CN102851576A - 一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体材料及制备方法 - Google Patents
一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体材料及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体材料，由基体材料与渗铜材料组成，所述渗铜材料占基体材料质量的8-14%；所述基体材料与渗铜材料分别包括下述组分组成：基体材料：石墨，稀土氧化，铁；渗铜材料：铜，铁，锰。其制备方法包括成形模具制备，配料、混合、成形，预烧、熔渗烧结、精整形、水蒸气发黑处理。本发明合金成分设计合理，加工工艺简单，易于实现批量化、规模化和自动化生产，能大大提高生产效率，节约能源，降低生产成本。所制造的缸体不仅承载能力强，而且可以改善各摩擦副的摩擦状况，提高缸体及其摩擦副的使用寿命，适于工业化应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体材料及制备方法，特别是指一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体的粉末冶金材料及粉末冶金近净成形制备方法，属于粉末冶金材料及液压零部件制造技术领域。
背景技术
液压柱塞泵/液压柱塞马达作为现代传动与控制技术的重要组成部分，成为机械行业的重要基础产品，广泛应用于诸如航空航天、兵器装备、船舶舰艇、冶金矿山、石油化工、能源电力、交通车辆、工程机械、信息电子、港口码头、塑料机械、包装机械、加工机床、医疗器械、游戏设备等各种主机及技术装备中。由于其结构、运动及流场极为复杂，对关键摩擦副对摩擦-磨损和承载能力的要求极高，不仅要求使用优质的原材料和优良的摩擦副匹配，而且要求有高的加工精度及稳定的热处理工艺。其中液压柱塞泵/液压柱塞马达中的缸体是最重要的部件，存在着缸体与柱塞、缸体与配流盘两对摩擦副，对材料的强度、耐磨性、加工精度及热处理均有极高的要求。传统缸体用材料一般采用连铸球铁或铜合金，重要设备的液压柱塞泵/液压马达缸体则必须采用进口原材料，如EN-GJS-400-15等；传统的加工工艺一般为：粗车—精车大端面—镗内孔—精车小端面—拉花键或类花键—磨小端面—精车精镗内孔—铣月牙槽—钻铰柱塞孔—珩磨柱塞孔—精研大端面—软氮化处理等，共十几道工序，加工工序复杂，加工时间冗长，占用机床多。由于集成化程度低，不易实现自动化，所有工序只能单件生产，生产效率低下，生产成本高。最重要的是，由于材料及工艺的限制，产品寿命极不稳定，只能达到1000—7000个小时，重要主机及装备上必须依赖进口的产品。
发明内容
本发明针对现有技术之不足而提供一种合金成分设计合理、加工工艺简单、易于实现批量化、规模化和自动化生产，生产效率高，能耗低，生产成本低、制备的缸体承载能力强、使用寿命长的液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体材料及制备方法。
本发明一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体材料，由基体材料与渗铜材料组成，所述渗铜材料占基体材料质量的8-14%；所述基体材料与渗铜材料分别包括下述组分按重量百分比组成：
基体材料：
石墨1～1.2，稀土氧化物,0.2～1.1，余量为铁；
渗铜材料：
铜92～96，铁1～3，锰3～5。
本发明一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体材料中，所述基体材料中含重量百分比0～5%的铜，各组分重量百分之和为100%。
本发明一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体材料中，所述稀土氧化物选自镧、铈、钇稀土氧化物中的一种，稀土氧化物的加入，可以直接影响材料的烧结性能、细化晶粒、改善金相组织，从而提高缸体的综合性能，包括材料强度、韧性、摩擦磨损性能，值得注意的是，这些指标是缸体的重要特性。
本发明一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体的制备方法，包括下述步骤：
第一步：成形模具制备
根据设计的液压柱塞泵/柱塞马达缸体的内、外径尺寸，对缸体的内、外径尺寸放0.5～1mm制备缸体近净成形模具，根据缸体的内径尺寸放量0.2～0.4mm制备供嵌装在所述缸体内径中的渗铜材料块模具；
第二步：配料、混合
