本发明涉及一种弹簧，具体涉及一种高强度压装缸体弹簧，属于机械材料领域。
背景技术：
斜盘式轴向柱塞泵主要有结构紧凑，功率重量比大，体积小，压力高，容积效率和总效率高，变量方式丰富等优点。斜盘柱塞泵中，中心弹簧对缸体产生的预压紧力直接影响着泵的启动、泄漏量和容积效率等参数。前中心弹簧的主要安装方式有两种，第一种采用的是在球铰与缸体之间安装碟簧(大排量泵采用安装小圆柱弹簧)，通过改变碟簧的组合方式和碟簧间的垫片厚度进行预压紧力的调整；第二种是采用在缸体内部安装圆柱弹簧，由顶针将力传递到球铰上，通过改变垫片厚度调节预压紧力。由第一种和第二种的对比可以看出，在批量化生产过程中，第一种结构在装配工艺工装要求，调节预压紧力的便捷性，以及加工的工艺要求和成本上，均优于第二种所示的结构形式。而碟簧的性能优势相对于圆柱弹簧也更为突出：圆柱弹簧的主要特点是特性线呈线性，结构简单，制造方便；碟簧的主要特点是缓冲和减振能力强，能在变形很小时产生很大载荷，采用不同的组合可以得到不同的特性线。球铰中碟簧的性能优劣直接影响到泵的性能，包括产生足够的回程力；吸收泵运转过程中产生的振动；保证滑靴和垫板之间的密封性；保证缸体和配流盘之间的密封性等。从上可以看出，高强度压装缸体弹簧的强度尤其重要，但在现实应用中，压装缸体弹簧的强度往往不高，也因此成为制约其大范围应用的重要因素。
技术实现要素：
本发明针对现有技术存在的上述问题，提出了一种使用寿命长的高强度压装缸体弹簧。
本发明的目的通过如下技术方案来实现，一种高强度压装缸体弹簧，所述高强度压装缸体弹簧由铝合金材料制成，所述铝合金材料具体包括如下质量百分比的成分：Si：11.0-11.2％，Cu：1.2-1.5％，Zn：0.5-0.7％，Fe：0.2-0.25％，Mn：0.28-0.30％，Mg：0.12-0.15％，麦草纤维：2.3-2.5％，Ni：≤0.1％，Cr：≤0.05％，余量为Al；所述铝合金表面涂覆有所述铝合金表面涂覆有Ru过渡层和NiMn2O4涂层。
本发明高强度压装缸体弹簧通过采用上述铝合金成分，并在铝合金中加入麦草纤维，不仅能细化铝合金的晶粒，还能增强得到的铝合金的机械性能；同时，本发明在铝合金表面涂覆了Ru过渡层和NiMn2O4涂层，不仅能够提高涂层与铝合金材料之间的结合力，还能使得到的铝合金表面具有优良的机械性能。
在本发明高强度压装缸体弹簧中，通过在铝合金中加入上述成分的Si，不仅能够使使合金中所有的Mg都能以Mg2Si相的形式存在，以确保Mg的作用得到充分的发挥。而且随着Si含量增加，合金的晶粒变细，金属流动性增大，铸造性能变好，热处理强化效果增加，型材的抗拉强度提高但塑性降低，耐蚀性变坏。因此本发明中采用上述成分的Si元素。
另外，本发明通过在铝合金中加入Cu元素，当铝合金中Cu元素超过1.5％时，能够明显增加得到的铝合金的强度和硬度，但随着Cu元素的进一步增多，Al-Cu相的析出，压铸后会收缩，继而转为膨胀，使得得到的加工夹具尺寸不稳定，因此本发明选用上述成分的Cu含量。
在铝合金成分中，Fe被普遍认为是有害元素，由于杂质的Fe会生成FeAl3的针状结晶所以析出的晶体很细，但当Fe的成分为0.2-0.3％时则更容易制备烧结成型；但含有大量的Fe，会生成金属化合物，形成硬点。并且含Fe量超过一定量时，会降低合金流动性，损害铸件的品质，缩短压铸设备中金属组件的寿命。因此本发明对铝合金中的Fe元素含量进行了限制。
