CN114749637A - 一种用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于柱塞泵缸体的铜‑钢双金属复合材料的熔铸方法，包括以下步骤：S1、原料处理：对钢基体和铜合金表面进行清洁处理；S2、添砂：在钢基体的熔铜池中添加适量的硼砂，然后再将铜合金放置于硼砂上；S3、高温熔铸：将钢基体和铜合金放入镕铸炉中进行加热；S4、冷却，得到铜‑钢双金属复合材料。本发明采用单温区熔铸，材料体积受限小，且材料出炉冷却，冷却条件易于调控，在钢基体熔铜池中添加适量松装状态的硼砂，不仅操作方便，还净化了钢基体的表面，同时起到了保温、防氧化和助熔铜合金的作用，此外冷却时形成温度梯度，使铜合金能够定向凝固，从而保证了铜合金层的熔铸质量和良好的界面冶金结合。
Description
技术领域
本专利申请涉及双金属复合材料技术领域，特别是涉及一种用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法。
背景技术
柱塞泵是液压装备的核心元件，缸体作为柱塞泵的关键摩擦副零件又是柱塞泵的核心，缸体的性能和质量直接影响柱塞泵的传动效率和使用寿命。目前柱塞泵缸体使用最广泛的材料是铜-钢双金属复合材料，铜合金(尤其是铅青铜)作为摩擦副的工作层具有良好的减摩耐磨及抗疲劳等特性，同时兼具软硬相组织决定其具有良好的抗咬合性、嵌藏性和顺应性等性能。而钢材料作为柱塞泵缸体的基体材料则起到承载和抗冲击作用，两者复合形成的铜-钢双金属复合材料兼具了两种材料的优良性能。
目前国内用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料以浇铸和多温区烧结炉熔铸为主。中国专利CN107537993A和CN106001443B公布了一种柱塞泵缸体的浇铸方法，该方法是将熔炼好的铅青铜合金液浇入到经加热的钢基体中，从而得到双金属缸体毛坯，工艺复杂，且铜合金的使用量较大，造成较多材料浪费。中国专利CN110434315A公布了一种多温区熔铸炉制备铜钢双金属缸体的方法，该方法是将铜合金放置在钢基体上，然后经过预热、加热和冷却三个阶段而得到柱塞泵缸体毛坯，该方法所使用的的设备占地面积较大，且难以生产规格较大的缸体，如盾构机用的柱塞泵缸体，能够熔铸的缸体规格尺寸受到了较大的限制。因此迫切需要寻找一种工艺简单，质量好且能够制备各种规格尺寸，尤其超大规格尺寸的缸体方法。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利申请的目的在于提供一种用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，在高温熔铸前需要在钢基体的熔铜池中添加适量的硼砂，硼砂在缸体制备过程中具有四方面的作用：一、硼砂在高温环境中形成的熔体中含有酸性氧化物能够净化金属表面，促进铜钢的界面结合；二、硼砂的导热率低，具有保温的作用，可以使缸体冷却过程中形成温度梯度，从而使铜合金层具有定向凝固的条件；三、由于硼砂的熔点低于铜合金的熔点，在高温下硼砂先熔化形成熔融态，熔融态的硼砂降低铜合金的表面张力促进了铜合金熔化形成溶液，使铜合金更好地铺展在钢基体的熔铜池中；四、硼砂在高温下形成的熔体，其密度较高温下的铜合金溶液低，硼砂熔体最终会浮于铜合金溶液上方，起到保护铜合金溶液不被氧化的作用。本发明采用单温区进行铜合金的高温熔铸，材料的体积受熔铸炉的影响较小，且熔铸结束后将材料从熔铸炉中取出进行冷却，冷却条件易调控，从而解决上述现有技术的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，包括以下步骤：
S1、原料处理：对钢基体和铜合金进行清洁处理，先使用质量浓度为10％的氢氧化钠溶液清洗，再用质量浓度10％的盐酸溶液进行酸洗，去除金属表面的污染物，确保材料表面清洁干净；
S2、添砂：在钢基体的熔铜池中添加适量的硼砂，然后再将铜合金放置于硼砂上，硼砂为松装状态的无水硼砂、五水硼砂或十水硼砂中的一种；
S3、高温熔铸：将钢基体和铜合金放入镕铸炉中，以纯度≥99.99％的氮气为保护气氛，在炉温达到900℃以上时，以3-5℃/min的速度进行升温，将炉温升至1050-1150℃时，保温40-60min，其目的一方面是使含水的硼砂有足够的时间进行脱水，另一方面是为了减小材料内部和材料表面的温差；
