CN117182081B - 一种高压柱塞泵缸体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种高压柱塞泵缸体及其制备方法，针对现有技术中高压柱塞泵缸体采用铜合金存在的问题，本发明采用粉末冶金的方式，选用优化组分的粉末，以钢基材料作为基体，通过喷砂、打底、粉末压制、烧结等工艺，实现了超低摩擦系数、高结合力、低膨胀、高精度的高压柱塞泵缸体的制备，得到的高压柱塞泵缸体的摩擦系数为0.03～0.05，粉末烧结层与基体之间的结合力≥40MPa，装配精度可达0.01mm，降低了高压柱塞泵缸体的安装难度，提高了高压柱塞泵缸体的耐磨性、精度、可靠性和使用寿命，降低了更换频次和生产成本，提供了改善高压柱塞泵缸体性能的新的解决方案。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体为一种高压柱塞泵缸体及其制备方法。
背景技术
高压柱塞泵作为液压系统中的动力元件和核心装置，近年来因结构独特、高效率、耐高压、可实现多变量功能等特点在液压元器件中脱颖而出，被人们广泛用于战地坦克、潜艇、石油开采、载重机等方面。但是在高压柱塞泵工作过程中，泵送介质会使得缸体磨损严重，现有的缸体多采用铜合金，多采用冷装方式实现镶嵌，固定不牢靠，且其摩擦系数较大，同时铜合金在工作过程中存在热胀冷缩现象，表面精度不够，过度磨损会影响高压柱塞泵的扬程，在使用过程中需要不定期更换，造成材料浪费且增加生产成本。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种高压柱塞泵缸体及其制备方法。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种高压柱塞泵缸体的制备方法，包括如下步骤：
S1.基体表面喷砂；
S2.喷铜打底；
S3.模具压制粉末；
S4.烧结；烧结温度为830～860℃，烧结时间为2.5～4.0h；
S5.再压制；
S6.回火；回火温度为750～830℃，回火时间为2～3.5h；
S7.机加工。
作为本发明所述的一种高压柱塞泵缸体的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，基体材质为Q235钢或45#钢。
作为本发明所述的一种高压柱塞泵缸体的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，打底层厚度为0.2～0.3mm。
作为本发明所述的一种高压柱塞泵缸体的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S3中，所述粉末按重量百分比计，其组成为：铜合金粉98～99％，石墨1～2wt％；所述铜合金粉按重量百分比计，其组成为：Sn 4～6wt％，Pb 4～6wt％，Zn 4～6wt％，余量为Cu和不可避免的杂质。
作为本发明所述的一种高压柱塞泵缸体的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S3中，所述粉末的尺寸为100～150目。
作为本发明所述的一种高压柱塞泵缸体的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S3中，压制压力为30～100MPa。
作为本发明所述的一种高压柱塞泵缸体的制备方法的优选方案，其中：所述步骤S5中，压制压力为200～500MPa。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种高压柱塞泵缸体，采用上述制备方法制备得到。
作为本发明所述的一种高压柱塞泵缸体的优选方案，其中：高压柱塞泵缸体包括基体、打底层、粉末烧结层。
作为本发明所述的一种高压柱塞泵缸体的优选方案，其中：所述高压柱塞泵缸体的粉末烧结层的厚度为0.9～1.1mm。
作为本发明所述的一种高压柱塞泵缸体的优选方案，其中：所述高压柱塞泵缸体的粉末烧结层与基体之间的结合力≥40MPa，摩擦系数为0.03～0.05。
本发明的有益效果如下：
