一種用於柱塞泵缸體的球墨鑄鐵-青銅複合材料製備方法
2023-09-16 07:50:15
專利名稱：一種用於柱塞泵缸體的球墨鑄鐵-青銅複合材料製備方法
技術領域：
本發明涉及金屬複合材料的製備方法，尤其是用於柱塞泵缸體的球墨鑄鐵一青銅複合材料的製備方法。
背景技術：
柱塞泵是建築、冶金、石油、船舶、礦山、軍工等領域液壓機械上不可缺少的重要部件。作為柱塞泵缸體材料，通常採用鋼或鑄鐵與青銅的複合材料。專利91109101，周鐵濤，李海志，周威揚，王義虎。鑄鐵一銅雙金屬複合材料燒結工藝介紹了一種製備鑄鐵一銅合金複合材料的燒結工藝。該工藝首先在鑄鐵基體表面均勻撒布一層稀薄銅粉，置入燒結爐中進行第一次擴散燒結使銅鐵相互擴散粘接；然後再撒布一層厚銅粉置入燒結爐中進行第二次燒結，經二次燒結後將複合材料進行密實處理，然後再回爐進行補充燒結使銅層更加牢固結實。但是這種燒結方法工藝較為繁瑣，且難以控制燒結過程中的氧化。專利200910252896，殷汝新，馬士敏，徐道榮。液壓軸向柱塞泵缸體球墨鑄鐵與銅合金的釺焊方法介紹了一種製備球墨鑄鐵與銅合金複合材料的釺焊工藝。該工藝採用在鑄鐵和銅合金施加銅銀合金釺料，然後在爐中控制加熱使釺料熔化，從而在鑄鐵和銅合金之間起到過渡連接作用。雖然釺焊工藝操作簡單，但不適合大截面材料複合，並且在使用釺劑的前提下， 難以進行有效排渣；同時，使用銅銀釺料的成本也相對較高。
發明內容
由於鐵與銅相互之間的固溶度較低，同時球墨鑄鐵中含有較高的石墨和矽含量， 阻礙銅向鐵中擴散，造成界面結合力較低，另外，在隨後複合材料熱處理時，例如淬火冷卻時，由於球墨鑄鐵(約11X10-6/K)和銅合金(約17X10-6/K)之間的熱膨脹係數差較大，在冷卻過程中產生較大的熱應力梯度，這也將對球墨鑄鐵與銅合金之間的結合強度造成不利影響。為了克服銅和鐵之間的固溶度較小以及冷卻過程中熱應力梯度大這二個影響界面結合強度的問題，本發明採用施加鎳過渡層來加以克服。根據鐵-銅和鎳-銅相圖可以看出，在850°C左右，鎳與銅之間能夠形成無限固溶體，同時鎳在鐵中也有較大的固溶度， 並且不會形成金屬件化合物，因此能夠形成良好的界面結合性能；另外，鎳的熱膨脹係數約 13X10-6/K左右，介於銅和鐵之間，也能有效降低冷卻過程中形成的熱應力梯度。具體是這樣實施的一種用於柱塞泵缸體的球墨鑄鐵-青銅複合材料製備方法， 其特徵在於通過電鍍方法在球墨鑄鐵表面鍍上一層鎳，然後在球墨鑄鐵鍍鎳表面壓制一層粉末青銅層，獲得複合坯料，將複合坯料在還原性或中性氣氛中燒結獲得燒成複合材料。為了達到本發明良好的實施效果，球墨鑄鐵表面鍍上的鎳層厚度一般為10-50微米。實施本發明的詳細工藝步驟為 ①電鍍前的球墨鑄鐵表面處理將球墨鑄鐵進行機械錶面拋光，然後進行酸洗、鹼洗和水洗，儘可能去除球墨鑄鐵表面的鐵鏽和油汙，達到電鍍要求。②球墨鑄鐵電鍍鎳
以氨基磺酸鎳或硫酸鎳或氯化鎳為主鹽配製電鍍液，並在水浴槽中加熱至45-70°C左右，以鎳板或高純石墨棒為陽極，球墨鑄鐵為陰極，然後在電流密度約5A/dm2條件下進行電鍍鎳，於球墨鑄鐵表面鍍上一層10-50微米厚的鎳層。③壓制粉末青銅層
