一种钢-钢双金属转子及其制造方法

一种钢-钢双金属转子及其制造方法
【专利摘要】本发明属于冶金材料领域，特别涉及柱塞液压泵用钢-钢双金属转子及其制造方法。一种钢-钢双金属转子，该转子基体采用钢或球墨铸铁，减摩层采用自润滑耐磨钢材料，自润滑耐磨减摩层材料最终产品的化学组成按质量％为：C：0.5-1，Cr：11-13，Ni：8-10，Mo：1.5-2.5，Cu：25-30，MoS2：3-9，纳米α-Al2O3：0.5-1.5，Fe余量；该转子通过如下方法制备：首先制备自润滑耐磨钢减摩层材料：将石墨粉、铬铁粉、钼铁粉、羰基镍粉、二硫化钼粉、纳米α-Al2O3粉以及粘结剂与铁粉混合，进行压制和烧结；再进行浸铜，制得自润滑耐磨钢减摩层材料；将上述自润滑耐磨钢减摩层材料分别在转子配流面和柱塞孔表面，通过扩散焊工艺制备减摩层，焊接温度为1100～1150℃，焊接时间为1～2h。
【专利说明】一种钢-钢双金属转子及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于冶金材料领域，特别涉及柱塞液压泵用钢-钢双金属转子及其制造方法。
【背景技术】
[0002]柱塞液压泵是靠柱塞在转子柱塞腔内往复运动，改变柱塞腔容积，来实现吸油和排油的。由于柱塞泵具有结构紧凑，转速高，流量大，效率高，工作压力大，容易实现变量等优点，广泛应用于工程机械、起重运输、冶金、船舶、航空航天等领域。
[0003]转子是柱塞液压泵的关键摩擦副和心脏部件，如图1所示，I为钢基体，2为自润滑耐磨钢减摩层。它承受着交变应力、冲击载荷、表面摩擦磨损及介质的化学作用，承担着传力、润滑、密封的功能，工作条件最为恶劣。泵的高速、高压化将使关键摩擦副材料的磨损、疲劳问题变得更加突出:高速、高压下摩擦副表面急速升温，接触面更快塑变、软化，粘着磨损与疲劳损伤加剧；同时摩擦副受力幅度与交变频率增大，促使材料过早断裂。在新品研制中关键摩擦副转子的严重磨损或由磨损导致的断裂已成为泵失效的主要原因。因此，转子是制约柱塞泵寿命的关键因素。
[0004]制造液压泵转子的材料有铜合金(主要是S1-Mn黄铜)、铁基粉末冶金材料、球墨铸铁、双金属材料等。其中，采用双金属结构，即材料表层与材料基体各用不同材料，这样既满足了摩擦副材料的匹配要求又提高了材料的疲劳强度，它是一种表层摩擦学性能(材料配对相容性、减摩性、耐磨性)与基体材料力学性能(强度、韧性、抗疲劳能力)相结合的，解决磨损与疲劳双重问题的最好方案，是普遍采用的转子制造方法。双金属转子结构国内外都是采用铜-钢结构，表层材料即减摩层材料全部是铜基合金。
[0005]但现有的铜-钢双金属转子满足不了新一代高速、高压、大流量液压泵，特别是煤油泵的要求，主要问题是:
[0006]①铜合金减摩层的耐磨性能有限。目前使用最多的减摩层材料是铸造锡青铜ZQSnlO-2-3，作为铸造铜合金，不可避免的存在铸造缺陷，如果缺陷出现在工作面，会破坏工作面的表面完整性，极大的降低转子耐磨层的耐磨性能，使得产品达不到预定的寿命要求。铜合金铸造后的致密性影响其耐磨性能，因此，其耐磨性受到铸造技术的制约。而采用整体S1-Mn黄铜制造，不仅耐磨性能不理想，强度也不够，常常出现柱塞头从球窝拉脱现象。特别是当柱塞泵的液压介质由红油转换为煤油时，便使双金属的铜合金层产生剧烈磨损，甚至出现“剃光头”现象(即双金属上的镀银层和铜层全被磨掉)。转子端面铜合金层的严重磨损，使密封面受到破坏，造成泵的内泄增大，容积效率下降。如果铜合金产生的磨屑进入液压系统，则会破坏泵内组件，造成重大故障，大大降低液压泵的使用寿命和可靠性。
