CN114907901A - 一种无铅铜合金自润滑材料和泵马达双金属缸体及其制备方法 - Google Patents

一种无铅铜合金自润滑材料和泵马达双金属缸体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种无铅铜合金自润滑材料和泵马达双金属缸体及其制备方法，涉及润滑材料技术领域。本发明提供的无铅铜合金自润滑材料，包括以下质量百分含量的组分：铜粉60～90％，铝粉1～8％，磷化金属盐粉末1～5％，铁源粉末1～5％，钛源粉末1～5％，锡源粉末1～6％，铋粉末1～6％，镍粉末1～5％，二硼化锆粉末0.5～3％。本发明提供的铜合金自润滑材料无铅，安全环保；且将本发明提供的铜合金自润滑材料烧结在泵马达缸体的柱塞孔和配流面表面，能够对泵马达缸体的柱塞孔和配流面同时进行减摩和耐磨改性，使泵马达缸体具有优异的耐磨性和自润滑性能，界面结合力高，无需在柱塞孔内插入涨芯。

Description

一种无铅铜合金自润滑材料和泵马达双金属缸体及其制备 方法
技术领域
本发明涉及润滑材料技术领域，特别涉及一种无铅铜合金自润滑材料和泵马达双金属缸体及其制备方法。
背景技术
液压传递系统在航空航天、重型车辆、工程机械、船舶机械等领域具有广泛应用。大扭矩柱塞泵马达是液压系统中重要的能量转换装置和动力执行装置，可以将压力能转化为机械能并克服负载。与其它结构形式液压马达相比，轴向柱塞马达具有高压高速适应性好、变量结构简单易行、流量调节范围宽，以及结构紧凑、容积效率高等特点，已成为液力机械综合传动装置中执行转向和制动的重要液压单元。
伴随着动力装备技术的进步与发展，重型车辆装备对其机动性能和功率密度提出了更加苛刻的要求，也对液压泵马达的各项服役指标提出了相应要求，尤其要求大幅提升泵马达的使用寿命、机械效率和容积效率等。随着泵马达服役寿命和效能需求的提升，泵马达机械摩擦副，如：柱塞摩擦副、配流摩擦副和斜盘摩擦副等，均会面临着高液压、高速度和高温工况导致的磨损失效、疲劳断裂和材料腐蚀老化等问题。高油压会导致缸体的柱塞孔和配流面承受更大的接触载荷，高速度会导致液压油和摩擦副表面的温度升高，均会增大缸体运动表面的磨损。目前，磨损是造成泵马达机械效率降低，甚至服役失效的重要因素。缸体在高速旋转过程中油液通过狭缝、节流口等处时流速升高，压力能转化为动能，产生局部低压，油液中的溶解气体从油液中分离出来，微小气泡之间会产生聚集，进而膨胀变大，相互融合形成大气泡，使得配流面产生气蚀现象。气蚀的存在不但导致金属的剥落和蜂窝状的坑点，破坏摩擦副表面油膜的完整性，也会使得摩擦副表面由于缺少油膜导致局部处于边界摩擦，甚至干摩擦工况，进一步增加了缸体柱塞孔和配流面的磨损。同时，磨损导致了摩擦副表面的油膜厚度增加，从而降低了密封效果和容积效率，增加了功率损失。
因此，迫切需要对传统缸体的摩擦副表面进行减摩和耐磨改性，从而达到提高缸体摩擦副耐磨性能和延长缸体服役寿命的目的。铜合金材料具有良好的顺应性、潜藏性和抗咬合性，是提高泵马达缸体耐磨寿命和服役性能的主要材料。由于铜合金材料成本较高，通常采用在柱塞孔和端部配流面进行改性的技术方法，提高运动摩擦副耐磨性能的手段主要有：(1)在缸体柱塞孔中镶嵌铜合金套；(2)在缸体配流表面烧结铜合金材料；(3)利用铸造法在缸体柱塞孔和配流面上浇注铜铅合金材料。专利CN204402847U中涉及了一种用于轴向柱塞泵的双金属缸体结构，在柱塞孔内部自本体的顶端位置其嵌设铜衬套，铜衬套的内径小于柱塞孔底部的台阶孔的内径。随着液压泵马达的压力和速度的提升，高温液压油会渗入镶嵌铜合金与缸体孔的机械界面中，造成密封泄露；除此之外，油温的升高和剪切应力的增大会导致镶嵌铜合金脱落造成咬合，导致柱塞泵服役失效。早期美国专利USP3808659提出了一种烧结型双金属柱塞泵缸体的制造方法，利用青铜合金熔体浸渍烧结型铁基合金的方法，将铜铁合金粘结在缸体柱塞孔中。烧结型铁基合金由于烧结过程体积收缩，不能同时实现在缸体柱塞孔和配流面的成型。美国专利USP 4799419涉及了一种多缸液压活塞装置和缸体制造方法，采用在缸体配流盘表面烧结青铜合金层，但是该方法不能在缸体柱塞孔中进行铜合金层的烧结与成型。
