专利名称：一种用于柱塞泵缸体的球墨铸铁-青铜复合材料制备方法
技术领域：
本发明涉及金属复合材料的制备方法，尤其是用于柱塞泵缸体的球墨铸铁一青铜复合材料的制备方法。
背景技术：
柱塞泵是建筑、冶金、石油、船舶、矿山、军工等领域液压机械上不可缺少的重要部件。作为柱塞泵缸体材料，通常采用钢或铸铁与青铜的复合材料。专利91109101，周铁涛，李海志，周威扬，王义虎。铸铁一铜双金属复合材料烧结工艺介绍了一种制备铸铁一铜合金复合材料的烧结工艺。该工艺首先在铸铁基体表面均勻撒布一层稀薄铜粉，置入烧结炉中进行第一次扩散烧结使铜铁相互扩散粘接；然后再撒布一层厚铜粉置入烧结炉中进行第二次烧结，经二次烧结后将复合材料进行密实处理，然后再回炉进行补充烧结使铜层更加牢固结实。但是这种烧结方法工艺较为繁琐，且难以控制烧结过程中的氧化。专利200910252896，殷汝新，马士敏，徐道荣。液压轴向柱塞泵缸体球墨铸铁与铜合金的钎焊方法介绍了一种制备球墨铸铁与铜合金复合材料的钎焊工艺。该工艺采用在铸铁和铜合金施加铜银合金钎料，然后在炉中控制加热使钎料熔化，从而在铸铁和铜合金之间起到过渡连接作用。虽然钎焊工艺操作简单，但不适合大截面材料复合，并且在使用钎剂的前提下， 难以进行有效排渣；同时，使用铜银钎料的成本也相对较高。
发明内容
由于铁与铜相互之间的固溶度较低，同时球墨铸铁中含有较高的石墨和硅含量， 阻碍铜向铁中扩散，造成界面结合力较低，另外，在随后复合材料热处理时，例如淬火冷却时，由于球墨铸铁(约11X10-6/K)和铜合金(约17X10-6/K)之间的热膨胀系数差较大，在冷却过程中产生较大的热应力梯度，这也将对球墨铸铁与铜合金之间的结合强度造成不利影响。为了克服铜和铁之间的固溶度较小以及冷却过程中热应力梯度大这二个影响界面结合强度的问题，本发明采用施加镍过渡层来加以克服。根据铁-铜和镍-铜相图可以看出，在850°C左右，镍与铜之间能够形成无限固溶体，同时镍在铁中也有较大的固溶度， 并且不会形成金属件化合物，因此能够形成良好的界面结合性能；另外，镍的热膨胀系数约 13X10-6/K左右，介于铜和铁之间，也能有效降低冷却过程中形成的热应力梯度。具体是这样实施的一种用于柱塞泵缸体的球墨铸铁-青铜复合材料制备方法， 其特征在于通过电镀方法在球墨铸铁表面镀上一层镍，然后在球墨铸铁镀镍表面压制一层粉末青铜层，获得复合坯料，将复合坯料在还原性或中性气氛中烧结获得烧成复合材料。为了达到本发明良好的实施效果，球墨铸铁表面镀上的镍层厚度一般为10-50微米。实施本发明的详细工艺步骤为 ①电镀前的球墨铸铁表面处理将球墨铸铁进行机械表面抛光，然后进行酸洗、碱洗和水洗，尽可能去除球墨铸铁表面的铁锈和油污，达到电镀要求。②球墨铸铁电镀镍
以氨基磺酸镍或硫酸镍或氯化镍为主盐配制电镀液，并在水浴槽中加热至45-70°C左右，以镍板或高纯石墨棒为阳极，球墨铸铁为阴极，然后在电流密度约5A/dm2条件下进行电镀镍，于球墨铸铁表面镀上一层10-50微米厚的镍层。③压制粉末青铜层
根据青铜层的厚度要求，在球墨铸铁镀镍表面施加适量的青铜粉，然后液压机上进行压制成复合坯料，压制压力为400-600 MPa，压制后铅青铜层的相对密度为60_80%。④烧结
将复合坯料置于还原性或中性气氛中800-860°C烧结l_4h即可。⑤冷却
将烧结好的复合材料以炉冷、空冷或淬火等方式进行冷却。根据本发明采用电镀方法，在球墨铸铁表面制备一层镍作为过渡层，然后在其表面压制粉末铅青铜层，再通过气氛保护烧结，制备成球墨铸铁-铅青铜复合材料。由于镍与铜、镍与铁之间的固溶度比铁与铜大，以及镍的热膨胀系数介于铁和铜之间，因此以镍作过渡层能大大提高复合材料的界面结合强度。
图1为实施例1的球S區铸铁-铅 f铜复合材料的界面处扫描电镜照片。
图2为实施例1的球S區铸铁-铅 f铜复合材料的界面处能谱分析。
