CN112553498B

CN112553498B - 一种铜-球墨铸铁双金属液压耐磨部件及其制备方法

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Publication number: CN112553498B
Application number: CN202011317769.8A
Authority: CN
Inventors: 邱小明; 黄伟宸; 潘新博; 邢飞; 阮野; 徐宇欣; 苏金龙
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2020-11-23
Filing date: 2020-11-23
Publication date: 2021-11-16
Anticipated expiration: 2040-11-23
Also published as: CN112553498A

Abstract

本发明公开了一种铜‑球墨铸铁双金属液压耐磨部件及其制备方法，属于焊接与连接技术领域。应用焊接方法瞬间加热熔化中间合金并快速凝固与基体形成冶金结合，实现球墨铸铁与锰黄铜的可靠连接，步骤如下：a.确定制备球墨铸铁双金属液压部件耐磨合金组成，其合金由两层金属组成，第一层为含硅和钛等元素的铜合金，第二层为锰黄铜合金；b.球墨铸铁表面进行机械和化学处理，清除油污和氧化物；c.采用电火花沉积方法，在球墨铸铁表面预制铜合金中间层，与球墨铸铁形成致密冶金结合；d.采用冷焊方法，制备耐磨合金层；e氩气保护条件下对双金属材料进行热处理。本发明的铜合金与球墨铸铁双金属的室温导热系数110～118W/(mK)，150℃导热系数119～125W/(mK)；润滑油摩擦系数0.101～0.105。

Description

一种铜-球墨铸铁双金属液压耐磨部件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铜-球墨铸铁双金属液压耐磨部件及其制备方法，应用焊接方法加热铜合金熔化并快速凝固与球墨铸铁基体形成冶金结合，在球墨铸铁表面形成致密的铜合金耐磨层，属于焊接与连接技术领域。

背景技术

柱塞泵是液压***的重要组成部分，作为液压***领域重要的能源转换元件向外输出可控的高压流体，通过改变泵的转速及变量装置控制泵输出的流量的变化，改变外负载的大小或调节泵调压装置实现泵输出压力的变化，实现液压执行机构的动作，完成对直线运动或旋转运动的控制。柱塞泵总成的核心部件为摇摆座、配流盘与缸体等摩擦副部件，当泵运转时，柱塞在缸体中往复运动，作为摩擦副的部件会因高速、重载、运动副几何精度低、应力集中、侧向比压过高等原因造成表面磨损、疲劳点蚀或疲劳断裂，或是极限压力与速度比值过大造成摩擦副部件表面发生材料粘附现象而失效；随着摩擦副部件的摩擦损耗加大，将诱发液压泵异常发热，温度过高，导致液压***部件膨胀，诱发部件配合间隙破坏而出现液压阀卡死现象。柱塞泵中摩擦副材料的耐磨性能好坏、寿命长短不仅制约柱塞泵产品的使用寿命，同时也是其能否承载高压领域取得突破性进展的根本保障；而提高液压产品质量的关键是选择合适的摩擦副材料和更好的制造工艺方法。因此，摇摆座、配流盘与缸体等摩擦副部件基体材料需要一定的硬度和强度，同时其端面又都需要有良好的耐磨性、减摩性、导热性和高温抗疲劳性。双金属材料结构既满足了摩擦副部件对材料的匹配要求又提高了部件的综合性能，是高压、高速大功率柱塞泵用材料的发展趋势之一。目前，柱塞泵摩擦副部件采用较多的是铜-钢组合的双金属材料，制造方法有熔化焊、气焊、钎焊、***焊接、固态扩散焊、铸造、机械镶嵌、沉积、粉末冶金烧结和轧制复合方法等，如中国发明专利CN 201010574604.9、CN201210234085.0、CN 201310712523.4、CN201510789408.6、CN201610320678.7、CN201610502247.2、CN201711008255.2。