目前，能够在缸体柱塞孔和配流面上同时进行耐磨改性的手段，主要采用铸造铜合金浇注成型双金属缸体。美国专利US6180183B1公开了一种铜合金铸造方法用于柱塞泵缸体，首先将铜合金加热到熔融状态，然后将缸体浸入其中，同时促使铜基合金内夹带的气体沿给定方向迁移并终止于缸体端面的铜合金特定部分，从而有效控制孔隙率。专利CN110434315A发明涉及了一种钢铜双金属缸体熔铸的加热、冷却方法，包括钢基体熔铸表面处理、预热、阶段性加热、变速冷却、辅助结晶等步骤，特别是在预热前采用盖帽装置对放置铜铅合金的铜水池处进行保护，使得钢基体远盖帽装置端和近盖帽装置端形成温度梯度状态，提高了结合面剪切强度，解决了双金属结合脱铜的问题和结合面气孔、夹渣、疏松等问题。专利CN107639221A公开了一种双金属缸体的铸造方法，将电磁浇筑与石膏型结合，对保温装置内金属液抽真空处理并在浇注时缓慢施加压力，对铸型区域也进行抽真空处理和加压操作，避免了金属液浇注时出现气孔的现象，提高了铸件质量，保证了金属液充型完整并按照预定的凝固过程凝固。以上技术为了在柱塞孔和配流面同时进行熔铸铜合金，必须在柱塞孔中铸满铜合金，然后再进行孔加工，这样大量浪费了铜合金材料。另外铸造成型法使得凝固过程中铅的晶粒粗大，已发生偏析，影响了组织均匀性，同时也使得耐磨性的下降。
为了提高铜合金的利用率，降低双金属缸体制造成本，出现了烧结法或扩散焊接法成型双金属缸体的制备技术。专利CN1057244C公开了一种钢-铜铅合金双金属缸体的制造方法，在柱塞孔部和配流面上利用铜铅合金粉压制低密度层，然后对孔部进行挤压，对配流面进行复压，从而提高铜铅合金层与钢基体的结合强度，提高减摩性和耐磨性。专利CN111102185A涉及了用于轴向变量柱塞泵的双金属缸体、摩擦副及加工方法，缸体基体采用球墨铸铁材料，缸体配流面融焊铜合金，采用氮碳共渗热处理缸体，在缸体柱塞孔表面形成了耐磨层，提高了平面配流效果及寿命。专利CN102528264B公开了一种液压泵/马达缸体双金属真空扩散焊接的方法，实施步骤为：在每个柱塞孔中压入一个铜合金套，每个铜合金套孔内插入一个柱塞孔涨芯，将球面铜合金板放置在基体上端的半球面上；在柱塞孔涨芯与铜合金套之间放置柱塞孔隔热层，在半球面压头与球面铜合金板之间放置半球面隔热层；控制真空热压炉内的真空度，升温并进行加压烧结，然后进行降温冷却，实现了铜合金与基体碳结钢的原子间相互扩散结合。可是对于异形结构的泵马达缸体，烧结前插入的孔塞孔涨芯，在烧结后无法顺利取出，极大程度上增加了制造成本。
目前，利用烧结法或扩散焊接法制备的双金属缸体，均采用铜铅合金作为减摩耐磨层来提高缸体的耐磨性。但是，铅是一种有毒元素，铅青铜的应用将面临严格限制，国际标准ISO 4383-2000已经颁布了由于环保要求将限制铅类材料使用的规定。因此，泵马达双金属缸体产品的无铅化必将成为未来的发展趋势。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种无铅铜合金自润滑材料和泵马达双金属缸体及其制备方法。本发明提供的铜合金自润滑材料无铅，采用所述铜合金自润滑材料能够对泵马达缸体的柱塞孔和配流面同时进行减摩和耐磨改性，使泵马达缸体具有优异的耐磨性和自润滑性能，界面结合力高，无需在柱塞孔内插入涨芯。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种无铅铜合金自润滑材料，包括以下质量百分含量的组分：铜粉60～90％，铝粉1～8％，磷化金属盐粉末1～5％，铁源粉末1～5％，钛源粉末1～5％，锡源粉末1～6％，铋粉末1～6％，镍粉末1～5％，二硼化锆粉末0.5～3％；
所述磷化金属盐粉末包括磷化铁粉末和/或磷化铜粉末；所述铁源粉末包括还原铁粉和/或磷化铁粉末；所述钛源粉末包括钛粉和/或氢化钛粉；所述锡源粉末包括球形锡粉和/或预合金铜锡合金粉末。
优选地，所述的无铅铜合金自润滑材料包括以下质量百分含量的组分：铜粉65～85％，铝粉3～8％，磷化金属盐粉末1～3％，铁源粉末2～5％，钛源粉末1～3％，锡源粉末4～6％，铋粉末2～5％，镍粉末2～5％，二硼化锆粉末1～3％。
优选地，所述铜粉为电解铜粉，所述电解铜粉的松装密度为2.5～2.7g/cm3，粒径≤75μm，杂质质量含量≤0.5％，粉末流动性≤35s/50g；所述铝粉为球形铝粉，所述球形铝粉的粒径≤20μm；所述磷化金属盐粉末的粒径≤40μm，纯度≥98％；所述铁源粉末的粒径≤50μm，纯度≥99.9％；所述钛源粉末的粒径≤20μm，纯度≥99.9％；所述锡源粉末的粒径≤40μm，纯度≥99％；所述铋粉末的粒径≤20μm，纯度≥99％；所述镍粉末的粒径≤20μm，纯度≥99％；所述二硼化锆粉末为纳米级粉末，粒径≤50nm，纯度≥98％。
本发明提供了一种泵马达双金属缸体，包括泵马达缸体基体、复合在所述泵马达缸体基体的柱塞孔表面的铜合金衬套，以及复合在所述泵马达缸体基体的配流面表面的铜合金层；所述铜合金衬套和铜合金层分别由以上技术方案所述无铅铜合金自润滑材料烧结在柱塞孔和配流面表面而形成。
