CN114990466A

CN114990466A - 一种泵马达用自润滑铜钢双金属滑靴及其制备方法

Info

Publication number: CN114990466A
Application number: CN202210573933.4A
Authority: CN
Inventors: 赵更锐; 王宏刚; 任俊芳; 陈生圣; 高贵; 刘文广; 杨生荣; 张俊彦; 张国伟; 徐宏
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2022-05-25
Filing date: 2022-05-25
Publication date: 2022-09-02

Abstract

本发明属于工程液压机械技术领域，具体涉及一种泵马达用自润滑铜钢双金属滑靴及其制备方法，所述滑靴是以合金钢材料为基体，在与斜盘配副的滑靴端面、与柱塞球头配副的球形孔内表面通过热喷涂方式形成厚度为0.3mm～2mm的铜合金层；所述铜合金层由铜、锡、铋、二硅化钼、和/或磷化铁；本发明在与斜盘配副的滑靴端面以及与球铰孔内的滑靴容球空腔表面喷涂铜合金层，该铜合金层，有高耐磨性、润滑性与高温下良好的抗咬合性能，能够有效降低泵马达在润滑不良的启停阶段的磨损，防止斜盘‑滑靴和柱塞‑滑靴摩擦副之间咬合现象的发生，维持稳定的油压，使泵马达稳定运转，从而增加其可靠度及使用寿命。

Description

一种泵马达用自润滑铜钢双金属滑靴及其制备方法

技术领域

本发明属于工程液压机械技术领域，具体涉及一种泵马达用自润滑铜钢双金属滑靴及其制备方法。

背景技术

液压泵马达是液压系统中核心的动力输出与执行机构。在泵马达中，存在多个相对滑动、转动的摩擦配副，如柱塞-缸孔、缸体-配流盘、滑靴-斜盘、滑靴-柱塞等。在泵马达正常运转过程中这些摩擦副之间存在几十微米的润滑油膜确保稳定的相对运动。然而在高压低速的启停阶段，润滑油膜没有稳定建立，摩擦副之间润滑状态较差，极易导致摩擦副之间的直接接触，严重时导致拉缸，磨损摩擦副表面，降低寿命，甚至引起卡咬、抱缸，导致直接停车事故。作为关键摩擦副之一的滑靴与斜盘(结构如图1所示)，当油膜严重减薄时会造成静压支承失效，滑靴与斜盘发生金属接触摩擦，滑靴烧蚀脱落，柱塞球头划伤斜盘等恶劣问题。因此，提高滑靴与斜盘摩擦副、滑靴-柱塞球铰的耐磨性，尤其是运转过程中间歇启停状态的抗咬合性能对避免拉缸、卡咬、抱缸问题至关重要。

目前，滑靴-斜盘摩擦副的减摩抗磨技术依然主要依赖于静压支承等宏观结构参数的设计改良，或结构的重新设计。如通过在增加滑靴上增加旋转减摩盘来将滑靴与斜盘的滑移运动部分转变呈旋转减摩盘内部滚珠的滚动降低滑靴-斜盘摩擦副的摩擦磨损(ZL201811106646.2一种斜盘式液压轴向柱塞泵/马达重载滑靴副减摩盘)，或者采用分体式结构，在滑靴端面安装可更换的双金属减摩板(CN201410506513.X一种用于斜盘式轴向柱塞泵或马达的柱塞滑靴结构)，亦或者在滑靴与斜盘摩擦的端面油室内壁上设置一圈环形沟槽，在槽外端面上设置密封带，提高油膜承载力，减小粘性摩擦力，降低机械损失，增加动压润滑效果(ZL201911212708.2)。在液压泵马达中利用具有润滑性的合金与刚性主体结合的双金属结构也可实现摩擦副的减摩抗磨效果，减摩抗磨作用主要依赖于润滑合金的组份与性能，如通过铸造在液压泵马达的柱塞孔内制备一种具有高承载能力、高耐磨、高结合强度、自润滑与低成本的内衬材料，该材料主要由锡、铋、银、铟、硬质颗粒、润滑剂、铜组成(CN202110067913.5 一种用于双金属液压泵马达的柱塞孔内衬材料及其应用)。目前在滑靴与柱塞连接的球铰处依然仅靠柱塞球头与滑靴球形孔间隙内的油膜进行润滑。对球铰处的润滑性与耐磨性也仅依靠结构的改良，如在滑靴球窝外侧设置锁紧套，将球头锁定在球窝内，提高滑靴稳定性，降低磨损，防止脱落(ZL201620343668.0)，或者在球窝内壁上开设减阻槽和溃缩槽，分别用来存储油液和为局部变形提供余量空间，起到减少摩擦和抑制因变形产生的球面磨损的作用 (CN201811422951.2)。

