CN108165984A - 一种高耐磨柱塞 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及液压泵领域，更具体地说，它涉及一种高耐磨柱塞。所述柱塞是由在柱塞基体表面先喷涂二氧化硅颗粒，再在二氧化硅颗粒层表面覆盖合金粉末，并通过激光熔覆制得。
Description
技术领域
本发明涉及液压泵领域，更具体地说，它涉及一种高耐磨柱塞。
背景技术
柱塞泵是液压系统的一个重要装置。它依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸油、压油。柱塞泵具有额定压力高、结构紧凑、效率高和流量调节方便等优点。柱塞泵被广泛应用于高压、大流量和流量需要调节的场合，诸如液压机、工程机械和船舶中。
柱塞是柱塞泵的核心零件，工作时柱塞总受压，因而它必须有足够的刚度；柱塞重量往往较大，水平放置时容易自重面下垂，造成密封件和导向单边磨损，进而导致配合表面沟痕深度大于配合间隙，引起漏油量大，供油量减少，油压不足，雾化不良，最终导致发动机运转不平衡，气缸与活塞磨损增加，油泵零件磨损增加，油耗增加，排气冒烟。由于柱塞在缸体中既做往复运动，又要随缸体一起做旋转运动，除了要求柱塞表面要有耐磨，心部又要有良好的韧性，综合机械性能要求高；同时，因为液压油缸的柱塞部分在工作状态中需要不断地伸出缸筒，伸出缸筒之后很容易会受到氧化物以及酸性气体的侵蚀，长期这样会快速缩短柱塞的寿命，进而缩短液压油缸的寿命。
以往为了实现柱塞良好的性能，多采用渗氮的热处理方法，但是渗氮处理适用于含有Cr、Mo、Al、W、V、Ti等合金元素的钢种，从而限制了选材的范围。同时，渗氮热处理时间长达20多个小时，生产成本高。现有技术中，也有在基体表面激光熔覆耐磨层。激光熔覆技术能使基体表面一薄层熔化并快速凝固形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀等性能，且不影响基体的性能。但是普通的激光熔覆工艺因激光的快速加热和快速凝固而易导致耐磨层分布不均匀，且熔覆层因内部较大拉应力的存在，使得熔覆层产生裂纹，这些都会影响耐磨层的性质呈现。
发明内容
针对现有技术存在的上述缺点，本发明提供一种高耐磨柱塞，通过柱塞激光表面熔覆，有效提高柱塞的耐腐蚀和耐磨性能，提高柱塞泵的使用寿命。
本发明的上述目的可通过下列技术方案来实现：一种高耐磨柱塞，所述柱塞是由在柱塞基体表面先喷涂二氧化硅颗粒，再在二氧化硅颗粒层表面覆盖合金粉末，并通过激光熔覆制得。
作为优选，所述柱塞激光熔覆过程包括：
柱塞基体经表面处理后，喷涂二氧化硅颗粒层，采用同步送粉的方式，在气压为0.01MPa-1MPa的氩气或氦气保护气氛下，将合金粉末在柱塞基体表面进行激光熔覆。
二氧化硅颗粒是提高柱塞耐磨耐蚀的重要成分，但是在普通的激光熔覆中，二氧化硅颗粒直接与合金粉末混合，置于基体表面，一起进行激光熔覆，此时因熔覆层和基体之间表面应力的存在，提高了熔覆层开裂的倾向。而在本发明中，二氧化硅颗粒先作为独立存在部分，在激光熔覆前喷涂在基体表面，再输送合金粉末激光熔覆。二氧化硅颗粒处于基体和熔覆层之间，使得熔覆层部分应力得到缓解和释放，且二氧化硅颗粒诱导硬质相在两界面均匀分布，提高耐磨性能，界面均匀分布的硬质相能阻止应力集中，从而减小熔覆层开裂的倾向。
所述柱塞基体为合金钢，其包括以下重量百分比的成分：C0.3-0.45-％、Mn 0.3-0.6-％、Cr 1.3-1.6％、Cu 0.1-0.3％、Ni 0.5-1.8％、Al 0.8-1.9％，余量为Fe。按照上述配比称取合金钢成分的中间合金，在750-800℃下熔化，精炼净化，浇铸得柱塞基体。柱塞基体在激光熔覆前去除表面的油污杂质。
