CN112548093A - 一种铜基粉末冶金柱塞泵配油盘材料及其制备方法 - Google Patents

一种铜基粉末冶金柱塞泵配油盘材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜基粉末冶金柱塞泵配油盘材料及其制备方法，制备方法为：按重量比称取2～4％镍、8.0％～12.0％锡、3～5％铅、0.4～0.65％粘结剂、0.4～0.6％润滑剂、余量为铜粉，混合后得到铜基混合粉；然后依次经过压制成形、烧结、整形、去应力、机械加工制得成品。本发明制得的材料金相组织主要为高温等轴单相组织，晶界处分布有铜锡化合物及单质态铅，铜锡化合物的存在可以增加材料强度、硬度及起到耐磨作用，单质态铅的存在起到减磨作用，满足了很好的使用效果；本发明制得的材料具有更好的摩擦学特性和更好的抗疲劳磨损及抗粘着磨损，且制备方法工序简单，生产效率高、加工成本低。

Description

一种铜基粉末冶金柱塞泵配油盘材料及其制备方法
技术领域
本发明属于工程机械柱塞泵零部件领域，具体涉及一种铜基粉末冶金柱塞泵配油盘材料及其制备方法。
背景技术
柱塞泵是工程机械液压系统中关键的动力元件，其中摩擦副材料是其关键零件，其耐磨性能直接决定了柱塞泵的性能与寿命，柱塞泵配油盘与滑靴构成一对摩擦副，在高低压转换区，柱塞泵配油盘与滑靴相对运动的面受到瞬间冲击力，造成擦伤，从而产生粘着磨损整泵失效，这要求配油盘具有较高的耐磨损性能。为达到此要求，目前采用的工艺为铺粉烧结再进行轧制的工艺，但该工艺制造出的铜合金面的机械强度无法达到要求，由于材料表面的硬度不足，在瞬间受到的冲击载荷下，铜合金面迅速咬合擦伤，从而不能满足柱塞泵的使用要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种铜基粉末冶金柱塞泵配油盘材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)配料：按重量比称取2～4％镍、8.0％～12.0％锡、3～5％铅、0.4～0.65％粘结剂、0.4～0.6％润滑剂、余量为铜粉，混合均匀后得到铜基混合粉，所述铜基混合粉中不可避免的杂质含量≤0.1％；优选的，所述粘结剂为石蜡，其能够将镍粉粘接在铜粉颗粒的外表面，起到解决偏析的作用。
(2)压制成形：将铜基混合粉转移至模具内进行压制，压制成形得到铜基体压坯；
(3)烧结：在铜基体压坯的顶部放置渗铜钢基体，然后将其转移至烧结炉中进行烧结，得到铜合金烧结坯；
(4)整形：对铜合金烧结坯进行整形得到整形铜合金坯；
(5)去应力：对整形铜合金坯进行去应力处理，消除后期加工因应力引起的尺寸变动，得到去应力铜合金坯；
(6)机械加工：去应力铜合金坯依次经过两端面加工、铣加工和研磨抛光加工后制得成品，即铜基粉末冶金柱塞泵配油盘材料。
作为优选的技术方案，步骤(1)中，所述镍为羰基镍粉，所述铜粉为雾化铜粉。
作为优选的技术方案，步骤(1)中，所述润滑剂为硬脂酸锌或微蜡粉。
作为优选的技术方案，步骤(2)中，所述压制的压力为450～600MPa/cm2。
作为优选的技术方案，步骤(2)中，所述铜基体压坯的密度为7.6～8.0g/cm3。
作为优选的技术方案，步骤(3)中，所述烧结的温度为860℃～920℃，时间为40～60分钟；烧结气氛为氢气和氮气的混合气体，混合体积比为15:85，其中氢气为还原性气体，氮气作为保护气氛。
作为优选的技术方案，步骤(4)中，采用硬质合金模具对铜合金烧结坯进行整形，整形的压力为600～700MPa/cm2。
作为优选的技术方案，步骤(5)中，所述去应力处理是在网带炉内进行的；去应力的温度为400～500℃，时间为2～3小时。
作为优选的技术方案，步骤(6)中，所述两端面加工的加工余量为0.2～0.35mm，所述研磨抛光加工的研磨余量为0.02mm。