因此，目前现有技术仍存在以下几方面问题亟待解决：1)仅靠油膜对滑靴-斜盘、滑靴-柱塞摩擦副进行润滑不适合启停阶段贫油的工况，此工况下金属构件直接接触，相对运动产生磨损，易发生咬合，损伤液压泵马达；(2)对滑靴结构的改良，如增加可更换的组件、分体设计，同时会增加零部件与制造工艺的复杂性，提高成本，并引入额外的配合误差，降低滑靴的强度与稳定性；(3)利用铸造方法在基体上制造润滑层实现双金属结合，铸造完成后需要镗铰加工，工艺步骤上较为繁琐，而且产生大量材料浪费，不具成本优势。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种泵马达用自润滑铜钢双金属滑靴及其制备方法。

具体是通过以下技术方案来实现的：

一种泵马达用自润滑铜钢双金属滑靴，是以合金钢材料为基体，在与斜盘配副的滑靴端面、与柱塞球头配副的球形孔内表面通过热喷涂方式形成厚度为0.3mm～2mm的铜合金层；所述铜合金层由铜、锡、铋、二硅化钼、和/或磷化铁。

所述铜合金层按重量百分数计由下列原料制成：二硅化钼 0.5％～3％，磷化铁0～3％，铋1％～7％，锡6％～13％，余量为铜。

所述二硅化钼为纳米级球状粉末，粒径为100nm～300nm。

所述磷化铁为不规则颗粒，粒度分布在100目～250目。

所述铋为球状颗粒，粒度为150目～300目。

所述锡与铜为纯金属粉末、球状水雾化合金粉末、球状气雾化合金粉末中任意一种；所述纯金属粉末的粒径为200目～300目，所述合金粉末的粒度为150目～250目。

本发明通过对各物料的粒度进行控制，确保了铜合金层的质量；若粒度过大，会降低烧结过程中熔融速度，遗留的孔隙较大，进而会导致铜层强度降低。若粉末平均粒度越小，粉末形貌会变复杂，粉末颗粒之间以及粉末表面留下空隙越大，松装密度越小，也不利于铜合金层强度的提高。所以控制粒度不仅能够提高铜合金层强度，还能控制孔隙大小，使得烧结后的铜合金层中孔隙在边界摩擦的少油工况下能起到储油的作用，维持较长时间的润滑效果。

另外，对于添加的硬质颗粒，粒度较大会导致与铜合金基体接触面积小引起的结合强度差，致使摩擦过程中脱落，对铜合金和对偶造成严重的刮擦。而无法与铜基体互溶的硬质颗粒，过小的粒径容易导致硬质颗粒在烧结过程中的聚集和不均匀性，致使耐磨性降低和性能不稳定。

一种泵马达用自润滑铜钢双金属滑靴的制备方法，具备包括如下步骤：

1)滑靴基体加工与表面预处理：将铸造的合金钢滑靴去毛刺，清除表面油渍污物，对端面与容球腔内表面进行喷砂粗化；

2)混料：按配方量称取MoSi₂粉末、铋粉、锡粉、铜粉，和/或磷化铁粉末在V型混料机中机械混合5小时，得到混合粉末；

3)热喷涂：采用大气等离子或火焰喷涂的方法，在滑靴端面和滑靴容球腔内表面喷涂混合粉末，形成厚度为0.3mm～2mm的铜合金层；

4)表面后处理：对喷涂的铜合金层进行磨削、抛光，达到滑靴表面工艺要求。

所述喷砂粗化的工艺条件为：砂料为棕刚玉，粒度为100目，压缩空气气压为0.7PSI。

所述混合粉末的粒度不超过300目。

所述热喷涂的工艺参数为：弧电流≤700V，弧电压≤100V，氩气压力0.3～1.2Mpa，氩气流量15～70L/min，送粉速度10～120g/min，喷涂距离100mm～300mm。

