CN112170851B - 一种液压缸活塞及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种液压缸活塞及其制备方法，属于液压机械设备技术领域。本发明液压缸活塞由以下质量百分比的组分组成：Cu：1.2‑3％、Si：0.8‑1.5％、Ti：0.6‑3％、Fe：0.05‑0.8％、Cr：0.3‑1.1％、纳米Nd2O3：0.07‑0.3％、纳米La2O3：0.2‑3％，余量为Al及不可避免的杂质。原料中金属之间通过协同作用，使合金具有较佳的强度和耐蚀性，而纳米Nd2O3和纳米La2O3又能与铝基体产生共格关系，使得合金表现出优异的室温及高温力学性能。制备时通过有层次的涂敷特制ZrO2涂层和SiO2涂层，大幅度提高了合金耐蚀性能及使用寿命，使其能在更加严苛的恶劣环境中长时间正常工作。

Description

一种液压缸活塞及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种液压缸活塞及其制备方法，属于液压机械设备技术领域。
背景技术
液压缸主要由缸筒、活塞、活塞杆、缸盖、缸底、活塞杆头及有关辅助装置等组成。活塞把缸简分成左右两腔，借助于压力油的作用，在缸筒内作往复运动。为了提高它的工作效率，除了从结构及其他辅助配件上进行改进外，使用材料也至关重要。目前液压缸活塞主要使用材质为灰铸铁或合金钢，这两种材质的活塞除了强度能到达要求外，其耐磨性、耐腐蚀性、力学性能都有待提高。追寻材料轻量化步伐，急需开发一种新材料，在满足液压缸活塞对强度、耐磨性、力学性能等要求的前提下，还要实现其轻量化。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种耐磨性、耐腐蚀性、力学性能良好的轻量化液压缸活塞。
本发明的上述目的可以通过下列技术方案来实现：一种液压缸活塞，所述液压缸活塞由铝合金制成，所述铝合金由以下质量百分比的组分组成：Cu：1.2-3％、Si：0.8-1.5％、Ti：0.6-3％、Fe：0.05-0.8％、Cr：0.3-1.1％、纳米Nd2O3：0.07-0.3％、纳米La2O3：0.2-3％，余量为Al及不可避免的杂质。
本发明添加适量的Cu、Si，Cu与Al能形成强化相CuAl2，用于增强铝合金的机械强度及抗腐蚀性，同时铜的加入还会使合金组织中出现α固溶体，α相分别与CuAl2和Si相构成两相共晶体，加之Si相或其共晶都具有较佳的流动性，因此可显著提高铝合金的强度和硬度，但伸长率稍有降低；少量的Fe与Al会形成FeAl3针状结晶，能有效降低合金的脱模力，减小热裂纹产生的倾向，但Fe的含量过高(超过0.8％)会产生硬质点，流动性降低，热裂倾向加大，力学性能及抗腐蚀性下降。Cr与Al、Fe形成(CrFe)Al7金属间化合物，阻碍再结晶的形核和长大过程，对合金有一定的强化作用，还能改善合金韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性。本发明适量的Ti不仅能够细化合金的晶粒组织，降低合金的热裂倾向，还可以与Si协同作用增强合金结构的稳定性。纳米Nd2O3和纳米La2O3与铝基体产生共格关系，在弥散强化的同时还起到了共格韧化的作用，使得合金表现出优异的室温及高温力学性能。
作为优选，Ti/Si的质量比为(3-7)：2。随着Si元素摩尔含量的增加及Ti元素摩尔含量的减小，合金晶格常数都有所增大，而密度及结合能的绝对值不断减小。晶体结构稳定性与其结合能密切相关，结合能绝对值越大，晶体内部原子之间结合力越强，即形成晶体越稳定。因此，当本发明Ti/Si的质量比小于1.5时，合金结构稳定性不断下降，但当Ti/Si的质量比大于3.5时，合金的硬度会持续降低。
作为优选，所述纳米La2O3的制备方法包括以下步骤：
S1：配置前驱体：用去离子水溶解La(NO3)3·nH2O和NaOH，得前驱体；