另外，在本发明高强度压装缸体弹簧中，通过加入麦草纤维，能够增强制得的铝合金材料的拉伸强度和弯曲强度。作为优选，本发明麦草纤维为经过预处理的麦草纤维，所述预处理具体包括如下步骤：将麦草纤维置于玛瑙球磨罐中，并在行星式球磨机中球磨一定时间；将球磨后的麦草纤维浸于5-6％的氢氧化钠溶液中，室温搅拌24-25h后用砂芯漏斗抽滤，滤渣用大量蒸馏水洗涤至中性并烘干；将烘干后的麦草纤维放入三口烧瓶中，加入十六烷基三甲基溴化铵和NaOH溶液，润胀30-40min后加入甲苯和氯化苄，在油浴下反应8-9h后冷却，抽滤，用乙醇和蒸馏水洗涤至中性，烘干。NaOH处理破坏了麦草纤维的初生壁和次生壁外层，表面裂纹进一步增多，麦草纤维可及度增大。球磨处理后的麦草纤维，整体结构破坏程度极大，管状的纤维结构明显消失，细长纤维被截成小颗粒状，麦草纤维粒度大幅度减小，比表面积增大，显著提高麦草纤维的可及度。
本发明的另一个目的在于提供一种上述高强度压装缸体弹簧的制备方法，所述制备方法具体包括如下步骤：
预混：将铝合金原料中的Si、Al和质量为铝合金质量0.65-0.75％的硬脂酸进行干混得预混合铝合金粉；
球磨：将铝合金原料中的剩余成分与预混合铝合金粉置于行星式球磨机上进行机械合金化；
冷等静压：将球磨后的铝合金粉末进行冷等静压成预制坯；
烧结：将预制坯在氮气气氛下进行烧结；
热挤压：将烧结后的预制坯挤压成型得压装缸体弹簧坯件；
热处理：将压装缸体弹簧坯件进行热处理得压装缸体弹簧半成品；
电镀Ru过渡层：采用电镀的方法在压装缸体弹簧表面电镀Ru过渡层；
NiMn2O4涂层涂覆：采用溶胶-凝胶提拉法在Ru过渡层表面涂覆NiMn2O4涂层得压装缸体弹簧成品。
在上述一种高强度压装缸体弹簧的制备方法中，所述冷等静压的压力为152-158MPa，时间为3-4min。
在上述一种高强度压装缸体弹簧的制备方法中，所述热挤压的挤压比为20-21，挤压温度为450-460℃。
在上述一种高强度压装缸体弹簧的制备方法中，NiMn2O4涂层溶胶制备方法具体包括如下步骤：称取NiMn2O4涂层溶胶原料，溶解搅拌并混合均匀，在80-90℃下加热搅拌，蒸发至凝胶状物质，陈化12-13h。其中，NiMn2O4涂层溶胶原料包括如下重量份数的组分：柠檬酸：15-25份，硝酸镍：25-30份，硝酸锰：15-20份，金属硝酸盐：15-20份。
在上述一种高强度压装缸体弹簧的制备方法中，在烧结过程中还加入了质量为铝合金质量0.9-1.0％的烧结助剂，所述烧结助剂为Cu2P。磷与铁、镍、铜等金属可形成低熔点共晶，可起到液相烧结的作用。磷还可以扩大α-Al相区和缩小γ-Al相区，在同样的烧结温度下α-Al中铝原子的自扩散系数是γ-Al中的100倍左右，因此α相的参与会显著加速烧结进程。一般认为磷在致密铝合金材料中含量过高会引起钢的冷脆，降低塑性，属于有害元素。而在铝合金粉末冶金材料中，当密度相对较低(<7.0g/cm3)时，孔隙是影响材料力学性能的主要因素，当基体达到较高密度时，才需考察磷的作用。
在上述一种高强度压装缸体弹簧的制备方法中，所述烧结温度为640-650℃，时间为2-3h。