本发明提出一种高压柱塞泵缸体及其制备方法，针对现有技术中高压柱塞泵缸体采用铜合金存在的问题，本发明采用粉末冶金的方式，选用优化组分的粉末，以钢基材料作为基体，通过喷砂、打底、粉末压制、烧结等工艺，实现了超低摩擦系数、高结合力、低膨胀、高精度的高压柱塞泵缸体的制备，得到的高压柱塞泵缸体的摩擦系数为0.03～0.05，所述高压柱塞泵缸体的粉末烧结层与基体之间的结合力≥40MPa，装配精度可达0.01mm，降低了高压柱塞泵缸体的安装难度，提高了高压柱塞泵缸体的耐磨性、精度、可靠性和使用寿命，降低了更换频次和生产成本，提供了改善高压柱塞泵缸体性能的新的解决方案。
具体实施方式
下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。
本发明提供一种高压柱塞泵缸体及其制备方法，实现了低摩擦系数、高结合力、低膨胀、高精度的高压柱塞泵缸体的制备，提高了高压柱塞泵缸体的使用寿命，降低了更换频次和生产成本，提供了改善高压柱塞泵缸体性能的新的解决方案。
根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种高压柱塞泵缸体的制备方法，包括如下步骤：
S1.基体表面喷砂；
S2.喷铜打底；
S3.模具压制粉末；
S4.烧结；烧结温度为830～860℃，烧结时间为2.5～4.0h；
S5.再压制；
S6.回火；回火温度为750～830℃，回火时间为2～3.5h；
S7.机加工。
优选的，所述步骤S1中，基体材质为Q235钢或45#钢。本发明选用钢质基体，不仅可以降低成本，而且可以采用焊接的方式实现高压柱塞泵缸体的固定，相比于普通铜合金缸体采用冷装方式实现镶嵌，本发明固定更加可靠牢固，可以更好的承受高压柱塞泵活塞的冲击。
优选的，所述步骤S2中，打底层厚度为0.2～0.3mm，打底层采用电弧丝喷涂或等离子喷涂等技术在基体上沉积纯铜层。本发明采用喷铜打底的方式实现铜层在基体的固定，相比于电镀等方式(电镀等方式仅能获得5μm左右的镀层，在烧结时无法提供多余的铜起到连接作用)可以获得更厚的打底层，为钢质基体和粉末烧结层的稳定连接提供良好的桥梁。具体的，打底层厚度可以为例如但不限于0.20mm、0.21mm、0.22mm、0.23mm、0.24mm、0.25mm、0.26mm、0.27mm、0.28mm、0.29mm、0.30mm中的任意一者或任意两者之间的范围；
优选的，所述步骤S3中，所述粉末按重量百分比计，其组成为：铜合金粉98～99％，石墨1～2wt％；所述铜合金粉按重量百分比计，其组成为：Sn4～6wt％，Pb 4～6wt％，Zn 4～6wt％，余量为Cu和不可避免的杂质。本发明在粉末中引入一定量的石墨，可以改善粉末烧结层的润滑性能。具体的，按重量百分比计，石墨含量可以为例如但不限于1.0wt％、1.2wt％、1.5wt％、1.8wt％、2.0wt％中的任意一者或任意两者之间的范围；具体的，所述铜合金粉按重量百分比计，其组成为：Sn含量可以为例如但不限于4.0wt％、4.5wt％、5.0wt％、5.5wt％、6.0wt％中的任意一者或任意两者之间的范围；Pb含量可以为例如但不限于4.0wt％、4.5wt％、5.0wt％、5.5wt％、6.0wt％中的任意一者或任意两者之间的范围；Zn含量可以为例如但不限于4.0wt％、4.5wt％、5.0wt％、5.5wt％、6.0wt％中的任意一者或任意两者之间的范围；
优选的，所述步骤S3中，所述粉末的尺寸为100～150目，微观形貌为不规则多棱状。具体的，所述粉末的尺寸可以为例如但不限于100目、120目、130目、150目中的任意一者或任意两者之间的范围；
优选的，所述步骤S3中，压制压力为30～100MPa，进一步优选的，所述步骤S5中，压制压力为200～500MPa，本发明选用上述尺寸范围的粉末，结合压制压力，可以方便调整粉末烧结层的孔隙率，便于根据实际需要控制缸体膨胀率、强度、硬度和含油量，实现缸体自润滑。具体的，所述步骤S3中，压制压力可以为例如但不限于30MPa、40MPa、50MPa、60MPa、70MPa、80MPa、90MPa、100MPa中的任意一者或任意两者之间的范围；步骤S5中，压制压力可以为例如但不限于200MPa、220MPa、250MPa、270MPa、300MPa、330MPa、350MPa、380MPa、400MPa、430MPa、450MPa、480MPa、500MPa中的任意一者或任意两者之间的范围；