根據青銅層的厚度要求，在球墨鑄鐵鍍鎳表面施加適量的青銅粉，然後液壓機上進行壓製成複合坯料，壓制壓力為400-600 MPa，壓制後鉛青銅層的相對密度為60_80%。④燒結
將複合坯料置於還原性或中性氣氛中800-860°C燒結l_4h即可。⑤冷卻
將燒結好的複合材料以爐冷、空冷或淬火等方式進行冷卻。根據本發明採用電鍍方法，在球墨鑄鐵表面製備一層鎳作為過渡層，然後在其表面壓制粉末鉛青銅層，再通過氣氛保護燒結，製備成球墨鑄鐵-鉛青銅複合材料。由於鎳與銅、鎳與鐵之間的固溶度比鐵與銅大，以及鎳的熱膨脹係數介於鐵和銅之間，因此以鎳作過渡層能大大提高複合材料的界面結合強度。
圖1為實施例1的球S區鑄鐵-鉛 f銅複合材料的界面處掃描電鏡照片。
圖2為實施例1的球S區鑄鐵-鉛 f銅複合材料的界面處能譜分析。
圖3為實施例2的球S區鑄鐵-鉛 f銅複合材料的界面處掃描電鏡照片。
圖4為實施例3的球S區鑄鐵-鉛 f銅複合材料的界面處掃描電鏡照片。
圖5為實施例4的球S區鑄鐵-鉛 f銅複合材料的界面處掃描電鏡照片。
圖6為實施例5的球S區鑄鐵-鉛 f銅複合材料的界面處掃描電鏡照片。
圖7為實施例6的球S區鑄鐵-鉛 f銅複合材料的界面處掃描電鏡照片。
具體實施例方式實施例1，一種用於柱塞泵缸體的球墨鑄鐵-青銅複合材料製備方法，製作步驟為
I球墨鑄鐵表面處理
首先利用水砂紙將對墨鑄鐵進行表面拋光，然後進行10%HF混合液酸洗
30秒，熱水衝洗15分鐘，再用5% NaOH溶液鹼洗30分鐘，然後熱水衝洗15分鐘，儘可能去除球墨鑄鐵表面的鐵鏽和油汙。『球墨鑄鐵電鍍鎳
以硫酸鎳為主鹽配製電鍍液，鍍液成分為NiS04-6H20 330 g/1，NiCl-6H20 :45 g/1， H3B03 37 g/l，H202 :0.5 ml/1，並在水浴槽中加熱至60°C左右，然後以高純石墨棒為陽極， 球墨鑄鐵為陰極，控制電流密度為5A/dm2左右進行電鍍10分鐘，鎳層厚度約為10微米。
③壓制粉末青銅層
青銅粉採用霧化法製備的鉛青銅粉，其名義成分為CU-15Pb-4Sn-2Ni-lZn (質量分數，％)，粒徑為100微米左右。根據青銅層厚度要求，在鍍鎳球墨鑄鐵表面施加適量鉛青銅粉，然後液壓機上壓製成複合坯料，壓制壓力約為500MPa，壓制後鉛青銅層的相對密度為 70%左右。+ 燒結
將複合坯料置於氣氛保護燒結爐中，以氫氣為還原性氣氛，加熱至850°C，燒結池。⑤冷卻
將燒結好的複合材料在氣氛保護條件下隨爐冷卻至室溫。隨後進行界面掃描電鏡觀察及能譜分析，分別如圖1和圖2所示。圖1左側為球墨鑄鐵，中間為過渡層；右邊為鉛青銅。 從圖1可以看出，球墨鑄鐵和青銅之間結合良好。從圖2能譜線掃描可以看出，銅譜線與鐵譜線之間存在突變，表明二者之間互溶性很差，而鎳在銅與鐵之中都有較大的固溶度，從而能起到橋接作用。實施例2，一種用於柱塞泵缸體的球墨鑄鐵-青銅複合材料製備方法，製作步驟為
①球墨鑄鐵表面處理
