一种铜钢双合金部件铸造型壳及其制备方法

技术领域

本发明属于熔模铸造技术领域，具体涉及一种铜钢双合金部件铸造型壳及其制备方法。

背景技术

近年来，随着对工程材料综合性能的要求越来越高，采用单一金属材料制造的零部件越来越难以满足其全方位性能需求。加之贵金属资源逐渐稀缺，使得双金属材料逐渐得到工业推广和应用。双金属材料在保持各金属原有特性的基础上，整体性能得到显著提高，其制备工艺也越来越受到重视。

其中，以航空航天、国防军工、高端医疗、汽车等领域内用的铜钢双合金部件为例，现有技术通常采用压力铸造工艺生产，该工艺主要流程为将钢芯固定在金属模具型腔内，合模后通过压力将铜液注入该金属模具型腔内，使铜液包裹住钢芯后开始冷却凝固，从而形成双金属铸件。虽然压铸工艺生产效率高，但其在生产过程中存在以下问题：

一是为了保证产品的成型质量，压铸前需要将无氧铜加热至高温(1230℃)，但较高的过热度对模具的材料提出了较高的要求。因此，通常采用镍基高温合金材料制作金属模具，除了材料价格昂贵外，加工难度也较普通模具钢高；

二是压铸模具需要装配在压铸机上进行生产作业，控制参数较多，且各参数对产品最终的冶金质量影响较大；

三是较高的过热度除了会降低模具使用寿命外，也会造成铜液在高温状态下吸收空气中的O和H，降低铜的导电率，从而降低组件最终的性能；

四是由于较高的过热度，加热铜的过程会增加能源消耗。

另外，现有技术为了有效避免铜液熔化过程中的吸O和H，以提高铜的导电率，从而保证最终铜钢双合金部件的性能，部分厂家采用真空重力铸造的方式生产，但该方式金属模具密封结构复杂，制造、安装、维护较困难，因而成本更高，且同时存在金属型模具透气性差(浇注时型腔无法有效排气，易造成充型不足)，温度参数控制难度大，浇注后高温模具搬运、开模困难等，最终导致产品合格率低。

有鉴于此，特提出此发明。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种铜钢双合金部件铸造型壳及其制备方法，本发明根据待加工目标铜钢双合金部件的规格制作相应的陶瓷铸造型壳，该陶瓷铸造型壳为一次性铸型，浇注后无需立即开模，待铸型充分冷却后仅需敲碎、清除陶瓷铸造型壳即可获得相应的铸件，保证了产品的合格率；同时作为制备陶瓷铸造型壳的金属模具可重复利用，降低了生产成本。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一方面，本发明提供一种铜钢双合金部件的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、制作金属模具

根据目标铜钢双合金部件的规格设计上模熔模和下模熔模的结构，然后根据上熔模与下熔模的结构设计并制作相应的金属模具；

步骤二、制作熔模组

根据步骤一设计的上模熔模和下模熔模，并采用铸造中温蜡料在设定工艺参数下利于步骤一得到的金属模具制作上模熔模和下模熔模，再通过蜡液分别对上模熔模和下模熔模进行填充并将金属连杆固定，以得到上熔模模组和下熔模模组，最后对上熔模模组和下熔模模组进行清洗、晾干处理；

步骤三、制作铸造型壳

先分别在步骤二上熔模模组和下熔模模组的外表面涂覆陶瓷料浆和耐火材料，待陶瓷料浆干燥硬化后形成初始上模型壳和初始下模型壳，再将蜡料熔模脱除并取出金属连杆，然后检查初始上模型壳和初始下模型壳是否合格，确认合格后再在设定温度下对初始上模型壳和初始下模型壳进行焙烧处理，以形成由上模型壳和下模型壳组成的铸造型壳；

步骤四、制备铜钢双合金部件

先将目标铜钢双合金部件中的钢芯安装在步骤三得到的下模型壳中，再将组成目标铜钢双合金部件中的无氧铜原料套设在钢芯上端，然后将步骤三得到的上模型壳与下模型壳装配、密封，最后对安装有铜钢双合金部件原料的铸造型壳整体进行真空加热处理，利用无氧铜原料与钢芯的熔点差，使熔化后的无氧铜浇注在铸造型壳型腔与钢芯之间，待铸造型壳整体冷却后敲碎铸造型壳，即得到目标铜钢双合金部件。

进一步地，所述步骤二中采用162蜡料并在16T液压射蜡机上制作上模熔模和下模熔模。

进一步地，所述步骤二中制作上模熔模的工艺参数为：蜡缸温度58±5℃，冷却缸温度58±5℃，冷却时间30s～50s，射蜡压力5Kg/cm

下模熔模的工艺参数为：蜡缸温度58±5℃，冷却缸温度58±5℃，冷却时间40s～60s，射蜡压力10Kg/cm

进一步地，所述步骤二中蜡液在填充上模熔模和下模熔模并固定金属连杆时，蜡液的温度为110℃～130℃，且在填充蜡液前应使压制后的上模熔模和下模熔模充分冷却2h以上。