图3为实施例2的球S區铸铁-铅 f铜复合材料的界面处扫描电镜照片。
图4为实施例3的球S區铸铁-铅 f铜复合材料的界面处扫描电镜照片。
图5为实施例4的球S區铸铁-铅 f铜复合材料的界面处扫描电镜照片。
图6为实施例5的球S區铸铁-铅 f铜复合材料的界面处扫描电镜照片。
图7为实施例6的球S區铸铁-铅 f铜复合材料的界面处扫描电镜照片。
具体实施例方式实施例1，一种用于柱塞泵缸体的球墨铸铁-青铜复合材料制备方法，制作步骤为
I球墨铸铁表面处理
首先利用水砂纸将对墨铸铁进行表面抛光，然后进行10%HF混合液酸洗
30秒，热水冲洗15分钟，再用5% NaOH溶液碱洗30分钟，然后热水冲洗15分钟，尽可能去除球墨铸铁表面的铁锈和油污。‘球墨铸铁电镀镍
以硫酸镍为主盐配制电镀液，镀液成分为NiS04-6H20 330 g/1，NiCl-6H20 :45 g/1， H3B03 37 g/l，H202 :0.5 ml/1，并在水浴槽中加热至60°C左右，然后以高纯石墨棒为阳极， 球墨铸铁为阴极，控制电流密度为5A/dm2左右进行电镀10分钟，镍层厚度约为10微米。
③压制粉末青铜层
青铜粉采用雾化法制备的铅青铜粉，其名义成分为CU-15Pb-4Sn-2Ni-lZn (质量分数，％)，粒径为100微米左右。根据青铜层厚度要求，在镀镍球墨铸铁表面施加适量铅青铜粉，然后液压机上压制成复合坯料，压制压力约为500MPa，压制后铅青铜层的相对密度为 70%左右。+ 烧结
将复合坯料置于气氛保护烧结炉中，以氢气为还原性气氛，加热至850°C，烧结池。⑤冷却
将烧结好的复合材料在气氛保护条件下随炉冷却至室温。随后进行界面扫描电镜观察及能谱分析，分别如图1和图2所示。图1左侧为球墨铸铁，中间为过渡层；右边为铅青铜。 从图1可以看出，球墨铸铁和青铜之间结合良好。从图2能谱线扫描可以看出，铜谱线与铁谱线之间存在突变，表明二者之间互溶性很差，而镍在铜与铁之中都有较大的固溶度，从而能起到桥接作用。实施例2，一种用于柱塞泵缸体的球墨铸铁-青铜复合材料制备方法，制作步骤为
①球墨铸铁表面处理
首先利用水砂纸将对墨铸铁进行表面抛光，然后进行10%HF混合液酸洗
30秒，热水冲洗15分钟，再用5% NaOH溶液碱洗30分钟，然后热水冲洗15分钟，尽可能去除球墨铸铁表面的铁锈和油污。②球墨铸铁电镀镍
以氨基磺酸镍为主盐配制电镀液，镀液成分为Ni (NH2S03) 2 :340 g/1，NiC12 · 6H20 40 g/1, H3B03 40 g/1, C12H25S04Na :0. lg/1，并在水浴槽中加热至50°C左右，然后以镍板为阳极，球墨铸铁为阴极，控制电流密度为5A/dm2左右进行电镀20分钟，镍层厚度约为20 微米。③压制粉末青铜层
青铜粉采用雾化法制备的铅青铜粉，其名义成分为CU-15Pb-4Sn-2Ni-lZn (质量分数，％)，粒径为100微米左右。根据青铜层厚度要求，在镀镍球墨铸铁表面施加适量铅青铜粉，然后液压机上压制成复合坯料，压制压力约为600MPa，压制后铅青铜层的相对密度为 80%左右。φ 烧结
将复合坯料置于气氛保护烧结炉中，以氮气为中性保护气氛，加热至860°C，烧结lh。⑤冷却
将烧结好的复合材料从炉中取出直接水淬。随后进行界面扫描电镜观察，如图3所示。 图3左侧为球墨铸铁，中间为过渡层；右边为铅青铜。从图3可以看出，球墨铸铁和青铜之间结合良好。实施例3，一种用于柱塞泵缸体的球墨铸铁-青铜复合材料制备方法，制作步骤为①球墨铸铁表面处理
首先利用水砂纸将对墨铸铁进行表面抛光，然后进行10%HF混合液酸洗
30秒，热水冲洗15分钟，再用5% NaOH溶液碱洗30分钟，然后热水冲洗15分钟，尽可能去除球墨铸铁表面的铁锈和油污。'Ξ'球墨铸铁电镀镍