S2：水热反应：将配置好的前驱体置于反应釜中，密闭，程序升温至160-260℃，保温10-12h；然后取出反应釜自然冷却至室温，对反应液进行3-5次清洗，于95-105℃烘箱中烘干8-12h，得La2(OH)3粉体；
S3：分解反应：将制得的氢氧化镧粉体于700-740℃下煅烧3-4h，得纳米La2O3。
本发明制备的纳米La2O3与现有技术中使用的工业级纳米La2O3相比具有较佳的均匀度、分散度及高纯度，其粒径分布为40-80nm，能与其他合金组分协同，促进合金结构的稳定，增强合金的力学性能，且制备工艺简单易于操作，成本低。
进一步优选，所述前驱体中还添加有占La(NO3)3·nH2O质量分数为1-1.5％的聚乙二醇。聚乙二醇中含有大量醚键和羟基，可与纳米氧化镧水合物表面的羟基通过氢键相连。纳米氧化镧水合物表面吸附一层PEG保护层，能提高纳米粒子间的空间位阻，减轻了干燥、煅烧阶段纳米粒子间的团聚和烧结现象，但聚乙二醇的添加量不能超过La(NO3)3·nH2O质量的1.5％，因为过量的聚乙二醇会减弱离子间的结合力，阻碍La3+和OH－结合，影响水热反应的进行，导致纳米La2O3的收率低。
作为优选，纳米Nd2O3和纳米La2O3的粒径为40-80nm。此粒径范围的纳米颗粒一方面能有效改善间隙杂质在晶界的偏析程度，并能与铝基体产生共格关系，从而提高晶界结合强度，另一方面对位错钉扎作用显著，增加了位错运动的阻力，从而提高铝合金的强度及力学性能。
本发明的另一个目的是提供一种上述液压缸活塞的制备方法，包括以下步骤：
S1：按上述铝合金组成称取Al、Cu、Si、Ti、Fe、Cr、纳米Nd2O3和纳米La2O3，并置于球磨机中进行球磨，得混合均匀的合金粉；
S2：将合金粉于450-550MPa压力下压制成毛坯，然后对毛坯进行烧结得熟坯；
S3：在熟坯表面先涂敷ZrO2涂层，然后再涂敷SiO2涂层，经固化得液压缸活塞。
烧结后的熟坯表面很容易出现相互交叠、平行搭接的孔隙，有害离子、气体等通过这些孔隙进入合金内部，形成小范围的原电池，进而从内部腐蚀合金，现有的涂敷工艺也只是减缓了环境对合金外表面的腐蚀，而无法避免内部腐蚀。为了兼顾内外部合金均不受外界的腐蚀破环，本发明先在合金表面涂敷ZrO2涂层，然后再在ZrO2涂层外面涂敷SiO2涂层，形成复合涂层。ZrO2具有良好的迁移流动性且对有害介质比较敏感，当有害介质试图进入合金内部时，ZrO2发挥其屏蔽作用，阻止有害介质深入合金内部，同时ZrO2颗粒具有高比表面积和丰富的表面缺陷，能够提高SiO2涂层的表面活性，促进SiO2涂层保护膜生长，使SiO2涂层更加均匀致密，增强了其对有害介质的屏蔽作用，提高了复合涂层耐蚀性能，进而大大提高合金的耐腐蚀性能。
作为优选，所述球磨的球料比为(12-16)：1，转速为160-200r/min，时间为10-12h。
作为优选，所述烧结的工艺为：以5-12℃/min的升温速率升温到预烧结温度300-350℃，保温10-20min；再以10-15℃/min的速率升温至550-620℃，保温30-50min；随炉冷却至室温。
作为优选，所述ZrO2涂层的涂层液由以下质量百分比的组分组成：8.5-12％乙二醇、1.2-2％吐温、0.5-2％羟乙基纤维素、8.5-11％ZrO2，余量为去离子水。
作为优选，所述SiO2涂层的涂层液由以下质量百分比的组分组成：2-6％甲基三甲氧基硅烷、3.5-5％醋酸-醋酸钠、8-12％水玻璃、0.5-1.5％纳米粉、余量为去离子水。本发明水玻璃水解生成大量的Si-OH键和甲基三甲氧基硅烷Si-OH官能团发生缩合反应，使两相之间能够充分键合，形成共价键，组分间能够于铝基体上紧密地结合在一起，在铝基体表面形成SiO2保护层。少量的纳米粉与ZrO2涂层协同作用渗入到保护层的孔隙中，起到填充作用，显著降低保护层的孔隙率，从而屏蔽或减缓外部腐蚀性介质对保护层及基体的渗透，从而对保护层起到很好的保护作用，延长基体的使用寿命，醋酸-醋酸钠作为缓蚀剂用来保持整个涂层液的平衡稳定。
