CN114042918A - 一种铜钢双金属构件的制备工艺、制备工装及缸体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及缸体加工工艺技术领域，具体公开了一种铜钢双金属构件的制备工艺、制备工装及缸体，制备工艺包括：制作钢基体；将钢基体固定于喷射共沉积工作腔内；将共沉积工作腔充满保护气体；将钢基体预热至设定温度，设定温度低于钢材质的固相线温度；将含铜金属熔体沉积于钢基体的表面，既获得细小均匀等轴晶的含铜金属，又使铜钢界面初步复合，得到初步复合毛坯；初步复合毛坯转移至热压扩散工作腔内；将热压扩散工作腔充满保护气体；将初步复合毛坯预热至设定温度并保温，同时对其铜层进行加压，能够压实含铜金属的内部孔隙，提高致密度，同时促进铜钢界面原子扩散提高界面结合强度，以获得组织性能优异的铜钢双金属缸体。
Description
技术领域
本发明涉及缸体加工工艺技术领域，尤其涉及一种铜钢双金属构件的制备工艺、制备工装及缸体。
背景技术
铜具有优异的延展性、减摩性、导电和导热性能，钢与铜(或铜合金)的复合构建因在性能上优势互补而具有良好的应用前景。在现有的工程机械的液压零部件中，有许多高端产品涉及到钢与铜的复合材料，如常见的液压柱塞泵缸体，为了解决使用过程中缸体与柱塞、配油盘等零件的摩擦副匹配问题，其缸体就是铜钢双金属复合的构件。
铜钢双金属的复合不是简单的机械贴合，而是钢与铜两种材料之间的冶金结合，即在两种材料的界面上发生原子之间的相互渗透和冶金反应，因而对复合工艺有很高的技术要求。目前，铜钢双金属复合缸体的制备方法以熔铸法为主，该方法中，在加热阶段作为基体层的钢体温度会超过固相线温度，而接下来的冷却阶段铜合金熔体凝固速度偏低，从而导致铜合金晶粒粗大、钢体混晶和铜钢界面结合强度低等组织性能问题，严重影响铜钢双金属复合缸体的整体性能。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种铜钢双金属构件的制备工艺、制备工装及缸体，以解决相关技术中的铜钢双金属通过熔铸加工，容易存在铜合金晶粒粗大、钢体混晶和铜钢界面结合强度低等组织性能问题。
一方面，本发明提供一种铜钢双金属构件的制备工艺，该铜钢双金属构件的制备工艺包括：
制作钢基体；
将所述钢基体固定于喷射共沉积工作腔内；
将所述共沉积工作腔充满保护气体；
将所述钢基体预热至设定温度，所述设定温度低于钢材质的固相线温度；
将含铜金属熔体沉积于所述钢基体的表面，并得到初步复合毛坯；
将所述初步复合毛坯转移至热压扩散工作腔内；
将所述热压扩散工作腔充满保护气体；
将所述初步复合毛坯预热至所述设定温度并保温，同时对所述初步复合毛坯的铜层进行加压，得到铜钢双金属构件。
作为铜钢双金属构件的制备工艺的优选技术方案，所述喷射共沉积工作腔内设有沉积基体，所述钢基体固定于所述喷射共沉积工作腔内的所述沉积基体；
将所述含铜金属熔体沉积于所述钢基体的表面时，所述沉积基体带动所述钢基体旋转，且同时沿竖直方向往复升降。
作为铜钢双金属构件的制备工艺的优选技术方案，所述沉积基体的旋转速度范围为50rpm～300rpm，所述沉积基体沿竖直方向往复升降的速度为0.5mm/s～50mm/s。
作为铜钢双金属构件的制备工艺的优选技术方案，对所述初步复合毛坯的铜层进行加压包括：
通过压杆沿竖直向下的方向对所述初步复合毛坯的铜层施加设定压力。
作为铜钢双金属构件的制备工艺的优选技术方案，所述钢基体的材质为45钢；和/或，
所述含铜金属的材质为纯铜、黄铜和青铜中的任一种。
另一方面，本发明还提供一种铜钢双金属构件的制备工装，用于实施任一上述方案中所述的铜钢双金属构件的制备工艺，所述铜钢双金属构件的制备工装包括喷射共沉积装置、热压扩散装置、抽真空装置和供气系统；