本发明在特定条件下进行喷砂粗化，能够提高自润滑层结合强度。

本发明中MoSi₂颗粒一定程度上细化铜合金基体晶粒，同时保留铜合金基体的孪晶结构，MoSi₂也具有优良的耐高温性能；二硅化钼和磷化铁具有极高的硬度和强度，可作为耐磨相添加剂，二者也能使铜合金晶粒边缘更加圆滑，提高基体强度；铋组份在合金中的作用，由于不与铜、锡和其他组份发生反应，而作为游离态填充孔隙，在摩擦过程中，铋相析出合金，在界面上充当润滑剂的作用；制备过程中锡熔融进入铜基体与铜形成固溶体，增强合金的对异物的潜藏性，同时也能提高铜的强度，提高耐磨性能。以上不同组份在合金中同时发挥有益作用，确保了自润滑滑靴优良的强度、自润滑性、耐磨性和抗咬合性能。

有益效果：

本发明通过在滑靴端面和容球腔内表面附着铜合金层，结合合理配比，该铜合金层具有自润滑性、高耐磨损性和高温下良好的抗咬合能力，这能够有效降低泵马达在润滑不良的启停阶段的磨损，防止斜盘-滑靴和柱塞-滑靴摩擦副之间咬合现象的发生，维持稳定的油压，使泵马达稳定运转，从而增加其可靠度及使用寿命。

同时本申请通过对铜合金层的配方进行科学设置，还降低了制造成本，且本申请中铜合金的配方粉末能够通过热喷涂形成，极大地缩短了制作步骤，降低了成型条件。

附图说明

图1：滑靴与斜盘、滑靴-柱塞摩擦副结构；其中1-端面，2-滑靴， 3-球窝,4-球头，5-斜盘，6-柱塞；

图2：本实施例所得双金属滑靴结构示意图；其中1-基体，2-铜合金层；

图3：实施例二所得双金属滑靴中铜合金层层的组织结构图；

图4：实验例1中各实验组的对比磨损率；

图5：实验例1中各实验组室温逐级加载抗咬合曲线对比图；

图6：实验例1中各实验组高温逐级加载抗咬合曲线对比图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。

实施例一

一种泵马达用自润滑铜钢双金属滑靴的制备方法，包括如下步骤：

(1)铜合金层按质量分数计的配方为：100纳米二硅化钼0.5％， 150目铋粉1％，200目锡粉6％，余量为200目铜粉；

(2)滑靴基体1的表面预处理：将铸造的合金钢滑靴去毛刺，清除表面油渍污物，端面与容球腔内表面喷砂粗化，喷砂粗化工艺为：砂料为棕刚玉，粒度为100目，压缩空气气压为0.7PSI；

(3)混料：将MoSi₂粉末、铋粉、锡粉、铜粉在V型混料机中机械混合5小时，即得粒度≤300目的混合粉末；

(4)热喷涂：采用火焰喷涂方式，在滑靴端面和滑靴容球腔内表面喷涂混合粉末，形成厚度为0.3mm的铜合金层2；工艺参数为：弧电流500V，弧电压80V，氩气压力0.8Mpa，氩气流量50L/min，送粉速度50g/min，喷涂距离150mm；

(5)表面后处理：对喷涂的铜合金层进行磨削、抛光，达到滑靴表面工艺要求；

本实施例中的双金属滑靴边界摩擦下的表面摩擦系数约为0.11，磨损率为3.7×10^-7mm3/N·m；本实施例所得的双金属滑靴结构示意图如图2所示。

实施例二

(1)铜合金层按质量分数计的配方为：300纳米二硅化钼3％， 100目磷化铁3％，300目铋粉7％，余量为250目水雾化铜锡合金粉；所述所述铜合金层中锡元素质量分数占比为13％；

(3)混料：将MoSi₂粉末、磷化铁、铋粉、铜锡合金粉在V型混料机中机械混合5小时，即得粒度≤300目的混合粉末；

(4)热喷涂：采用大气等离子喷涂方式，在滑靴端面和滑靴容球腔内表面喷涂混合粉末，形成厚度为0.3mm的铜合金层2；工艺参数为：弧电流700V，弧电压100V，氩气压力1.2Mpa，氩气流量70L/min，送粉速度120g/min，喷涂距离300mm。所得铜合金层厚度在0.3mm；