按缸体近净成形模具尺寸，计算缸体总质量，根据缸体总质量，按设计的基体材料与渗铜材料质量比及各组分配比，分别称量各组分；向基体材料中添加占其重量0.6～0.8%的成形剂，向渗铜材料中添加占其重量0.5～0.6%的成形剂，然后，分别混合均匀；
第三步：成形
将第二步所得基体材料置于第一步所得缸体近净成形模具中，于500-700MPa压力下压制成形，得缸体毛坯，控制缸体毛坯密度在6.4-6.8g/cm3；将第二步所得渗铜材料置于第一步所得渗铜材料块模具中，在300-400PMa压力下压制成型，得渗铜块，控制渗铜块密度在6.8-7.5g/cm3；
第四步：预烧
将第三步所获得的缸体毛坯，在保护气氛环境中加热至1100～1150℃，保温1～1.5小时后，随炉冷却，获得预烧缸体毛坯。
第五步：熔渗及烧结
将渗铜块嵌装在预烧缸体毛坯中，在保护气氛环境中加热至1120～1150℃，保温1～1.5小时后，随炉冷却，实现缸体烧结并渗铜，得到缸体粗坯；
第六步：精整形及精加工
采用按缸体设计尺寸要求制作的标准芯棒，在压力作用下对缸体粗坯内花键与柱塞孔进行校形及少量精加工，消除缸体内花键与柱塞孔因烧结而产生的形变，保证其精度与尺寸要求。
本发明一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体的制备方法中，所述混合在V型/双锥形混料器中进行。
本发明一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体的制备方法中，所述成形剂为硬脂酸锌、石蜡、硬脂酸中的一种。
本发明一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体的制备方法中，所述熔渗及烧结的保护气氛为分解氨/氮基气氛或分解氨气氛；所述分解氨/氮基气氛中分解氨与氮气的体积比为5：1。
本发明一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体的制备方法中，所述缸体毛坯成形压力为500～700MPa，密度为6.4～6.8g/cm3；所述渗铜块成形压力为200～400MPa，密度为6.8～7.5g/cm3。
本发明一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体的制备方法中，所述缸体粗坯经精整形后进行过热水蒸气表面发黑处理，然后进行精加工。
本发明制造的缸体，材料的组织为含铜珠光体+铜，铜强化的珠光体强度高，耐磨性好。同时，铜的综合摩擦性能优良，可以形成优良的耐磨-减摩组合。另外，氧化镧、氧化铈、氧化钇稀土元素的加入，可以直接影响材料的烧结性能、细化了晶粒，改善金相组织，从而提高缸体的综合性能，包括材料强度、韧性、摩擦磨损性能，而这些指标对缸体而言是至关重要的，这些指标是缸体的重要特性，加入稀土后可以获得比较理想的效果。同时加入的量也必须严格控制，否则效果相反。渗铜材料中添加Mn元素，可以在高温渗铜时防止基体材料铁往铜中倒渗，避免“铜饰凹坑”出现，同时它也起到细化晶粒强化基体材料的作用。本发明所获得的缸体材料具有良好的物理和力学性能，其密度为7.6—7.8g/cm3,拉伸强度大于600MPa,硬度为HRC23—30。采用水蒸汽表面发黑处理，使缸体表面形成一层致密的氧化膜，使产品在生产、存储、运输及使用过程中不会氧化。利用按缸体设计尺寸要求制作的标准芯棒在压力作用下对对缸体内花键与柱塞孔进行精整型校形，可消除缸体内花键与柱塞孔因烧结而产生的形变，保证其精度与尺寸要求。采用“预烧结”后再进行“熔渗烧结”的工艺，可以消除产品表面出现“铜饰凹坑”的现象，提高产品合格率；克服了粉末冶金通常采用的将压坯直接进行一次性熔渗-烧结容易造成产品表面存留“铜饰凹坑”，使之报废，产品合格率下降的缺陷。
与传统液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体材料及制造工艺相比，本发明的优点及积极效果体现在：
1、缸体材料具有良好的物理和力学性能，其密度为7.6—7.8g/cm3,拉伸强度大于600MPa,硬度为HRC23-30；在5-4200RPM，5-50MPa条件下，缸体材料与柱塞材料，缸体材料与配流盘材料表现出了优良的摩擦-磨损性能。
2、经过近净成形的设计，大大提高了材料利用率，节约了加工时间和加工机床。
3、粉末冶金的成形、烧结和精整形等工序，可以进行自动化生产，提高了生产效率，降低了产品的生产成本。
4、在实际使用中，用这种近净成形粉末冶金材料和制备方法制造的液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体稳定可靠，其使用寿命可达10000~20000小时，完全可以满足液压柱塞泵/液压柱塞马达的使用要求。