本发明的另一个目的是提供一种通过上述方法制得的铜基粉末冶金柱塞泵配油盘材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明通过调整合金元素含量、改变生产工艺方法，通过镍元素的添加，镍能固溶于α固溶体中，从而使合金强化提高了硬度，材料金相组织主要为高温等轴单相组织，晶界处分布有铜锡化合物及单质态铅，铜锡化合物的存在可以增加材料强度、硬度及起到耐磨作用，单质态铅的存在起到减磨作用，满足了很好的使用效果。经过力学性能、摩擦磨损性能对比测试，本发明制得的材料具有更好的摩擦学特性和更好的抗疲劳磨损及抗粘着磨损。
(2)本发明制得的铜基粉末冶金柱塞泵配油盘材料性能优异，其硬度为94～120HB，经HDM-10端面摩擦磨损试验机进行试验，在2000N的载荷，转速2000r/min，滴油润滑条件下运行100小时后磨损量数为0.006～0.011mm，摩擦磨损性能良好，制成的配油盘产品装在客户MH5V型柱塞泵上进行台架跑合寿命均大于300小时，而使用传统的双金属轧制工艺生产制作的配油盘零件，在开始的试验三十多分钟里就产生了粘着磨损，表面擦伤沟槽深度超过0.10mm，整泵失效。
(3)本申请采用了混料、压制成形、烧结、整形、去应力、机加工等工序制作，提高了材料利用率，工序简单，生产效率提高，加工成本降低。具体而言，如机加工过程，配油盘中的多个腰孔需要进行切削加工，每个孔都需要加工，加工工序长，而本发明所描述的工序直接由模具成形腰行孔，提高了材料利用率，提高了生产效率。
(4)现有技术中，配油盘采用CuSn10Pb10为原料，采取的工艺为铺粉烧结后再经多次轧制烧结工艺制作而成，其铜合金硬度为HB70～88，本申请所生产的产品采用铜基粉末冶金工艺，其铜合金硬度可以达到HB94-120，基体硬度较板材轧制工艺的铜合金层具有显著提高。
附图说明
图1是实施例1制得的材料中铜合金层金相组织(200X)图；
图2是对比例2制得的材料中铜合金层金相组织(200X)图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
(1)混料：按重量比称取3％镍、10％锡、4％铅、0.55％石蜡、0.5％硬脂酸锌、余量为铜粉混合均匀后得到铜基混合粉；
(2)压制成形：将铜基混合粉送入压机料斗中并通过输料靴送入模具的型腔内进行压制，以550MPa/cm2的压力压制成形，得到铜基体压坯，其压坯密度为7.82g/cm3；
(3)烧结：将镀铜钢板置于铜基体压坯上方，整体放入烧结炉中烧结，烧结的烧结温度为890℃，烧结时间为60分钟，采用15％氢气作为还原性气体和85％氮气作为保护气氛，得到铜合金烧结坯；
(4)整形：将铜合金烧结坯放入硬质合金模具中，使用650MPa/cm2整形压力进行精整得到整形铜合金坯；
(5)去应力：将整形铜合金坯放在网带炉中，在450℃温度中保温处理2.5小时，得到去应力铜合金坯；
(6)机械加工：去应力铜合金坯依次经过两端面加工、铣加工和研磨抛光加工后制得成品，即铜基粉末冶金柱塞泵配油盘材料。
图1是为实施例1制得的材料中铜合金层金相组织(200X)图，可看出其金相组织主要为高温等轴单相组织，晶界处分布有铜锡化合物及单质态铅，铜锡化合物的存在可以增加材料强度、硬度及起到耐磨作用，单质态铅的存在起到减磨作用，满足了很好的使用效果。
实施例2
(1)混料：按重量比称取2％镍、8％锡、3％铅、0.4％石蜡、0.4％硬脂酸锌、余量为铜粉混合均匀后得到铜基混合粉；
(2)压制成形：将铜基混合粉送入压机料斗中并通过输料靴送入模具的型腔内进行压制，以500MPa/cm2的压力压制成形，得到铜基体压坯，其压坯密度为7.74g/cm3；
(3)烧结：将镀铜钢板置于铜基体压坯上方，整体放入烧结炉中烧结，烧结的烧结温度为890℃，烧结时间为60分钟，采用15％氢气作为还原性气体和85％氮气作为保护气氛，得到铜合金烧结坯；