本实施例中的双金属滑靴边界摩擦下的表面摩擦系数约为0.18，磨损率为1.2×10^-7mm3/N·m；相较于实施例1中的滑靴，本实施例中摩擦系数偏高，但耐磨损性能更加优异；本实施例所得的双金属滑靴结构示意图如图2所示。

对本实施例二所得滑靴表面铜合金层的组织结构进行观察并发现，MoSi₂与磷化铁颗粒分布在铜锡合金与铋相晶界处的组织结构(图 3)。MoSi₂颗粒一定程度上细化铜合金基体晶粒，同时保留铜合金基体的孪晶结构，MoSi₂也具有优良的耐高温性能；二硅化钼和磷化铁具有极高的硬度和强度，可作为耐磨相添加剂，二者也能使铜合金晶粒边缘更加圆滑，提高基体强度；铋组份在合金中的作用，由于不与铜、锡和其他组份发生反应，而作为游离态填充孔隙，在摩擦过程中，铋相析出合金，在界面上充当润滑剂的作用；制备过程中锡熔融进入铜基体与铜形成固溶体，增强合金的对异物的潜藏性，同时也能提高铜的强度，提高耐磨性能。以上不同组份在合金中同时发挥有益作用，确保了自润滑滑靴优良的强度、自润滑性、耐磨性和抗咬合性能。

实施例三

(1)铜合金层按质量分数计的配方为：200纳米二硅化钼2％， 250目磷化铁1.5％，200目铋粉4％，300目锡粉9％，余量为300目铜粉；

(2)滑靴基体1表面预处理：将铸造的合金钢滑靴去毛刺，清除表面油渍污物，端面与容球腔内表面喷砂粗化，喷砂粗化工艺为：砂料为棕刚玉，粒度为100目，压缩空气气压为0.7PSI；

(3)混料：将MoSi₂粉末、铋粉、锡粉、磷化铁、铜粉在V型混料机中机械混合5小时，即得粒度≤300目的混合粉末；

(4)热喷涂：采用火焰喷涂方式在滑靴端面和滑靴容球腔内表面喷涂混合粉末，形成厚度为0.5mm的铜合金层2；工艺参数为：弧电流600V，弧电压85V，氩气压力0.9Mpa，氩气流量50L/min，送粉速度100g/min，喷涂距离150mm；

本实施例中的双金属滑靴边界摩擦下的表面摩擦系数约为0.12，磨损率为2.5×10^-7mm3/N·m。相较于实施例2中的滑靴，本实施例中摩擦系数更低，磨损率约为前者两倍，但低于实施例1中的滑靴；本实施例所得的双金属滑靴结构示意图如图2所示。

实验例1铜合金层组分筛选实验

本实验对铜合金层的组成组分进行筛选，并将铜合金层试样进行摩擦试验，具体分组如下：

1)实验组1由二硅化钼、铋、锡、铜组成铜合金层(仅含MoSi₂)；

2)实验组2由磷化铁、铋、锡、铜组成铜合金层(仅含磷化铁)；3) 实验组3由二硅化钼、磷化铁、铋、锡、铜组成铜合金层(含MoSi₂和磷化铁)；4)实验例4由铋、锡、铜组成铜合金层(不含MoSi₂和磷化铁)；

发现由二硅化钼、铋、锡、铜或/和磷化铁制成的合金层具有优异的润滑性能和耐磨性能；摩擦试验的对偶材料为合金钢，为模拟泵马达启停阶段摩擦界面油润滑不良的工况，摩擦测试时合金层和对偶表面仅有少量的润滑油已保持边界摩擦。此时仅含磷化铁、仅含二硅化钼和同时含二者的摩擦系数分别为0.13、0.128和0.125，而不含二者的合金层则为0.137；这说明合金层中二硅化钼和磷化铁组分均提高合金层的自润滑性能。通过对比磨损率(图4)也能发现在不同载荷下含二硅化钼和/或磷化铁的铜合金层的磨损率均不超过4×10^-7 mm3/N·m，远低于不添加两种组分的铜合金。这得益于两种硬质颗粒本身为高硬度的硬质颗粒，其次，如前所述，两种颗粒的加入具有细化铜合金晶粒作用，并使铜合金基体的晶粒边界更加圆滑，提高了铜合金的强度和润滑性。

