[发明专利]一种用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法

说明书

本发明公开了一种用于柱塞泵缸体的铜‑钢双金属复合材料的熔铸方法，包括以下步骤：S1、原料处理：对钢基体和铜合金表面进行清洁处理；S2、添砂：在钢基体的熔铜池中添加适量的硼砂，然后再将铜合金放置于硼砂上；S3、高温熔铸：将钢基体和铜合金放入镕铸炉中进行加热；S4、冷却，得到铜‑钢双金属复合材料。本发明采用单温区熔铸，材料体积受限小，且材料出炉冷却，冷却条件易于调控，在钢基体熔铜池中添加适量松装状态的硼砂，不仅操作方便，还净化了钢基体的表面，同时起到了保温、防氧化和助熔铜合金的作用，此外冷却时形成温度梯度，使铜合金能够定向凝固，从而保证了铜合金层的熔铸质量和良好的界面冶金结合。

技术领域

本专利申请涉及双金属复合材料技术领域，特别是涉及一种用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法。

背景技术

柱塞泵是液压装备的核心元件，缸体作为柱塞泵的关键摩擦副零件又是柱塞泵的核心，缸体的性能和质量直接影响柱塞泵的传动效率和使用寿命。目前柱塞泵缸体使用最广泛的材料是铜-钢双金属复合材料，铜合金(尤其是铅青铜)作为摩擦副的工作层具有良好的减摩耐磨及抗疲劳等特性，同时兼具软硬相组织决定其具有良好的抗咬合性、嵌藏性和顺应性等性能。而钢材料作为柱塞泵缸体的基体材料则起到承载和抗冲击作用，两者复合形成的铜-钢双金属复合材料兼具了两种材料的优良性能。

目前国内用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料以浇铸和多温区烧结炉熔铸为主。中国专利CN107537993A和CN106001443B公布了一种柱塞泵缸体的浇铸方法，该方法是将熔炼好的铅青铜合金液浇入到经加热的钢基体中，从而得到双金属缸体毛坯，工艺复杂，且铜合金的使用量较大，造成较多材料浪费。中国专利CN110434315A公布了一种多温区熔铸炉制备铜钢双金属缸体的方法，该方法是将铜合金放置在钢基体上，然后经过预热、加热和冷却三个阶段而得到柱塞泵缸体毛坯，该方法所使用的的设备占地面积较大，且难以生产规格较大的缸体，如盾构机用的柱塞泵缸体，能够熔铸的缸体规格尺寸受到了较大的限制。因此迫切需要寻找一种工艺简单，质量好且能够制备各种规格尺寸，尤其超大规格尺寸的缸体方法。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利申请的目的在于提供一种用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，在高温熔铸前需要在钢基体的熔铜池中添加适量的硼砂，硼砂在缸体制备过程中具有四方面的作用：一、硼砂在高温环境中形成的熔体中含有酸性氧化物能够净化金属表面，促进铜钢的界面结合；二、硼砂的导热率低，具有保温的作用，可以使缸体冷却过程中形成温度梯度，从而使铜合金层具有定向凝固的条件；三、由于硼砂的熔点低于铜合金的熔点，在高温下硼砂先熔化形成熔融态，熔融态的硼砂降低铜合金的表面张力促进了铜合金熔化形成溶液，使铜合金更好地铺展在钢基体的熔铜池中；四、硼砂在高温下形成的熔体，其密度较高温下的铜合金溶液低，硼砂熔体最终会浮于铜合金溶液上方，起到保护铜合金溶液不被氧化的作用。本发明采用单温区进行铜合金的高温熔铸，材料的体积受熔铸炉的影响较小，且熔铸结束后将材料从熔铸炉中取出进行冷却，冷却条件易调控，从而解决上述现有技术的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于柱塞泵缸体的铜-钢双金属复合材料的熔铸方法，包括以下步骤：

S1、原料处理：对钢基体和铜合金进行清洁处理，先使用质量浓度为10％的氢氧化钠溶液清洗，再用质量浓度10％的盐酸溶液进行酸洗，去除金属表面的污染物，确保材料表面清洁干净；

S2、添砂：在钢基体的熔铜池中添加适量的硼砂，然后再将铜合金放置于硼砂上，硼砂为松装状态的无水硼砂、五水硼砂或十水硼砂中的一种；

S3、高温熔铸：将钢基体和铜合金放入镕铸炉中，以纯度≥99.99％的氮气为保护气氛，在炉温达到900℃以上时，以3-5℃/min的速度进行升温，将炉温升至1050-1150℃时，保温40-60min，其目的一方面是使含水的硼砂有足够的时间进行脱水，另一方面是为了减小材料内部和材料表面的温差；