所述喷射共沉积装置包括：
喷射共沉积工作腔，用于安装钢基体；
坩埚，用于盛放含铜金属熔体，所述坩埚设有用于向所述喷射共沉积工作腔输送含铜金属熔体的输出口；
塞杆，滑动插接于所述坩埚的输出口，且能够调节所述输出口的开度；
雾化器，用于将所述坩埚的输出口输出的液态金属雾化；
第一加热装置，用于对所述喷射共沉积工作腔的内部加热；
所述热压扩散装置包括：
热压扩散工作腔，其内部设有工作台；
加压装置，用于对所述热压扩散工作腔内的初步复合毛坯的铜层进行加压；
第二加热装置，用于对所述热压扩散工作腔的内部加热；
所述抽真空装置用于对所述喷射共沉积工作腔和所述热压扩散工作腔抽真空；所述供气系统用于向所述喷射共沉积工作腔和所述热压扩散工作腔充入保护气体。
作为铜钢双金属构件的制备工装的优选技术方案，所述喷射共沉积工作腔内设置有沉积基体，所述沉积基体能在驱动机构的驱动下而旋转，且能够沿竖直方向往复升降。
作为铜钢双金属构件的制备工装的优选技术方案，所述输出口的侧壁为圆锥面，所述塞杆具有圆锥外表面，所述圆锥面能够与所述圆锥外表面贴合。
作为铜钢双金属构件的制备工装的优选技术方案，所述喷射共沉积装置还包括导液管，所述喷射共沉积工作腔具有顶部开口和排风口，所述坩埚位于所述喷射共沉积工作腔的上方，所述导液管连通所述顶部开口，所述雾化器用于喷射高压气体以将由所述导液管流出的液态金属雾化。
再一方面，本发明提供一种缸体，所述缸体包括铜材质和钢材质，所述缸体采用任一上述方案中所述铜钢双金属构件的制备工艺加工而成。
本发明的有益效果为：
本发明提供一种铜钢双金属构件的制备工艺、制备工装及缸体，该铜钢双金属构件的制备工艺包括：制作钢基体；将钢基体固定于喷射共沉积工作腔内；将共沉积工作腔充满保护气体；将钢基体预热至设定温度，设定温度低于钢材质的固相线温度；将含铜金属熔体沉积于钢基体的表面，既获得细小均匀等轴晶的含铜金属，又使铜钢界面初步复合，得到初步复合毛坯；初步复合毛坯转移至热压扩散工作腔内；将热压扩散工作腔充满保护气体；将初步复合毛坯预热至设定温度并保温，并且同时对初步复合毛坯的铜层进行加压，通过对复合毛坯加热、加压，能够压实含铜金属的内部孔隙，提高致密度，同时促进铜钢界面原子扩散提高界面结合强度，以获得组织性能优异的铜钢双金属缸体。
附图说明
图1为本发明实施例中铜钢双金属构件的制备工艺的流程图；
图2为本发明实施例中铜钢双金属构件的制备工装的部分结构示意图一；
图3为本发明实施例中铜钢双金属构件的制备工装的部分结构示意图二。
图中：
1、喷射共沉积工作腔；11、顶部开口；12、排风口；
2、坩埚；3、塞杆；4、导液管；5、雾化器；6、沉积基体；7、热压扩散工作腔；8、加压装置；9、工作台；
100、钢基体；200、含铜金属熔体；300、初步复合毛坯；301、铜层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置，而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
目前，铜钢双金属复合缸体的制备方法以熔铸法为主，该方法中，在加热阶段作为基体层的钢体温度会超过固相线温度，而接下来的冷却阶段铜合金熔体凝固速度偏低，从而导致铜合金晶粒粗大、钢体混晶和铜钢界面结合强度低等组织性能问题，严重影响铜钢双金属复合缸体的整体性能。
对此，本发明提供一种铜钢双金属构件的制备工艺，通过该铜钢双金属构件的制备工艺制作的铜钢双金属复合缸体能够可有效解决上述问题。
具体地，如图1所示，该铜钢双金属构件的制备工艺包括以下步骤。
S1：制作钢基体。
其中，在制作钢基体时可根据缸体的实际模型加工出所需要的形状。钢基体的材质包括但不限于45钢。
S2：将钢基体固定于喷射共沉积工作腔内。