以氯化镍为主盐配制电镀液，镀液成分为NiC12*6H20 :300 g/l,H3B03 30 g/l,NaCl 10 g/1，C12H25S04Na:0. lg/1，并在水浴槽中加热至70°C左右，然后以镍板为阳极，球墨铸铁为阴极，控制电流密度为5A/dm2左右进行电镀50分钟，镍层厚度约为50微米。③压制粉末青铜层
青铜粉采用雾化法制备的铅青铜粉，其名义成分为CU-15Pb-4Sn-2Ni-lZn (质量分数，％)，粒径为100微米左右。根据青铜层厚度要求，在镀镍球墨铸铁表面施加适量铅青铜粉，然后液压机上压制成复合坯料，压制压力约为400MPa，压制后铅青铜层的相对密度为 60%左右。④烧结
将复合坯料置于气氛保护烧结炉中，以氨分解气为保护气氛，加热至800°C，烧结4h。⑤冷却
将烧结好的复合材料从炉中取出空冷。随后进行界面扫描电镜观察，如图4所示。图 4左侧为球墨铸铁，中间为过渡层；右边为铅青铜。从图4可以看出，球墨铸铁和青铜之间
结合良好。实施例4，一种用于柱塞泵缸体的球墨铸铁-青铜复合材料制备方法，制作步骤为
①球墨铸铁表面处理
首先利用水砂纸将对墨铸铁进行表面抛光，然后进行10%HF混合液酸洗
30秒，热水冲洗15分钟，再用5% NaOH溶液碱洗30分钟，然后热水冲洗15分钟，尽可能去除球墨铸铁表面的铁锈和油污。球墨铸铁电镀镍
以硫酸镍为主盐配制电镀液，镀液成分为NiS04-6H20 330 g/1, NiCl-6H20 :35 g/1, H3B03 37 g/l，H202 :0.5 ml/1，并在水浴槽中加热至60°C左右，然后以高纯石墨棒为阳极， 球墨铸铁为阴极，控制电流密度为5A/dm2左右进行电镀40分钟，镍层厚度约为40微米。③压制粉末青铜层
青铜粉采用雾化法制备的铅青铜粉，其名义成分为CU-15Pb-4Sn-2Ni-lZn (质量分数，％)，粒径为100微米左右。根据青铜层厚度要求，在镀镍球墨铸铁表面施加适量铅青铜粉，然后液压机上压制成复合坯料，压制压力约为550MPa，压制后铅青铜层的相对密度为 75%左右。
烧结
将复合坯料置于气氛保护烧结炉中，以氢气为还原性气氛，加热至830°C，烧结池。⑤冷却将烧结好的复合材料随炉冷却至室温。随后进行界面扫描电镜观察，如图5所示。图 5左侧为球墨铸铁，中间为过渡层；右边为铅青铜。从图5可以看出，球墨铸铁和青铜之间
结合良好。实施例5，一种用于柱塞泵缸体的球墨铸铁-青铜复合材料制备方法，制作步骤为
①球墨铸铁表面处理
首先利用水砂纸将对墨铸铁进行表面抛光，然后进行10%HF混合液酸洗
30秒，热水冲洗15分钟，再用5% NaOH溶液碱洗30分钟，然后热水冲洗15分钟，尽可能去除球墨铸铁表面的铁锈和油污。②球墨铸铁电镀镍
以氨基磺酸镍为主盐配制电镀液，镀液成分为Ni (NH2S03) 2 :340 g/1，NiC12 · 6H20 40 g/l,H3B03 40 g/1, C12H25S04Na :0. lg/1，并在水浴槽中加热至45°C左右，然后以镍板为阳极，球墨铸铁为阴极，控制电流密度为5A/dm2左右进行电镀30分钟，镍层厚度约为30 微米。③压制粉末青铜层
青铜粉采用雾化法制备的铅青铜粉，其名义成分为CU-15Pb-4Sn-2Ni-lZn (质量分数，％)，粒径为100微米左右。根据青铜层厚度要求，在镀镍球墨铸铁表面施加适量铅青铜粉，然后液压机上压制成复合坯料，压制压力约为400MPa，压制后铅青铜层的相对密度为 60%左右。
烧结
将复合坯料置于气氛保护烧结炉中，以氮气为中性保护气氛，加热至840°C，烧结池。⑤冷却
将烧结好的复合材料从炉中取出空冷。随后进行界面扫描电镜观察，如图6所示。图 6左侧为球墨铸铁，中间为过渡层；右边为铅青铜。从图6可以看出，球墨铸铁和青铜之间
结合良好。实施例6，一种用于柱塞泵缸体的球墨铸铁-青铜复合材料制备方法，制作步骤为