在上述一种高强度压装缸体弹簧的制备方法中，所述热处理具体包括如下步骤：在温度为500-510℃下固溶处理4-5h，水冷，在温度为190-200℃下时效处理8-9h。固溶温度和时间是影响固溶热处理制度的主要因素.选择合适的工艺参数能将铝合金的多相组织尽可能转变为单相的固溶体组织，从而提高其性能.提高固溶温度和延长保温时间都可以增加固溶原子在基体中的固溶度，提高合金的固溶强化效果，但是同时又会导致合金晶粒的长大，甚至发生过烧，抵消固溶原子产生的固溶强化，使合金强度降低。因此，在固溶处理过程中，需要选择合理的固溶温度和时间，使其在实现固溶强化的同时，又能有效抑制晶粒的长大。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明高强度压装缸体弹簧采用铝合金材料制成，并在铝合金材料中就加入了麦草纤维，能够保证制成的压装缸体弹簧的机械性能强度进一步提高；
2、本发明高强度压装缸体弹簧通过合理的制备方法，并在制备过程中加入烧结助剂，能够保证制成的高强度压装缸体弹簧强度高、均匀性好；
3、本发明高强度压装缸体弹簧通过配伍合理的铝合金材料，并通过合理的制备方法，能够使制得的高强度压装缸体弹簧具有优良的机械性能，且使用寿命长。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
预混：将铝合金原料中的Si、Al和质量为铝合金质量0.65％的硬脂酸进行干混得预混合铝合金粉；所述铝合金材料具体包括如下质量百分比的成分：Si：11.0％，Cu：1.2％，Zn：0.5％，Fe：0.2％，Mn：0.28％，Mg：0.12％，麦草纤维：2.3％，Ni：≤0.1％，Cr：≤0.05％，余量为Al；所述麦草纤维为经过预处理的麦草纤维，预处理具体包括如下步骤：将麦草纤维置于玛瑙球磨罐中，并在行星式球磨机中球磨一定时间；将球磨后的麦草纤维浸于5％的氢氧化钠溶液中，室温搅拌24h后用砂芯漏斗抽滤，滤渣用大量蒸馏水洗涤至中性并烘干；将烘干后的麦草纤维放入三口烧瓶中，加入十六烷基三甲基溴化铵和NaOH溶液，润胀30min后加入甲苯和氯化苄，在油浴下反应8h后冷却，抽滤，用乙醇和蒸馏水洗涤至中性，烘干；
球磨：将铝合金原料中的剩余成分与预混合铝合金粉置于行星式球磨机上进行机械合金化；
冷等静压：将球磨后的铝合金粉末进行冷等静压成预制坯；冷等静压的压力为152MPa，时间为3min；
烧结：将预制坯在氮气气氛下进行烧结；在烧结过程中还加入了质量为铝合金质量0.9％的烧结助剂，所述烧结助剂为Cu2P；烧结温度为640℃，时间为2h；
热挤压：将烧结后的预制坯挤压成型得高强度压装缸体弹簧坯件；热挤压的挤压比为20，挤压温度为450℃；
热处理：将高强度压装缸体弹簧坯件进行热处理得高强度压装缸体弹簧半成品；热处理具体包括如下步骤：在温度为500℃下固溶处理4h，水冷，在温度为190℃下时效处理8h；
电镀Ru过渡层：采用电镀的方法在高强度压装缸体弹簧表面电镀Ru过渡层；
NiMn2O4涂层涂覆：采用溶胶-凝胶提拉法在Ru过渡层表面涂覆NiMn2O4涂层得高强度压装缸体弹簧成品；NiMn2O4涂层溶胶制备方法具体包括如下步骤：称取NiMn2O4涂层溶胶原料，溶解搅拌并混合均匀，在80℃下加热搅拌，蒸发至凝胶状物质，陈化12h；NiMn2O4涂层溶胶原料包括如下重量份数的组分：柠檬酸：15份，硝酸镍：25份，硝酸锰：15份，金属硝酸盐：15份。
实施例2