进一步优选，涂敷复合涂层的厚度为15-25μm。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.本发明原料配伍合理，金属之间通过协同作用，使合金具有较佳的强度和耐蚀性，纳米Nd2O3和纳米La2O3又能与铝基体产生共格关系，使得合金表现出优异的室温及高温力学性能。
2.本发明制备方法简单，易于控制，通过有层次的涂敷特制ZrO2涂层和SiO2涂层，大大提高了合金耐蚀性能及使用寿命，使其能在更加严苛的恶劣环境中长时间正常工作。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并说明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
一种液压缸活塞，所述液压缸活塞由铝合金制成，所述铝合金由以下质量百分比的组分组成：Cu：1.2％、Si：1％、Ti：3.5％、Fe：0.05％、Cr：0.3％、纳米Nd2O3：0.07％、纳米La2O3：0.2％，余量为Al及不可避免的杂质。
所述纳米La2O3的制备方法包括以下步骤：
S1：配置前驱体：用1.2L去离子水溶解10.5gLa(NO3)3·nH2O和24gNaOH，并加入0.1g聚乙二醇，搅拌均匀得前驱体；
S2：水热反应：将配置好的前驱体置于2L反应釜中，密闭，程序升温至160℃，保温10h；然后取出反应釜自然冷却至室温，对反应液进行3次清洗，于95℃烘箱中烘干8h，得La(OH)3粉体；
S3：分解反应：将制得的氢氧化镧粉体于700℃下煅烧3h，得粒径为52nm的La2O3。
上述液压缸活塞的制备方法：按上述铝合金组成称取Al、Cu、Si、Ti、Fe、Cr、纳米Nd2O3和纳米La2O3，并置于转速为160r/min球磨机中进行10h球磨，得混合均匀的合金粉，其中球料比为12：1；将合金粉于450MPa压力下压制成毛坯；对毛坯进行烧结得熟坯，其中烧结工艺为以5℃/min的升温速率升温到预烧结温度300℃，保温10min；再以10℃/min的速率升温至550℃，保温30min；随炉冷却至室温；在熟坯表面涂敷温度为40℃涂层液，经固化得涂层厚度为18μm的液压缸活塞，其中所述涂层液的组成为：甲基三甲氧基硅烷10％、醋酸-醋酸钠3.5％、水玻璃30％、纳米粉0.5％、余量为去离子水。
实施例2
一种液压缸活塞，所述液压缸活塞由铝合金制成，所述铝合金由以下质量百分比的组分组成：Cu：1.6％、Si：1％、Ti：2.5％、Fe：0.2％、Cr：0.5％、纳米Nd2O3：0.1％、纳米La2O3：0.8％，余量为Al及不可避免的杂质。
所述纳米La2O3的制备方法包括以下步骤：
S1：配置前驱体：用1.2L去离子水溶解15gLa(NO3)3·nH2O和30gNaOH，并加入0.2g聚乙二醇，搅拌均匀得前驱体；
S2：水热反应：将配置好的前驱体置于反应釜中，密闭，程序升温至180℃，保温12h；然后取出反应釜自然冷却至室温，对反应液进行3次清洗，于105℃烘箱中烘干9h，得La(OH)3粉体；
S3：分解反应：将制得的氢氧化镧粉体于710℃下煅烧4h，得粒径为45nm的La2O3。
上述液压缸活塞的制备方法：按上述铝合金组成称取Al、Cu、Si、Ti、Fe、Cr、纳米Nd2O3和纳米La2O3，并置于转速为170r/min球磨机中进行12h球磨，得混合均匀的合金粉，其中球料比为14：1；将合金粉于480MPa压力下压制成毛坯；对毛坯进行烧结得熟坯，其中所述烧结的工艺为：以8℃/min的升温速率升温到预烧结温度310℃，保温12min；再以11℃/min的速率升温至570℃，保温35min；随炉冷却至室温；在熟坯表面涂敷温度为45℃涂层液，经固化得涂层厚度为22μm液压缸活塞，其中所述涂层液的组成为：甲基三甲氧基硅烷15％、醋酸-醋酸钠4％、水玻璃37％、纳米粉0.7％、余量为去离子水。
实施例3
一种液压缸活塞，所述液压缸活塞由铝合金制成，所述铝合金由以下质量百分比的组分组成：Cu：2.1％、Si：1.2％、Ti：2％、Fe：0.35％、Cr：0.7％、纳米Nd2O3：0.14％、纳米La2O3：1.2％，余量为Al及不可避免的杂质。
