耐高压双金属复合材料及其加工设备、加工方法与流程

本发明涉及一种复合材料及其加工设备、加工方法，具体涉及一种可应用于核心液压零部件制造的耐高压双金属复合材料及其加工设备、加工方法，属于金属材料加工领域。

背景技术：

随着我国金属加工行业的飞速发展，市场对于各类产品的性能要求不断提高，同时，对于产品小型化及产品环保性的要求也日益强烈。正是基于上述要求，因此目前各加工企业都在着力提高材料的性能。

高力黄铜是高性价比的一种铜合金，其耐磨性、承载性均极为优异，被广泛用于液压泵、液压马达摩擦副的制造，此外，其还可以用于各种柱塞泵、马达配油盘及缸体等的加工制造。但是目前，在高压领域内使用的采用高力黄铜单体制造的摩擦副已不能满足性能要求，为了更好的使用这类材料，各加工企业多采用优质碳素钢作为背衬基材复合铜合金的方法来提高摩擦副的机械性能。

具体而言，在目前的生产加工过程中，大多数的零件生产均采用粉末冶金的方式进行。而高压、超高压液压零部件多为品种多、批量小的产品，粉末冶金的加工方式并不适合这种小批量生产，并且粉末冶金的生产设备规模较大成本较高。而且，目前粉末冶金采用的多为铅青铜合金，由于其中含有铅，因此已不能满足环保要求。除上述缺陷外，还有较为关键的一点是，虽然铅青铜的减摩性较好但其耐磨性较很差，相较而言，高力黄铜的综合性能优于铅青铜。

综上所述，如何设计出一种能够实现碳素钢或合金钢与高力黄铜相结合、可应用于核心液压零部件制造的耐高压双金属复合材料及其加工设备、加工方法，就成为了本领域内的工作人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明的目的是提出一种可应用于核心液压零部件制造的耐高压双金属复合材料及其加工设备、加工方法。

本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现：

一种耐高压双金属复合材料，包括相结合的两种金属材料层及焊片，所述两种金属材料层包括用于提高材料耐磨性能的耐磨层以及用于提高材料机械性能的耐压层，所述耐磨层及所述耐压层之间借助所述焊片实现固相结合。

优选地，所述焊片的熔点低于所述耐磨层及所述耐压层的熔点；所述耐磨层的材质为铜合金，所述耐压层的材质为钢材，所述焊片的材质为银。

优选地，所述耐磨层的材质为高力黄铜，所述耐压层的材质为碳素钢或合金钢。

本发明还揭示了一种用于加工上述耐高压双金属复合材料的加工设备，包括设备外壳，所述设备外壳内设置有一用于加压加热结合的密闭加热炉腔，还包括可活动地设置于所述密闭加热炉腔内的压合装置及加热装置，所述密闭加热炉腔还连接有用于炉腔抽真空的真空泵，以及用于监测炉腔内温度的温度传感器。

优选地，所述压合装置包括相互匹配的上压板及下压板，所述上压板及下压板之间设置有一结合工位，所述结合工位的周向外侧设置有用于炉内加热保温的石墨块。

优选地，所述加热装置包括固定设置于所述密闭加热炉腔内的加热器以及固定设置于所述设备外壳底部的液压式加热设备。

本发明还揭示了一种使用上述用于加工耐高压双金属复合材料的加工设备的加工方法包括如下步骤：

S1、上料步骤，首先将需要结合的两种金属材料层及焊片按序叠合，并使所述焊片处于耐磨层及耐压层之间，随后将完成叠合的材料放置于密闭加热炉腔内的结合工位处；

S2、抽真空步骤，当待结合材料被送入所述结合工位后，闭合所述密闭加热炉腔，随后使用真空泵将对所述密闭加热炉腔内进行抽真空处理；

S3、加热步骤，当所述密闭加热炉腔内形成真空环境后，启动加热装置对炉内进行加热，并通过温度传感器监测炉内的实时温度，直至使所述密闭加热炉腔内的温度达到结合温度，随即停止加热并进入保温状态；