(4)整形：将铜合金烧结坯放入硬质合金模具中，使用600MPa/cm2整形压力进行精整得到整形铜合金坯；
(5)去应力：将整形铜合金坯放在网带炉中，在400℃温度中保温处理2.5小时，得到去应力铜合金坯；
(6)机械加工：去应力铜合金坯依次经过两端面加工、铣加工和研磨抛光加工后制得成品，即铜基粉末冶金柱塞泵配油盘材料。
实施例3
(1)混料：按重量比称取4％镍、12％锡、5％铅、0.6％石蜡、0.65％硬脂酸锌、余量为铜粉混合均匀后得到铜基混合粉；
(2)压制成形：将铜基混合粉送入压机料斗中并通过输料靴送入模具的型腔内进行压制，以600MPa/cm2的压力压制成形，得到铜基体压坯，其压坯密度为8.0g/cm3；
(3)烧结：将镀铜钢板置于铜基体压坯上方，整体放入烧结炉中烧结，烧结的烧结温度为920℃，烧结时间为40分钟，采用15％氢气作为还原性气体和85％氮气作为保护气氛，得到铜合金烧结坯；
(4)整形：将铜合金烧结坯放入硬质合金模具中，使用700MPa/cm2整形压力进行精整得到整形铜合金坯；
(5)去应力：将整形铜合金坯放在网带炉中，在500℃温度中保温处理2小时，得到去应力铜合金坯；
(6)机械加工：去应力铜合金坯依次经过两端面加工、铣加工和研磨抛光加工后制得成品，即铜基粉末冶金柱塞泵配油盘材料。
对比例1
与实施例1不同的是，对比例1采用现有金属板材轧制工艺法制备，步骤如下：
(1)混料：混料：按重量比称取3％镍、10％锡、4％铅、0.55％石蜡、0.5％硬脂酸锌、余量为铜粉混合均匀后得到铜基混合粉；
(2)铺粉：在铺粉机上调好铺粉厚度，将混合粉均匀铺在镀铜钢板上；
(3)烧结：铺好后的板材放入网带炉中，采用15％氢气作为还原性气体和85％氮气作为保护气氛，在烧结炉中进行烧结，烧结温度860℃，烧结时间为60分钟，形成烧结板材；
(4)一次轧制：对烧结板材通过轧机进行轧制，轧制厚度量为0.7mm；
(5)一次校平：将轧制后的板材放在校平机上进行校正平整；
(6)复烧：将校正后的板材在放入网带炉中，采用15％氢气作为还原性气体和85％氮气作为保护气氛，在烧结炉中进行烧结，烧结温度890℃，烧结时间为60分钟，形成复烧板材；
(7)复扎：将复烧后的板材再次放入轧机中进行轧制，轧制厚度量为0.3mm；
(8)校平：将复扎后的板材放在校平机上进行校正平整；
(9)冲压：将获得的双金属板材，放入配油盘毛坯模具中进行落料，获得初始毛坯；
(10)机加工：对落料配油盘经两端面车、铣及研磨抛光加工后制得成品。
对比例2
与实施例1不同的是，对比例2采用Cu、Sn、Pb为原料，制作工艺与实施例1相同，步骤如下：
(1)混料：按重量比称取10％锡、10％铅、余量为铜粉混合均匀后得到铜基混合粉；
(2)压制成形：将铜基混合粉送入压机料斗中并通过输料靴送入模具的型腔内进行压制，以550MPa/cm2的压力压制成形，得到铜基体压坯，其压坯密度为7.82g/cm3；
(3)烧结：将镀铜钢板置于铜基体压坯上方，整体放入烧结炉中烧结，烧结的烧结温度为890℃，烧结时间为60分钟，采用15％氢气作为还原性气体和85％氮气作为保护气氛，得到铜合金烧结坯；
(4)整形：将铜合金烧结坯放入硬质合金模具中，使用650MPa/cm2整形压力进行精整得到整形铜合金坯；
(5)去应力：将整形铜合金坯放在网带炉中，在450℃温度中保温处理2.5小时，得到去应力铜合金坯；
(6)机械加工：去应力铜合金坯依次经过两端面加工、铣加工和研磨抛光加工后制得成品，即铜基粉末冶金柱塞泵配油盘材料，其铜合金层金相组织(200X)图如图2所示。
对上述实施例1、对比例1、对比例2制得的产品进行硬度和装机寿命试验对比，硬度按照GB/T231.1-2002金属布氏硬度试验标准进行检测，具体结果如表1：