S4、冷却：在保温结束后，将钢基体和融化后的铜合金从熔铸炉中取出进行冷却，所述冷却的方式为气冷、淬火液冷却或水冷中的至少一种，冷却至500℃以下时空冷至室温，得到铜-钢双金属复合材料。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明在钢基体熔铜池中添加适量松装状态的硼砂，不仅操作方便，还净化了钢基体的表面，同时起到了保温、防氧化和助熔铜合金的作用，此外还使缸体冷却时形成温度梯度，使铜合金能够定向凝固，从而保证了铜合金层的熔铸质量和良好的界面冶金结合；
2、在铜钢双金属缸体的熔铸过程中，采用了单温区高温熔铸，材料无需进行多温区的输送移动，材料的体积受熔铸炉的影响较小，且熔铸完成后材料出炉冷却，冷却条件易调控，本发明具有工艺简单，设备占地面积小，效率高、生产成本低等优点；
3、硼砂在高温环境中形成的熔体中含有酸性氧化物能够净化金属表面，促进铜钢的界面结合；
4、硼砂的导热率低，具有保温的作用，可以使缸体冷却过程中形成温度梯度，从而使铜合金层具有定向凝固的条件；
5、由于硼砂的熔点低于铜合金的熔点，在高温下硼砂先熔化形成熔融态，熔融态的硼砂降低铜合金的表面张力促进了铜合金熔化形成溶液，使铜合金更好地铺展在钢基体的熔铜池中；
6、硼砂在高温下形成的熔体，其密度较高温下的铜合金溶液低，硼砂熔体最终会浮于铜合金溶液上方，起到保护铜合金溶液不被氧化的作用。
附图说明
图1为本发明高温熔铸前原料的放置方式示意图；
图2为本发明高温熔铸后各材料的分布状态示意图；
图3为本发明铜钢双金属复合材料的铜合金层金相组织图(×100)；
图4为本发明铜钢双金属复合材料的铜合金层金相组织图(×500)；
图5为本发明铜钢双金属复合材料的铜钢界面金相组织图(×200)。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本专利申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利申请的其他优点与功效。本专利申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：
一种用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，包括以下步骤：
S1、原料处理：对钢基体和铜合金进行清洁处理，先使用质量浓度为10％的氢氧化钠溶液清洗，再用质量浓度10％的盐酸溶液进行酸洗，去除金属表面的污染物，确保材料表面清洁干净；
S2、添砂：在钢基体的熔铜池中添加适量的硼砂，然后再将铜合金放置于硼砂上，放置方式如图1所示，硼砂为松装状态的无水硼砂、五水硼砂或十水硼砂中的一种；
S3、高温熔铸：将钢基体和铜合金放入镕铸炉中，以纯度≥99.99％的氮气为保护气氛，在炉温达到900℃以上时，以3-5℃/min的速度进行升温，将炉温升至1050-1150℃时，保温40-60min，其目的一方面是使含水的硼砂有足够的时间进行脱水，另一方面是为了减小材料内部和材料表面的温差；
S4、冷却：在保温结束后，将钢基体和融化后的铜合金从熔铸炉中取出进行冷却，冷却的方式为气冷、淬火液冷却或水冷中的至少一种，冷却至500℃以下时空冷至室温，得到铜-钢双金属复合材料，冷却后状态如图2所示。
实施例1
用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，包括如下步骤：
(1)原料处理：对钢基体和铜合金表面进行清洁处理，去除金属表面的污染物；
(2)添砂：在钢基体的熔铜池中添加适量的松装状态的无水硼砂，然后再将铜合金放置于硼砂之上；
(3)高温熔铸：将钢基体和铜合金放入熔铸炉中，以纯度≥99.99％的氮气为保护气氛，在炉温达到900℃以上时，以5℃/min的速度进行升温，将炉温升至1050℃时，保温时间为60min；
(4)冷却：将钢基体和熔化后的铜合金从熔铸炉中取出，并进行气冷，冷却至500℃以下时空冷至常温。
实施例2
用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，包括如下步骤：
(1)原料处理：对钢基体和铜合金表面进行清洁处理，去除金属表面的污染物；
(2)添砂：在钢基体的熔铜池中添加适量的松装状态的无水硼砂，然后再将铜合金放置于硼砂之上；