此外，在润滑不良的工况下对比了初始室温和初始100℃高温铜合金层的抗咬合性能，结果如图5和图6所示；室温下，二硅化钼和磷化铁均提高了铜合金的咬合载荷，在初始温度100℃时，虽然含有二硅化钼和/或磷化铁的抗咬合性能均优于基础铜合金，但除了含有二硅化钼的铜合金的咬合载荷依然和室温时相同，其他合金的咬合载荷均有所下降，这归功于耐高温的二硅化钼赋予铜合金在高温时保持优异抗咬合性能的原因。

磷化铁对铜锡铋合金在室温下的耐磨性和抗咬合性能提升明显，但是在高温环境下，其抗咬合性会出现衰退。作为硬质颗粒，二硅化钼同样也具有耐磨性与抗咬合性，它的耐高温性能能使铜合金在高温下依然保持良好的抗咬合性。对比图5和图6可知，在室温下，仅含磷化铁的铜合金咬合现象发生在1500N，仅含二硅化钼的铜合金咬合发生在1350N，同时含两种颗粒的铜合金咬合现象发生在1350N。当环境温度提高到100℃时，仅含磷化铁的铜合金在不到1200N时就发生咬合，仅含二硅化钼的铜合金咬合载荷依然时1350N，同时含两种颗粒的铜合金咬合现象发生在1200N，略低于室温的1350N，这说明磷化铁在稍高温度环境下的抗咬合性能衰退明显，而掺杂了二硅化钼的铜合金在高温环境下依然能保持室温下的抗咬合性能。

Claims

1.一种泵马达用自润滑铜钢双金属滑靴，其特征在于，所述滑靴是以合金钢材料为基体，在与斜盘配副的滑靴端面、与柱塞球头配副的球形孔内表面通过热喷涂方式形成厚度为0.3mm～2mm的铜合金层；所述铜合金层由铜、锡、铋、二硅化钼、和/或磷化铁。

2.如权利要求1所述一种泵马达用自润滑铜钢双金属滑靴，其特征在于，所述铜合金层按重量百分数计由下列原料制成：二硅化钼0.5％～3％，磷化铁0～3％，铋1％～7％，锡6％～13％，余量为铜。

3.如权利要求1或2所述一种泵马达用自润滑铜钢双金属滑靴，其特征在于，所述二硅化钼为纳米级球状粉末，粒径为100nm～300nm。

4.如权利要求1或2所述一种泵马达用自润滑铜钢双金属滑靴，其特征在于，所述磷化铁为不规则颗粒，粒度分布在100目～250目。

5.如权利要求1或2所述一种泵马达用自润滑铜钢双金属滑靴，其特征在于，所述铋为球状颗粒，粒度为150目～300目。

6.如权利要求1或2所述一种泵马达用自润滑铜钢双金属滑靴，其特征在于，所述锡与铜为纯金属粉末、球状水雾化合金粉末、球状气雾化合金粉末中任意一种；所述纯金属粉末的粒径为200目～300目，所述合金粉末的粒度为150目～250目。

7.如权利要求1-6任一项所述一种泵马达用自润滑铜钢双金属滑靴的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2)混料：按配方量称取MoSi₂粉末、铋粉、锡粉、铜粉，和/或磷化铁粉末在V型混料机中机械混合，得到混合粉末；

3)热喷涂：采用大气等离子或火焰喷涂的方法，在滑靴端面和滑靴容球腔内表面喷涂混合粉末，形成厚度为0.3mm～2mm的铜合金层。

8.如权利要求7所述一种泵马达用自润滑铜钢双金属滑靴的制备方法，其特征在于，所述喷砂粗化的工艺条件为：砂料为棕刚玉，粒度为100目，压缩空气气压为0.7PSI。

9.如权利要求7所述一种泵马达用自润滑铜钢双金属滑靴的制备方法，其特征在于，所述混合粉末的粒度不超过300目。

10.如权利要求7所述一种泵马达用自润滑铜钢双金属滑靴的制备方法，其特征在于，所述热喷涂的工艺参数为：弧电流≤700V，弧电压≤100V，氩气压力0.3～1.2Mpa，氩气流量15～70L/min，送粉速度10～120g/min，喷涂距离100mm～300mm。