表1产品性能检测结果
性能 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2
硬度HB 104-110 95-101 108-116 74-82 88-94
装机试验h 315 308 335 0.5 32
从表1可知，实施例1、实施例2和实施例3方法制备的配油盘产品的性能优于对比例1和对比例2，与现有技术相比，采用本发明方法制得的产品具有较好的市场竞争力。
对实施例1、实施例2、实施例3、对比例1、对比例2制得的产品经HDM-10端面摩擦磨损试验机进行试验，在2000N的载荷，转速2000r/min，滴油润滑条件下运行100小时后磨损量数为0.006～0.013mm，而对比例1、在相同实验条件下仅运行0.5小时，对比例2运行时间为32小时，表面产生粘着磨损，摩擦系数上升而产生报警试验停止，具体结果如表2。
表2产品摩擦磨损量性能检测结果
Figure BDA0002817311280000061
Figure BDA0002817311280000071
从表2可知，在同等试验条件下，按本申请所制备的实施例1、实施例2、实施例3与对比例1和对比例2相比具有较低的磨损量，耐磨性佳，与现有技术相比，采用本发明方法制得的产品具有较好的市场竞争力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种铜基粉末冶金柱塞泵配油盘材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)配料：按重量比称取2～4％镍、8.0％～12.0％锡、3～5％铅、0.4～0.65％粘结剂、0.4～0.6％润滑剂、余量为铜粉，混合均匀后得到铜基混合粉；
(2)压制成形：将铜基混合粉转移至模具内进行压制，压制成形得到铜基体压坯；
(3)烧结：在铜基体压坯的顶部放置渗铜钢基体，然后将其转移至烧结炉中进行烧结，得到铜合金烧结坯；
(4)整形：对铜合金烧结坯进行整形得到整形铜合金坯；
(5)去应力：对整形铜合金坯进行去应力处理，得到去应力铜合金坯；
(6)机械加工：去应力铜合金坯依次经过两端面加工、铣加工和研磨抛光加工后制得成品，即铜基粉末冶金柱塞泵配油盘材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述镍为羰基镍粉，所述铜粉为雾化铜粉。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述润滑剂为硬脂酸锌或微蜡粉；所述粘结剂为石蜡。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述压制的压力为450～600MPa/cm2。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述铜基体压坯的密度为7.6～8.0g/cm3。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，所述烧结的温度为860℃～920℃，时间为40～60分钟；烧结气氛为氢气和氮气的混合气体。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，采用硬质合金模具对铜合金烧结坯进行整形，整形的压力为600～700MPa/cm2。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(5)中，所述去应力处理是在网带炉内进行的；去应力的温度为400～500℃，时间为2～3小时。
9.如权利要求1-8任一项所述的制备方法制得的铜基粉末冶金柱塞泵配油盘材料。
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