综上所述，本发明合金成分设计合理，加工工艺简单，易于实现批量化、规模化和自动化生产，能大大提高生产效率，节约能源，降低生产成本。所制造的缸体不仅承载能力强，而且可以改善各摩擦副的摩擦状况，提高缸体及其摩擦副的使用寿命，适于工业化应用。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明：
实施例1
制备一种近净成形粉末冶金液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体材料。其制备工艺包括如下步骤：
（1）将铁粉、石墨粉、稀土氧化物粉按照98.6：1.1：0.3的比例称重，外加0.8%的硬脂酸锌粉末，于V型混料器中混合2小时；于近净成形模具中在700MPa的压制压力下成形，控制密度在6.8g/cm3左右，获得缸体毛坯；将缸体毛坯在分解氨/氮基气氛环境中加热至1100℃，保温1.5小时后，随炉冷却，获得预烧缸体毛坯；所述分解氨/氮基气氛中分解氨与氮气的体积比为5：1；
（2）将铜粉、铁粉、锰粉按照94：2：4的比例称重，外加0.6%的硬脂酸锌粉末，于V型混料器中混合1小时；于近净成形模具中在400PMa的压制压力下成形，控制密度在7.5g/cm3左右，获得渗铜剂片块，渗铜剂片单件重量为缸体总重量14%。
（3）将渗铜剂片块放置于预烧缸体毛坯之上，在网带式烧结炉中于1140℃熔渗，用体积比为5：1分解氨/氮基气体保护，熔渗时间为1.5小时，得到缸体粗坯。
（4）用硬质合金模具将熔渗后的缸体粗坯内孔和柱塞内孔进行精整形，保证内孔的精度、柱塞孔的精度及柱塞孔对缸体内孔的位置度。
（5）将精整形后的缸体进行水蒸气发黑处理。
（6）对发黑后的缸体端面及柱塞孔进行精研加工。
本实施例制备的液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体材料其密度为7.6g/cm3，拉伸强度大于660MPa，硬度为HRC30。通过台架实验，其使用寿命达到10000小时，完全可以取代熔铸-机加工方法，满足液压柱塞泵/液压柱塞马达的使用要求。
实施例2
制备一种近净成形粉末冶金液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体材料。其制备工艺包括如下步骤：
（1）将铁粉、铜粉、石墨粉、稀土氧化物粉按照95.5：3.0：1.0：0.5的比例称重，外加0.7%的硬脂酸锌粉末，于V型混料器中混合2小时；于近净成形模具中在600MPa的压制压力下成形，控制密度在6.6g/cm3左右，获得缸体毛坯；将缸体毛坯在分解氨气氛环境中加热至1130℃，保温1.2小时后，随炉冷却，获得预烧缸体毛坯；
（2）将铜粉、铁粉、锰粉按照95：2：3的比例称重，外加0.5%的硬脂酸锌粉末，于V型混料器中混合1小时；于近净成形模具中在300PMa的压制压力下成形，控制密度在7.1g/cm3左右，获得渗铜剂片块，渗铜剂片单件重量为缸体总重量12%。
（3）将渗铜剂片块放置于缸体毛坯之上，在网带式烧结炉中于1140℃熔渗，用分解氨气体保护，熔渗时间为1.5小时，得到缸体粗坯。
（4）用硬质合金模具将熔渗后的缸体粗坯内孔和柱塞内孔进行精整形，保证内孔的精度、柱塞孔的精度及柱塞孔对缸体内孔的位置度。
（5）将精整形后的缸体进行水蒸气发黑处理。
（6）对发黑后的缸体端面及柱塞孔进行精研加工。
本实施例制备的液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体材料其密度为7.7g/cm3，拉伸强度大于640MPa，硬度为HRC27。通过主机实验其使用寿命达到15000小时，完全可以取代熔铸-机加工方法，满足液压柱塞泵/液压柱塞马达的使用要求。
实施例3
制备一种近净成形粉末冶金液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体材料。其制备工艺包括如下步骤：
（1）将铁粉、铜粉、石墨粉、稀土氧化物粉按照92.7：5.0：1.2：1.1的比例称重，外加0.6%的硬脂酸锌粉末，于V型混料器中混合2小时；于近净成形模具中在500MPa的压制压力下成形，控制密度在6.4g/cm3左右，获得缸体毛坯；将缸体毛坯在分解氨气氛环境中加热至1150℃，保温1小时后，随炉冷却，获得预烧缸体毛坯；
（2）将铜粉、铁粉、锰粉按照92：3：5的比例称重，外加0.5%的硬脂酸锌粉末，于V型混料器中混合1小时；于近净成形模具中在300PMa的压制压力下成形，控制密度在6.8g/cm3左右，获得渗铜剂片块，渗铜剂片单件重量为缸体总重量10%。
（3）将渗铜剂片块放置于缸体毛坯之上，在网带式烧结炉中于1140℃熔渗，用分解氨气体保护，熔渗时间为1.5小时，得到缸体粗坯。