优选的，烧结温度为830～860℃，烧结时间为2.5～4.0h。本发明采用钢质基体上进行喷铜打底操作，由于钢质基体和打底层冷却速度的不同，通常会出现冷却分层的情况，而在本发明所述烧结温度下，打底层会渗入钢质基体，增加了钢质基体和打底层的结合力，进一步提升了缸体的整体性能。具体的，烧结温度可以为例如但不限于830℃、835℃、840℃、845℃、850℃、855℃、860℃中的任意一者或任意两者之间的范围；烧结时间可以为例如但不限于2.5h、2.75h、3.0h、3.25h、3.5h、3.75h、4.0h中的任意一者或任意两者之间的范围。
优选的，回火温度为750～830℃，回火时间为2～3.5h；具体的，回火温度可以为例如但不限于750℃、760℃、770℃、780℃、790℃、800℃、810℃、820℃、830℃中的任意一者或任意两者之间的范围；回火时间可以为例如但不限于2.0h、2.25h、2.5h、2.75h、3.0h、3.25h、3.5h中的任意一者或任意两者之间的范围。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种高压柱塞泵缸体，采用上述制备方法制备得到，所述高压柱塞泵缸体包括基体、打底层、粉末烧结层。
优选的，所述高压柱塞泵缸体的粉末烧结层的厚度为0.9～1.1mm。本发明控制粉末烧结层的厚度在上述范围，既可以保证高压柱塞泵缸体良好的性能，又避免设置过厚的粉末烧结层劣化性能且增加成本，具体的，粉末烧结层的厚度可以为例如但不限于0.9mm、0.95mm、1.0mm、1.05mm、1.1mm中的任意一者或任意两者之间的范围。
优选的，所述高压柱塞泵缸体的粉末烧结层与基体之间的结合力≥40MPa，摩擦系数为0.03～0.05。进一步优选的，所述高压柱塞泵缸体的粉末烧结层与基体之间的结合力≥43MPa，
以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明。
实施例1
一种高压柱塞泵缸体的制备方法，包括如下步骤：
S1.对Q235钢基体进行表面喷砂；
S2.表面喷砂后的基体进行喷铜打底，打底层厚度为0.25mm；
S3.喷铜打底后，采用模具在打底层表面压制粉末；所述粉末按重量百分比计，其组成为：铜合金粉98.5wt％，石墨1.5wt％；所述铜合金粉按重量百分比计，其组成为：Sn5wt％，Pb 5wt％，Zn 5wt％，余量为Cu和不可避免的杂质，所述粉末的尺寸为120目，压制压力为80MPa；
S4.烧结；控制烧结温度为850℃，烧结时间为3.0h；
S5.烧结完成后再进行压制，压制压力为400MPa；
S6.回火；回火温度为800℃，回火时间为3h；
S7.机加工。
制备得到的高压柱塞泵缸体的粉末烧结层厚度为1.01mm，粉末烧结层与基体之间的结合力为46MPa，摩擦系数为0.032。
实施例2
一种高压柱塞泵缸体的制备方法，包括如下步骤：
S1.对Q235钢基体进行表面喷砂；
S2.表面喷砂后的基体进行喷铜打底，打底层厚度为0.2mm；
S3.喷铜打底后，采用模具在打底层表面压制粉末；所述粉末按重量百分比计，其组成为：铜合金粉99wt％，石墨1wt％；所述铜合金粉按重量百分比计，其组成为：Sn 4wt％，Pb 4wt％，Zn 6wt％，余量为Cu和不可避免的杂质，所述粉末的尺寸为100目，压制压力为30MPa；
S4.烧结；控制烧结温度为830℃，烧结时间为4.0h；
S5.烧结完成后再进行压制，压制压力为500MPa；
S6.回火；回火温度为750℃，回火时间为3.5h；
S7.机加工。
制备得到的高压柱塞泵缸体的粉末烧结层厚度为0.98mm，粉末烧结层与基体之间的结合力为44MPa，摩擦系数为0.035。
实施例3
一种高压柱塞泵缸体的制备方法，包括如下步骤：
S1.对Q235钢基体进行表面喷砂；
S2.表面喷砂后的基体进行喷铜打底，打底层厚度为0.3mm；
S3.喷铜打底后，采用模具在打底层表面压制粉末；所述粉末按重量百分比计，其组成为：铜合金粉98wt％，石墨2wt％；所述铜合金粉按重量百分比计，其组成为：Sn 6wt％，Pb 6wt％，Zn 4wt％，余量为Cu和不可避免的杂质，所述粉末的尺寸为150目，压制压力为100MPa；