作为优选，所述喷涂的二氧化硅颗粒的重量为合金粉末的5-10％。二氧化硅颗粒的含量需要严格控制，含量太多会降低熔覆层的韧性和塑性，太少则对应力的缓解无明显效果。
作为优选，在所述激光熔覆时同时进行纵向磁场处理。
作为优选，纵向磁场强度为2-5T。
在激光熔覆同时加纵向磁场处理，激光熔覆因加热速度快，导致各相分布不均匀，而磁场效应可诱导加快熔覆层中的各相的均匀分布，尤其是促进硬质相均匀沿二氧化硅颗粒生长；磁场效应还可以降低熔覆层中的内应力，细化熔覆层晶粒结构改善组织。
作为优选，所述合金粉末按重量份数包括：Fe 40-60份，Cr 8-15份，Os 3-8份，B5-10份，Ti 2-5份，Mg 1-5份。
合金材料对激光熔覆质量起很大的作用，Ti有较强的细化晶粒、增强韧性、提高塑性的作用；Cr、Os与B能形成硬质相，提高熔覆层的硬度。本发明使用的合金材料配合事先喷涂在基体表面的二氧化硅颗粒，对熔覆层的硬度、韧性都有很大的提高。
作为优选，所述合金粉末粒度为100-500目。将上述质量分数的成分放入球磨机中球磨3-5h，过筛处理后放入真空干燥箱中，调节干燥箱的温度为50-80℃，保温3-5h得到复合合金粉末。一般而言，合金粉末的粒度越小，越有利于熔覆层性质的改善，但是过小粒度会增加前期成本。
作为优选，所述二氧化硅颗粒包含二氧化硅颗粒Ⅰ和二氧化硅颗粒Ⅱ，其中二氧化硅颗粒Ⅰ为纤维状，其长度为100-400nm，直径为50-80nm；二氧化硅颗粒Ⅱ为球状，其直径为10-50nm。球状和纤维状的二氧化硅颗粒混合，一方面可以进一步增强熔覆层，提高耐磨性能，另一方面可以有效降低熔覆层与基体之间的热应力，提高熔覆层质量。
作为优选，所述二氧化硅颗粒Ⅰ和二氧化硅颗粒Ⅱ分别为二氧化硅颗粒的20-40％和60-80％。
作为优选，所述激光输出功率为1200-1700W，扫描速度为1-10mm/s，送粉量为5-10g/min。
作为优选，激光熔覆温度为1200-1500℃。
激光熔覆工艺参数对激光熔覆层质量具有最直接的影响，使用本发明的工艺参数才能获得质量优异的熔覆层。
与现有技术相比，本发明在激光熔覆前喷涂二氧化硅颗粒于柱塞基体表面，结合纵向磁场处理，降低应力的产生，提高熔覆层质量，制备得到的柱塞就有优异的耐磨和耐腐蚀性能。
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。如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。
实施例1
本实施例的柱塞经表面激光熔覆而得，其中激光熔覆步骤包括：柱塞基体经表面去油污之后，喷涂直径为30nm的球状二氧化硅颗粒层，采用同步送粉的方式，送粉量为8g/min，在气压为0.7MPa的氩气或氦气保护气氛下，将合金粉末在柱塞基体表面进行激光熔覆，激光输出功率为1500W，扫描速度为5mm/s，激光熔覆时施加3T的纵向磁场处理。其中喷涂的二氧化硅颗粒的重量为合金粉末的8％，合金粉末按重量份数包括：Fe 50份，Cr 10份，Os 5份，B10份，Ti 5份，Mg 2份，合金粉末粒度为300目。
实施例2
本实施例的柱塞经表面激光熔覆而得，其中激光熔覆步骤包括：柱塞基体经表面去油污之后，喷涂二氧化硅颗粒层，其中二氧化硅颗粒为50％的二氧化硅颗粒Ⅰ和50％的二氧化硅颗粒Ⅱ，二氧化硅颗粒Ⅰ为纤维状，其长度为200nm，直径为50nm，二氧化硅颗粒Ⅱ为球状，其直径为30nm；采用同步送粉的方式，送粉量为8g/min，在气压为0.7MPa的氩气或氦气保护气氛下，将合金粉末在柱塞基体表面进行激光熔覆，激光输出功率为1500W，扫描速度为5mm/s，激光熔覆时施加3T的纵向磁场处理。其中喷涂的二氧化硅颗粒的重量为合金粉末的8％，合金粉末按重量份数包括：Fe 50份，Cr 10份，Os 5份，B10份，Ti 5份，Mg 2份，合金粉末粒度为300目。