[0007]②转子的柱塞孔与柱塞配合，这一对摩擦副不宜选用热变形量相差很大的材料，这一点在高温情况下尤为突出。铜-钢双金属转子由于热膨胀系数不同，热变形量相差大，容易出现柱塞抱死，造成泵中的卡盘、滑靴等零件彻底扭断或打坏，使系统瘫痪的故障。如果要保证高温状态足够的变形量，就会导致常温状态转子柱塞孔与柱塞间隙过大，使容积效率降低。同时由于热变形量的不同，转子在进行热处理过程中，容易产生裂纹。
[0008]③减摩层铜合金容易产生疲劳磨损，使铜转移到钢基体上，产生粘铜，也即“冷焊”现象，影响摩擦副正常运转。
[0009]④由于铜合金的熔点低，扩散焊温度受到限制，加上铜合金本身的强度低(例如，ZQSnlO-2-3的ob为245MPa)，因此，铜-钢双金属摩擦副的结合强度低，常出现端面铜合金层脱落以及柱塞孔铜合金层被拉出的情况。
[0010]至此，采用减摩、耐磨、不粘着、焊接性好、能适应热处理要求的减摩层材料制造双金属转子已成为提高柱塞液压泵寿命和可靠性的关键。

【发明内容】

[0011]本发明的目的是提供一种钢-钢结构的双金属转子，其减摩层具有良好的自润滑、耐磨、耐粘着性能，可满足新一代柱塞液压泵的性能要求。
[0012]本发明的另一目的是提供一种钢-钢结构的双金属转子的制造方法。
[0013]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0014]一种钢-钢双金属转子，用于柱塞液压泵，该转子基体采用钢或球墨铸铁，减摩层采用自润滑耐磨钢材料，自润滑耐磨减摩层材料最终产品的化学组成按质量％为:C:
0.5-1，Cr:11-13, N1:8-10, Mo:1.5-2.5，Cu:25-30, MoS2:3_9，纳米 a -Al2O3:0.5-1.5，Fe
余量；
[0015]该转子通过如下方法制备:首先制备自润滑耐磨钢减摩层材料:将石墨粉、铬铁粉、钥铁粉、羰基镍粉、二硫化钥粉、纳米a -Al2O3粉以及粘结剂与铁粉混合，进行压制和烧结；再进行浸铜，制得自润滑耐磨钢减摩层材料；将上述自润滑耐磨钢减摩层材料分别在转子配流面和柱塞孔表面，通过扩散焊工艺制备减摩层，焊接温度为1100?1150°C，焊接时间为I?2h。
[0016]制备自润滑耐磨钢减摩层材料的工艺为:将混合粉加入粘结剂，粘结剂的加入量为其余混合粉总重量的1_2%，原料混合时间为l_2h，混合后装入钢模中，在液压机上进行压制，压制压力为400-600MPa，然后将压坯装入烧舟，在氢气净化炉或真空炉中进行烧结，烧结温度为1100-1150°C，烧结时间为l_2h，所制得的烧结材料在氢气净化炉或真空炉内进行浸铜，浸铜温度为1100-1150°C，浸铜时间为l_2h。
[0017]所述粘结剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、石蜡、树脂中的任一种或一种以上。
[0018]一种钢-钢双金属转子的制备方法，依序包括以下步骤:
[0019]a.首先制备自润滑耐磨钢减摩层材料:将石墨粉、铬铁粉、钥铁粉、羰基镍粉、二硫化钥粉、纳米C1-Al2O3粉以及粘结剂与铁粉混合，进行压制和烧结；再进行浸铜，制得自润滑耐磨钢减摩层材料；得到自润滑耐磨减摩层材料最终产品的化学组成按质量％为:C:
0.5-1，Cr:11-13, N1:8-10, Mo:1.5-2.5，Cu:25-30, MoS2:3_9，纳米 a -Al2O3:0.5-1.5，Fe
余量；
[0020]b.将上述自润滑耐磨钢减摩层材料分别在转子配流面和柱塞孔表面，通过扩散焊工艺制备减摩层，焊接温度为1100?1150°C，焊接时间为I?2h。