近年来，柱塞泵向高效、长寿命、低噪声和小型化方向发展，特别是额定压力高于35MPa，转速大于1800r/min的高压柱塞泵，对柱塞泵缸体的容积效率和核心摩擦副部件耐磨和疲劳寿命等重要技术指标提出更高要求。球墨铸铁铸造性能好，容易进行机械切削加工，同时具有较高的强度、塑性和韧性，耐磨性、耐热和机械冲击性、耐高温或低温、耐腐蚀以及尺寸稳定性等特点，采用球墨铸铁代替钢生产柱塞泵总成中的摩擦副部件尺寸精度高、强度和耐磨性好，并可实现减重和降噪特点，倍受液压***制造厂商青睐。2015年美国杜拉芭公司Jon Sheahan来访中国液压气动密封件工业协会并提出球墨铸铁有望代替低碳钢和合金钢制造铜-球墨铸铁双金属液压摩擦副部件，实现液压产品的轻量化、集成化以及微型化等发展目标。应用于铜-钢组合的双金属材料制造方法同样可以应用于铜-球墨铸铁。铜-球墨铸铁双金属液压摩擦副部件制备技术最早追溯到上世纪七十年代，苏联V.V.Vologdin采用银合金作为钎料，钢作为中间层，实现了青铜-铸铁双金属液压部件连接。铜合金与球墨铸铁的双金属部件连接过程中，球墨铸铁中的碳在加热温度高于930K时，易发生脱碳现象，在连接铜合金侧生成大量的气孔，导致界面无法形成紧密结合而脱落。2005年日本富山大学Toshinari Yamazaki采用FeO脱碳后铸造方法制造锡青铜-球墨铸铁双金属材料；2011年，Toshinari Yamazaki再次采用空气中氧化球墨铸铁后，在铸造温度1203K加热实现铜-球墨铸铁双金属连接，界面抗拉强度164Mpa，延伸率4.2％。国内诸多液压企业、科研院所和高校也在积极开展柱塞泵摩擦副部件相关材料、技术与工艺的研究，制造方法有堆焊、喷涂、复合浇注、表面合金化和粉末烧结等，如中国发明专利CN199110009101.3、CN201911169466.3等。铜-球墨铸铁双金属摩擦副部件制造存在的问题包括以下几个方面：一方面是球墨铸铁与铜合金的物理、化学和力学性能存在较大差异影响界面结合性能，采用传统烧结方法易在界面出现孔洞难以实现紧密连接；第二方面是采用熔化焊或者是高温加工方法，易造成铜合金的软化，铜合金承受高压、摩擦以及高温作用，在交变应力反复循环作用下，易产生裂纹和铜合金层的局部剥落，导致作为减摩层的铜合金耐磨性能降低。柱塞泵总成的各种摩擦副部件用来承载压力和抵抗冲击作用，既是结构件又是功能件，双金属摩擦副部件铜-球墨铸铁界面除具有一定的结合强度外还要保证在球墨铸铁表面制备的铜合金作为耐磨层和减摩层还具有抗疲劳、抗咬合、减磨、导热性好以及工作温度达到300℃度时也不易产生摩擦粘连。现有技术多数强调双金属摩擦副部件铜-球墨铸铁或铜-钢之间界面结合强度，忽视铜合金作为耐磨层和减摩层的性能以及制造过程中热效应对铜合金性能所造成的影响。因此，如何采用简单和行之有效的工艺与方法制备球墨铸铁双金属液压部件，延长液压部件的使用寿命，是科研工作者不可推卸的责任和任务。

发明内容

本发明的目的是提供一种铜-球墨铸铁双金属液压耐磨部件及其制备方法，应用焊接方法瞬间加热熔化铜合金并快速凝固与基体形成冶金结合，在球墨铸铁表面形成致密耐磨铜合金层，保证摩擦副材料的耐磨性能和导热性能。

本发明所述的一种铜-球墨铸铁双金属液压耐磨部件及其制备方法，其核心是：一是作为耐磨层和减摩层的铜合金成分；二是铜-球墨铸铁连接技术。本发明所述的铜合金由两部分组成，一部分是作为中间层能够与球墨铸铁结合较为致密的含硅、钛的铜合金，另一部分是作为耐磨层和减摩层的锰黄铜合金。

本发明所述的一种铜-球墨铸铁双金属液压耐磨部件及其制备方法，也可用于修复铜-球墨铸铁双金属摩擦副部件磨损表面，恢复部件的尺寸与功能，形成的耐磨层合金除了与基体具有较高的结合强度外，更重要的是保证不能降低其耐磨性能和导热性能。

本发明的上述目的是这样实现的：

一种铜-球墨铸铁双金属液压耐磨部件，第一层为中间层含硅、钛等微量元素的铜合金，其成分按质量百分比计(Wt/％)：锌(Zn)：0.2～3.5％、硅(Si)：0.2～5％，镍(Ni)：0.1～3.5％，钛(Ti)：0.2-2.5％，锂(Li)：1～5％，其余为铜(Cu)；第二层为耐磨层和减摩层的锰黄铜合金，其成分按质量百分比(Wt％)计：铜(Cu)：35-45、硅(Si)：0.5-2.5、锌(Zn)：45-75、镍(Ni)：0.2-1.0以及锰(Mn)0.2-1.0，铁(Fe)：余量。