①球墨铸铁表面处理
首先利用水砂纸将对墨铸铁进行表面抛光，然后进行10%HF混合液酸洗
30秒，热水冲洗15分钟，再用5% NaOH溶液碱洗30分钟，然后热水冲洗15分钟，尽可能去除球墨铸铁表面的铁锈和油污。②球墨铸铁电镀镍
以氯化镍为主盐配制电镀液，镀液成分为NiC12*6H20 :300 g/l,H3B03 30 g/1,NaCl 10 g/1, C12H25S04Na:0. lg/1，并在水浴槽中加热至60°C左右，然后以镍板为阳极，球墨铸铁为阴极，控制电流密度为5A/dm2左右进行电镀40分钟，镍层厚度约为40微米。③压制粉末青铜层
青铜粉采用雾化法制备的铅青铜粉，其名义成分为CU-15Pb-4Sn-2Ni-lZn (质量分数，％)，粒径为100微米左右。根据青铜层厚度要求，在镀镍球墨铸铁表面施加适量铅青铜粉，然后液压机上压制成复合坯料，压制压力约为600MPa，压制后铅青铜层的相对密度为 80%左右。Φ 烧结
将复合坯料置于气氛保护烧结炉中，以氨分解气为保护气氛，加热至820°C，烧结池。⑤冷却
将烧结好的复合材料从炉中取出空冷。随后进行界面扫描电镜观察，如图7所示。图 7左侧为球墨铸铁，中间为过渡层；右边为铅青铜。从图7可以看出，球墨铸铁和青铜之间
结合良好。
权利要求
1.一种用于柱塞泵缸体的球墨铸铁-青铜复合材料制备方法，其特征在于通过电镀方法在球墨铸铁表面镀上一层镍，然后在球墨铸铁镀镍表面压制一层粉末青铜层，获得复合坯料，将复合坯料在还原性或中性气氛中烧结获得烧成的复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于球墨铸铁表面镀上的镍层厚度为 10-50微米。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于球墨铸铁在电镀前先进行表面处理。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于电镀时，使用硫酸镍或氨基磺酸镍或氯化镍为主盐的电镀液。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于电镀镍在温度45-70°C下、电流密度为 5A/dm2条件下进行。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于压制复合坯料的压力为400-600Mpa。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于复合坯料的压制铅青铜层的相对密度为 60-80%。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于复合坯料的烧结温度为800-860°C，烧结时间为l_4h。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于烧结完成后，复合材料以炉冷或空冷或淬火进行冷却。
全文摘要
一种用于柱塞泵缸体的球墨铸铁-青铜复合材料制备方法，涉及金属复合材料的制备方法，通过电镀方法在球墨铸铁表面镀上一层镍，然后在球墨铸铁镀镍表面压制一层粉末青铜层，获得复合坯料，将复合坯料在还原性或中性气氛中烧结获得烧成的复合材料，有效解决了球墨铸铁与青铜之间固溶度较低以及冷却时热应力梯度较大等问题，从而大大提高复合材料的界面结合性能。
文档编号C25D3/12GK102179520SQ201110087698
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月8日 优先权日2011年4月8日
发明者刘琴, 孙晓浩, 李海, 王芝秀 申请人:常州大学, 无锡市汉力士液压泵制品有限公司