[0021]所述步骤a中，粘结剂的加入量为其余混合粉总重量的1_2%，原料混合时间为l_2h ;混合后装入钢模中，在液压机上进行压制，压制压力为400-600MPa，然后将压坯装入烧舟，在氢气净化炉或真空炉中进行烧结，烧结温度为1100-1150°C，烧结时间为l_2h ;所制得的烧结材料在氢气净化炉或真空炉内进行浸铜，浸铜温度为1100-1150°C，浸铜时间为l-2h，最终制得自润滑耐磨钢减摩层材料。
[0022]所述步骤b中，制备转子配流面的减摩层采用如下工艺:采用自润滑耐磨钢材料制备减摩层板，将转子基体的配流面向下，置于减摩层板上，在减摩层板与转子基体配流面之间放置焊料，依靠转子基体的自重，在氢气净化或真空气氛下进行加压扩散焊，制得双金属转子配流面。
[0023]所述粘结剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、石蜡、树脂中的任一种或一种以上。
[0024]制备转子配流面过程中，焊料牌号为Cu-10Sn_20Ni。
[0025]制备转子配流面过程中，扩散焊采用过度液相扩散焊工艺进行，焊接温度为1100?1150°C，焊接时间为I?2h。
[0026]所述步骤b中，制备转子柱塞孔的减摩层采用如下工艺:采用自润滑耐磨钢材料制备减摩层管，将减摩层管以过盈配合形式压入转子柱塞孔内，在减摩层管的上端放置焊料，在氢气净化或真空气氛下进行扩散焊，制得双金属转子柱塞孔。
[0027]制备转子柱塞孔过程中，焊料的牌号为GY-1。
[0028]制备转子柱塞孔过程中，焊接温度为1100?1150°C，焊接时间为I?2h。
[0029]本发明的有益效果在于:
[0030]本发明的钢-钢双金属转子具有以下特点:
[0031]①减摩层耐磨损。由于减摩层材料中具有铜合金所不具备的耐磨成分，如Mo、Cr、C等与Fe形成的耐磨合金，并且通过渗铜提高了其密度和强度，通过添加MoS2提高了其润滑性能，通过添加纳米a -Al2O3提高了其硬度，因此其耐磨性优于铜合金。
[0032]②减摩层不粘着。由于自润滑耐磨钢减摩层材料中含有自润滑物质，特别是含有纳米C1-Al2O3，因此，可防止粘着的发生。在干磨试验中，硅锰黄铜试验不到I分钟便发生严重粘着，对磨材料表面已变成黄色；而自润滑耐磨钢试验I小时也没有材料转移的发生，说明该减摩层材料具有良好的抗粘着性能。
[0033]③防止柱塞与柱塞孔抱死。由于自润滑耐磨钢减摩层材料具备钢的基本化学元素，减摩层与对磨钢属于同类型材料，热膨胀系数基本相同，这就解决了不同类型材料热变形不相同的矛盾，防止柱塞抱死的故障发生。
[0034]④双金属结合强度高。
[0035]铜-钢双金属结构不可采用焊接材料，焊接温度不能超过850°C，
[0036]焊接强度低；而钢-钢双金属结构则可采用焊接材料，且允许1100°C以上的焊接温度，确保了减摩层与钢基体的高性能连接，焊接强度高。
[0037]⑤热处理性能好。
[0038]自润滑耐磨钢减摩层材料具有钢的基本性质，适合与各类钢一起进行热处理。自润滑耐磨钢与钢基体热变形相差小，结合强度高，热处理过程减摩层不会产生裂纹等缺陷。
[0039]⑥减摩层硬度高。
[0040]铜基减摩层材料只具备布氏硬度，在研磨工艺研磨砂容易进入铜合金中；自润滑耐磨钢则具有HRC20以上的洛氏硬度，可防止研磨砂的进入，还有利提高摩擦副材料的耐磨性能。【专利附图】

【附图说明】
[0041]图1:本发明的现有技术中的钢-钢双金属转子毛坯结构示意图。
【具体实施方式】
[0042]下面结合实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。
[0043]转子基体采用钢或球墨铸铁，减摩层采用自润滑耐磨钢材料。自润滑耐磨减摩层材料的化学组成成分重量％为:C0.5-l，Crll-13，Ni8-10，Mol.5-2.5，Cu25_30，MoS23_9，纳米 a -Al2O30.5-1.5，Fe 余量。
