CN108004483A - 一种柱塞泵回程盘 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柱塞泵回程盘，属于金属材料技术领域。回程盘的原料成分及百分含量为：Nb：0.02‑0.04％、Al：0.2‑0.4％、C：0.1‑0.3％、Cr：0.2‑0.4％、Mo：0.1‑0.3％、Ti：0.06‑0.1％、稀土：0.01‑0.05％、N：0.008‑0.01％、余量为Fe和杂质。原料中的铌在钢中有细化晶粒、强化晶型、析出强化和相变强化等作用，可以弥补去钒后钢的性能损失，是以稍提高铌的含量来替代钒的作用，可以显著降低成本。加入稀土可以细化晶粒，改善合金钢的综合性能。同时，通过改变铝的加入顺序以及调节其加入量，经二次除氧的方式来降低钢中的氧含量。表面氮化能形成金属氮化物，对产品表面的耐磨、耐蚀性能有极大提升。

Description

一种柱塞泵回程盘
技术领域
本发明涉及一种柱塞泵回程盘，属于金属材料领域。
背景技术
随着国内工程机械行业的快速发展，对于工程机械的可靠性控制越来越严格。为提高工程机械的可靠性，做为工程机械核心部件的柱塞泵的稳定性也要求越来越高，而柱塞泵的稳定性又取决于柱塞泵中的主要传动零件回程盘的精度。而回程盘的材质就基本决定了其综合性能，目前的回程盘材质大都以普通钢材为主。
合金钢是以钢为基础，加入一定量的碳、钼、锰等元素并控制添加元素含量而组成的合金体系。合金钢具有高强度、高硬度和一定的延性，适合于作结构材料，因此被广泛应用于国防工业和民用工业中，尤其在汽车、摩托车、枪械等行业中占有重要地位。
传统的柱塞泵回程盘通常采用压力加工，使被加工的钢(坯、锭等)产生塑性变形，然后根据合金钢加工温度不同分冷加工和热加工两种。合金钢的主要加工方法有：轧制、铸造、拉拨、挤压等。在加工工艺和材料选择上，在使用过程中发现柱塞泵回程盘有过量的磨损和硬度不足，特别是长期使用后，这种磨损现象更为严重。
针对传统合金钢硬度低，不耐磨等缺点，公开号106801165A公开了一种通过添加铋、锰、铜、钨、碲等元素来提高产品的强度、硬度和熔点。然而，单纯的添加某些元素并不能很好的解决合金的强度、韧性、耐腐蚀性以及耐磨损的问题。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供高强度、高韧性、耐腐蚀以及耐磨的柱塞泵回程盘。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种柱塞泵回程盘，所述的柱塞泵回程盘由如下成分及其质量百分比组成：Nb：0.02-0.04％、Al：0.2-0.4％、C：0.1-0.3％、Cr：0.2-0.4％、Mo：0.1-0.3％、Ti：0.06-0.1％、稀土：0.01-0.05％、N：0.008-0.01％、余量为Fe和杂质。
本发明在调整合金配方时，考虑到钒在合金钢中的主要作用就是析出强化，但这势必会对钢的焊接性能和屈强比产生不利影响。而铌在钢中有细化晶粒、强化晶型、析出强化和相变强化等作用，可以弥补去钒后钢的性能损失，是以稍提高铌的含量来替代钒的作用，可以显著降低成本。铝的含量虽然较低，但是铝结合氧的能力极好，同时能细化晶粒，提高钢的抗氧化性，提高钢的耐磨性、疲劳强度和钢在氧化性酸中的耐蚀性。钛的化学活性非常活泼，极易与钢中的杂质元素H、O发生反应从而提高钢的综合性能，并使得钢具有高强度、低密度的突出优点。而加入稀土可以细化晶粒，改善合金钢的综合性能。