预混：将铝合金原料中的Si、Al和质量为铝合金质量0.68％的硬脂酸进行干混得预混合铝合金粉；所述铝合金材料具体包括如下质量百分比的成分：Si：11.05％，Cu：1.3％，Zn：0.55％，Fe：0.21％，Mn：0.285％，Mg：0.13％，麦草纤维：2.35％，Ni：≤0.1％，Cr：≤0.05％，余量为Al；所述麦草纤维为经过预处理的麦草纤维，预处理具体包括如下步骤：将麦草纤维置于玛瑙球磨罐中，并在行星式球磨机中球磨一定时间；将球磨后的麦草纤维浸于5.2％的氢氧化钠溶液中，室温搅拌24.2h后用砂芯漏斗抽滤，滤渣用大量蒸馏水洗涤至中性并烘干；将烘干后的麦草纤维放入三口烧瓶中，加入十六烷基三甲基溴化铵和NaOH溶液，润胀32min后加入甲苯和氯化苄，在油浴下反应8-9h后冷却，抽滤，用乙醇和蒸馏水洗涤至中性，烘干；
球磨：将铝合金原料中的剩余成分与预混合铝合金粉置于行星式球磨机上进行机械合金化；
冷等静压：将球磨后的铝合金粉末进行冷等静压成预制坯；冷等静压的压力为153MPa，时间为3.2min；
烧结：将预制坯在氮气气氛下进行烧结；在烧结过程中还加入了质量为铝合金质量0.92％的烧结助剂，所述烧结助剂为Cu2P；烧结温度为642℃，时间为2.2h；
热挤压：将烧结后的预制坯挤压成型得高强度压装缸体弹簧坯件；热挤压的挤压比为20.2，挤压温度为452℃；
热处理：将高强度压装缸体弹簧坯件进行热处理得高强度压装缸体弹簧半成品；热处理具体包括如下步骤：在温度为502℃下固溶处理4.2h，水冷，在温度为192℃下时效处理8.2h；
电镀Ru过渡层：采用电镀的方法在高强度压装缸体弹簧表面电镀Ru过渡层；
NiMn2O4涂层涂覆：采用溶胶-凝胶提拉法在Ru过渡层表面涂覆NiMn2O4涂层得高强度压装缸体弹簧成品；NiMn2O4涂层溶胶制备方法具体包括如下步骤：称取NiMn2O4涂层溶胶原料，溶解搅拌并混合均匀，在82℃下加热搅拌，蒸发至凝胶状物质，陈化12.2h；NiMn2O4涂层溶胶原料包括如下重量份数的组分：柠檬酸：18份，硝酸镍：26份，硝酸锰：17份，金属硝酸盐：16份。
实施例3
预混：将铝合金原料中的Si、Al和质量为铝合金质量0.7％的硬脂酸进行干混得预混合铝合金粉；所述铝合金材料具体包括如下质量百分比的成分：Si：11.1％，Cu：1.35％，Zn：0.6％，Fe：0.23％，Mn：0.29％，Mg：0.135％，麦草纤维：2.4％，Ni：≤0.1％，Cr：≤0.05％，余量为Al；所述麦草纤维为经过预处理的麦草纤维，预处理具体包括如下步骤：将麦草纤维置于玛瑙球磨罐中，并在行星式球磨机中球磨一定时间；将球磨后的麦草纤维浸于5.5％的氢氧化钠溶液中，室温搅拌24.5h后用砂芯漏斗抽滤，滤渣用大量蒸馏水洗涤至中性并烘干；将烘干后的麦草纤维放入三口烧瓶中，加入十六烷基三甲基溴化铵和NaOH溶液，润胀35min后加入甲苯和氯化苄，在油浴下反应8.5h后冷却，抽滤，用乙醇和蒸馏水洗涤至中性，烘干；
球磨：将铝合金原料中的剩余成分与预混合铝合金粉置于行星式球磨机上进行机械合金化；
冷等静压：将球磨后的铝合金粉末进行冷等静压成预制坯；冷等静压的压力为155MPa，时间为3.5min；
烧结：将预制坯在氮气气氛下进行烧结；在烧结过程中还加入了质量为铝合金质量0.95％的烧结助剂，所述烧结助剂为Cu2P；烧结温度为645℃，时间为2.5h；
热挤压：将烧结后的预制坯挤压成型得高强度压装缸体弹簧坯件；热挤压的挤压比为20.5，挤压温度为455℃；
热处理：将高强度压装缸体弹簧坯件进行热处理得高强度压装缸体弹簧半成品；热处理具体包括如下步骤：在温度为505℃下固溶处理4.5h，水冷，在温度为195℃下时效处理8.5h；
电镀Ru过渡层：采用电镀的方法在高强度压装缸体弹簧表面电镀Ru过渡层；