具体地，本实施例中，喷射共沉积工作腔内设有沉积基体，钢基体固定于喷射共沉积工作腔内的沉积基体。
S3：将共沉积工作腔充满保护气体。
可先将共沉积工作腔内的气体通过抽真空设备抽出，然后填充保护气体。保护气体包括但不限于氮气、氩气或氦气。
S4：将钢基体预热至设定温度，设定温度低于钢材质的固相线温度。
由于钢基体处于保护气体的环境中，因此，在将钢基体预热到设定温度时，可防止其氧化。并且由于设定温度低于钢材质的固相线温度，可有效避免钢基体内部产生混晶缺陷。
S5：将含铜金属熔体沉积于钢基体的表面，并得到初步复合毛坯。
其中，可通过喷射共沉积工艺将含铜金属熔体沉积于钢基体的表面，既获得细小均匀等轴晶的含铜金属，又使铜钢界面初步复合，含铜金属的材质包括但不限于纯铜、黄铜或青铜。
本实施例中，喷射共沉积工作腔具有顶部开口和排风口；喷射共沉积工作腔的上方设置有坩埚，坩埚用于将含铜金属熔融，坩埚的底部设有输出口，输出口和顶部开口通过导液管连通，坩埚的输出口滑动插接有塞杆，塞杆可相对坩埚沿竖直方向滑动，以调节输出口的开度，当输出口打开时，含铜金属熔体在自身重力下可通过导液管流向喷射共沉积工作腔。导液管外套设有雾化器，雾化器向输出口处提供高压气体，可将含铜金属熔体雾化，以落在下方的钢基体的表面。其中，雾化器具有控制高压气体释放或关闭的阀门。
具体地，在喷射共沉积作业时，可先将塞杆保持在最下方，即将塞杆保持在初始位置，此时塞杆堵塞输出口，导液管处于被封闭状态，向坩埚内注入适量含铜金属熔体。然后，开启雾化器的压缩气体阀门，雾化器开始工作。然后，向上提升塞杆，含铜金属熔体进入导液管并在重力作用下进入共沉积工作腔，在雾化器的高压气体作用下，含铜金属熔体被雾化成小的液滴并飞行沉积到钢基体的表面，获得初步复合毛坯。
S6：将初步复合毛坯转移至热压扩散工作腔内。
S7：将热压扩散工作腔充满保护气体。
可先通过抽真空设备将热压扩散工作腔内的气体抽出，然后填充保护气体。在保护气体下，可防止预热初步复合毛坯的时候，钢基体内部产生混晶缺陷。
S8：将初步复合毛坯预热至设定温度并保温，并且同时对初步复合毛坯的铜层进行加压，得到铜钢双金属构件。
通过对复合毛坯加热、加压，能够压实含铜金属的内部孔隙，提高致密度，同时促进铜钢界面原子扩散提高界面结合强度，以获得组织性能优异的铜钢双金属缸体。
本实施例提供的铜钢双金属构件的制备工艺，能有效克服铜体晶粒粗大、钢体混晶、铜钢界面结合强度低等问题，能够制备出微观组织细小、致密性高、界面结合强度优异的铜钢双金属复合缸体。理论分析表明，铜钢双金属构件的制备工艺制作出的铜钢双金属复合缸体，与传统的熔铸法制作的铜钢双金属复合缸体相比，铜钢界面结合强度能够提高15％以上，铜钢双金属缸体使用寿命提高12％以上。
其中，本实施例中通过压杆沿竖直向下的方向对初步复合毛坯的铜层施加设定压力。在其他的实施例中，亦可根据需要选择施加压力的方式，以及施加压力的大小。
可选地，将含铜金属熔体沉积于钢基体的表面时，沉积基体带动钢基体旋转，且同时沿竖直方向往复升降。如此能够保证雾化的含铜金属均匀沉积于钢基体的表面。本实施例中，沉积基体的旋转速度范围为50rpm～300rpm，沉积基体沿竖直方向往复升降的速度为0.5mm/s～50mm/s。
如图2和图3所示，本实施例还提供一种铜钢双金属构件的制备工装，该铜钢双金属构件的制备工装用于实施上述铜钢双金属构件的制备工艺。
具体地，铜钢双金属构件的制备工装包括喷射共沉积装置、热压扩散装置、抽真空装置和供气系统。