优选地，所述泵马达缸体基体的材质为45合金钢或40CrMo合金钢；所述柱塞孔表面的铜合金衬套的壁厚为0.8～1.2mm，所述配流面表面的铜合金层的厚度为0.8～1.2mm。
本发明提供了以上技术方案所述泵马达双金属缸体的制备方法，包括以下步骤：
将所述无铅铜合金自润滑材料的各组分混合，得到混合金属粉末；
将所述混合金属粉末置入衬套模具中压制成型，得到铜合金衬套胚件；将所述述铜合金衬套胚件在氢气气氛中进行自由烧结，得到铜合金衬套；
将泵马达缸体胚件进行表面电镀铜，得到预处理缸体胚件；在所述预处理缸体胚件的柱塞孔中镶嵌入所述铜合金衬套，在所述预处理缸体胚件的配流面铺设所述混合金属粉末，得到缸体装配件；
将所述缸体装配件在氢气气氛中进行加压烧结，得到泵马达双金属缸体。
优选地，所述压制成型的压力为200～300MPa，保压时间为2～5min；所述铜合金衬套胚件的壁厚为1.5～2.0mm；所述自由烧结的温度为800～850℃，保温时间为1～2h。
优选地，所述电镀铜的镀铜层厚度为5～10μm。
优选地，所述镶嵌的方法为液氮冷冻镶嵌或常温镶嵌；所述铺设的混合金属粉末厚度为2.5～3.5mm。
优选地，所述加压烧结的烧结程序为：升压至烧结压力；然后在所述烧结压力下，以5±0.5℃/min的升温速率从室温升温至第一温度，在所述第一温度下进行第一保温；再以2±0.1℃/min的升温速率从第一温度升温至第二温度，在所述第二温度下进行第二保温；然后以1±0.1℃/min的降温速率从第二温度降温至第三温度，在所述第三温度下进行第三保温；最后从第三温度随炉冷却至室温；所述烧结压力为25～35MPa；所述第一温度为840～860℃，所述第一保温的保温时间为0.8～1.2h；所述第二温度为950～1050℃，所述第二保温的保温时间为1～2h；所述第三温度为650～750℃，所述第三保温的保温时间为0.5～1h。
本发明提供了一种无铅铜合金自润滑材料，包括以下质量百分含量的组分：铜粉60～90％，铝粉1～8％，磷化金属盐粉末1～5％，铁源粉末1～5％，钛源粉末1～5％，锡源粉末1～6％，铋粉末1～6％，镍粉末1～5％，二硼化锆粉末0.5～3％；所述磷化金属盐粉末包括磷化铁粉末和/或磷化铜粉末；所述铁源粉末包括还原铁粉和/或磷化铁粉末；所述钛源粉末包括钛粉和/或氢化钛粉；所述锡源粉末包括球形锡粉和/或预合金铜锡合金粉末。在本发明中，所述铝粉的加入不仅可以显著提高铜合金的耐磨性和强度，而且可以使铜合金发生体积膨胀，促进铜合金与泵马达缸体柱塞孔的粘结，显著增加铜合金的硬度，提高铜合金的耐磨性；所述磷化金属盐粉末中的磷化铁不仅可提高铜合金在泵马达缸体基体表面的粘结，也可以抑制烧结过程中的空隙，对于提高铜合金的烧结性具有显著作用，所述磷化金属盐粉末中的磷化铜作为铜的还原剂，有助于抑制烧结过程中铜合金的氧化；所述铁源粉末可以弥散分布在合金中提高机械强度；所述钛源粉末参与烧结过程中铜铝金属间化合物的共晶反应，使得铜合金共晶反应烧结体的密度得到提高，可以有效抑制铜铝金属间化合物的回弹，提高烧结过程中铜合金的膨胀均匀性；在烧结过程中，所述锡源粉末在较低温度下发生熔融，流入铜合金的空隙，包覆在铜合金颗粒周围，使得铜锡发生固溶反应，铜锡固溶体可以有效提高铜合金的潜藏性和抗咬合性；所述铋粉末具有较低的熔点，在烧结升温过程中铋的熔融使其在压制铜合金的空隙中发生流动，占据了原有金属锡颗粒的位置，使得铋的分散更加均匀，有效避免金属铋的偏析和表面迁移，提高了组织均匀性，且金属铋具有良好的润滑性，使得铜合金具有良好的柔顺性，起到降低摩擦系数的作用；所述镍粉末在铜中具有良好的固溶能力，在烧结过程中可以发生固溶反应，形成金属间化合物，有利于提高铜合金的抗承载能力；所述二硼化锆粉末可以起到弥散强化的作用，提高铜合金的抗咬合能力，在高接触压力下具有良好的耐磨性。本发明提供的铜合金自润滑材料无铅，安全环保；且将本发明提供的铜合金自润滑材料烧结在泵马达缸体的柱塞孔和配流面表面，能够对泵马达缸体的柱塞孔和配流面同时进行减摩和耐磨改性，使泵马达缸体具有优异的耐磨性和自润滑性能，界面结合力高。
本发明提供了一种泵马达双金属缸体，包括泵马达缸体基体、复合在所述泵马达缸体基体的柱塞孔表面的铜合金衬套，以及复合在所述泵马达缸体基体的配流面表面的铜合金层；所述铜合金衬套和铜合金层分别由以上技术方案所述无铅铜合金自润滑材料烧结在柱塞孔和配流面表面而形成。本发明提供的泵马达双金属缸体铜合金层组织均匀，不易发生偏析，具有优异的耐磨性和自润滑性能，可满足液压压力为45MPa以上的泵马达技术要求，服役寿命长，在高压高速泵马达领域具有广泛应用前景。实施例结果表明，本发明提供的泵马达双金属缸体，其柱塞孔和配流面铜合金层的硬度为HB55～75，柱塞孔的铜钢界面结合强度为50～120MPa，在泵马达最大接触压力下，铜合金材料的摩擦系数为0.03～0.05，体积磨损率≤6.0×10-8mm3/Nm。