作为优选，在柱塞泵回程盘原料中，所述稀土为Y、Sm、Ho中的一种或多种。本发明选用稀土其本身耐高温和耐腐蚀，在合金钢中，可以使其本身的特性得以蔓延至合金整体。
作为优选，在柱塞泵回程盘原料中，所述杂质包括P＜0.004％、S＜0.004％、O＜0.002％。控制杂质含量可以避免合金液浇注凝固后产生裂纹，同时避免合金钢发生热脆、机械时效等危害。
本发明在合理选用材料配比的同时还提供了另一种技术方案：
一种柱塞泵回程盘的制备工艺，所述的方法包括如下步骤：
(1)配料：按权利要求1所述柱塞泵回程盘的成分及其质量百分比称取原料，将除Al、N、Ti、稀土外的原料熔融形成合金液；
(2)自脱氧：先向合金液中加入一半的Al进行预脱氧，再加入余下的Al进行再脱氧；
(3)制粉：先将氮与钛在高温下直接反应制得氮化钛，将氮化钛与稀土经气流磨制成粉并混合成粉料；
(4)浇注：先向模具中均匀铺上混合粉料，再将合金液浇入模具中得回程盘半成品；
(5)热处理：对回程盘半成品进行渗碳淬火并回火；
(6)表面处理：将热处理后的回程盘半成品进行表面氮化处理，最后机械精加工后得回程盘成品。
传统的炼钢除氧过程往往是通过添加额外的合金元素或非合金元素来完成，但是额外的添加元素反而重新为钢带来了杂质元素，降低钢的性能。而本发明在不改变成分的情况下，通过改变铝的加入顺序以及调节其加入量，经二次除氧的方式来降低钢中的氧含量。
具有高强度兼有高韧性、低脆性转变温度的合金钢是较理想的结构材料。要使材料获得这一综合性能，可以通过细化晶粒来完成。本发明通过改变熔炼方法，并不是将所有原料一起熔炼合成，而是将N、Ti、稀土另外制粉后预先置于模具中，再适当提高熔炼时合金液的温度，利用合金液带来的热量直接将N、Ti、稀土熔与钢中，有利于共晶物的断网和球化，使大部共晶物变成球状组织，极少量共晶物呈棒状或块状分布，有利于改善合金钢的机械性能。同时，通过加入的稀土来细化晶粒。使成形件不仅晶粒结构细小，成分分布均匀，而且零件韧性强，综合性能良好。
而渗碳淬火回火、表面氮化后进行时效处理，使材料的组织得到了进一步优化，材料的变形更少，更能保证产品的加工精度，使其耐磨性能在原有的基础上得到进一步提高。
作为优选，在步骤(2)中，自脱氧中所述Al为铝粉。将金属固体磨制成粉，可以增加铝的有效接触面积，提高其脱氧效果。
作为优选，在步骤(2)和(3)中，铝粉与制粉中所述粉料的粒径为300-500nm。控制粉末与粉料的粒径，可以增大其比表面积，有利于分散。
作为优选，在步骤(5)中，热处理中所述渗碳淬火处理的温度为850-950℃，保温35-55min，回火处理的温度为350-450℃，保温20-30min。渗碳处理能提高产品的表面硬度与强度，同时增加其表面耐蚀性能，而淬火配合回火能去除钢中的内应力，提高其延性或韧性。
作为优选，在步骤(6)中，表面处理中所述表面氮化处理在氮化炉内进行，炉内抽真空。炉内真空可以确保金属中不会混入H、O等气体元素而造成合金质量下降。
作为优选，在步骤(6)中，所述氮化处理为高压离子氮化，炉内填充气体为氮气、氨气、氮气+氢气中的一种或多种。离子氮化处理时，炉体接阳极，产品接阴极，高压可以使得填充气体解离为离子，氮化时间短，效果好。
作为优选，在步骤(6)中，表面氮化处理后还包括时效处理，具体为：将氮化处理后的回程盘加热到200-300℃，保温5-15h后自然冷却。时效处理后的产品其硬度和强度都有所提升。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)原料成分取出钒的添加，而稍提高铌的含量，不仅能弥补去钒后钢的性能损失，还能降低成本。