首先利用水砂紙將對墨鑄鐵進行表面拋光，然後進行10%HF混合液酸洗
30秒，熱水衝洗15分鐘，再用5% NaOH溶液鹼洗30分鐘，然後熱水衝洗15分鐘，儘可能去除球墨鑄鐵表面的鐵鏽和油汙。②球墨鑄鐵電鍍鎳
以氨基磺酸鎳為主鹽配製電鍍液，鍍液成分為Ni (NH2S03) 2 :340 g/1，NiC12 · 6H20 40 g/1, H3B03 40 g/1, C12H25S04Na :0. lg/1，並在水浴槽中加熱至50°C左右，然後以鎳板為陽極，球墨鑄鐵為陰極，控制電流密度為5A/dm2左右進行電鍍20分鐘，鎳層厚度約為20 微米。③壓制粉末青銅層
青銅粉採用霧化法製備的鉛青銅粉，其名義成分為CU-15Pb-4Sn-2Ni-lZn (質量分數，％)，粒徑為100微米左右。根據青銅層厚度要求，在鍍鎳球墨鑄鐵表面施加適量鉛青銅粉，然後液壓機上壓製成複合坯料，壓制壓力約為600MPa，壓制後鉛青銅層的相對密度為 80%左右。φ 燒結
將複合坯料置於氣氛保護燒結爐中，以氮氣為中性保護氣氛，加熱至860°C，燒結lh。⑤冷卻
將燒結好的複合材料從爐中取出直接水淬。隨後進行界面掃描電鏡觀察，如圖3所示。 圖3左側為球墨鑄鐵，中間為過渡層；右邊為鉛青銅。從圖3可以看出，球墨鑄鐵和青銅之間結合良好。實施例3，一種用於柱塞泵缸體的球墨鑄鐵-青銅複合材料製備方法，製作步驟為①球墨鑄鐵表面處理
首先利用水砂紙將對墨鑄鐵進行表面拋光，然後進行10%HF混合液酸洗
30秒，熱水衝洗15分鐘，再用5% NaOH溶液鹼洗30分鐘，然後熱水衝洗15分鐘，儘可能去除球墨鑄鐵表面的鐵鏽和油汙。'Ξ'球墨鑄鐵電鍍鎳
以氯化鎳為主鹽配製電鍍液，鍍液成分為NiC12*6H20 :300 g/l,H3B03 30 g/l,NaCl 10 g/1，C12H25S04Na:0. lg/1，並在水浴槽中加熱至70°C左右，然後以鎳板為陽極，球墨鑄鐵為陰極，控制電流密度為5A/dm2左右進行電鍍50分鐘，鎳層厚度約為50微米。③壓制粉末青銅層
青銅粉採用霧化法製備的鉛青銅粉，其名義成分為CU-15Pb-4Sn-2Ni-lZn (質量分數，％)，粒徑為100微米左右。根據青銅層厚度要求，在鍍鎳球墨鑄鐵表面施加適量鉛青銅粉，然後液壓機上壓製成複合坯料，壓制壓力約為400MPa，壓制後鉛青銅層的相對密度為 60%左右。④燒結
將複合坯料置於氣氛保護燒結爐中，以氨分解氣為保護氣氛，加熱至800°C，燒結4h。⑤冷卻
將燒結好的複合材料從爐中取出空冷。隨後進行界面掃描電鏡觀察，如圖4所示。圖 4左側為球墨鑄鐵，中間為過渡層；右邊為鉛青銅。從圖4可以看出，球墨鑄鐵和青銅之間
結合良好。實施例4，一種用於柱塞泵缸體的球墨鑄鐵-青銅複合材料製備方法，製作步驟為
①球墨鑄鐵表面處理
首先利用水砂紙將對墨鑄鐵進行表面拋光，然後進行10%HF混合液酸洗
30秒，熱水衝洗15分鐘，再用5% NaOH溶液鹼洗30分鐘，然後熱水衝洗15分鐘，儘可能去除球墨鑄鐵表面的鐵鏽和油汙。球墨鑄鐵電鍍鎳