本发明还提供了以上技术方案所述泵马达双金属缸体的制备方法，在加压烧结过程中，柱塞孔的铜合金衬套在高温作用下，铜铝发生共晶化反应，使得铜合金衬套发生均匀的体积膨胀，从而使铜合金衬套可以完整地粘接在缸体柱塞孔表面，剪切强度高，不需要在柱塞孔内插入涨芯，制备过程简便，安全可靠。
附图说明
图1为本发明提供的泵马达双金属缸体的右视图；
图2为本发明提供的泵马达双金属缸体的左视图；
图3为本发明提供的泵马达双金属缸体的剖面图；
图4为本发明实施例制备泵马达双金属缸体的流程图；
图5为本发明中铜合金衬套胚件压制示意图；
图6为本发明对所述缸体装配件进行加压烧结的示意图；
图1～图6中，1-柱塞孔表面的铜合金衬套，2-配流面铜合金层，3-泵马达缸体基体，4-阴模，5-阳模，6-下压板，7-上压板，8-保护模具，9-上压板。
具体实施方式
本发明提供了一种无铅铜合金自润滑材料，包括以下质量百分含量的组分：铜粉60～90％，铝粉1～8％，磷化金属盐粉末1～5％，铁源粉末1～5％，钛源粉末1～5％，锡源粉末1～6％，铋粉末1～6％，镍粉末1～5％，二硼化锆粉末0.5～3％；
所述磷化金属盐粉末包括磷化铁粉末和/或磷化铜粉末；所述铁源粉末包括还原铁粉和/或磷化铁粉末；所述钛源粉末包括钛粉和/或氢化钛粉；所述锡源粉末包括球形锡粉和/或预合金铜锡合金粉末。
在本发明中，若无特别说明，所述原材料均为本领域技术人员熟知的市售商品。
以质量百分含量计，本发明提供的无铅铜合金自润滑材料包括铜粉60～90％，优选为65～85％。在本发明中，所述铜粉优选为电解铜粉，所述电解铜粉的松装密度优选为2.5～2.7g/cm3，粒径优选≤75μm，杂质质量含量优选≤0.5％，粉末流动性优选≤35s/50g。
以质量百分含量计，本发明提供的无铅铜合金自润滑材料包括铝粉1～8％，优选为3～8％。在本发明中，所述铝粉优选为球形铝粉，所述球形铝粉的粒径优选≤20μm。在本发明中，所述铝粉的加入不仅可以显著提高铜合金的耐磨性和强度，而且可以使铜合金发生体积膨胀，促进铜合金与泵马达缸体柱塞孔的粘结，显著增加铜合金的硬度，提高铜合金的耐磨性。
以质量百分含量计，本发明提供的无铅铜合金自润滑材料包括磷化金属盐粉末1～5％，优选为1～3％。在本发明中，所述磷化金属盐粉末包括磷化铁(Fe3P)粉末和/或磷化铜(Cu3P2)粉末；所述磷化金属盐粉末的粒径优选≤40μm，纯度优选≥98％。在本发明中，所述磷化铁粉末不仅可提高铜合金在泵马达缸体基体表面的粘结，也可以抑制烧结过程中的空隙，对于提高铜合金的烧结性具有显著作用；所述磷化铜粉末作为铜的还原剂，有助于抑制烧结过程中铜合金的氧化。
以质量百分含量计，本发明提供的无铅铜合金自润滑材料包括铁源粉末1～5％，优选为2～5％。在本发明中，所述铁源粉末包括还原铁粉和/或磷化铁粉末；所述铁源粉末的粒径优选≤50μm，纯度优选≥99.9％。在本发明中，所述铁源粉末可以弥散分布在合金中提高机械强度。
以质量百分含量计，本发明提供的无铅铜合金自润滑材料包括钛源粉末1～5％，优选为1～3％。在本发明中，所述钛源粉末包括钛粉和/或氢化钛粉；所述钛源粉末的粒径≤20μm，纯度≥99.9％。在本发明中，所述钛源粉末参与烧结过程中铜铝金属间化合物的共晶反应，使得铜合金共晶反应烧结体的密度得到提高，可以有效抑制铜铝金属间化合物的回弹，提高烧结过程中铜合金的膨胀均匀性。
以质量百分含量计，本发明提供的无铅铜合金自润滑材料包括锡源粉末1～6％，优选为4～6％。在本发明中，所述锡源粉末包括球形锡粉和/或预合金铜锡合金粉末，所述预合金铜锡合金粉末优选为铜锡10预合金粉；所述锡源粉末的粒径优选≤40μm，纯度优选≥99％。在本发明中，在烧结过程中，所述锡源粉末在较低温度下发生熔融，流入铜合金的空隙，包覆在铜合金颗粒周围，使得铜锡发生固溶反应，铜锡固溶体可以有效提高铜合金的潜藏性和抗咬合性。
以质量百分含量计，本发明提供的无铅铜合金自润滑材料包括铋粉末1～6％，优选为2～5％；所述铋粉末的粒径优选≤20μm，纯度优选≥99％。在本发明中，所述铋粉末具有较低的熔点，在烧结升温过程中铋的熔融使其在压制铜合金的空隙中发生流动，占据了原有金属锡颗粒的位置，使得铋的分散更加均匀，有效避免金属铋的偏析和表面迁移，提高了组织均匀性，且金属铋具有良好的润滑性，使得铜合金具有良好的柔顺性，起到降低摩擦系数的作用。