[0044]首先制备自润滑耐磨钢减摩层材料:将石墨粉、铬铁粉、钥铁粉、羰基镍粉、二硫化钥粉、纳米a -Al2O3粉以及粘结剂与铁粉混合，进行压制和烧结；再进行浸铜，制得自润滑耐磨钢减摩层材料。粘结剂的加入量为1_2%。上述原料中粘结剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、石蜡、树脂中的任一种或一种以上。原料混合时间为l_2h。混合后装入钢模中，在液压机上进行压制，压制压力为400-600MPa，然后将压坯装入烧舟，在氢气净化炉或真空炉中进行烧结，烧结温度为1100-1150°C，烧结时间为l_2h。所制得的烧结材料在氢气净化炉或真空炉内进行浸铜，浸铜温度为1100-1150°C，浸铜时间为l_2h，最终制得自润滑耐磨钢减摩层材料。
[0045]按照转子配流面的尺寸，采用自润滑耐磨钢材料制备减摩层板，将转子基体的配流面向下，置于减摩层板上，在减摩层板与转子基体配流面之间放置自制的焊料，焊料牌号为Cu-10Sn-20Ni，依靠转子基体的自重，在氢气净化或真空气氛下进行加压扩散焊，制得双金属转子配流面。扩散焊采用过度液相扩散焊工艺进行，焊接温度为1100?1150°C，焊接时间为I?2h。该扩散焊原理是，将焊料加热到焊接温度时，焊料发生熔化，在焊接面之间形成液态薄膜，焊料、减摩层合金与基体金属之间的元素相互扩散，形成中间层合金，在随后的保温过程中，中间层合金成分改变，熔点提高，从而在焊接温度下产生等温凝固；继续保温扩散，接头组织和成分与基体进一步均匀化，最终实现接头的高性能连接。
[0046]按照转子柱塞孔尺寸，采用自润滑耐磨钢材料制备减摩层管，将减摩层管以过盈配合形式压入转子柱塞孔内，在减摩层管的上端放置自制的焊料，焊料的牌号为GY-1，在氢气净化或真空气氛下进行扩散焊，焊接温度为1100?1150°C，焊接时间为I?2h，制得双金属转子柱塞孔。该扩散焊的原理是，将焊料加热到焊接温度时，焊料熔化，借助毛细作用，使焊料从上到下分布于基体和减摩层之间，并形成液态薄膜，焊料、减摩层合金与基体金属之间的元素相互扩散，形成中间层合金，在随后的保温过程中，中间层合金成分改变，熔点提高，从而在焊接温度下产生等温凝固；继续保温扩散，接头组织和成分与基体进一步均匀化，最终实现接头的高性能连接。
[0047]实施例:
[0048]采用本发明双金属制造工艺，制得焊接试样6批。表I为制备焊接试样所用材料，表2为制备焊接试样的工艺参数和焊接性能。为进行对比，表2列出了 Cu-钢扩散焊双金属材料的焊接强度。
[0049]表I制备焊接试样所用材料
[0050]
【权利要求】
1.一种钢-钢双金属转子，用于柱塞液压泵，其特征在于:该转子基体采用钢或球墨铸铁，减摩层采用自润滑耐磨钢材料，自润滑耐磨减摩层材料最终产品的化学组成按质量％为:C:0.5-1，Cr:11-13, N1:8-10, Mo:1.5-2.5，Cu:25-30, MoS2:3_9，纳米 a -Al2O3:0.5-1.5, Fe 余量； 该转子通过如下方法制备:首先制备自润滑耐磨钢减摩层材料:将石墨粉、铬铁粉、钥铁粉、羰基镍粉、二硫化钥粉、纳米Q-Al2O3粉以及粘结剂与铁粉混合，进行压制和烧结；再进行浸铜，制得自润滑耐磨钢减摩层材料；将上述自润滑耐磨钢减摩层材料分别在转子配流面和柱塞孔表面，通过扩散焊工艺制备减摩层，焊接温度为1100~1150°C，焊接时间为1~2h。