喷射共沉积装置包括喷射共沉积工作腔1、坩埚2、塞杆3、雾化器5和第一加热装置。其中，喷射共沉积工作腔1，用于安装钢基体100；坩埚2，用于盛放含铜金属熔体200，坩埚2设有用于向喷射共沉积工作腔1输送含铜金属熔体200的输出口；塞杆3，滑动插接于坩埚2的输出口，且能够调节输出口的开度；雾化器5，用于将坩埚2的输出口输出的液态金属雾化；第一加热装置，用于对喷射共沉积工作腔1的内部加热。抽真空装置用于对喷射共沉积工作腔1抽真空。当钢基体100安装在喷射共沉积工作腔1后，可通过抽真空装置抽真空，并通过供气系统将喷射共沉积工作腔1内充满保护气体，通过第一加热装置将喷射共沉积工作腔1内温度预热至设定温度，然后可通过移动塞杆3将输出口打开，以向喷射共沉积工作腔1输出含铜金属熔体200，同时通过雾化器5将液态金属雾化成均晶。
可选地，喷射共沉积装置还包括导液管4，喷射共沉积工作腔1具有顶部开口11和排风口12，坩埚2位于喷射共沉积工作腔1的上方，导液管4连通顶部开口11，雾化器5用于喷射高压气体以将由导液管4流出的液态金属雾化。如此设置，塞杆3将输出口打开后，坩埚2内的含铜金属熔体200在自身重力下就可经导液管4流向喷射共沉积工作腔1，结构简单，易于操作。需要注意的是，本实施例对于坩埚2的位置不做限定，例如，其他的实施例中，亦可将其坩埚2设置于喷射共沉积工作腔1的内部，或者与喷射共沉积工作腔1并排设置，且通过加压机构促使坩埚2内的含铜金属熔体200经导液管4流向喷射共沉积工作腔1。在其他本实施例中，亦可采用其他结构对含铜金属熔体200进行雾化。
可选地，喷射共沉积工作腔1内设置有沉积基体6，沉积基体6位于顶部开口11的下方，沉积基体6能在驱动机构的驱动下而旋转，且能够沿竖直方向往复升降。其中，驱动机构可以包括电机、驱动杆和滑块，其中电机的输出轴连接驱动杆，驱动杆的外周面设置有滑槽，滑块滑动位于滑槽内。滑槽包括旋向相反的第一螺旋槽和第二螺旋槽，其中，第一螺旋槽和第二螺旋槽的中心线均和驱动杆的中心线重合，且沿竖直方向，第一螺旋槽的底端和第二螺旋槽的底端连通，第一螺旋槽的顶端和第二螺旋槽的顶端连通，且第一螺旋槽和第二螺旋槽的连通处平滑过渡，当电机带动驱动杆转动时，驱动杆沿滑槽移动，可实现沉积基体6既可以转动，且同时还可上下往复移动。可以理解的是，本实施例中的驱动机构不限于上述结构形式。
可选地，输出口的侧壁为圆锥面，塞杆3具有圆锥外表面，圆锥面能够与圆锥外表面贴合。如此设置，当塞杆3插入输出口时，能够自动对正并导向，保证封闭效果稳定。其中，本实施例中，圆锥面的母线与水平面的夹角为10°～80°。
可以理解的是，抽真空装置对喷射共沉积工作腔1抽真空时，可先将排风口12关闭，且通过塞杆3将输出口封堵，同时将雾化器5的阀门关闭，如此可将喷射共沉积工作腔1关闭，保持一个密封的环境。在喷射共沉积作业时，雾化器5输送至喷射共沉积工作腔1内的气体同样为保护气体，且将排风口12打开，输送至喷射共沉积工作腔1的气体可通过排风口12排出。
热压扩散装置包括热压扩散工作腔7、加压装置8和第二加热装置。其中，热压扩散工作腔7的内部设有工作台9；工作台9用于固定初步复合毛坯300，加压装置8用于对热压扩散工作腔7内的初步复合毛坯300的铜层301进行加压；第二加热装置用于对热压扩散工作腔7的内部加热。抽真空装置可对热压扩散工作腔7进行抽真空。当初步复合毛坯300固定于工作台9后，然后可通过抽真空装置将热压扩散工作腔7抽真空，且通过供气系统将喷射共沉积工作腔1内充满保护气体，然后通过加压装置8对热压扩散工作腔7内的初步复合毛坯300的铜层301进行加压并保持，并通过第二加热装置将热压扩散工作腔7内的温度预热至设定温度并保温，可将初步复合毛坯300加工成铜钢双金属构件。
本实施例还提供一种缸体，缸体包括铜材质和钢材质，缸体通过上述铜钢双金属构件的制备工艺加工而成。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种铜钢双金属构件的制备工艺，其特征在于，包括：
制作钢基体(100)；
将所述钢基体(100)固定于喷射共沉积工作腔(1)内；
将所述共沉积工作腔充满保护气体；