S4.烧结；控制烧结温度为860℃，烧结时间为2.5h；
S5.烧结完成后再进行压制，压制压力为200MPa；
S6.回火；回火温度为830℃，回火时间为2h；
S7.机加工。
制备得到的高压柱塞泵缸体的粉末烧结层厚度为1.05mm，粉末烧结层与基体之间的结合力为43MPa，摩擦系数为0.031。
实施例4
一种高压柱塞泵缸体的制备方法，包括如下步骤：
S1.对45#钢基体进行表面喷砂；
S2.表面喷砂后的基体进行喷铜打底，打底层厚度为0.25mm；
S3.喷铜打底后，采用模具在打底层表面压制粉末；所述粉末按重量百分比计，其组成为：铜合金粉98.5wt％，石墨1.5wt％；所述铜合金粉按重量百分比计，其组成为：Sn5wt％，Pb 5wt％，Zn 5wt％，余量为Cu和不可避免的杂质，所述粉末的尺寸为120目，压制压力为90MPa；
S4.烧结；控制烧结温度为850℃，烧结时间为3.0h；
S5.烧结完成后再进行压制，压制压力为450MPa；
S6.回火；回火温度为810℃，回火时间为2.5h；
S7.机加工。
制备得到的高压柱塞泵缸体的粉末烧结层厚度为1.03mm，粉末烧结层与基体之间的结合力为47MPa，摩擦系数为0.030。
对比例1
一种高压柱塞泵缸体的制备方法，包括如下步骤：
S1.对45#钢基体进行表面喷砂；
S3.喷砂后，采用模具在基体表面压制粉末；所述粉末按重量百分比计，其组成为：铜合金粉98.5wt％，石墨1.5wt％；所述铜合金粉按重量百分比计，其组成为：Sn 5wt％，Pb5wt％，Zn 5wt％，余量为Cu和不可避免的杂质，所述粉末的尺寸为120目，压制压力为90MPa；
S4.烧结；控制烧结温度为850℃，烧结时间为3.0h；
S5.烧结完成后再进行压制，压制压力为450MPa；
S6.回火；回火温度为810℃，回火时间为2.5h；
S7.机加工。
制备得到的高压柱塞泵缸体的粉末烧结层厚度为1.03mm，粉末烧结层与基体之间的结合力为16MPa，摩擦系数为0.038。
对比例2
一种高压柱塞泵缸体的制备方法，包括如下步骤：
S1.对45#钢基体进行表面喷砂；
S2.表面喷砂后的基体进行喷铜打底，打底层厚度为0.10mm；
S3.喷铜打底后，采用模具在打底层表面压制粉末；所述粉末按重量百分比计，其组成为：铜合金粉98.5wt％，石墨1.5wt％；所述铜合金粉按重量百分比计，其组成为：Sn5wt％，Pb 5wt％，Zn 5wt％，余量为Cu和不可避免的杂质，所述粉末的尺寸为120目，压制压力为90MPa；
S4.烧结；控制烧结温度为850℃，烧结时间为3.0h；
S5.烧结完成后再进行压制，压制压力为450MPa；
S6.回火；回火温度为810℃，回火时间为2.5h；
S7.机加工。
制备得到的高压柱塞泵缸体的粉末烧结层厚度为1.02mm，粉末烧结层与基体之间的结合力为21MPa，摩擦系数为0.036。
对比例3
一种高压柱塞泵缸体的制备方法，包括如下步骤：
S1.对45#钢基体进行表面喷砂；
S2.表面喷砂后的基体进行喷铜打底，打底层厚度为0.25mm；
S3.喷铜打底后，采用模具在打底层表面压制粉末；所述粉末为铜合金粉，铜合金粉按重量百分比计，其组成为：Sn 5wt％，Pb 5wt％，Zn 5wt％，余量为Cu和不可避免的杂质，所述粉末的尺寸为120目，压制压力为90MPa；
S4.烧结；控制烧结温度为850℃，烧结时间为3.0h；
S5.烧结完成后再进行压制，压制压力为450MPa；
S6.回火；回火温度为810℃，回火时间为2.5h；
S7.机加工。
制备得到的高压柱塞泵缸体的粉末烧结层厚度为1.01mm，粉末烧结层与基体之间的结合力为24MPa，摩擦系数为0.087。
对比例4
一种高压柱塞泵缸体的制备方法，包括如下步骤：
S1.对45#钢基体进行表面喷砂；
S2.表面喷砂后的基体进行喷铜打底，打底层厚度为0.25mm；
S3.喷铜打底后，采用模具在打底层表面压制粉末；所述粉末按重量百分比计，其组成为：铜合金粉98.5wt％，石墨1.5wt％；所述铜合金粉按重量百分比计，其组成为：Sn5wt％，Pb 5wt％，Zn 5wt％，余量为Cu和不可避免的杂质，所述粉末的尺寸为50目，压制压力为90MPa；