2.根据权利要求1所述的钢-钢双金属转子，其特征在于:制备自润滑耐磨钢减摩层材料的工艺为:将混合粉加入粘结剂，粘结剂的加入量为其余混合粉总重量的1_2%，原料混合时间为l_2h，混合后装入钢模中，在液压机上进行压制，压制压力为400-600MPa，然后将压坯装入烧舟，在氢气净化炉或真空炉中进行烧结，烧结温度为1100-1150°C，烧结时间为l_2h，所制得的烧结材料在氢气净化炉或真空炉内进行浸铜，浸铜温度为1100-1150°C，浸铜时间为l_2h。
3.根据权利要求1所述的钢-钢双金属转子，其特征在于:所述粘结剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、石蜡、树脂中的任一种或一种以上。
4.一种如权利要求1所述的钢-钢双金属转子的制备方法，其特征在于:依序包括以下步骤: a.首先制备自润滑耐磨钢减摩层材料:将石墨粉、铬铁粉、钥铁粉、羰基镍粉、二硫化钥粉、纳米C1-Al2O3粉以及粘结剂与铁粉混合，进行压制和烧结；再进行浸铜，制得自润滑耐磨钢减摩层材料；得到自润滑耐磨减摩层材料最终产品的化学组成按质量％为:C:0.5-1，Cr:11-13, N1:8-10, Mo:1.5-2.5，Cu:25-30, MoS2:3_9，纳米 a -Al2O3:0.5-1.5，Fe余量； b.将上述自润滑耐磨钢减摩层材料分别在转子配流面和柱塞孔表面，通过扩散焊工艺制备减摩层，焊接温度为1100~1150°C，焊接时间为I~2h。
5.根据权利要求4所述的钢-钢双金属转子的制备方法，其特征在于:所述步骤a中，粘结剂的加入量为其余混合粉总重量的1_2%，原料混合时间为l_2h ;混合后装入钢模中，在液压机上进行压制，压制压力为400-600MPa，然后将压坯装入烧舟，在氢气净化炉或真空炉中进行烧结，烧结温度为1100-1150°C，烧结时间为l_2h ;所制得的烧结材料在氢气净化炉或真空炉内进行浸铜，浸铜温度为1100-1150°C，浸铜时间为l_2h，最终制得自润滑耐磨钢减摩层材料。
6.根据权利要求4所述的钢-钢双金属转子的制备方法，其特征在于:所述步骤b中，制备转子配流面的减摩层采用如下工艺:采用自润滑耐磨钢材料制备减摩层板，将转子基体的配流面向下，置于减摩层板上，在减摩层板与转子基体配流面之间放置焊料，依靠转子基体的自重，在氢气净化或真空气氛下进行加压扩散焊，制得双金属转子配流面。
7.根据权利要求4所述的钢-钢双金属转子的制备方法，其特征在于:所述粘结剂为硬脂酸锌、硬脂酸锂、石蜡、树脂中的任一种或一种以上。
8.根据权利要求6所述的钢-钢双金属转子的制备方法，其特征在于:制备转子配流面过程中，焊料牌号为Cu-10Sn-20Ni。
9.根据权利要求6所述的钢-钢双金属转子的制备方法，其特征在于:制备转子配流面过程中，扩散焊采用过度液相扩散焊工艺进行，焊接温度为1100~1150°C，焊接时间为I ~2h。
10.根据权利要求4所述的钢-钢双金属转子的制备方法，其特征在于:所述步骤b中，制备转子柱塞孔的减摩层采用如下工艺:采用自润滑耐磨钢材料制备减摩层管，将减摩层管以过盈配合形式压入转子柱塞孔内，在减摩层管的上端放置焊料，在氢气净化或真空气氛下进行扩散焊，制得双金属转子柱塞孔。
11.根据权利要求10所述的钢-钢双金属转子的制备方法，其特征在于:制备转子柱塞孔过程中，焊料的牌号为GY-1。
12.根据权利要求10所述的钢-钢双金属转子的制备方法，其特征在于:制备转子柱塞孔过程中，焊接温度为1 100~1150°C，焊接时间为I~2h。
【文档编号】B22F3/26GK103758746SQ201410023147
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月17日 优先权日:2014年1月17日
【发明者】陈广志, 王飞, 田玉清, 孙阳, 许庆森 申请人:钢铁研究总院