所述纳米La2O3的制备方法包括以下步骤：
S1：配置前驱体：用1.5L去离子水溶解12gLa(NO3)3·nH2O和26gNaOH，并加入0.15g聚乙二醇，搅拌均匀得前驱体；
S2：水热反应：将配置好的前驱体置于2L反应釜中，密闭，程序升温至210℃，保温11h；然后取出反应釜自然冷却至室温，对反应液进行4次清洗，于100℃烘箱中烘干10h，得La2(OH)3粉体；
S3：分解反应：将制得的氢氧化镧粉体于720℃下煅烧3h，得粒径为60nm的La2O3。
上述液压缸活塞的制备方法：按上述铝合金组成称取Al、Cu、Si、Ti、Fe、Cr、纳米Nd2O3和纳米La2O3，并置于转速为180r/min球磨机中进行11h球磨，得混合均匀的合金粉；将合金粉于500MPa压力下压制成毛坯；对毛坯进行烧结得熟坯，其中所述烧结的工艺为：以9℃/min的升温速率升温到预烧结温度320℃，保温15min；再以12℃/min的速率升温至590℃，保温40min；随炉冷却至室温；在熟坯表面涂敷温度为50℃涂层液，经固化得涂层厚度为20μm的液压缸活塞，其中所述涂层液的组成为：甲基三甲氧基硅烷20％、醋酸-醋酸钠4.2％、水玻璃40％、纳米粉1％、余量为去离子水。
实施例4
一种液压缸活塞，所述液压缸活塞由铝合金制成，所述铝合金由以下质量百分比的组分组成：Cu：2.6％、Si：1％、Ti：3％、Fe：0.6％、Cr：0.8％、纳米Nd2O3：0.25％、纳米La2O3：2.4％，余量为Al及不可避免的杂质。
所述纳米La2O3的制备方法包括以下步骤：
S1：配置前驱体：用1.2L去离子水溶解20gLa(NO3)3·nH2O和20gNaOH，并加入0.2g聚乙二醇，搅拌均匀得前驱体；
S2：水热反应：将配置好的前驱体置于反应釜中，密闭，程序升温至240℃，保温12h；然后取出反应釜自然冷却至室温，对反应液进行3次清洗，于105℃烘箱中烘干11h，得La2(OH)3粉体；
S3：分解反应：将制得的氢氧化镧粉体于730℃下煅烧3h，得粒径为68nm的La2O3。
上述液压缸活塞的制备方法：按上述铝合金组成称取Al、Cu、Si、Ti、Fe、Cr、纳米Nd2O3和纳米La2O3，并置于转速为190r/min球磨机中进行10h球磨，得混合均匀的合金粉，其中球料比为15：1；将合金粉于530MPa压力下压制成毛坯；对毛坯进行烧结得熟坯，其中所述烧结的工艺为：以10℃/min的升温速率升温到预烧结温度340℃，保温18min；再以13℃/min的速率升温至600℃，保温45min；随炉冷却至室温；在熟坯表面涂敷55℃的涂层液，经固化得涂层厚度为23μm的液压缸活塞，其中所述涂层液的组成为：甲基三甲氧基硅烷25％、醋酸-醋酸钠4.2％、水玻璃45％、纳米粉1.3％、余量为去离子水。
实施例5
一种液压缸活塞，所述液压缸活塞由铝合金制成，所述铝合金由以下质量百分比的组分组成：Cu：3％、Si：2％、Ti：3％、Fe：0.8％、Cr：1.1％、纳米Nd2O3：0.3％、纳米La2O3：3％，余量为Al及不可避免的杂质。
所述纳米La2O3的制备方法包括以下步骤：
S1：配置前驱体：用1L去离子水溶解25gLa(NO3)3·nH2O和40gNaOH，并加入0.5g聚乙二醇，搅拌均匀得前驱体；
S2：水热反应：将配置好的前驱体置于反应釜中，密闭，程序升温至260℃，保温12h；然后取出反应釜自然冷却至室温，对反应液进行5次清洗，于95℃烘箱中烘干12h，得La2(OH)3粉体；
S3：分解反应：将制得的氢氧化镧粉体于740℃下煅烧3h，得粒径为74nm的La2O3。
上述液压缸活塞的制备方法：按上述铝合金组成称取Al、Cu、Si、Ti、Fe、Cr、纳米Nd2O3和纳米La2O3，并置于转速为200r/min球磨机中进行12h球磨，得混合均匀的合金粉，其中球料比为16：1；将合金粉于550MPa压力下压制成毛坯；对毛坯进行烧结得熟坯，其中所述烧结的工艺为：以12℃/min的升温速率升温到预烧结温度350℃，保温20min；再以15℃/min的速率升温至620℃，保温50min；随炉冷却至室温；在熟坯表面涂敷温度为60℃涂层液，经固化得涂层厚度为24μm的液压缸活塞，其中所述涂层液的组成为：甲基三甲氧基硅烷30％、醋酸-醋酸钠5％、水玻璃50％、纳米粉1.5％、余量为去离子水。