进一步地，所述步骤三中在制作铸造型壳时，涂覆下模熔模料浆和耐火材料的顺序依次为面层→过渡层→加固层→封严层；

其中，所述面层料浆成分为硅溶胶+锆英粉+渗透剂+消泡剂，耐火材料(撒砂)为80目～120目的锆英，干燥时间应大于8h，涂覆层数为2层，干燥间温度为19℃～23℃，干燥间湿度为50％～70％；

所述过渡层料浆成分为硅溶胶+上店粉，耐火材料(撒砂)为30目～60目的上店砂，干燥时间应大于6h，涂覆层数为1层，干燥间温度为19℃～23℃，干燥间湿度为50％～70％；

所述加固层料浆成分为硅溶胶+上店粉，耐火材料(撒砂)为30目～60目的上店砂，干燥时间应大于6h，涂覆层数为3层，干燥间温度为19℃～23℃，干燥间湿度为30％～60％；

所述封严层料浆成分为硅溶胶+上店粉，干燥时间应大于12h，涂覆层数为1层，干燥间温度为19℃～23℃，干燥间湿度为30％～60％。

进一步地，所述步骤三中蜡料熔模脱除时在高压蒸汽脱蜡釜内进行，具体如下：

初始上模型壳在脱除蜡料熔模时的参数为：蒸汽压力0.6MPa～0.8Mpa，脱蜡温度165℃～175℃，脱蜡时间10min～20min；

初始下模型壳在脱除蜡料熔模时的参数为：蒸汽压力0.6MPa～0.8Mpa，脱蜡温度165℃～175℃，脱蜡时间15min～25min。

进一步地，所述步骤三中对初始上模型壳和初始下模型壳进行焙烧前，应使脱蜡后的初始上模型壳和初始下模型壳自然干燥24h以上；

所述步骤三中对初始上模型壳和初始下模型壳进行焙烧时，温度设定为800℃～900℃，保温1h～2h后随炉冷却至100℃以下，取出冷却至室温即得到铸造型壳。

进一步地，所述步骤四在制备铜钢双合金部件前，先对上模型壳和下模型壳的型腔进行清洗，待清洗干净后将其自然干燥24h以上或在100℃～150℃炉膛烘干4h以上。

进一步地，所述上模型壳与下模型壳装配后、在分界线结合处采用耐火胶泥进行缝隙密封，密封后将铸造型壳自然干燥24h后，再进行真空加热，加热温度设定为1150℃～1180℃。

另一方面，本发明提供一种铜钢双合金部件铸造型壳，所述铸造型壳是基于上述制备方法中制备获得，所述铸造型壳包括相互配合的上模型壳和下模型壳，且所述上模型壳和下模型壳均为陶瓷型壳。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明根据目标铜钢双合金部件的规格先制作相应的金属模具，然后在金属模具的基础上以铸造中温蜡料为原料制作蜡料熔模组，再以蜡料熔模组制作陶瓷铸造型壳，再将目标铜钢双合金部件中的钢芯和无氧铜原料安装在陶瓷铸造型壳内，再对已安装铜钢双合金部件原料的陶瓷铸造型壳进行密封，最后对铸造型壳整体进行真空加热，利用无氧铜原料与钢芯的熔点差，使熔化后的无氧铜浇注在铸造型壳型腔与钢芯之间，冷却后仅需将陶瓷铸造型壳敲碎，即可获得高质量的铜钢双合金铸件。相较于现有的压铸工艺，本发明具有以下几个优点：

一是本发明降低了对金属模具材质和加工难度的要求，本发明金属模具使用普通模具钢或锻造铝合金即可，因此相较于镍基高温合金模具便于加工，这是因为在本发明中金属模具仅用于制作熔模组，不直接与加热后的铜钢双合金部件原料接触；

二是本发明只需要控制无氧铜浇注时的真空度、温度和保温时间，因此降低了生产过程工艺控制难度；

三是本发明铸造型壳为陶瓷材质，故可与原料整体加热，因此不需要加热过高的温度，即仅需加热至1150℃～1180℃(不需要较高的过热度)，节省了能耗和成本；

四是本发明配合真空浇注，降低无氧铜增O、H的几率，提高铜的导电率；

五是本发明陶瓷铸造型壳为一次性铸型，浇注后无需立即开模，待充分冷却后仅需敲碎、清除陶瓷的铸造型壳即可获得目标铜钢双合金部件，降低工人劳动强度，同时改善铸型透气性，提高铸造产品的合格率。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明铜钢双合金部件的制备方法的流程图；