实施例3
本实施例的柱塞经表面激光熔覆而得，其中激光熔覆步骤包括：柱塞基体经表面去油污之后，喷涂二氧化硅颗粒层，其中二氧化硅颗粒为30％的二氧化硅颗粒Ⅰ和70％的二氧化硅颗粒Ⅱ，二氧化硅颗粒Ⅰ为纤维状，其长度为200nm，直径为50nm，二氧化硅颗粒Ⅱ为球状，其直径为30nm；采用同步送粉的方式，送粉量为8g/min，在气压为0.7MPa的氩气或氦气保护气氛下，将合金粉末在柱塞基体表面进行激光熔覆，激光输出功率为1500W，扫描速度为5mm/s，激光熔覆时施加3T的纵向磁场处理。其中喷涂的二氧化硅颗粒的重量为合金粉末的8％，合金粉末按重量份数包括：Fe 50份，Cr 10份，Os 5份，B10份，Ti 5份，Mg 2份，合金粉末粒度为600目。
实施例4
本实施例的柱塞经表面激光熔覆而得，其中激光熔覆步骤包括：柱塞基体经表面去油污之后，喷涂二氧化硅颗粒层，其中二氧化硅颗粒为30％的二氧化硅颗粒Ⅰ和70％的二氧化硅颗粒Ⅱ，二氧化硅颗粒Ⅰ为纤维状，其长度为200nm，直径为50nm，二氧化硅颗粒Ⅱ为球状，其直径为30nm；采用同步送粉的方式，送粉量为8g/min，在气压为0.7MPa的氩气或氦气保护气氛下，将合金粉末在柱塞基体表面进行激光熔覆，激光输出功率为1500W，扫描速度为5mm/s，激光熔覆时施加3T的纵向磁场处理。其中喷涂的二氧化硅颗粒的重量为合金粉末的8％，合金粉末按重量份数包括：Fe 50份，Cr 10份，B10份，Ti 5份，Mg 2份，合金粉末粒度为600目。
实施例5
本实施例的柱塞经表面激光熔覆而得，其中激光熔覆步骤包括：柱塞基体经表面去油污之后，喷涂二氧化硅颗粒层，其中二氧化硅颗粒为30％的二氧化硅颗粒Ⅰ和70％的二氧化硅颗粒Ⅱ，二氧化硅颗粒Ⅰ为纤维状，其长度为200nm，直径为50nm，二氧化硅颗粒Ⅱ为球状，其直径为30nm；采用同步送粉的方式，送粉量为12g/min，在气压为0.7MPa的氩气或氦气保护气氛下，将合金粉末在柱塞基体表面进行激光熔覆，激光输出功率为1500W，扫描速度为5mm/s，激光熔覆时施加3T的纵向磁场处理。其中喷涂的二氧化硅颗粒的重量为合金粉末的8％，合金粉末按重量份数包括：Fe 50份，Cr 10份，Os 5份，B10份，Ti 5份，Mg 2份，合金粉末粒度为300目。
实施例6
本实施例的柱塞经表面激光熔覆而得，其中激光熔覆步骤包括：柱塞基体经表面去油污之后，喷涂二氧化硅颗粒层，其中二氧化硅颗粒为30％的二氧化硅颗粒Ⅰ和70％的二氧化硅颗粒Ⅱ，二氧化硅颗粒Ⅰ为纤维状，其长度为200nm，直径为50nm，二氧化硅颗粒Ⅱ为球状，其直径为30nm；采用同步送粉的方式，送粉量为8g/min，在气压为0.7MPa的氩气或氦气保护气氛下，将合金粉末在柱塞基体表面进行激光熔覆，激光输出功率为1500W，扫描速度为5mm/s，激光熔覆时施加3T的纵向磁场处理。其中喷涂的二氧化硅颗粒的重量为合金粉末的8％，合金粉末按重量份数包括：Fe 50份，Cr 10份，Os 5份，B10份，Ti 5份，Mg 2份，合金粉末粒度为300目。
实施例7
本实施例的柱塞经表面激光熔覆而得，其中激光熔覆步骤包括：柱塞基体经表面去油污之后，喷涂二氧化硅颗粒层，其中二氧化硅颗粒为20％的二氧化硅颗粒Ⅰ和80％的二氧化硅颗粒Ⅱ，二氧化硅颗粒Ⅰ为纤维状，其长度为300nm，直径为70nm，二氧化硅颗粒Ⅱ为球状，其直径为40nm；采用同步送粉的方式，送粉量为5g/min，在气压为0.5MPa的氩气或氦气保护气氛下，将合金粉末在柱塞基体表面进行激光熔覆，激光输出功率为1700W，扫描速度为8mm/s，激光熔覆时施加5T的纵向磁场处理。其中喷涂的二氧化硅颗粒的重量为合金粉末的6％，合金粉末按重量份数包括：Fe 60份，Cr 8份，Os 3份，B 6份，Ti 4份，Mg 3份，合金粉末粒度为400目。