进一步地，中间层和耐磨层是采用高频感应石墨辐射加热至熔融状态，熔炼过程采用高温熔盐保护，通过熔炼甩带机制备成带状铜合金。

进一步地，熔盐成分按质量百分比计Wt％：氯化钠NaCl：25-30、氯化钙CdCl₂：40-50、氟化钙CaF₂：20-25。

本发明所述的一种铜-球墨铸铁双金属液压耐磨部件的制备方法，包括以下工艺步骤：

第一步，确定制造铜-球墨铸铁双金属液压耐磨部件中间层和耐磨层的铜合金成分。本发明所述中间层和耐磨层的铜合金采用纯度为99.99％的金属按照设计成分混合均匀熔炼而成，采用高频感应炉加热(石墨辐射)至熔融状态，熔炼过程采用高温熔盐保护，通过熔炼甩带机制备成带状铜合金。中间层铜合金成分按质量百分比计(Wt％)：锌(Zn)：0.2～3.5％、硅(Si)：0.2～5％，镍(Ni)：0.1～3.5％，钛(Ti)：0.2-2.5％，锂(Li)：1～5％，其余为铜(Cu)；耐磨层和减摩层的锰黄铜合金成分按质量百分比计(Wt％)：铜(Cu)：35-45、硅(Si)：0.5-2.5、锌(Zn)：45-75、镍(Ni)：0.2-1.0以及锰(Mn)0.2-1.0，铁(Fe)：余量。熔盐成分按质量百分比计(Wt％)：氯化钠(NaCl)25-30、氯化钙(CdCl₂)40-50、氟化钙(CaF₂)20-25。

第二步，球墨铸铁表面进行机械和化学处理，清除油污和氧化物。

第三步，采用电火花沉积方法，在球墨铸铁表面沉积中间层，电火花沉积工艺参数为，电压55-75V，频率225-242HZ，沉积层厚度5～25μm，中间层合金与球墨铸铁表面形成致密的冶金结合；

第四步，采用冷焊方法在中间层合金表面制备耐磨锰黄铜合金，冷焊工艺参数为：功率50-80W，焊接时间25-80s，耐磨层合金厚度8～25mm，直至凝固形成耐磨层和减摩层。

第五步，氩气保护下对球墨铸铁双金属件进行热处理，热处理温度200～400℃，保温时间0～30min，随炉冷却至室温，机械法处理表面。

铜-球墨铸铁双金属液压部件中的中间层铜合金包含锌(Zn)，硅(Si)，镍(Ni)，钛(Ti)，锂(Li)和铜(Cu)，其中硅(Si)与球墨铸铁中石墨具有较好的结合性能，可形成较为致密的界面连接，降低界面缺陷的产生；钛(Ti)作为活性元素可促进界面反应；元素锂(Li)可降低合金熔化温度，提高润湿速率。耐磨层锰黄铜合金与球墨铸铁的物理、化学和力学性能差别较大，将锰黄铜与球墨铸铁直接进行加热焊接，将在界面形成大量孔洞缺陷，界面连接强度较低。本发明采用冷焊方法，将电和热耦合，在预置中间层后的金属化球墨铸铁表面瞬间加热快速形成界面的冶金结合，避免了球墨铸铁的渗碳现象以及高温停留时间过长而造成的铜合金的软化，制备的铜-球墨铸铁双金属材料具有较好的耐磨性和导热性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所述的一种铜-球墨铸铁双金属液压耐磨部件及其制备方法，采用含硅、钛的铜合金作为中间层材料在球墨铸铁表面形成结合良好的有色金属化界面，提高了作为耐磨层和减摩层的铜合金与球墨铸铁的结合强度，同时采用冷焊成型技术避免了热过程对铜合金性能的影响，形成的铜合金耐磨层和减摩层具有较好的耐磨性和导热性。