以质量百分含量计，本发明提供的无铅铜合金自润滑材料包括镍粉末1～5％，优选为2～5％；所述镍粉末的粒径优选≤20μm，纯度优选≥99％。在本发明中，所述镍粉末在铜中具有良好的固溶能力，在烧结过程中可以发生固溶反应，形成金属间化合物，有利于提高铜合金的抗承载能力。
以质量百分含量计，本发明提供的无铅铜合金自润滑材料包括二硼化锆粉末0.5～3％，优选为1～3％；所述二硼化锆粉末优选为纳米级粉末，粒径优选≤50nm，纯度优选≥98％。在本发明中，所述二硼化锆粉末可以起到弥散强化的作用，提高铜合金的抗咬合能力，在高接触压力下具有良好的耐磨性。
本发明提供的铜合金自润滑材料无铅，安全环保；本发明提供的铜合金自润滑材料中包含的铝和钛组分，在柱塞孔中烧结时，会使形成的铜合金衬套产生膨胀，使得铜合金与缸体柱塞孔结合强度提高，无需进行二次挤压即可获得良好的铜合金强度，只需要对配流面的铜合金材料进行压制烧结成型，就可获得具有良好性能的双金属缸体，即将本发明提供的铜合金自润滑材料烧结在泵马达缸体的柱塞孔和配流面表面，能够对泵马达缸体的柱塞孔和配流面同时进行减摩和耐磨改性，使泵马达缸体具有优异的耐磨性和自润滑性能，界面结合力高。
本发明提供了一种泵马达双金属缸体，包括泵马达缸体基体、复合在所述泵马达缸体基体的柱塞孔表面的铜合金衬套，以及复合在所述泵马达缸体基体的配流面表面的铜合金层；所述铜合金衬套和铜合金层分别由以上技术方案所述无铅铜合金自润滑材料烧结在柱塞孔和配流面表面而形成。在本发明中，所述泵马达缸体基体的材质优选为45合金钢或40CrMo合金钢；所述柱塞孔表面的铜合金衬套的壁厚优选为0.8～1.2mm，所述配流面表面的铜合金层的厚度优选为0.8～1.2mm。图1～图3分别为本发明提供的泵马达双金属缸体的右视图、左视图和剖面图。本发明提供的泵马达双金属缸体铜合金层组织均匀，不易发生偏析，具有优异的耐磨性和自润滑性能，可满足液压压力为45MPa以上的泵马达技术要求，具有良好的服役寿命，在高压高速泵马达领域具有广泛应用前景。
本发明提供了以上技术方案所述泵马达双金属缸体的制备方法，包括以下步骤：
将所述无铅铜合金自润滑材料的各组分混合，得到混合金属粉末；
将所述混合金属粉末置入衬套模具中压制成型，得到铜合金衬套胚件；将所述述铜合金衬套胚件在氢气气氛中进行自由烧结，得到铜合金衬套；
将泵马达缸体胚件进行表面电镀铜，得到预处理缸体胚件；在所述预处理缸体胚件的柱塞孔中镶嵌入所述铜合金衬套，在所述预处理缸体胚件的配流面铺设所述混合金属粉末，得到缸体装配件；
将所述缸体装配件在氢气气氛中进行加压烧结，得到泵马达双金属缸体。
图4为本发明实施例制备泵马达双金属缸体的流程图。
本发明将所述无铅铜合金自润滑材料的各组分混合，得到混合金属粉末。在本发明中，所述混合优选在双锥式混料机中进行，所述双锥式混料机中优选加入钢球，在混合的同时进行研磨，球料比优选为3:1；所述混合的时间优选为6～8h，更优选为7h，转速优选为30～100rpm，更优选为50rpm。
得到混合金属粉末后，本发明将所述混合金属粉末置入衬套模具中压制成型，得到铜合金衬套胚件；将所述铜合金衬套胚件在氢气气氛中进行自由烧结，得到铜合金衬套。图5为铜合金衬套胚件压制示意图，由图5所示，所述衬套模具由阴模4、阳模5、下压板6和上压板7组成，所述阳模5为了保证铜合金衬套压制成型至固定厚度，可以节约铜合金材料；所述压制成型的具体操作优选为：按照图5所示，将阴模4、阳模5和下压板6组装在一起，然后将所述混合金属粉末倒入阴模4和阳模5之间的间隙内，之后盖上上压板7对混合金属粉末施压进行压制成型。在本发明中，所述压制成型的压力优选为200～300MPa，更优选为250MPa，保压时间优选为2～5min，更优选为2min；所述铜合金衬套胚件的壁厚优选为1.5～2.0mm；压制成型后进行脱模。在本发明中，所述自由烧结的温度优选为800～850℃，更优选为850℃，保温时间优选为1～2h，更优选为1h；由室温升温至所述自由烧结的温度的升温速率优选为3～10℃/min；所述自由烧结优选在烧结炉中进行；所述自由烧结在氢气气氛的保护下进行，有利于提高胚件强度。在所述自由烧结的过程中，主要发生铜锡固溶反应，生成固溶体。
本发明将泵马达缸体胚件进行表面电镀铜，得到预处理缸体胚件。本发明对所述泵马达缸体胚件没有特别的要求，本领域技术人员熟知的泵马达缸体胚件均可。本发明对所述电镀铜的具体操作没有特别的要求，采用本领域技术人员熟知的操作方法即可；所述电镀铜的镀铜层厚度优选为5～10μm。本发明通过将泵马达缸体胚件进行表面电镀铜，能够提高泵马达缸体胚件与铜合金层的界面结合力。