(2)通过改变铝的加入顺序以及调节其加入量，经二次除氧的方式来降低钢中的氧含量而不会带入其他杂质。
(3)将N、Ti、稀土另外制粉后预先置于模具中，再适当提高熔炼时合金液的温度，利用合金液带来的热量直接将N、Ti、稀土熔与钢中，有利于共晶物的断网和球化。
(4)通过加入的稀土来细化晶粒。使成形件不仅晶粒结构细小，成分分布均匀，而且零件韧性强，综合性能良好。
(5)渗碳淬火回火、表面氮化后进行时效处理，使材料的组织得到了进一步优化，材料的变形更少，更能保证产品的加工精度，使其耐磨性能在原有的基础上得到进一步提高。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
配料：按上述柱塞泵回程盘的成分及其质量百分比称取原料，包括Nb：0.03％、Al：0.3％、C：0.2％、Cr：0.3％、Mo：0.2％、Ti：0.08％、稀土：0.03％、N：0.009％、余量为Fe和杂质，其中稀土为Y、Sm、Ho中的一种或多种，杂质包括P＜0.004％、S＜0.004％、O＜0.002％。将除Al、N、Ti、稀土外的原料熔融形成合金液。
自脱氧：将铝磨制成粒径为400nm的铝粉，先向合金液中加入一半的铝粉进行预脱氧，再加入余下的铝粉进行再脱氧。
制粉：先将氮与钛在高温下直接反应制得氮化钛，将氮化钛与稀土经气流磨制成粒径为400nm的粉末并混合成粉料。
浇注：先向模具中均匀铺上混合粉料，再将适当升温的合金液浇入模具中得回程盘半成品。
热处理：对回程盘半成品进行渗碳淬火并回火，其中渗碳淬火处理的温度为900℃，保温45min，回火处理的温度为400℃，保温25min。
表面处理：将热处理后的回程盘半成品进行表面处理，表面处理在氮化炉内进行，炉内抽真空，炉体接阳极，产品接阴极，再向炉内充入氮气、氨气、氢气进行高压离子氮化处理，氮化处理后还包括时效处理，具体为：将氮化处理后的回程盘加热到250℃，保温10h后自然冷却。最后机械精加工后得回程盘成品。
实施例2
配料：按上述柱塞泵回程盘的成分及其质量百分比称取原料，包括Nb：0.02％、Al：0.2％、C：0.1％、Cr：0.2％、Mo：0.1％、Ti：0.06％、稀土：0.01％、N：0.008％、余量为Fe和杂质，其中稀土为Y、Sm、Ho中的一种或多种，杂质包括P＜0.004％、S＜0.004％、O＜0.002％。将除Al、N、Ti、稀土外的原料熔融形成合金液。
自脱氧：将铝磨制成粒径为400nm的铝粉，先向合金液中加入一半的铝粉进行预脱氧，再加入余下的铝粉进行再脱氧。
制粉：先将氮与钛在高温下直接反应制得氮化钛，将氮化钛与稀土经气流磨制成粒径为400nm的粉末并混合成粉料。
浇注：先向模具中均匀铺上混合粉料，再将适当升温的合金液浇入模具中得回程盘半成品。
热处理：对回程盘半成品进行渗碳淬火并回火，其中渗碳淬火处理的温度为900℃，保温45min，回火处理的温度为400℃，保温25min。
表面处理：将热处理后的回程盘半成品进行表面处理，表面处理在氮化炉内进行，炉内抽真空，炉体接阳极，产品接阴极，再向炉内充入氮气、氨气、氢气进行高压离子氮化处理，氮化处理后还包括时效处理，具体为：将氮化处理后的回程盘加热到250℃，保温10h后自然冷却。最后机械精加工后得回程盘成品。
实施例3