以硫酸鎳為主鹽配製電鍍液，鍍液成分為NiS04-6H20 330 g/1, NiCl-6H20 :35 g/1, H3B03 37 g/l，H202 :0.5 ml/1，並在水浴槽中加熱至60°C左右，然後以高純石墨棒為陽極， 球墨鑄鐵為陰極，控制電流密度為5A/dm2左右進行電鍍40分鐘，鎳層厚度約為40微米。③壓制粉末青銅層
青銅粉採用霧化法製備的鉛青銅粉，其名義成分為CU-15Pb-4Sn-2Ni-lZn (質量分數，％)，粒徑為100微米左右。根據青銅層厚度要求，在鍍鎳球墨鑄鐵表面施加適量鉛青銅粉，然後液壓機上壓製成複合坯料，壓制壓力約為550MPa，壓制後鉛青銅層的相對密度為 75%左右。
燒結
將複合坯料置於氣氛保護燒結爐中，以氫氣為還原性氣氛，加熱至830°C，燒結池。⑤冷卻將燒結好的複合材料隨爐冷卻至室溫。隨後進行界面掃描電鏡觀察，如圖5所示。圖 5左側為球墨鑄鐵，中間為過渡層；右邊為鉛青銅。從圖5可以看出，球墨鑄鐵和青銅之間
結合良好。實施例5，一種用於柱塞泵缸體的球墨鑄鐵-青銅複合材料製備方法，製作步驟為
①球墨鑄鐵表面處理
首先利用水砂紙將對墨鑄鐵進行表面拋光，然後進行10%HF混合液酸洗
30秒，熱水衝洗15分鐘，再用5% NaOH溶液鹼洗30分鐘，然後熱水衝洗15分鐘，儘可能去除球墨鑄鐵表面的鐵鏽和油汙。②球墨鑄鐵電鍍鎳
以氨基磺酸鎳為主鹽配製電鍍液，鍍液成分為Ni (NH2S03) 2 :340 g/1，NiC12 · 6H20 40 g/l,H3B03 40 g/1, C12H25S04Na :0. lg/1，並在水浴槽中加熱至45°C左右，然後以鎳板為陽極，球墨鑄鐵為陰極，控制電流密度為5A/dm2左右進行電鍍30分鐘，鎳層厚度約為30 微米。③壓制粉末青銅層
青銅粉採用霧化法製備的鉛青銅粉，其名義成分為CU-15Pb-4Sn-2Ni-lZn (質量分數，％)，粒徑為100微米左右。根據青銅層厚度要求，在鍍鎳球墨鑄鐵表面施加適量鉛青銅粉，然後液壓機上壓製成複合坯料，壓制壓力約為400MPa，壓制後鉛青銅層的相對密度為 60%左右。
燒結
將複合坯料置於氣氛保護燒結爐中，以氮氣為中性保護氣氛，加熱至840°C，燒結池。⑤冷卻
將燒結好的複合材料從爐中取出空冷。隨後進行界面掃描電鏡觀察，如圖6所示。圖 6左側為球墨鑄鐵，中間為過渡層；右邊為鉛青銅。從圖6可以看出，球墨鑄鐵和青銅之間
結合良好。實施例6，一種用於柱塞泵缸體的球墨鑄鐵-青銅複合材料製備方法，製作步驟為
①球墨鑄鐵表面處理
首先利用水砂紙將對墨鑄鐵進行表面拋光，然後進行10%HF混合液酸洗
30秒，熱水衝洗15分鐘，再用5% NaOH溶液鹼洗30分鐘，然後熱水衝洗15分鐘，儘可能去除球墨鑄鐵表面的鐵鏽和油汙。②球墨鑄鐵電鍍鎳
以氯化鎳為主鹽配製電鍍液，鍍液成分為NiC12*6H20 :300 g/l,H3B03 30 g/1,NaCl 10 g/1, C12H25S04Na:0. lg/1，並在水浴槽中加熱至60°C左右，然後以鎳板為陽極，球墨鑄鐵為陰極，控制電流密度為5A/dm2左右進行電鍍40分鐘，鎳層厚度約為40微米。③壓制粉末青銅層