对比例1
对比例1与实施例6的区别在于，对比例1中没有喷涂二氧化硅颗粒层，其它与实施例6相同。
对比例2
对比例2与实施例6的区别在于，对比例2中没有喷涂二氧化硅颗粒层，二氧化硅颗粒与合金粉末混合送粉，其它与实施例6相同。
对比例3
对比例3与实施例6的区别在于，对比例3中喷涂的二氧化硅颗粒的重量为合金粉末的3％，其它与实施例6相同。
对比例4
对比例4与实施例6的区别在于，对比例4中喷涂的二氧化硅颗粒的重量为合金粉末的12％，其它与实施例6相同。
对比例5
对比例5与实施例6的区别在于，对比例5中没有进行磁场处理，其它与实施例6相同。
对比例6
对比例6与实施例6的区别在于，对比例6中磁场强度为7T，其它与实施例6相同。
对比例7
对比例7与实施例6的区别在于，对比例7中磁场强度为1T，其它与实施例6相同。
对实施例1-7以及对比例1-7制备的柱塞进行硬度、耐磨性、拉伸强度、冲击韧性的测量，采用MS-T3000摩擦磨损试验仪在室温条件下测试耐磨性能，磨损体积为5h后的数值。
结果如表1所示。
表1实施例1-7及对比例1-7柱塞的性能参数
实施例6、7作为本发明的最优实施例，具有最佳的性能，而对比例1-7因必须成分或步骤的缺失，其性能参数远低于实施例6。
本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
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 (10)
1.一种高耐磨柱塞，其特征在于，所述柱塞是由在柱塞基体表面先喷涂二氧化硅颗粒，再在二氧化硅颗粒层表面覆盖合金粉末，并通过激光熔覆制得。
2.根据权利要求1所述的一种高耐磨柱塞，其特征在于，所述激光熔覆过程包括：
柱塞基体经表面处理后，喷涂形成二氧化硅颗粒层，采用同步送粉的方式，在气压为0.01MPa-1MPa的氩气或氦气保护气氛下，将合金粉末在柱塞基体表面进行激光熔覆。
3.根据权利要求2所述的一种高耐磨柱塞，其特征在于，所述喷涂的二氧化硅颗粒的重量为合金粉末的5-10％。
4.根据权利要求2所述的一种高耐磨柱塞，其特征在于，在所述激光熔覆时同时进行纵向磁场处理。
5.根据权利要求4所述的一种高耐磨柱塞，其特征在于，纵向磁场强度为2-5T。
6.根据权利要求1-3任一所述的一种高耐磨柱塞，其特征在于，所述合金粉末按重量份数包括：Fe 40-60份，Cr 8-15份，Os 3-8份，B 5-10份，Ti 2-5份，Mg 1-5份。
7.根据权利要求6所述的一种高耐磨柱塞，其特征在于，所述合金粉末粒度为100-500目。
8.根据权利要求1-3任一所述的一种高耐磨柱塞，其特征在于，所述二氧化硅颗粒包含二氧化硅颗粒Ⅰ和二氧化硅颗粒Ⅱ，其中二氧化硅颗粒Ⅰ为纤维状，其长度为100-400nm，直径为50-80nm；二氧化硅颗粒Ⅱ为球状，其直径为10-50nm。
9.根据权利要求8所述的一种高耐磨柱塞，其特征在于，所述二氧化硅颗粒Ⅰ和二氧化硅颗粒Ⅱ分别为二氧化硅颗粒的20-40％和60-80％。
10.根据权利要求2所述的一种高耐磨柱塞，其特征在于，所述激光输出功率为1200-1700W，扫描速度为1-10mm/s，送粉量为5-10g/min。
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