S4、压合步骤，当所述密闭加热炉腔内的温度达到结合温度后，启动压合装置，实现待结合材料的结合，压合完成后，将已完成压合的材料置于所述密闭加热炉腔内进行持续保温；

S5、下料步骤，达到规定的保温时间后，开启所述密闭加热炉腔，将已完成结合的材料取出，完成下料。

优选地，在S3的加热步骤中，所述结合温度低于所述焊片的熔点，当所述密闭加热炉腔内的温度达到结合温度时，所述焊片保持固态。

优选地，在S4的压合步骤中，在进行压合操作时，所述密闭加热炉腔的炉内压力为7~15Pa，所述压合装置提供的结合压力为5~10MPa。

优选地，在S5的下料步骤中，所述保温时间不小于60min。

本发明的突出效果为：本发明通过在两种金属之间加入焊片，再使用真空加压加热的方式实现了双金属的结合，为了克服两种金属对焊片润湿性差的问题，本发明采用了低于焊片熔点的加热温度，实现了金属及焊片间高强度的固相结合，同时也避免了高温加热对材料金相组织、机械性能的影响。本发明可以实现同一设备对多品种零件的小批量的生产以及多品种零件的混合生产，设备使用要求低，降低了零件的制造成本。同时，本发明还能够有效缩小加工零件的体积，提高加工零件的机械性能，提高良品率。此外，本发明在生产的全过程中均没有使用到铅，充分实现了加工材料的无铅化，满足了加工过程的环保要求。

综上所述，本发明能够制造成本低、使用效果好、环保程度高，具有很高的使用及推广价值。

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1是本发明中加工设备的结构示意图；

图2是实验1的结果分析图；

图3是实验2的结果分析图；

图4是实验3的结果分析图；

图5是实验4的结果分析图；

图6是实验5的结果分析图；

图7是实验6的结果分析图；

图8是实验7的结果分析图；

图9是实验8的结果分析图；

图10是实验1中各种结合温度下结合面处材料诸元素的线分布分析结果图；

图11是实验1中各种结合温度下结合面处材料诸元素的线分布分析结果图；

图12是实验1中各种结合温度下结合面处材料诸元素的面分布分析结果图；

图13是实验1中各种结合温度下结合面处材料诸元素的面分布分析结果图。

其中：1、密闭加热炉腔；2、石墨块；3、焊片；4、耐压层；5、耐磨层；6、液压式加热设备；7、上压板；8、下压板；9、加热器；10、温度传感器。

具体实施方式

本发明揭示了一种可应用于核心液压零部件制造的耐高压双金属复合材料及其加工设备、加工方法。

如图所示，一种耐高压双金属复合材料，包括相结合的两种金属材料层及焊片3，所述两种金属材料层包括用于提高材料耐磨性能的耐磨层5以及用于提高材料机械性能的耐压层4，所述耐磨层5及所述耐压层4之间借助所述焊片3实现固相结合。

所述焊片3的熔点低于所述耐磨层5及所述耐压层4的熔点。在材质选择方面，所述耐磨层5的材质为铜合金，所述耐压层4的材质为钢材，所述焊片3的材质为银。

在本实施例中，最为优选的方案为，所述耐磨层5的材质为高力黄铜，所述耐压层4的材质为碳素钢或合金钢。

本发明还揭示了一种用于加工上述耐高压双金属复合材料的加工设备，包括设备外壳，其特征在于：所述设备外壳内设置有一用于加压加热结合的密闭加热炉腔1，还包括可活动地设置于所述密闭加热炉腔1内的压合装置及加热装置，所述密闭加热炉腔1还连接有用于炉腔抽真空的真空泵，以及用于监测炉腔内温度的温度传感器10。

所述压合装置包括相互匹配的上压板7及下压板8，所述上压板7及下压板8之间设置有一结合工位，所述结合工位的周向外侧设置有用于炉内加热保温的石墨块2。

所述加热装置包括固定设置于所述密闭加热炉腔1内的加热器9以及固定设置于所述设备外壳底部的液压式加热设备6。

本发明还揭示了一种使用上述用于加工耐高压双金属复合材料的加工设备的加工方法，包括如下步骤：

S1、上料步骤，首先将需要结合的两种金属材料层及焊片3按序叠合，并使所述焊片3处于耐磨层5及耐压层4之间，随后将完成叠合的材料放置于密闭加热炉腔1内的结合工位处；

S2、抽真空步骤，当待结合材料被送入所述结合工位后，闭合所述密闭加热炉腔1，随后使用真空泵将对所述密闭加热炉腔1内进行抽真空处理；

S3、加热步骤，当所述密闭加热炉腔1内形成真空环境后，启动加热装置对炉内进行加热，并通过温度传感器10监测炉内的实时温度，直至使所述密闭加热炉腔1内的温度达到结合温度，随即停止加热并进入保温状态；

S4、压合步骤，当所述密闭加热炉腔1内的温度达到结合温度后，启动压合装置，实现待结合材料的结合，压合完成后，将已完成压合的材料置于所述密闭加热炉腔1内进行持续保温；