配料：按上述柱塞泵回程盘的成分及其质量百分比称取原料，包括Nb：0.04％、Al：0.4％、C：0.3％、Cr：0.4％、Mo：0.3％、Ti：0.1％、稀土：0.05％、N：0.01％、余量为Fe和杂质，其中稀土为Y、Sm、Ho中的一种或多种，杂质包括P＜0.004％、S＜0.004％、O＜0.002％。将除Al、N、Ti、稀土外的原料熔融形成合金液。
自脱氧：将铝磨制成粒径为400nm的铝粉，先向合金液中加入一半的铝粉进行预脱氧，再加入余下的铝粉进行再脱氧。
制粉：先将氮与钛在高温下直接反应制得氮化钛，将氮化钛与稀土经气流磨制成粒径为400nm的粉末并混合成粉料。
浇注：先向模具中均匀铺上混合粉料，再将适当升温的合金液浇入模具中得回程盘半成品。
热处理：对回程盘半成品进行渗碳淬火并回火，其中渗碳淬火处理的温度为900℃，保温45min，回火处理的温度为400℃，保温25min。
表面处理：将热处理后的回程盘半成品进行表面处理，表面处理在氮化炉内进行，炉内抽真空，炉体接阳极，产品接阴极，再向炉内充入氮气、氨气、氢气进行高压离子氮化处理，氮化处理后还包括时效处理，具体为：将氮化处理后的回程盘加热到250℃，保温10h后自然冷却。最后机械精加工后得回程盘成品。
实施例4
配料：按上述柱塞泵回程盘的成分及其质量百分比称取原料，包括Nb：0.03％、Al：0.3％、C：0.2％、Cr：0.3％、Mo：0.2％、Ti：0.08％、稀土：0.03％、N：0.009％、余量为Fe和杂质，其中稀土为Y、Sm、Ho中的一种或多种，杂质包括P＜0.004％、S＜0.004％、O＜0.002％。将除Al、N、Ti、稀土外的原料熔融形成合金液。
自脱氧：将铝磨制成粒径为300nm的铝粉，先向合金液中加入一半的铝粉进行预脱氧，再加入余下的铝粉进行再脱氧。
制粉：先将氮与钛在高温下直接反应制得氮化钛，将氮化钛与稀土经气流磨制成粒径为300nm的粉末并混合成粉料。
浇注：先向模具中均匀铺上混合粉料，再将适当升温的合金液浇入模具中得回程盘半成品。
热处理：对回程盘半成品进行渗碳淬火并回火，其中渗碳淬火处理的温度为850℃，保温35min，回火处理的温度为350℃，保温20min。
表面处理：将热处理后的回程盘半成品进行表面处理，表面处理在氮化炉内进行，炉内抽真空，炉体接阳极，产品接阴极，再向炉内充入氮气、氨气、氢气进行高压离子氮化处理，氮化处理后还包括时效处理，具体为：将氮化处理后的回程盘加热到200℃，保温5h后自然冷却。最后机械精加工后得回程盘成品。
实施例5
配料：按上述柱塞泵回程盘的成分及其质量百分比称取原料，包括Nb：0.03％、Al：0.3％、C：0.2％、Cr：0.3％、Mo：0.2％、Ti：0.08％、稀土：0.03％、N：0.009％、余量为Fe和杂质，其中稀土为Y、Sm、Ho中的一种或多种，杂质包括P＜0.004％、S＜0.004％、O＜0.002％。将除Al、N、Ti、稀土外的原料熔融形成合金液。
自脱氧：将铝磨制成粒径为500nm的铝粉，先向合金液中加入一半的铝粉进行预脱氧，再加入余下的铝粉进行再脱氧。
制粉：先将氮与钛在高温下直接反应制得氮化钛，将氮化钛与稀土经气流磨制成粒径为500nm的粉末并混合成粉料。
浇注：先向模具中均匀铺上混合粉料，再将适当升温的合金液浇入模具中得回程盘半成品。
热处理：对回程盘半成品进行渗碳淬火并回火，其中渗碳淬火处理的温度为950℃，保温55min，回火处理的温度为450℃，保温30min。