得到铜合金衬套和预处理缸体胚件后，本发明在所述预处理缸体胚件的柱塞孔中镶嵌入所述铜合金衬套，在所述预处理缸体胚件的配流面铺设上述混合金属粉末，得到缸体装配件。在本发明中，所述镶嵌的方法优选为液氮冷冻镶嵌或常温镶嵌；所述液氮冷冻镶嵌的具体操作为：对铜合金衬套的外表面进行车削加工，使铜合金衬套的外径与柱塞孔内径相同，将车削后的铜合金衬套浸泡在液氮中保持0.5～1h，使得铜合金衬套的外径尺寸收缩，然后迅速将铜合金衬套取出装入柱塞孔中；所述常温镶嵌的具体操作为：对铜合金衬套的外表面进行车削加工，使铜合金衬套的外径大于柱塞孔内径0.03～0.07mm，利用液压成型机将铜合金衬套缓慢过盈配合压装至柱塞孔中，使得铜合金衬套完全嵌入柱塞孔。在本发明中，所述铺设的混合金属粉末厚度优选为2.5～3.5mm。本发明在所述预处理缸体胚件的柱塞孔中镶嵌入所述铜合金衬套后，将所得缸体平放，置入保护模具中，缸体的配流面向上；然后在配流面铺设所述混合金属粉末，得到缸体装配件。图6为对所述预处理缸体胚件进行装配的示意图，图6中，1-柱塞孔表面的铜合金衬套，2-配流面混合金属粉末层(铜合金层)，3-泵马达缸体基体，8-保护模具。
得到缸体装配件后，本发明将所述缸体装配件在氢气气氛中进行加压烧结，得到泵马达双金属缸体。在本发明中，所述加压烧结的烧结程序优选为：升压至烧结压力；然后在所述烧结压力下，以5±0.5℃/min的升温速率从室温升温至第一温度，在所述第一温度下进行第一保温；再以2±0.1℃/min的升温速率从第一温度升温至第二温度，在所述第二温度下进行第二保温；然后以1±0.1℃/min的降温速率从第二温度降温至第三温度，在所述第三温度下进行第三保温；最后从第三温度随炉冷却至室温；所述烧结压力优选为25～35MPa，更优选为30MPa，升压至所述烧结压力的升压速率不高于10MPa/min；所述第一温度优选为840～860℃，更优选为850℃，所述第一保温的保温时间优选为0.8～1.2h，更优选为1h；所述第二温度优选为950～1050℃，更优选为980～1020℃，所述第二保温的保温时间优选为1～2h，更优选为1h；所述第三温度优选为650～750℃，更优选为700℃，所述第三保温的保温时间优选为0.5～1h，更优选为1h。在本发明中，所述加压烧结优选在烧结炉中进行；如图6所示，在配流面混合金属粉末层表面盖上上压板9，然后将图6所示的整个体系放入烧结炉中进行加压烧结。在所述加压烧结的过程中，镶嵌入柱塞孔中的铜合金衬套主要发生铜铝和铜钛间的共晶反应，铜铝的共晶化反应使得铜合金衬套发生均匀的体积膨胀，使铜合金衬套可以完整地粘接在缸体柱塞孔表面，剪切强度高，从而不需要在柱塞孔内插入涨芯；铜钛间的共晶反应使烧结体的密度得到提高，有效抑制铜铝金属间化合物的回弹，可有效提高烧结过程中铜合金的膨胀均匀性。铺设在配流面上的混合金属粉末，与钢基体发生界面扩散反应，从而与配流面实现冶金结合。所述加压烧结后，还优选将铜合金衬套进行精密加工，使铜合金衬套的壁厚为0.8～1.2mm。
本发明提供的泵马达双金属缸体的制备方法过程简便，安全可靠。
下面结合实施例对本发明提供的无铅铜合金自润滑材料和泵马达双金属缸体及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
各实施例中，铜粉为电解铜粉，松装密度为2.5～2.7g/cm3，粒径≤75μm，杂质质量含量≤0.5％，粉末流动性≤35s/50g；铝粉为球形铝粉，粒径≤20μm；磷化铁粉和磷化铜粉的粒径≤40μm，纯度≥98％；铁粉的粒径≤50μm，纯度≥99.9％；钛粉的粒径≤20μm，纯度≥99.9％；球形锡粉和铜锡10预合金粉的粒径≤40μm，纯度≥99％；铋粉的粒径≤20μm，纯度≥99％；镍粉的粒径≤20μm，纯度≥99％；二硼化锆粉末为纳米级粉末，粒径≤50nm，纯度≥98％。
实施例1
按照配比对粉体进行称量：铜粉4280g，铝粉150g，磷化铁粉120g，铁粉50g，钛粉50g，锡粉50g，铋粉150g，镍粉150g，二硼化锆粉末50g；将各粉体置入双锥式混料机研磨，同时加入适量钢球(球料比为3:1)，混合时间7h，转速50rpm，得到混合金属粉末。
将所述混合金属粉末置入衬套模具中进行压制，压力250MPa，保压2min后脱模，得到铜合金衬套胚件，壁厚为1.8mm；将衬套胚件置入氢气烧结炉中自由烧结，温度为850℃，烧结时间为1h；对衬套内外表面车削加工，控制外径比泵马达缸体柱塞孔内径增大0.05mm，得到铜合金衬套。