S5、下料步骤，达到规定的保温时间后，开启所述密闭加热炉腔1，将已完成结合的材料取出，完成下料。

需要补充说明的是，在S3的加热步骤中，所述结合温度低于所述焊片3的熔点，当所述密闭加热炉腔1内的温度达到结合温度时，所述焊片3保持固态。

在S4的压合步骤中，在进行压合操作时，所述密闭加热炉腔1的炉内压力为7~15Pa，所述压合装置提供的结合压力为5~10MPa。

在S5的下料步骤中，所述保温时间不小于60min。

以下通过各项具体实验进一步阐述本发明的技术方案：

（一）材料的润湿性评价

一般而言，使用焊片来结合金属材料（基材），应保证所使用的焊片的熔点低于基材的熔点，焊片融化后湿润被结合表面，冷却后实现结合。然而，当焊片加热到熔融状态时，焊片与基材的润湿性就成为了影响结合面质量的关键性因素。

为了对金属材料的润湿性进行评价，操作者分别对碳素钢（S45C）和高力黄铜（CAC302）进行了润湿性试验，试验中使用的焊片材质为银，重0.27g（直径5.8mm，厚1mm），熔点为783℃，加热炉内的温度为850℃，炉内压力为1个大气压，并填充2NL/min 的氮气流，保温时间为15min，材料间接触面的粗糙度为0.006μｍRa。

实验结果显示，碳素钢与熔融状态的银的接触角θ=72.6°，角度大于45°，可以认为其润湿性较差。而高力黄铜与熔融状态的银的接触角θ=124.8°，角度大于90°，可以认为其润湿性很差。

上述试验结果表明使用碳素钢及高力黄铜都对银焊片的润湿性很差，一般为改善材料的润湿性，都会使用助焊剂，而黄铜类含锌量较高的材料即便使用助焊剂也很难改善润湿性，所以用钎焊很难实现碳素钢与黄铜合金的高强度结合。因此必须寻找其他方法来实现这类材料的结合。

（二）最佳技术条件

为了达到本发明的最佳技术效果，操作者通过对碳素钢与高力黄铜钎焊结合时的各种条件进行变化，筛选，并实施以下实验，以找出满足结合要求的最佳实施方案。

（1）结合温度对结合强度的影响

（1.1）实验1

基本条件：结合材料为碳素钢(S45C)与高力黄铜（CAC304），结合面夹入Bag-8银焊片。加热炉内压力 7Pa～15Pa、结合压力2.5MPa、结合面粗糙度0.006μmRa、保温时间30min。对结合温度与结合面抗拉强度实施调查，实验结果见图2。对比试验为真空钎焊，所用材料相同，结合压力10kPa，其他条件均相同。实验重复数N=3，实验结果取均值。

图2的实验结果表明结合温度高于银焊片融点(783℃)时的结合强度在420MPa到440MPa之间、液相结合温度升高对结合强度没有显著的影响。在接近银焊片融点的固相温度获得了最大结合强度。相同条件下的真空钎焊(结合温度850℃)的结合强度为240MPa。

（1.2）实验2

基本条件：结合材料与实验1相同。结合面压力变为5.5MPa、结合面粗糙度变为1.05μmRa、保温时间变为60min。对结合温度与结合面抗拉强度实施调查，试验结果见图3。对比试验为真空钎焊，材料相同，结合压力10kPa，其他条件均相同。实验重复数N=3，实验结果取均值。

图3的实验结果表明结合温度高于银焊片融点（783℃）的液相温度条件下，随着温度的升高结合强度由440MPa下降到360MPa。而相同条件下真空钎焊的结合强度为270MPa。在接近银焊片融点的固相温下获得了最大结合强度。

（1.3）实验3

基本条件：结合材料与实验1相同。炉内压力变为1个大气压，并填充2NL/min 的氮气流，结合面压力与实验2相同、为5.5MPa，结合面粗糙度与实验2相同、为1.05μmRa，保温时间变为60min。对结合温度与结合面拉伸强度实施调查，试验结果见图4。实验重复数N=3，实验结果取均值。

图4的实验结果表明结合温度高于银焊片融点（783℃）的液态温度条件下，结合强度在360MPa到355MPa之间，温度的升高对结合强度没有显著影响。比实验2的真空条件下的结合强度明显降低。但比上述实验2中的真空钎焊的结合强度270MPa有明显提高。

通过以上实验得出结论，对于润湿性很差的碳素钢与铜合金的银焊片结合，在接近银焊片融点的温度条件下实施结合，银焊片呈固体状态故可以回避被结合材料与银焊片之间的润湿性很差的不利因素并且不需要使用助焊剂，可以获得较高的结合强度。同时在结合过程中对结合面施加高于真空钎焊的压力，会有利于获得更高的结合强度。

本发明的方法可以适用于直接扩散法及真空钎焊法无法获得高结合强度的润湿性差的材料的结合。例如锌，锑，铝，砷，铋含量较高的金属材料。需要特别说明的是，本发明对润湿性差的定义为接触角大于45°。特别是像高力黄铜这类接触角大于90°的材料。