表面处理：将热处理后的回程盘半成品进行表面处理，表面处理在氮化炉内进行，炉内抽真空，炉体接阳极，产品接阴极，再向炉内充入氮气、氨气、氢气进行高压离子氮化处理，氮化处理后还包括时效处理，具体为：将氮化处理后的回程盘加热到300℃，保温15h后自然冷却。最后机械精加工后得回程盘成品。
对比例1
与实施例1的区别仅在于，对比例1不进行自脱氧操作，直接将Al混合熔融。
对比例2
与实施例1的区别仅在于，对比例2直接将所有原料混合熔融并浇注。
对比例3
与实施例1的区别仅在于，对比例3不进行渗碳处理。
对比例4
与实施例1的区别仅在于，对比例4产品表面不进行氮化处理。
将实施例1-5及对比例1-4的产品进行测试，测试其强度、韧性、耐腐蚀性和硬度，结果如表1所示：
表1：实施例1-5及对比例1-4中产品的性能
从中可以看出，钢中杂质元素的含量会大大影响产品的性能，不同的金属添加元素的加入顺序也会改变产品的性能，表中的耐蚀性数据为产品表面出现锈迹的时间。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (9)

1.一种柱塞泵回程盘，其特征在于，所述的柱塞泵回程盘由如下成分及其质量百分比组成：Nb：0.02-0.04％、Al：0.2-0.4％、C：0.1-0.3％、Cr：0.2-0.4％、Mo：0.1-0.3％、Ti：0.06-0.1％、稀土：0.01-0.05％、N：0.008-0.01％、余量为Fe和杂质。
2.根据权利要求1所述的柱塞泵回程盘，其特征在于，所述稀土为Y、Sm、Ho中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的柱塞泵回程盘，其特征在于，所述杂质包括P＜0.004％、S＜0.004％、O＜0.002％。
4.一种柱塞泵回程盘的制备工艺，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：
(1)配料：按权利要求1所述柱塞泵回程盘的成分及其质量百分比称取原料，将除Al、N、Ti、稀土外的原料熔融形成合金液；
(2)自脱氧：先向合金液中加入一半的Al进行预脱氧，再加入余下的Al进行再脱氧；
(3)制粉：先将氮与钛在高温下直接反应制得氮化钛，将氮化钛与稀土经气流磨制成粉并混合成粉料；
(4)浇注：先向模具中均匀铺上混合粉料，再将合金液浇入模具中得回程盘半成品；
(5)热处理：对回程盘半成品进行渗碳淬火并回火；
(6)表面处理：将热处理后的回程盘半成品进行表面氮化处理，最后机械精加工后得回程盘成品。
5.根据权利要求4所述的柱塞泵回程盘的制备工艺，其特征在于，自脱氧中所述Al为铝粉。
6.根据权利要求4或5所述的柱塞泵回程盘的制备工艺，其特征在于，铝粉与制粉中所述粉料的粒径为300-500nm。
7.根据权利要求4所述的柱塞泵回程盘的制备工艺，其特征在于，热处理中所述渗碳淬火处理的温度为850-950℃，保温35-55min，回火处理的温度为350-450℃，保温20-30min。
8.根据权利要求4所述的柱塞泵回程盘的制备工艺，其特征在于，所述氮化处理为高压离子氮化，炉内填充气体为氮气、氨气、氮气+氢气中的一种或多种。
9.根据权利要求4所述的柱塞泵回程盘的制备工艺，其特征在于，表面氮化处理后还包括时效处理，具体为：将氮化处理后的回程盘加热到200-300℃，保温5-15h后自然冷却。
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