将泵马达缸体(45合金钢)柱塞孔内孔和配流面进行电镀铜处理，控制镀铜层厚度为5～10μm；然后利用液压成型机将上述铜合金衬套缓慢过盈配合压装至柱塞孔中，使铜合金衬套完全镶嵌入缸体柱塞孔中，平放缸体，将缸体置入模具中，在缸体配流面铺覆3.5mm厚的上述混合金属粉末，缓慢(升压速率不高于10MPa/min)加压至30MPa，然后在30MPa压力下以5℃/min的升温速率升温至850℃保温1h，再以2℃/min的升温速率，升温至950℃保温1h，然后以1℃/min的降温速率速率，降温至700℃保温1h，随炉冷却后按照图纸精密加工，得到泵马达双金属缸体。
实施例2
按照如下比例进行粉体称量：铜粉3000g，铝粉350g，磷化铜粉250g，铁粉250g，钛粉250g，铜锡10预合金粉300g，铋粉300g，镍粉250g，二硼化锆粉末50g，将各粉体置入双锥式混料机研磨，混合7h，转速50rpm，得到混合金属粉末。
将所述混合金属粉末置入衬套模具中进行压制，压力250MPa，保压2min后脱模，得到铜合金衬套胚件，壁厚为1.8mm；将衬套胚件置入氢气烧结炉中自由烧结，温度为850℃，烧结时间为1h；对衬套内外表面车削加工，控制外径比泵马达缸体柱塞孔内径大0.05mm，得到铜合金衬套。
将泵马达缸体(45合金钢)柱塞孔内孔和配流面进行电镀铜处理，控制镀铜层厚度为5～10μm；然后利用液压成型机将上述铜合金衬套缓慢过盈配合压装至柱塞孔中，使铜合金衬套完全镶嵌入缸体柱塞孔中，平放缸体，将缸体置入模具中，配流面铺覆3.5mm厚的上述混合金属粉末，缓慢(升压速率不高于10MPa/min)加压至30MPa，然后在30MPa压力下以5℃/min的升温速率升温至850℃保温1h，再以2℃/min的升温速率升温至1020℃保温1h，然后以1℃/min的降温速率速率降温至700℃保温1h，随炉冷却后按照图纸精密加工，得到泵马达双金属缸体。
实施例3
按照如下比例进行粉体称量：铜粉3750g，铝粉200g，磷化铁粉100g，铁粉150g，钛粉100g，锡粉200g，铋粉250g，镍粉150g，二硼化锆粉末100g；将各粉体置入双锥式混料机研磨，混合7h，转速50rpm，得到混合金属粉末。
将所述混合金属粉末置入衬套模具中进行压制，压力250MPa，保压2min后脱模，得到铜合金衬套胚件，壁厚为1.8mm；将衬套胚件置入氢气烧结炉中自由烧结，温度为850℃，烧结时间为1h；对衬套内外表面车削加工，控制外径与泵马达缸体柱塞孔内径一致，得到铜合金衬套。
将泵马达缸体(45合金钢)柱塞孔内孔和配流面进行电镀铜处理，控制镀铜层厚度为5～10μm；然后将上述铜合金衬套浸泡在液氮中保持0.5～1h，使得铜合金衬套的外径尺寸收缩，然后迅速将铜合金衬套取出，镶嵌入缸体柱塞孔中，平放缸体，将缸体置入模具中，配流面铺覆3.5mm厚的上述混合金属粉末，缓慢(升压速率不高于10MPa/min)加压至30MPa，然后在30MPa压力下以5℃/min的升温速率升温至850℃保温1h，，再以2℃/min的升温速率升温至980℃保温1h，然后以1℃/min的降温速率降温至700℃保温1h，随炉冷却，随炉冷却后按照图纸精密加工，得到泵马达双金属缸体。
实施例4
按照如下比例进行粉体称量：铜粉3430g，铝粉400g，磷化铁粉120g，铁粉150g，钛粉150g，锡粉300g，铋粉150g，镍粉150g，二硼化锆粉末150g；将各粉末置入双锥式混料机研磨，混合7h，转速50rpm，得到混合金属粉末；
将所述混合金属粉末置入衬套模具中进行压制，压力250MPa，保压2min后脱模，得到铜合金衬套胚件，壁厚为1.8mm；将衬套胚件置入氢气烧结炉中自由烧结，温度为850℃，烧结时间为1h；对衬套内外表面车削加工，控制外径与泵马达缸体柱塞孔内径一致，得到铜合金衬套。
将泵马达缸体(45合金钢)柱塞孔内孔和配流面进行电镀铜处理，控制镀铜层厚度为5～10μm；然后将上述铜合金衬套浸泡在液氮中保持0.5～1h，使得铜合金衬套的外径尺寸收缩，然后迅速将铜合金衬套取出，镶嵌入缸体柱塞孔中，平放缸体，将缸体置入模具中，配流面铺覆3.5mm厚的上述混合金属粉末，缓慢(升压速率不高于10MPa/min)加压至30MPa，然后在30MPa压力下以2℃/min的升温速率升温至850℃保温1h，再以2℃/min的升温速率升温至1000℃保温1h，然后以1℃/min的降温速率降温至700℃保温1h，随炉冷却后按照图纸精密加工，得到泵马达双金属缸体。
对实施例1～4得到的泵马达双金属缸体柱塞孔和配流面的铜合金层进行性能测试，结果如表1所示：
表1实施例1～4泵马达双金属缸体柱塞孔和配流面的铜合金层性能数据
Figure BDA0003670934420000151
Figure BDA0003670934420000161