(3)高温熔铸：将钢基体和铜合金放入熔铸炉中，以纯度≥99.99％的氮气为保护气氛，在炉温达到900℃以上时，以5℃/min的速度进行升温，将炉温升至1100℃时，保温时间为50min；
(4)冷却：将钢基体和熔化后的铜合金从熔铸炉中取出，并进行气冷，冷却至500℃以下时空冷至常温。
实施例3
用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，包括如下步骤：
(1)原料处理：对钢基体和铜合金表面进行清洁处理，去除金属表面的污染物；
(2)添砂：在钢基体的熔铜池中添加适量的松装状态的无水硼砂，然后再将铜合金放置于硼砂之上；
(3)高温熔铸：将钢基体和铜合金放入熔铸炉中，以纯度≥99.99％的氮气为保护气氛，在炉温达到900℃以上时，以5℃/min的速度进行升温，将炉温升至1150℃时，保温时间为40min；
(4)冷却：将钢基体和熔化后的铜合金从熔铸炉中取出，并进行气冷，冷却至500℃以下时空冷至常温。
实施例4
用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，包括如下步骤：
(1)原料处理：对钢基体和铜合金表面进行清洁处理，去除金属表面的污染物；
(2)添砂：在钢基体的熔铜池中添加适量的松装状态的五水硼砂，然后再将铜合金放置于硼砂之上；
(3)高温熔铸：将钢基体和铜合金放入熔铸炉中，以纯度≥99.99％的氮气为保护气氛，在炉温达到900℃以上时，以4℃/min的速度进行升温，将炉温升至1050℃时，保温时间为60min；
(4)冷却：将钢基体和熔化后的铜合金从熔铸炉中取出，并进行水冷，冷却至500℃以下时空冷至常温。
实施例5
用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，包括如下步骤：
(1)原料处理：对钢基体和铜合金表面进行清洁处理，去除金属表面的污染物；
(2)添砂：在钢基体的熔铜池中添加适量的松装状态的五水硼砂，然后再将铜合金放置于硼砂之上；
(3)高温熔铸：将钢基体和铜合金放入熔铸炉中，以纯度≥99.99％的氮气为保护气氛，在炉温达到900℃以上时，以4℃/min的速度进行升温，将炉温升至1100℃时，保温时间为50min；
(4)冷却：将钢基体和熔化后的铜合金从熔铸炉中取出，并进行水冷，冷却至500℃以下时空冷至常温。
实施例6
用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，包括如下步骤：
(1)原料处理：对钢基体和铜合金表面进行清洁处理，去除金属表面的污染物；
(2)添砂：在钢基体的熔铜池中添加适量的松装状态的五水硼砂，然后再将铜合金放置于硼砂之上；
(3)高温熔铸：将钢基体和铜合金放入熔铸炉中，以纯度≥99.99％的氮气为保护气氛，在炉温达到900℃以上时，以4℃/min的速度进行升温，将炉温升至1150℃时，保温时间为40min；
(4)冷却：将钢基体和熔化后的铜合金从熔铸炉中取出，并进行水冷，冷却至500℃以下时空冷至常温。
实施例7
用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，包括如下步骤：
(1)原料处理：对钢基体和铜合金表面进行清洁处理，去除金属表面的污染物；
(2)添砂：在钢基体的熔铜池中添加适量的松装状态的十水硼砂，然后再将铜合金放置于硼砂之上；
(3)高温熔铸：将钢基体和铜合金放入熔铸炉中，以纯度≥99.99％的氮气为保护气氛，在炉温达到900℃以上时，以3℃/min的速度进行升温，将炉温升至1050℃时，保温时间为60min；
(4)冷却：将钢基体和熔化后的铜合金从熔铸炉中取出，并采用淬火液进行冷却，冷却至500℃以下时空冷至常温。
实施例8
用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，包括如下步骤：
(1)原料处理：对钢基体和铜合金表面进行清洁处理，去除金属表面的污染物；
(2)添砂：在钢基体的熔铜池中添加适量的松装状态的十水硼砂，然后再将铜合金放置于硼砂之上；
(3)高温熔铸：将钢基体和铜合金放入熔铸炉中，以纯度≥99.99％的氮气为保护气氛，在炉温达到900℃以上时，以3℃/min的速度进行升温，将炉温升至1100℃时，保温时间为50min；