实施例6
与实施例3的区别仅在于，合金原料中Ti/Si的质量比为1：1。
实施例7
与实施例3的区别仅在于，合金原料中Ti/Si的质量比为4：1。
实施例8
与实施例3的区别仅在于，合金原料中不含有纳米Nd2O3。
实施例9
与实施例3的区别仅在于，合金原料中不含有纳米La2O3。
实施例10
本对比例与实施例3的区别仅在于，采用现有技术制备的工业级纳米La2O3。
对比例1
本对比例与实施例3的区别仅在于，合金组分中不含有纳米Nd2O3和纳米La2O3。
对比例2
本对比例与实施例3的区别仅在于，涂层液组分中不含有水玻璃。
对比例3
本对比例与实施例3的区别仅在于，采用常规涂层液涂敷。
对比例4
本对比例与实施例3的区别仅在于，为普通市售铝合金液压缸活塞。
将实施例1-10及对比例1-4中制得的液压缸活塞进行性能测试，测试结果如表1所示。
表1：实施例1-10及对比例1-4中制得的液压缸活塞的性能参数
Figure BDA0002626221320000101
Figure BDA0002626221320000111
本发明原料配伍合理，金属之间相互协同作用，纳米Nd2O3和纳米La2O3又能与铝基体产生共格关系，使合金具有较佳力学性能，再通过涂敷特定涂层液，大大提高了合金耐蚀性能及使用寿命，使其能在更加严苛的恶劣环境中长时间正常工作。
鉴于本发明方案实施例众多，各实施例实验数据庞大众多，不适合于此处逐一列举说明，但是各实施例所需要验证的内容和得到的最终结论均接近。
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 (8)

1.一种液压缸活塞，其特征在于，所述活塞由铝合金制成，所述铝合金由以下质量百分比的组分组成：Cu：1.2-3％、Si：0.8-1.5％、Ti：0.6-3％、Fe：0.05-0.5％、Ni：0.1-0.5％、Cr：0.3-1.1％、纳米Nd2O3：0.07-0.3％、纳米La2O3：0.2-3％，余量为Al及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的液压缸活塞，其特征在于，Ti/Si的质量比为(3-7)：2。
3.根据权利要求1所述的液压缸活塞，其特征在于，所述纳米Nd2O3和纳米La2O3的粒径均为40-80nm。
4.一种如权利要求1所述的液压缸活塞的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：
S1：按如权利要求1中所述的铝合金组成称取Al、Cu、Si、Ti、Fe、Cr、纳米Nd2O3和纳米La2O3，球磨得合金粉；
S2：将合金粉于450-550MPa压力下压制成毛坯，然后对毛坯进行烧结得熟坯；
S3：在熟坯表面先涂敷厚度为的ZrO2的涂层，然后再涂敷SiO2涂层，将复合涂层经固化得液压缸活塞。
5.根据权利要求4所述的液压缸活塞的制备方法，其特征在于，所述球磨的球料比为(12-16)：1，转速为160-200r/min，时间为10-12h。
6.根据权利要求4所述的液压缸活塞的制备方法，其特征在于，所述ZrO2涂层的涂层液由以下质量百分比的组分组成：8.5-12％乙二醇、1.2-2％吐温、0.5-2％羟乙基纤维素、8.5-11％ZrO2、余量为去离子水。
7.根据权利要求4所述的液压缸活塞的制备方法，其特征在于，所述SiO2涂层的涂层液由以下质量百分比的组分组成：2-6％甲基三甲氧基硅烷、3.5-5％醋酸-醋酸钠、8-12％水玻璃、0.5-1.5％纳米粉、余量为去离子水。
8.根据权利要求4所述的液压缸活塞的制备方法，其特征在于，所述复合涂层的厚度为15-25μm。
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