附图说明

图1铜-球墨铸铁双金属界面热处理后界面；

图2铜合金耐磨层的摩擦系数曲线；

图3铜合金耐磨层的的导热测试曲线。

具体实施方式

通过以下给出的实施例并结合附图(图1、2和3)对本发明方法作进一步具体阐述。

图1是本发明的铜-球墨铸铁界面宏观照片。

图2是本发明的耐磨层和减摩层铜合金摩擦系数曲线。

图3是本发明的耐磨层和减摩层铜合金导热系数曲线。

本发明所述的一种铜-球墨铸铁双金属液压耐磨部件及其制备方法，包括以下工艺步骤：

第一步，确定制造铜-球墨铸铁双金属液压耐磨部件中间层和耐磨层的铜合金成分。本发明所述中间层和耐磨层的铜合金采用纯度为99.99％的金属按照设计成分混合均匀熔炼而成，采用高频感应炉加热(石墨辐射)加热至熔融状态，熔炼过程采用高温熔盐保护，通过熔炼甩带机制备成带状铜合金。中间层铜合金成分按质量百分比计(Wt％)：锌(Zn)：0.2～3.5％、硅(Si)：0.2～5％，镍(Ni)：0.1～3.5％，钛(Ti)：0.2-2.5％，锂(Li)：1～5％，其余为铜(Cu)；耐磨层和减摩层的锰黄铜合金成分按质量百分比计(Wt％)：铜(Cu)：35-45、硅(Si)：0.5-2.5、锌(Zn)：45-75、镍(Ni)：0.2-1.0以及锰(Mn)0.2-1.0，铁(Fe)：余量。熔盐成分按质量百分比计(Wt％)：氯化钠(NaCl)25-30、氯化钙(CdCl₂)40-50、氟化钙(CaF₂)20-25。

第四步，采用冷焊方法在中间层合金表面制备耐磨锰黄铜合金，冷焊工艺参数为：功率50-80W，焊接时间25-80s，耐磨层合金厚度8～25mm，直至凝固形成耐磨涂层。

本发明所述的所述的一种铜-球墨铸铁双金属液压耐磨部件及其制备方法，按照上述工艺步骤和成分进行制备可达到的技术指标：

(1)球墨铸铁表面铜合金耐磨层的显微硬度300～330HV；

(2)按照GB/T 3651-2008金属高温导热系数测定方法，球墨铸铁表面耐磨层铜合金的室温导热系数110～118W/(mK)，150℃导热系数119～125W/(mK)；

(3)按照YB/T 4286-2012金属材料薄板和薄带摩擦系数试验方法，球墨铸铁表面铜合金耐磨层的润滑油摩擦系数0.101～0.105。

本发明所述的一种铜-球墨铸铁双金属液压耐磨部件及其制备方法，下述所有实施例均采用上述成分、工艺步骤以及工艺和参数得到的。

实施例见下表1和2：

表1中间层和耐磨层铜合金成分(wt.％)

表2制备的铜合金耐磨层热处理工艺与性能

本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims

1.一种铜-球墨铸铁双金属液压耐磨部件，其特征在于，所述耐磨部件由基体材料、中间层和耐磨层组成，所述基体材料由球墨铸铁组成，所述中间层由铜合金组成，其成分按质量百分比wt％计：锌Zn：0.2~3.5%、硅Si：0.2~5%，镍Ni：0.1~3.5%，钛Ti：0.2-2.5%，锂Li：1~5%，其余为铜Cu；所述耐磨层由锰黄铜合金组成，其成分按质量百分比wt％计：铜Cu：35-45、硅Si：0.5-2.5、锌Zn：45-75、镍Ni：0.2-1.0以及锰Mn0.2-1.0，铁Fe：余量。

2.如权利要求1所述的一种铜-球墨铸铁双金属液压耐磨部件，中间层和耐磨层是采用高频感应石墨辐射加热至熔融状态，熔炼过程采用高温熔盐保护，通过熔炼甩带机制备成带状铜合金。

3.如权利要求2所述的一种铜-球墨铸铁双金属液压耐磨部件，熔盐成分按质量百分比wt％计：氯化钠NaCl：25-30、氯化钙CdCl₂：40-50、氟化钙CaF₂：20-25。

4.如权利要求1至3任一项所述的一种铜-球墨铸铁双金属液压耐磨部件的制备方法，采用双热源工艺，将电火花沉积方法与冷焊工艺相结合，在球墨铸铁表面形成致密连续的耐磨铜合金层，包括以下具体步骤：

第一步，确定制造铜-球墨铸铁双金属液压耐磨部件中间层和耐磨层的铜合金成分；

第二步，球墨铸铁表面进行机械处理，清除油污和氧化物；

第三步，采用电火花沉积方法，在球墨铸铁表面沉积耐磨合金中间层，电火花沉积工艺参数为，电压55-75V，频率225-242Hz，沉积层厚度5~25μm，中间层合金与球墨铸铁表面形成致密的冶金结合；

第四步，采用冷焊方法在中间层合金表面制备耐磨锰黄铜合金，冷焊工艺参数为：功率50-80W，焊接时间25-80s，耐磨合金层厚度8~25mm，直至凝固形成耐磨涂层；

第五步，氩气保护下对球墨铸铁双金属件进行热处理，热处理温度200~400℃，保温时间0~30min，随炉冷却至室温，机械法处理表面。