NiMn2O4涂层涂覆：采用溶胶-凝胶提拉法在Ru过渡层表面涂覆NiMn2O4涂层得高强度压装缸体弹簧成品；NiMn2O4涂层溶胶制备方法具体包括如下步骤：称取NiMn2O4涂层溶胶原料，溶解搅拌并混合均匀，在85℃下加热搅拌，蒸发至凝胶状物质，陈化12.5h；NiMn2O4涂层溶胶原料包括如下重量份数的组分：柠檬酸：20份，硝酸镍：28份，硝酸锰：18份，金属硝酸盐：18份。
实施例4
预混：将铝合金原料中的Si、Al和质量为铝合金质量0.72％的硬脂酸进行干混得预混合铝合金粉；所述铝合金材料具体包括如下质量百分比的成分：Si：11.15％，Cu：1.4％，Zn：0.5-0.7％，Fe：0.24％，Mn：0.295％，Mg：0.14％，麦草纤维：2.45％，Ni：≤0.1％，Cr：≤0.05％，余量为Al；所述麦草纤维为经过预处理的麦草纤维，预处理具体包括如下步骤：将麦草纤维置于玛瑙球磨罐中，并在行星式球磨机中球磨一定时间；将球磨后的麦草纤维浸于5.8％的氢氧化钠溶液中，室温搅拌24.8h后用砂芯漏斗抽滤，滤渣用大量蒸馏水洗涤至中性并烘干；将烘干后的麦草纤维放入三口烧瓶中，加入十六烷基三甲基溴化铵和NaOH溶液，润胀38min后加入甲苯和氯化苄，在油浴下反应8.8h后冷却，抽滤，用乙醇和蒸馏水洗涤至中性，烘干；
球磨：将铝合金原料中的剩余成分与预混合铝合金粉置于行星式球磨机上进行机械合金化；
冷等静压：将球磨后的铝合金粉末进行冷等静压成预制坯；冷等静压的压力为157MPa，时间为3.8min；
烧结：将预制坯在氮气气氛下进行烧结；在烧结过程中还加入了质量为铝合金质量0.98％的烧结助剂，所述烧结助剂为Cu2P；烧结温度为648℃，时间为2.8h；
热挤压：将烧结后的预制坯挤压成型得高强度压装缸体弹簧坯件；热挤压的挤压比为20.8，挤压温度为458℃；
热处理：将高强度压装缸体弹簧坯件进行热处理得高强度压装缸体弹簧半成品；热处理具体包括如下步骤：在温度为508℃下固溶处理4.8h，水冷，在温度为198℃下时效处理8.8h；
电镀Ru过渡层：采用电镀的方法在高强度压装缸体弹簧表面电镀Ru过渡层；
NiMn2O4涂层涂覆：采用溶胶-凝胶提拉法在Ru过渡层表面涂覆NiMn2O4涂层得高强度压装缸体弹簧成品；NiMn2O4涂层溶胶制备方法具体包括如下步骤：称取NiMn2O4涂层溶胶原料，溶解搅拌并混合均匀，在88℃下加热搅拌，蒸发至凝胶状物质，陈化12.8h；NiMn2O4涂层溶胶原料包括如下重量份数的组分：柠檬酸：22份，硝酸镍：29份，硝酸锰：19份，金属硝酸盐：19份。
实施例5
预混：将铝合金原料中的Si、Al和质量为铝合金质量0.75％的硬脂酸进行干混得预混合铝合金粉；所述铝合金材料具体包括如下质量百分比的成分：Si：11.2％，Cu：1.5％，Zn：0.7％，Fe：0.25％，Mn：0.30％，Mg：0.15％，麦草纤维：2.5％，Ni：≤0.1％，Cr：≤0.05％，余量为Al；所述麦草纤维为经过预处理的麦草纤维，预处理具体包括如下步骤：将麦草纤维置于玛瑙球磨罐中，并在行星式球磨机中球磨一定时间；将球磨后的麦草纤维浸于6％的氢氧化钠溶液中，室温搅拌25h后用砂芯漏斗抽滤，滤渣用大量蒸馏水洗涤至中性并烘干；将烘干后的麦草纤维放入三口烧瓶中，加入十六烷基三甲基溴化铵和NaOH溶液，润胀40min后加入甲苯和氯化苄，在油浴下反应9h后冷却，抽滤，用乙醇和蒸馏水洗涤至中性，烘干；
