CN113070463A - 一种双金属柱塞泵缸体挤压铸造成型方法 - Google Patents

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张国伟
康圆圆
吕伟泽
徐宏
王明杰
宋彬
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Abstract

本发明公开了一种双金属柱塞泵缸体挤压铸造成型方法，涉及双金属挤压成型制备技术领域；首先是预热阶段为钢基体置入挤压模具内，感应线圈将钢基体加热至1130‑1170℃，将1150‑1250℃的液态铜合金注入钢基体内，在室温下静置冷却至750‑900℃，之后是半固态挤压阶段，分为下、上分时分区挤压，下冲头向上进行半固态挤压，以将柱塞泵缸体下端的铜合金配流盘铜层挤压成型；待缸体配流盘处成型后上冲头开始向下挤压缸体上端冒口处，实现缸体柱塞及腰形孔处成型；本发明制备的双金属缸体界面无开裂、结合强度高，铜合金组织致密、组织细小且均匀。

Description

一种双金属柱塞泵缸体挤压铸造成型方法
技术领域
本发明涉及双金属挤压成型制备技术领域，具体为一种双金属柱塞泵缸体挤压铸造成型方法。
背景技术
双金属柱塞泵缸体是液压系统的一个重要装置，在诸多领域有着较为广泛的应用前景。柱塞泵缸体由两部分组成：主体部分材质通常为低碳钢，起到承载压力和抵抗冲抵的作用；工作面为耐磨锡青铜，由圆周均布的柱塞孔壁及底部配流盘构成，具有抗疲劳、减磨、导热性好的特点。双金属界面结合质量的好坏主要取决于界面结合强度，界面微观形貌及铜合金致密性对界面结合强度有着直观影响。
目前关于钢/铜双金属柱塞泵缸体的制造方法有很多，但都存在一定的缺陷：
1、《一种柱塞泵转子成型工艺》（申请号：CN201911055928.9）采用水溶性悬浊液方式制备钢/铜双金属缸体，浇注与预热温度均为1200±30℃，由于缸体属于异性结构，在空冷过程铜合金向下凝固易在界面内侧产生缩松现象。
2、《钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法》（申请号：CN110434315 A）采用熔铸法制备了双金属缸体，钢/铜双金属两种材料热膨胀系数差距较大，缸体在预热区进行分阶段加热过程中，界面处铜合金逐渐融化，但易形成局部含有气孔、夹杂等缺陷，并不能实现整个接触面冶金结合。
3、《高压柱塞泵转子双金属挤压铸挂成形的工艺特点》报道了关于缸体挤压成型的工艺，作者采用固-液方式浇注后采用半固态挤压使双金属界面成型，但未经预热的钢基体极易在界面处产生冷隔现象。铜合金液浇注到钢基体中将产生很大的冷却速度虽然在界面处会形成很细的晶粒，但界面温度较低，无法促进Fe/Cu原子扩散，未经预热的界面即使实现界面处无缺陷也不可能形成高强度界面扩散层。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种采用电磁预热与挤压铸造相结合制备的钢/铜双金属柱塞泵缸体的成型方法，其能够显著提高双金属结合界面的结合强度，提高铜合金致密度。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种双金属柱塞泵缸体挤压铸造成型方法，包括以下步骤：
a）电磁预热阶段：将钢基体置入挤压模具内，通过电磁线圈将钢基体进行预热，预热温度为1130-1170℃，达到预设温度后，将1150-1250℃的液态铜合金注入钢基体内，在室温下静置冷却至750-900℃。
b）分时挤压阶段：待铜合金降温至半凝固温度区间后，挤压模具下冲头向上运动，对缸体底部配流盘处铜层进行挤压成型，待缸体配流盘处成型后模具上冲头开始向下运动，挤压缸体上端冒口处，实现缸体柱塞及腰形孔处成型。
优选的，在所述步骤a之前先将钢基体进行清洗预处理得到钢基体毛胚。
优选的，通过红外测温仪对钢基体内、外表面进行测温，使钢基体内、外表面均达到预设温度。
优选的，下冲头行程为3-5mm，保压2-4min。
优选的，上冲头行程为10-20mm，保压5-7min。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
1、本发明提出了半固态下的双金属下、上分时分区挤压技术，熔化后的铜合金液均匀地注入钢基体内，分时挤压使界面处铜层与钢基体压紧。借助于机械外力的作用，有效提高了缸体内铜合金不同位置致密性，在压力作用下金相组织紧密。此方法解决了双金属组织疏松缺陷，大大提高了合金层与钢基体的结合性能，消除了界面处存在缺陷的弊端，提高了双金属性能均匀性。
2、本发明的这种固-液混合体在被挤压的过程中可有效避免钢与铜复合界面因热膨胀系数不同产生的开裂问题，提高了双金属成品率；界面处钢侧组织变的细小均匀，晶界增多，晶界是Cu原子的主要扩散通道，从而将铜/钢双金属结合强度有效提高。
3、本发明在挤压铸造的基础上添加感应预热装置，既有效解决了钢基体长时间预热过程使界面存在氧化的问题，改善钢基体待结合界面组织过烧现象，又确保待结合界面温度稳定至预设值，Fe/Cu原子可充分发生互扩散行为，提高结合质量。
4、本发明制备的双金属转子界面结合强度高，铅锡青铜合金组织细小且均匀，Fe/Cu原子扩散距离增大。制备的缸体柱塞处铜合金试棒抗拉强度为260-350MPa、钢基体试棒抗拉强度为900-980Mpa、双金属界面剪切强度为230-280Mpa、钢基体硬度为24-30HRC，Fe/Cu原子扩散距离为7-16μm。
附图说明
图1为传统成型方法制备的缸体，图中a为柱塞处，b为配流盘。
图2为采用本实施例1所述方法制备的缸体，图中a为柱塞处，b为配流盘。
图3为缸体底部铜层显微组织致密度对比，图中a为传统成型方法制备、b为本发明实施例1所述方法成型。
图4是实施例1的方法制备的钢/铜双金属界面Fe/Cu原子扩散图。
图5是实施例2的方法制备的钢/铜双金属界面Fe/Cu原子扩散图。
图6是实施例2柱塞孔铜合金拉伸试棒断口SEM图。
图7是实施例2柱塞孔铜合金拉伸试棒断口EDS图。
图8是本发明所涉及的挤压铸造模具装配主视结构示意图，其中，1为上冲头、2为双金属缸体、3为下冲头、4为内六角螺栓、5为下模座、6为凹模、7为感应线圈、8为矩形法兰盘、9为导柱/导套、10为上模座。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
实施例1
一种钢铜双金属柱塞泵转子压铸成型方法，采用如图8所示的挤压铸造模具进行，具体包括以下步骤：
1）钢基体的预处理：将钢基体经过碱、酸超声波清洗（清洗时间10min、溶液浓度10%）得到钢基体毛坯。
2）熔炼：将铅锡青铜合金按成分比例放入熔化炉中进行熔炼。
3）预热：将上述步骤1所得到的钢基体置入挤压模具内，通过电磁线圈产生的涡流将钢基体进行预热，通过红外测温仪对钢基体内、外表面进行测温，预热温度为1150℃，达到预设温度后将1200℃的液态铜合金注入钢基体内，在室温下静置冷却至760℃。
4）挤压：待铜合金降温至半固态后，挤压模具下冲头向上运动，对缸体底部配流盘处铜层进行挤压成型，下冲头行程为3mm，保压2min；待缸体配流盘处成型后模具上冲头开始向下运动，挤压缸体上端冒口处，上冲头行程为10mm，保压5min。
按照上述步骤进行短时预热、半固态压铸成型后，即可得到钢/铜双金属缸体试样，缸体柱塞处铜合金试棒抗拉强度为273MPa、钢基体试棒抗拉强度为928Mpa、双金属界面剪切强度为235Mpa、钢基体硬度为28HRC，Fe/Cu原子扩散距离为7.9μm。
实施例2
一种钢铜双金属柱塞泵转子压铸成型方法，采用如图8所示的挤压铸造模具进行，具体包括以下步骤：
1）钢基体的预处理：将钢基体经过碱、酸超声波清洗（清洗时间10min、溶液浓度10%）得到钢基体毛坯。
2）熔炼：将铅锡青铜合金按成分比例放入熔化炉中进行熔炼。
3）预热：将上述步骤1所得到的钢基体置入挤压模具内，通过电磁线圈产生的涡流将钢基体进行预热，通过红外测温仪对钢基体内、外表面进行测温，预热温度为1170℃，达到预设温度后将1250℃的液态铜合金注入钢基体内，在室温下静置冷却至750℃。
4）挤压：待铜合金降温至半固态后，挤压模具下冲头向上运动，对缸体底部配流盘处铜层进行挤压成型，下冲头行程为5mm，保压3min；待缸体配流盘处成型后模具上冲头开始向下运动，挤压缸体上端冒口处，上冲头行程为15mm，保压6min。
按照上述步骤进行短时预热、半固态压铸成型后，即可得到钢/铜双金属缸体试样，缸体柱塞处铜合金试棒抗拉强度为282MPa、钢基体试棒抗拉强度为935Mpa、双金属界面剪切强度为241Mpa、钢基体硬度为30HRC，Fe/Cu原子扩散距离为8.1μm。
实施例1和2在下压头、上压头依次挤压时，这种固液混合体在被挤压的过程中可有效避免钢与铜复合界面因热膨胀系数不同产生的开裂问题，提高了双金属成品率；界面处钢侧组织变的细小均匀，晶界增多，增多Cu原子扩散通道，从而将铜/钢双金属结合强度有效提高。制备的双金属转子界面结合强度高，铅锡青铜合金组织细小且均匀，Fe/Cu原子扩散距离增大。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (5)