青銅粉採用霧化法製備的鉛青銅粉，其名義成分為CU-15Pb-4Sn-2Ni-lZn (質量分數，％)，粒徑為100微米左右。根據青銅層厚度要求，在鍍鎳球墨鑄鐵表面施加適量鉛青銅粉，然後液壓機上壓製成複合坯料，壓制壓力約為600MPa，壓制後鉛青銅層的相對密度為 80%左右。Φ 燒結
將複合坯料置於氣氛保護燒結爐中，以氨分解氣為保護氣氛，加熱至820°C，燒結池。⑤冷卻
將燒結好的複合材料從爐中取出空冷。隨後進行界面掃描電鏡觀察，如圖7所示。圖 7左側為球墨鑄鐵，中間為過渡層；右邊為鉛青銅。從圖7可以看出，球墨鑄鐵和青銅之間
結合良好。
權利要求
1.一種用於柱塞泵缸體的球墨鑄鐵-青銅複合材料製備方法，其特徵在於通過電鍍方法在球墨鑄鐵表面鍍上一層鎳，然後在球墨鑄鐵鍍鎳表面壓制一層粉末青銅層，獲得複合坯料，將複合坯料在還原性或中性氣氛中燒結獲得燒成的複合材料。
2.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於球墨鑄鐵表面鍍上的鎳層厚度為 10-50微米。
3.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於球墨鑄鐵在電鍍前先進行表面處理。
4.根據權利要求2所述的製備方法，其特徵在於電鍍時，使用硫酸鎳或氨基磺酸鎳或氯化鎳為主鹽的電鍍液。
5.根據權利要求4所述的製備方法，其特徵在於電鍍鎳在溫度45-70°C下、電流密度為 5A/dm2條件下進行。
6.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於壓制複合坯料的壓力為400-600Mpa。
7.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於複合坯料的壓制鉛青銅層的相對密度為 60-80%。
8.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於複合坯料的燒結溫度為800-860°C，燒結時間為l_4h。
9.根據權利要求1所述的製備方法，其特徵在於燒結完成後，複合材料以爐冷或空冷或淬火進行冷卻。
全文摘要
一種用於柱塞泵缸體的球墨鑄鐵-青銅複合材料製備方法，涉及金屬複合材料的製備方法，通過電鍍方法在球墨鑄鐵表面鍍上一層鎳，然後在球墨鑄鐵鍍鎳表面壓制一層粉末青銅層，獲得複合坯料，將複合坯料在還原性或中性氣氛中燒結獲得燒成的複合材料，有效解決了球墨鑄鐵與青銅之間固溶度較低以及冷卻時熱應力梯度較大等問題，從而大大提高複合材料的界面結合性能。
文檔編號C25D3/12GK102179520SQ201110087698
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月8日 優先權日2011年4月8日
發明者劉琴, 孫曉浩, 李海, 王芝秀 申請人:常州大學, 無錫市漢力士液壓泵製品有限公司