由以上实施例可以看出，本发明提供的铜合金自润滑材料无铅，安全环保。将本发明提供的铜合金自润滑材料烧结在泵马达缸体的柱塞孔和配流面表面，能够对泵马达缸体的柱塞孔和配流面同时进行减摩和耐磨改性，使泵马达缸体具有优异的耐磨性和自润滑性能，界面结合力高，并且无需在柱塞孔内插入涨芯。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种无铅铜合金自润滑材料，其特征在于，包括以下质量百分含量的组分：铜粉60～90％，铝粉1～8％，磷化金属盐粉末1～5％，铁源粉末1～5％，钛源粉末1～5％，锡源粉末1～6％，铋粉末1～6％，镍粉末1～5％，二硼化锆粉末0.5～3％；所述磷化金属盐粉末包括磷化铁粉末和/或磷化铜粉末；所述铁源粉末包括还原铁粉和/或磷化铁粉末；所述钛源粉末包括钛粉和/或氢化钛粉；所述锡源粉末包括球形锡粉和/或预合金铜锡合金粉末。
2.根据权利要求1所述的无铅铜合金自润滑材料，其特征在于，包括以下质量百分含量的组分：铜粉65～85％，铝粉3～8％，磷化金属盐粉末1～3％，铁源粉末2～5％，钛源粉末1～3％，锡源粉末4～6％，铋粉末2～5％，镍粉末2～5％，二硼化锆粉末1～3％。
3.根据权利要求1所述的无铅铜合金自润滑材料，其特征在于，所述铜粉为电解铜粉，所述电解铜粉的松装密度为2.5～2.7g/cm3，粒径≤75μm，杂质质量含量≤0.5％，粉末流动性≤35s/50g；所述铝粉为球形铝粉，所述球形铝粉的粒径≤20μm；所述磷化金属盐粉末的粒径≤40μm，纯度≥98％；所述铁源粉末的粒径≤50μm，纯度≥99.9％；所述钛源粉末的粒径≤20μm，纯度≥99.9％；所述锡源粉末的粒径≤40μm，纯度≥99％；所述铋粉末的粒径≤20μm，纯度≥99％；所述镍粉末的粒径≤20μm，纯度≥99％；所述二硼化锆粉末为纳米级粉末，粒径≤50nm，纯度≥98％。
4.一种泵马达双金属缸体，其特征在于，包括泵马达缸体基体、复合在所述泵马达缸体基体的柱塞孔表面的铜合金衬套，以及复合在所述泵马达缸体基体的配流面表面的铜合金层；所述铜合金衬套和铜合金层分别由权利要求1～3任意一项所述无铅铜合金自润滑材料烧结在柱塞孔和配流面表面而形成。
5.根据权利要求4所述的泵马达双金属缸体，其特征在于，所述泵马达缸体基体的材质为45合金钢或40CrMo合金钢；所述柱塞孔表面的铜合金衬套的壁厚为0.8～1.2mm，所述配流面表面的铜合金层的厚度为0.8～1.2mm。
6.权利要求4或5所述泵马达双金属缸体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将所述无铅铜合金自润滑材料的各组分混合，得到混合金属粉末；
将所述混合金属粉末置入衬套模具中压制成型，得到铜合金衬套胚件；将所述述铜合金衬套胚件在氢气气氛中进行自由烧结，得到铜合金衬套；
将泵马达缸体胚件进行表面电镀铜，得到预处理缸体胚件；在所述预处理缸体胚件的柱塞孔中镶嵌入所述铜合金衬套，在所述预处理缸体胚件的配流面铺设所述混合金属粉末，得到缸体装配件；
将所述缸体装配件在氢气气氛中进行加压烧结，得到泵马达双金属缸体。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述压制成型的压力为200～300MPa，保压时间为2～5min；所述铜合金衬套胚件的壁厚为1.5～2.0mm；所述自由烧结的温度为800～850℃，保温时间为1～2h。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述电镀铜的镀铜层厚度为5～10μm。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述镶嵌的方法为液氮冷冻镶嵌或常温镶嵌；所述铺设的混合金属粉末厚度为2.5～3.5mm。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述加压烧结的烧结程序为：升压至烧结压力；然后在所述烧结压力下，以5±0.5℃/min的升温速率从室温升温至第一温度，在所述第一温度下进行第一保温；再以2±0.1℃/min的升温速率从第一温度升温至第二温度，在所述第二温度下进行第二保温；然后以1±0.1℃/min的降温速率从第二温度降温至第三温度，在所述第三温度下进行第三保温；最后从第三温度随炉冷却至室温；所述烧结压力为25～35MPa；所述第一温度为840～860℃，所述第一保温的保温时间为0.8～1.2h；所述第二温度为950～1050℃，所述第二保温的保温时间为1～2h；所述第三温度为650～750℃，所述第三保温的保温时间为0.5～1h。
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