壁為沿銅合金圓筒軸向延伸的齒形結(jié)構(gòu)，合金鋼圓筒外壁為沿合金鋼圓筒軸向延伸且與銅合金圓筒內(nèi)壁相配合的齒形結(jié)構(gòu)，且使銅合金圓筒齒形外徑與合金鋼圓筒齒形內(nèi)徑的公差范圍為在室溫條件下銅合金圓筒不能裝入合金鋼圓筒中； 步驟2，合金鋼與銅合金表面處理 對步驟I加工好的合金鋼圓筒與銅合金圓筒，首先，用汽油沖洗表面殘留物，再次用超聲波清洗殘留在表面的油污； 步驟3，高溫鑲嵌 將步驟2表面處理完成的合金鋼圓筒放置于氣氛保護爐內(nèi)，將合金鋼圓筒加熱到200-400°C使其膨脹，保溫10-30分鐘后將合金鋼圓筒移出爐外，將步驟2中處理好的銅合金圓筒快速壓入合金鋼圓筒中，完成熱裝，得到合金鋼/銅合金整體材料構(gòu)件； 步驟4，高溫還原條件下的固態(tài)擴散連接 將步驟3完成熱裝后的合金鋼/銅合金整體材料構(gòu)件繼續(xù)放入氫氣氣氛保護爐內(nèi)進行二次加熱，加熱溫度為700-1000°C，保溫1-3小時，隨爐冷卻后進行機加工，即成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其特征在于，步驟3中所述氣氛保護爐中保護氣體為氮氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其特征在于，步驟4中所述氣氛保護爐內(nèi)還原氣體為氫氣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種合金鋼/銅合金整體材料的制備方法，首先將銅合金與合金鋼機械加工成圓筒狀，將銅合金的外表面和合金鋼的內(nèi)表面加工成互相配合鑲嵌的齒形結(jié)構(gòu)；其次，對兩類加工好的部件表面進行潔凈化處理；再次，在保護氣氛環(huán)境中對合金鋼筒進行加熱；然后，將銅合金圓筒壓入合金鋼圓筒中；最后，對鑲嵌成型的合金鋼/銅合金整體構(gòu)件材料在氫氣爐中進行保溫，等兩者形成穩(wěn)定連接后，冷卻。利用還原氣氛還原表面的氧化物和高溫下銅合金的膨脹大于合金鋼的膨脹而產(chǎn)生的壓應(yīng)力，促使銅合金與合金鋼之間固相擴散更充分，形成一定強度的結(jié)合。
文檔編號B21D39/00GK102896236SQ20121034399
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月17日
發(fā)明者梁淑華, 鄒軍濤, 肖鵬, 張喬 申請人:西安理工大學