图2是本发明实施例中上模熔模结构示意图；

图3是本发明实施例中下模熔模结构示意图；

图4是本发明实施例中上熔模模组结构示意图；

图5是本发明实施例中下熔模模组结构示意图；

图6是本发明实施例中铸造型壳使用状态结构示意图；

其中：1为上模熔模；2为下模熔模；3为蜡料；4为金属连杆(连接制壳机械臂)；5为分界线；6为上模型壳；7为下模型壳；8为耐火胶泥；9为钢芯；10为无氧铜原料。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置的例子。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细描述。

请参见图1，本发明提供一种铜钢双合金部件的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一、制作金属模具

根据目标铜钢双合金部件的规格设计上模熔模和下模熔模的结构，然后根据上熔模与下熔模的结构设计并制作相应的金属模具；

步骤二、制作熔模组

根据步骤一设计的上模熔模和下模熔模，并采用铸造中温蜡料在设定工艺参数下利于步骤一得到的金属模具制作上模熔模和下模熔模，再通过蜡液分别对上模熔模和下模熔模进行填充并将金属连杆固定，以得到上熔模模组和下熔模模组，最后对上熔模模组和下熔模模组进行清洗、晾干处理；

具体的，上模熔模和下模熔模采用162蜡料并在16T液压射蜡机上制作，制作的工艺参数如下表1所示，熔模压制后充分冷却2小时以上，采用110℃～130℃的162中温蜡液填充熔模并将金属连杆固定，形成上熔模模组和下熔模模组，再将熔模模组浸入水基蜡模清洗剂内，并上下抖动3～4次，清洗熔模模组表面的脱模剂，总清洗时间3s～5s，最后将熔模模组浸入流动清水内将其表面残留除油剂清洗干净，自然晾干。

表1熔模制备工艺参数

步骤三、制作铸造型壳

先分别在步骤二上熔模模组和下熔模模组的外表面涂覆陶瓷料浆和耐火材料，待陶瓷料浆干燥硬化后形成初始上模型壳和初始下模型壳，再将蜡料熔模脱除并取出金属连杆，然后检查初始上模型壳和初始下模型壳是否合格，确认合格后再在设定温度下对初始上模型壳和初始下模型壳进行焙烧处理，以形成由上模型壳和下模型壳组成的铸造型壳；

具体的，按下表2制壳工艺在全自动制壳线上制作初始型壳，制作初始型壳时，涂覆料浆和和耐火材料的顺序依次为面层→过渡层→加固层→封严层，每层涂挂后立即用刀片将上下模分界线上的料浆刮除，以确保脱蜡后初始型壳由分界线分成两部分，金属连杆一侧的为多余型壳，舍弃不用，注意刮除过程中尽量减少对熔模的损伤，也不能损伤其他位置初始型壳。

表2制壳工艺参数

再按按下表3的工艺参数在高压蒸汽脱蜡釜内将蜡料脱除，并取出金属连杆；检查初始型壳表面是否存在裂纹、型腔内表面是否有初始型壳脱落，若无裂纹和脱落，则初始型壳合格，反之则初始型壳不合格；脱蜡后自然干燥24小时以上，将初始型壳装入电热焙烧炉，装炉温度为室温；关闭炉门，设置加热温度为800℃～900℃，保温1～2小时后随炉冷却至100℃以下，将其取出即得到铸造型壳。

步骤四、制备铜钢双合金部件

先将目标铜钢双合金部件中的钢芯安装在步骤三得到的下模型壳中，再将组成目标铜钢双合金部件中的无氧铜原料套设在钢芯上端，然后将步骤三得到的上模型壳与下模型壳装配、密封，最后对安装有铜钢双合金部件原料的铸造型壳整体进行真空加热处理，利用无氧铜原料与钢芯的熔点差，使熔化后的无氧铜浇注在铸造型壳型腔与钢芯之间，待铸造型壳整体冷却后敲碎铸造型壳，即得到目标铜钢双合金部件。

具体的，在制备铜钢双合金部件前，先对上模型壳和下模型壳的型腔进行清洗，待清洗干净后将其自然干燥24h以上或在100℃～150℃炉膛烘干4h以上；装配时先将钢芯放入下模型壳，再将无氧铜原料套在钢芯上端，最后将上模型壳盖住，装配过程注意防止异物落入型腔，装配后保持铸造型壳始终朝上放置(上模在上、下模在下)，并避免晃动、震动铸造型壳；上模型壳与下模型壳装配后在结合处采用耐火胶泥进行缝隙密封，密封后将铸造型壳自然干燥24h后，再进行真空加热，加热温度设定为1150℃～1180℃。