球磨：将铝合金原料中的剩余成分与预混合铝合金粉置于行星式球磨机上进行机械合金化；
冷等静压：将球磨后的铝合金粉末进行冷等静压成预制坯；冷等静压的压力为158MPa，时间为4min；
烧结：将预制坯在氮气气氛下进行烧结；在烧结过程中还加入了质量为铝合金质量1％的烧结助剂，所述烧结助剂为Cu2P；烧结温度为650℃，时间为3h；
热挤压：将烧结后的预制坯挤压成型得高强度压装缸体弹簧坯件；热挤压的挤压比为21，挤压温度为460℃；
热处理：将高强度压装缸体弹簧坯件进行热处理得高强度压装缸体弹簧半成品；热处理具体包括如下步骤：在温度为510℃下固溶处理5h，水冷，在温度为200℃下时效处理9h；
电镀Ru过渡层：采用电镀的方法在高强度压装缸体弹簧表面电镀Ru过渡层；
NiMn2O4涂层涂覆：采用溶胶-凝胶提拉法在Ru过渡层表面涂覆NiMn2O4涂层得高强度压装缸体弹簧成品；NiMn2O4涂层溶胶制备方法具体包括如下步骤：称取NiMn2O4涂层溶胶原料，溶解搅拌并混合均匀，在90℃下加热搅拌，蒸发至凝胶状物质，陈化13h；NiMn2O4涂层溶胶原料包括如下重量份数的组分：柠檬酸：25份，硝酸镍：30份，硝酸锰：20份，金属硝酸盐：20份。
实施例6
与实施例3的区别仅在于，该实施例高强度压装缸体弹簧原料中的麦草纤维没有经过预处理，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
实施例7
与实施例3的区别仅在于，该实施例高强度压装缸体弹簧原料在制备过程中没有加入助烧结剂，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
实施例8
与实施例3的区别仅在于，该实施例高强度压装缸体弹簧原料采用普通NiMn2O4涂层溶胶，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
对比例1
与实施例3的区别仅在于，该对比例高强度压装缸体弹簧原采用普通市售铝合金材料，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
对比例2
与实施例3的区别仅在于，该对比例高强度压装缸体弹簧原料中没有加入麦草纤维，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
对比例3
与实施例3的区别仅在于，该对比例高强度压装缸体弹簧表面没有涂覆Ru电镀层，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
对比例4
与实施例3的区别仅在于，该对比例高强度压装缸体弹簧表面没有涂覆NiMn2O4涂层，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
对比例5
与实施例3的区别仅在于，该对比例高强度压装缸体弹簧表面没有涂覆任何涂层，其他与实施例3相同，此处不再赘述。
将实施例1-8对比例1-5的高强度压装缸体弹簧进行性能检测，结果如表1所示：
表1：实施例1-8及对比例1-5的高强度压装缸体弹簧性能检测结果
综上所述，本发明高强度压装缸体弹簧通过配伍合理的铝合金材料，并通过合理的制备方法，能够使制得的高强度压装缸体弹簧具有优良的机械性能，且使用寿命长。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。