（4）用硬质合金模具将熔渗后的缸体粗坯内孔和柱塞内孔进行精整形，保证内孔的精度、柱塞孔的精度及柱塞孔对缸体内孔的位置度。
（5）将精整形后的缸体进行水蒸气发黑处理。
（6）对发黑后的缸体端面及柱塞孔进行精研加工。
本实施例制备的液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体材料其密度为7.8g/cm3，拉伸强度大于620MPa，硬度为HRC24。通过台架实验其使用寿命达到20000小时，完全可以取代熔铸-机加工方法，满足液压柱塞泵/液压柱塞马达的使用要求。
Claims (9)
1.一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体材料，由基体材料与渗铜材料组成，所述渗铜材料占基体材料质量的8-14%；所述基体材料与渗铜材料分别包括下述组分按重量百分比组成：
基体材料：
石墨1～1.2，稀土氧化物0.2～1.1，余量为铁；
渗铜材料：
铜92～96，铁1～3，锰3～5。
2.根据权利要求1所述的一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体材料，其特征在于：所述基体材料中含重量百分比0～5%的铜，各组分重量百分之和为100%。
3.根据权利要求1或2所述的一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体材料，其特征在于：所述稀土氧化物选自镧、铈、钇稀土氧化物中的一种。
4.根据权利要求3所述的一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体的制备方法，包括下述步骤：
第一步：成形模具制备
根据设计的液压柱塞泵/柱塞马达缸体的内、外径尺寸，对缸体的内、外径尺寸放0.5～1mm制备缸体近净成形模具，根据缸体的内径尺寸放量0.2～0.4mm制备供嵌装在所述缸体内径中的渗铜材料块模具；
第二步：配料、混合
按缸体近净成形模具尺寸，计算缸体总质量，根据缸体总质量，按设计的基体材料与渗铜材料质量比及各组分配比，分别称量各组分；向基体材料中添加占其重量0.6～0.8%的成形剂，向渗铜材料中添加占其重量0.5～0.6%的成形剂，然后，分别混合均匀；
第三步：成形
将第二步所得基体材料置于第一步所得缸体近净成形模具中，于500-700MPa压力下压制成形，得缸体毛坯，控制缸体毛坯密度在6.4-6.8g/cm3；将第二步所得渗铜材料置于第一步所得渗铜材料块模具中，在300-400PMa压力下压制成型，得渗铜块，控制渗铜块密度在6.8-7.5g/cm3；
第四步：预烧
将第三步所获得的缸体毛坯，在保护气氛环境中加热至1100～1150℃，保温1～1.5小时后，随炉冷却，获得预烧缸体毛坯。
第五步：熔渗及烧结
将渗铜块嵌装在预烧缸体毛坯中，在保护气氛环境中加热至1120～1150℃，保温1～1.5小时后，随炉冷却，实现缸体烧结并渗铜，得到缸体粗坯；
第六步：精整形及精加工
采用按缸体设计尺寸要求制作的标准芯棒，在压力作用下对缸体粗坯内花键与柱塞孔进行校形及少量精加工，消除缸体内花键与柱塞孔因烧结而产生的形变，保证其精度与尺寸要求。
5.根据权利要求4所述的一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体的制备方法，其特征在于：所述混合在V型/双锥形混料器中进行。
6.根据权利要求4所述的一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体的制备方法，其特征在于：所述成形剂为硬脂酸锌、石蜡、硬脂酸中的一种。
7.根据权利要求4所述的一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体的制备方法，其特征在于：所述熔渗及烧结的保护气氛为分解氨/氮基气氛或分解氨气氛；所述分解氨/氮基气氛中分解氨与氮气的体积比为5：1。
8.根据权利要求4所述的一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体的制备方法，其特征在于：所述缸体粗坯经精整形后进行过热水蒸气表面发黑处理，然后进行精加工。
9.根据权利要求4所述的一种液压柱塞泵/液压柱塞马达缸体的制备方法，其特征在于：所述缸体毛坯成形压力为500～700MPa，密度为6.4～6.8g/cm3；所述渗铜块成形压力为200～400MPa，密度为6.8～7.5g/cm3。
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