（2）保温时间对结合强度的影响

（2.1）实验4

基本条件：结合材料与实验1相同。炉内压力为7Pa～15Pa。结合温度为750℃，结合面压力为10MPa，结合面粗糙度为0.006μmRa。调节保温时间，调查保温时间对结合强度的影响。试验结果见图5。实验重复数N=3，实验结果取均值。图5的实验结果表明保温时间超过1小时之后，结合强度没有明显变化。

（2.2）实验5

基本条件：结合材料与实验1相同。结合面粗糙度变为1.05μmRa。其他条件与实验4相同。调节保温时间，调查保温时间对结合强度的影响。试验结果见图6。实验重复数N=3，实验结果取均值。图6的实验结果表明保温时间对结合面强度的影响比实验4要明显一些。

通过以上实验得出结论，保温时间超过1.0小时后，延长保温时间对结合面强度的影响不明显。

（3）结合压力对结合强度的影响

（3.1）实验6

基本条件：结合材料与实验1相同。炉内压力为7Pa～15Pa，结合温度为750℃，结合面压力为10MPa。结合面粗糙度为0.006μmRa，保温时间为30min。调节结合压力调查结合压力对结合强度的影响。试验结果见图7。实验重复数N=3，实验结果取均值。图7的实验结果表明结合压力4MPa以上时结合压力对结合强度的影响很小。

（3.2）实验7

基本条件：结合材料与实验1相同。结合面粗糙度变为1.05μmRa，其他条件与实验6相同。调节结合压力，调查结合压力对结合强度的影响。试验结果见图8。实验重复数N=3，实验结果取均值。

图8的实验结果表明，机械加工面（材料结合面粗糙度为1.05μmRa）之间结合，比实验6中的镜面（材料结合面粗糙度为0.006μmRa）之间结合时结合压力对结合强度的影响要大。且结合压力大于8MPa时，可获得大于钎焊（200MPa）的结合强度。

（3.3）实验8

基本条件：结合材料与实验1相同。保温时间为60min，其他条件与实验7相同。调节结合压力调查结合压力对结合强度的影响。试验结果见图9。实验重复数N=3，实验结果取均值。 图9的实验结果表明，在这种实验条件下，当结合压力大于5.5MPa时，可获得300MPa以上的结合强度。

以上实验结果可以说明，本发明的结合方法既可以实现机械加工表面之间的结合还可以实现镜面之间的结合，考虑到材料镜面加工的复杂程度，因此本发明在实际使用时会被更多的应用于机械加工表面之间的结合，且无论采用上述的那种结合方式，均可以保证足够的结合强度。

（4）材料结合面诸元素分布的分析

（4.1）诸元素的线分布分析

图10~图11 为实验1中各种结合温度下结合面处材料诸元素（Fe, Ag, Cu, Zn）的线分布分析结果。诸元素的线分布结果表明，在温度低于银焊片融点（783℃）的范围内，铁Fe向铜Cu的扩散较少，而在高于银焊片融点（783℃）的范围内铁Fe向铜Cu的扩散较多。实验1在850℃时的分布分析结果与真空钎焊基本相同。

（4.2）诸元素的面分布分析

图12~图13 为实验1中各种结合温度下结合面处材料诸元素（Fe, Ag, Cu, Zn）的面分析结果。诸元素的面分布结果表明，在温度低于银焊片融点（783℃）的范围内，铁Fe向铜Cu的扩散较少，而在高于银焊片融点（783℃）的范围内铁Fe向铜Cu的扩散较多。实验1在850℃时的分布分析结果与真空钎焊基本相同。

上述分析结果表明本发明的材料结合方法可以大幅减少基底材料中铁Fe向铜Cu的扩散，从而减小结合工艺过程对高力黄铜机械性能的影响。

综合以上四个方面的实验分析可以得知，本发明中的结合方法可以有效地实现润湿性较差的碳素钢与润湿性很差的高力黄铜之间的高强度结合，且这一结合方式并不会影响结合材料的金相结构，这也就意味着这一结合方式并不会影响结合材料的各项性质及其机械性能。

本发明通过在两种金属之间加入焊片，再使用真空加压加热的方式实现了双金属的结合，为了克服两种金属对焊片润湿性差的问题，本发明采用了低于焊片熔点的加热温度，实现了金属及焊片间高强度的固相结合，同时也避免了高温加热对材料金相组织、机械性能的影响。本发明可以实现同一设备对多品种零件的小批量的生产以及多品种零件的混合生产，设备使用要求低，降低了零件的制造成本。同时，本发明还能够有效缩小加工零件的体积，提高加工零件的机械性能，提高良品率。此外，本发明在生产的全过程中均没有使用到铅，充分实现了加工材料的无铅化，满足了加工过程的环保要求。

综上所述，本发明能够制造成本低、使用效果好、环保程度高，具有很高的使用及推广价值。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。