1.一种双金属柱塞泵缸体挤压铸造成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
a）电磁预热阶段：将钢基体置入挤压模具内，通过电磁线圈将钢基体进行预热，预热温度为1130-1170℃，达到预设温度后，将1150-1250℃的液态铜合金注入钢基体内，在室温下静置冷却至750-900℃；
b）分时挤压阶段：待铜合金降温至半凝固温度区间后，挤压模具下冲头向上运动，对缸体底部配流盘处铜层进行挤压成型，待缸体配流盘处成型后模具上冲头开始向下运动，挤压缸体上端冒口处，实现缸体柱塞及腰形孔处成型。
2.根据权利要求1所述的一种双金属柱塞泵缸体挤压铸造成型方法，其特征在于，在所述步骤a之前先将钢基体进行清洗预处理得到钢基体毛胚。
3.根据权利要求1所述的一种双金属柱塞泵缸体挤压铸造成型方法，其特征在于，通过红外测温仪对钢基体内、外表面进行测温，使钢基体内、外表面均达到预设温度。
4.根据权利要求1所述的一种双金属柱塞泵缸体挤压铸造成型方法，其特征在于，下冲头行程为3-5mm，保压2-4min。
5.根据权利要求1所述的一种双金属柱塞泵缸体挤压铸造成型方法，其特征在于，上冲头行程为10-20mm，保压5-7min。
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