将所述钢基体(100)预热至设定温度，所述设定温度低于钢材质的固相线温度；
将含铜金属熔体(200)沉积于所述钢基体(100)的表面，并得到初步复合毛坯(300)；
将所述初步复合毛坯(300)转移至热压扩散工作腔(7)内；
将所述热压扩散工作腔(7)充满保护气体；
将所述初步复合毛坯(300)预热至所述设定温度并保温，同时对所述初步复合毛坯(300)的铜层(301)进行加压，得到铜钢双金属构件。
2.根据权利要求1所述的铜钢双金属构件的制备工艺，其特征在于，
所述喷射共沉积工作腔(1)内设有沉积基体(6)，所述钢基体(100)固定于所述喷射共沉积工作腔(1)内的所述沉积基体(6)；
将所述含铜金属熔体(200)沉积于所述钢基体(100)的表面时，所述沉积基体(6)带动所述钢基体(100)旋转，且同时沿竖直方向往复升降。
3.根据权利要求2所述的铜钢双金属构件的制备工艺，其特征在于，所述沉积基体(6)的旋转速度范围为50rpm～300rpm，所述沉积基体(6)沿竖直方向往复升降的速度为0.5mm/s～50mm/s。
4.根据权利要求1所述的铜钢双金属构件的制备工艺，其特征在于，对所述初步复合毛坯(300)的铜层(301)进行加压包括：
通过压杆沿竖直向下的方向对所述初步复合毛坯(300)的铜层(301)施加设定压力。
5.根据权利要求1-4任一项所述的铜钢双金属构件的制备工艺，其特征在于，所述钢基体(100)的材质为45钢；和/或，
所述含铜金属的材质为纯铜、黄铜和青铜中的任一种。
6.一种铜钢双金属构件的制备工装，其特征在于，用于实施权利要求1-5任一项所述的铜钢双金属构件的制备工艺，所述铜钢双金属构件的制备工装包括喷射共沉积装置、热压扩散装置、抽真空装置和供气系统；
所述喷射共沉积装置包括：
喷射共沉积工作腔(1)，用于安装钢基体(100)；
坩埚(2)，用于盛放含铜金属熔体(200)，所述坩埚(2)设有用于向所述喷射共沉积工作腔(1)输送含铜金属熔体(200)的输出口；
塞杆(3)，滑动插接于所述坩埚(2)的输出口，且能够调节所述输出口的开度；
雾化器(5)，用于将所述坩埚(2)的输出口输出的液态金属雾化；
第一加热装置，用于对所述喷射共沉积工作腔(1)的内部加热；
所述热压扩散装置包括：
热压扩散工作腔(7)，其内部设有工作台(9)；
加压装置(8)，用于对所述热压扩散工作腔(7)内的初步复合毛坯(300)的铜层(301)进行加压；
第二加热装置，用于对所述热压扩散工作腔(7)的内部加热；
所述抽真空装置用于对所述喷射共沉积工作腔(1)和所述热压扩散工作腔(7)抽真空，所述供气系统用于向所述喷射共沉积工作腔(1)和所述热压扩散工作腔(7)充入保护气体。
7.根据权利要求6所述的铜钢双金属构件的制备工装，其特征在于，所述喷射共沉积工作腔(1)内设置有沉积基体(6)，所述沉积基体(6)能在驱动机构的驱动下而旋转，且能够沿竖直方向往复升降。
8.根据权利要求6所述的铜钢双金属构件的制备工装，其特征在于，所述输出口的侧壁为圆锥面，所述塞杆(3)具有圆锥外表面，所述圆锥面能够与所述圆锥外表面贴合。
9.根据权利要求6所述的铜钢双金属构件的制备工装，其特征在于，所述喷射共沉积装置还包括导液管(4)，所述喷射共沉积工作腔(1)具有顶部开口(11)和排风口(12)，所述坩埚(2)位于所述喷射共沉积工作腔(1)的上方，所述导液管(4)连通所述顶部开口(11)，所述雾化器(5)用于喷射高压气体以将由所述导液管(4)流出的液态金属雾化。
10.一种缸体，所述缸体包括铜材质和钢材质，其特征在于，所述缸体采用权利要求1-5任一项所述铜钢双金属构件的制备工艺加工而成。
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