S4.烧结；控制烧结温度为850℃，烧结时间为3.0h；
S5.烧结完成后再进行压制，压制压力为450MPa；
S6.回火；回火温度为810℃，回火时间为2.5h；
S7.机加工。
制备得到的高压柱塞泵缸体的粉末烧结层厚度为1.53mm，粉末烧结层与基体之间的结合力为27MPa，摩擦系数为0.064。
对比例5
一种高压柱塞泵缸体的制备方法，包括如下步骤：
S1.对45#钢基体进行表面喷砂；
S2.表面喷砂后的基体进行喷铜打底，打底层厚度为0.25mm；
S3.喷铜打底后，采用模具在打底层表面压制粉末；所述粉末按重量百分比计，其组成为：铜合金粉98.5wt％，石墨1.5wt％；所述铜合金粉按重量百分比计，其组成为：Sn5wt％，Pb 5wt％，Zn 5wt％，余量为Cu和不可避免的杂质，所述粉末的尺寸为120目，压制压力为90MPa；
S4.烧结；控制烧结温度为900℃，烧结时间为3.0h；
S5.烧结完成后再进行压制，压制压力为450MPa；
S6.回火；回火温度为850℃，回火时间为2.5h；
S7.机加工。
制备得到的高压柱塞泵缸体的粉末烧结层厚度为1.05mm，粉末烧结层与基体之间的结合力为30MPa，摩擦系数为0.054。
对比例6
一种高压柱塞泵缸体的制备方法，包括如下步骤：
S1.对45#钢基体进行表面喷砂；
S2.表面喷砂后的基体进行喷铜打底，打底层厚度为0.25mm；
S3.喷铜打底后，采用模具在打底层表面压制粉末；所述粉末按重量百分比计，其组成为：铜合金粉98.5wt％，石墨1.5wt％；所述铜合金粉按重量百分比计，其组成为：Sn5wt％，Pb 5wt％，Zn 5wt％，余量为Cu和不可避免的杂质，所述粉末的尺寸为120目，压制压力为90MPa；
S4.烧结；控制烧结温度为850℃，烧结时间为3.0h；
S5.烧结完成后再进行压制，压制压力为450MPa；
S6.回火；回火温度为850℃，回火时间为2.5h；
S7.机加工。
制备得到的高压柱塞泵缸体的粉末烧结层厚度为1.03mm，粉末烧结层与基体之间的结合力为32MPa，摩擦系数为0.043。
本发明采用粉末冶金的方式，选用优化组分的粉末，以钢基材料作为基体，通过喷砂、打底、粉末压制、烧结等工艺，实现了超低摩擦系数、高结合力、低膨胀、高精度的高压柱塞泵缸体的制备，得到的高压柱塞泵缸体的摩擦系数为0.03～0.05，粉末烧结层与基体之间的结合力≥40MPa，装配精度可达0.01mm，降低了高压柱塞泵缸体的安装难度，提高了高压柱塞泵缸体的耐磨性、精度、可靠性和使用寿命，降低了更换频次和生产成本，提供了改善高压柱塞泵缸体性能的新的解决方案。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (4)
1.一种高压柱塞泵缸体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.基体表面喷砂；基体材质为Q235钢或45#钢；
S2.喷铜打底；打底层厚度为0.2~0.3mm；
S3.模具压制粉末；压制压力为30~100MPa；所述粉末按重量百分比计，其组成为：铜合金粉98~99%，石墨 1~2wt%；所述铜合金粉按重量百分比计，其组成为：Sn 4~6wt%，Pb 4~6wt%，Zn 4~6wt%，余量为Cu和不可避免的杂质；所述粉末的尺寸为100~150目；
S4.烧结；烧结温度为830~860℃，烧结时间为2.5~4.0h；
S5.再压制；压制压力为200~500MPa；
S6.回火；回火温度为750~830℃，回火时间为2~3.5h；
S7.机加工；
所述高压柱塞泵缸体的粉末烧结层的厚度为0.9~1.1mm。
2.一种高压柱塞泵缸体，其特征在于，采用权利要求1所述的高压柱塞泵缸体的制备方法制备得到。
3.根据权利要求2所述的高压柱塞泵缸体，其特征在于，高压柱塞泵缸体包括基体、打底层、粉末烧结层。
4.根据权利要求2所述的高压柱塞泵缸体，其特征在于，所述高压柱塞泵缸体的粉末烧结层与基体之间的结合力≥40MPa，摩擦系数为0.03~0.05。
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