为了进一步验证本发明制备方法的功效，发明人进行了如下具体试验：

实施例

以制备某医疗设备用铜钢双合金铸件为例进行说明，其具体制备过程如下：

1)根据该铜钢双合金铸件的结构和尺寸设计上模熔模和下模熔模的结构，具体如图2、3所示；

2)根据上模熔模和下模熔模的结构分别设计并制作相应的金属模具(包括上模和下模)；

3)在16T液压射蜡机上采用162蜡料(铸造中温蜡料)制备熔模(包括上模熔模和下模熔模)；

其中，上模熔模的工艺参数为：蜡缸温度58℃，冷却缸温度58℃，冷却时间40s，射蜡压力10Kg/cm

4)熔模压制后充分冷却4小时后，采用120℃的162中温蜡液填充熔模并将金属连杆4固定，得到上熔模模组和下熔模模组，具体如图4、5所示；

5)将熔模组(上熔模模组和下熔模模组)浸入水基蜡模清洗剂内，并上下抖动3次，清洗熔模表面的脱模剂，总清洗时间4s；然后将熔模组立即浸入流动清水内将其表面残留除油剂清洗干净后、自然晾干；

6)按以下制壳工艺在全自动制壳线上制作初始型壳(包括初始上模型壳和初始下模型壳)，每层涂挂后立即用刀片将图4、5所示分界线上5的粘结剂和耐火材料刮除，刮除过程中尽量减少对熔模的损伤，也不能损伤其他位置型壳；

其中，制壳工艺为在上熔模模组和下熔模模组的外表面涂覆陶瓷料浆和耐火材料，涂覆陶瓷料浆和耐火材料的顺序依次为面层→过渡层→加固层→封严层；具体面层料浆成分为硅溶胶+锆英粉+渗透剂+消泡剂，撒砂(耐火材料)为100目的锆英，干燥时间10h，涂覆层数为2层，干燥间温度为21℃，干燥间湿度为60％；过渡层料浆成分为硅溶胶+上店粉，撒砂(耐火材料)为50目的上店砂，干燥时间8h，涂覆层数为1层，干燥间温度为22℃，干燥间湿度为65％；加固层料浆成分为硅溶胶+上店粉，撒砂(耐火材料)为40目的上店砂，干燥时间8h，涂覆层数为3层，干燥间温度为23℃，干燥间湿度为40％；封严层料浆成分为硅溶胶+上店粉，干燥时间16h，涂覆层数为1层，干燥间温度为19℃，干燥间湿度为30％；

7)按以下工艺参数在高压蒸汽脱蜡釜内将蜡料脱除，并取出金属连杆；

其中，工艺参数为初始上模型壳在脱除蜡料熔模时的参数为：蒸汽压力0.67Mpa，脱蜡温度170℃，脱蜡时间15min；初始下模型壳在脱除蜡料熔模时的参数为：蒸汽压力0.7Mpa，脱蜡温度163℃，脱蜡时间20min；

8)检查初始型壳表面是否存在裂纹、型腔内表面是否有型壳脱落，若无裂纹和脱落，则初始型壳合格，反之则初始型壳不合格；

9)初始型壳脱蜡后自然干燥14小时，再将初始型壳装入电热焙烧炉，装炉温度为室温；

10)关闭炉门，设置加热温度为850℃，保温1.5小时后随炉冷却至30℃，将其取出即得到铸造型壳；

11)将铸造型壳冷却至室温后、用流动清水反复清洗型壳的型腔5次；

12)清洗后的铸造型壳在120℃炉膛烘干5小时，取出放置室温；

13)按图6所示分步将铸造型壳装配，具体装配时先将钢芯9放入下模型壳6中，再将无氧铜原料10套在钢芯6上端，最后将上模型壳7盖住。装配过程注意防止异物落入型腔内，装配后保持型壳始终朝上放置(即上模在上、下模在下)，并避免晃动、震动型壳；

14)用耐火胶泥8将上、下模型壳装配缝隙密封，密封后将铸造型壳自然干燥24小时；

15)将装入原料的铸造型壳放入真空加热炉内、加热至1180℃使熔化后的无氧铜浇注在铸造型壳型腔与钢芯之间；

16)浇注后待铸造型壳整体冷却至室温后将陶瓷铸造型壳敲碎，即获得目标铜钢双合金铸件。

最后经检测，采用上述步骤制备的铜钢双合金部件化学成分、导电率、外形尺寸均符合图纸和用户要求，装机测试后各项性能好于或者与压铸获得的铜钢双合金部件性能相当。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。

应当理解的是，本发明并不局限于上述已经描述的内容，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。