(4)冷却：将钢基体和熔化后的铜合金从熔铸炉中取出，并采用淬火液进行冷却，冷却至500℃以下时空冷至常温。
实施例9
用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，包括如下步骤：
(1)原料处理：对钢基体和铜合金表面进行清洁处理，去除金属表面的污染物；
(2)添砂：在钢基体的熔铜池中添加适量的松装状态的十水硼砂，然后再将铜合金放置于硼砂之上；
(3)高温熔铸：将钢基体和铜合金放入熔铸炉中，以纯度≥99.99％的氮气为保护气氛，在炉温达到900℃以上时，以3℃/min的速度进行升温，将炉温升至1150℃时，保温时间为40min；
(4)冷却：将钢基体和熔化后的铜合金从熔铸炉中取出，并采用淬火液进行冷却，冷却至500℃以下时空冷至常温。
按照《YS/T 485-2005烧结双金属材料剪切强度的测定方法》对铜钢双金属复合材料的剪切强度进行检测，各实施例中铜钢双金属复合材料的剪切强度如表1所示。
表1铜钢双金属复合材料的剪切强度
如表1所示，实施例1-9的铜钢双金属复合材料的剪切强度不低于177MPa，具有较好的剪切强度。
另外，依据《YS/T 449-2002铜及铜合金铸造和加工制品显微组织检验方法》标准，得到如图3和图4的铜合金层金相组织图，图5的钢铜界面金相组织图，从图3和图4中可以看出铜合金层无缩松缩孔、气孔等铸造缺陷，铅分布较为均匀，呈点状、球状分布，从图5可以看出，铜钢界面呈现良好的冶金结合，且有明显互扩撒现象。
上述实施例仅例示性说明本专利申请的原理及其功效，而非用于限制本专利申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本专利申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本专利申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本专利申请的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、原料处理：对钢基体和铜合金表面进行清洁处理，去除金属表面的污染物；
S2、添砂：在钢基体的熔铜池中添加适量的硼砂，然后再将铜合金放置于硼砂上；
S3、高温熔铸：将钢基体和铜合金放入镕铸炉中进行加热；
S4、冷却，得到铜-钢双金属复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，其特征在于：所述步骤S1中原料处理包括先使用质量浓度为10％的氢氧化钠溶液清洗，再用质量浓度10％的盐酸溶液进行酸洗，确保材料表面清洁干净。
3.根据权利要求1所述的一种用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，其特征在于：所述步骤S2中的硼砂为松装状态的无水硼砂、五水硼砂或十水硼砂中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，其特征在于：所述步骤S3在加热过程中以氮气为保护气氛。
5.根据权利要求4所述的一种用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，其特征在于：所述氮气的纯度≥99.99％。
6.根据权利要求5所述的一种用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，其特征在于：所述步骤S3中熔炉加热时，在炉温达到900℃以上时，以3-5℃/min的速度进行升温，将炉温升至1050-1150℃时，保温40-60min。
7.根据权利要求6所述的一种用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，其特征在于：所述步骤S4中，在保温结束后，将钢基体和融化后的铜合金从熔铸炉中取出进行冷却。
8.根据权利要求1所述的一种用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，其特征在于：所述冷却的方式为气冷、淬火液冷却或水冷中的至少一种，冷却至500℃以下时空冷至室温。
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