柱塞泵缸體焊接工藝研究現(xiàn)狀★

趙 賀， 吳志生， 陰 旭

（太原科技大學(xué)材料學(xué)院， 山西 太原 30024）

柱塞泵是液壓系統(tǒng)和傳送系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。它依靠柱塞在缸體中的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過改變密閉缸體內(nèi)液壓油的容積，實(shí)現(xiàn)吸油、壓油的功能，是典型的柱塞液壓泵整體結(jié)構(gòu)。其廣泛應(yīng)用在航空航天、車輛、起重運(yùn)輸、冶金、工程機(jī)械、船舶等液壓系統(tǒng)或傳動(dòng)系統(tǒng)中[1-8]。由于其數(shù)量從幾十到上百不等。目前，出于對(duì)輕量化、低碳減排及綠色制造等方面的考慮，航空工業(yè)不斷開展相關(guān)的問題研究。液壓泵作為液壓系統(tǒng)的心臟，隨著液壓系統(tǒng)的發(fā)展提出越來越高要求。減輕柱塞泵等核心構(gòu)件重量并提高轉(zhuǎn)速和壓力，對(duì)于先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的制造，已是人所共識(shí)。因此，研制輕量化柱塞泵鈦/銅合金雙金屬缸體取代多年所用的鋼銅合金雙金屬缸體，具有重要意義。

1 柱塞泵缸體研究現(xiàn)狀

早期制造雙金屬柱塞泵缸體，采用在鋼、鐵或其他合金（如65Mn等）零件的表面電鍍或噴涂耐磨損面，但使用壽命短效果不好，目前其工藝僅用于低速缸體，在運(yùn)行到一定頻率后，需進(jìn)行簡(jiǎn)單的修復(fù)。

20世紀(jì)70年代初，開始在鋼基體上澆鑄（Pouring Casting）錫鉛銅合金襯套的整體鑄造缸體方法[9]，但其工藝流程非常復(fù)雜，如圖1所示。從材料角度來分析，由于錫青銅的結(jié)晶溫度范圍寬及凝固區(qū)域大，在凝固過程中，對(duì)錫鉛青銅來說易產(chǎn)生鉛偏析（見圖2-1），從而降低其耐磨性[10]。而對(duì)含磷青銅來說，由于磷的存在使得合金反偏析傾向特別嚴(yán)重，生成三元共晶體（α+δ+Cu3P），使得銅合金與鋼套之間隔離開來（見圖2-2），導(dǎo)致雙金屬結(jié)合強(qiáng)度降低，易在使用中造成銅合金襯套脫落[11-12]，發(fā)生“脫套現(xiàn)象”。其破碎的部件，一旦進(jìn)入液壓或傳動(dòng)系統(tǒng)中，必將破壞液壓或傳動(dòng)系統(tǒng)工作。此外，澆注后的青銅凝固后，需后續(xù)處理成槽孔，其材料利用率僅為60%～70%[13]。對(duì)于鋼與液相銅的結(jié)合能力，有文獻(xiàn)認(rèn)為，如果鋼中的碳含量較高，則在澆注過程中，高碳鋼制缸體內(nèi)碳會(huì)與空氣中的氧結(jié)合生成氧化物沉淀在鋼壁上，造成銅合金無法與鋼基體結(jié)合。因此當(dāng)前有人用熔融態(tài)FeO代替熔融態(tài)硼砂，對(duì)鋼制缸套表面進(jìn)行脫碳處理后，再進(jìn)行青銅澆注，獲得了有效的接頭[14]。

圖1 雙金屬澆注工藝流程圖

圖2 澆注過程中的缺陷[15]

當(dāng)前鋼-銅合金雙金屬柱塞泵缸體也采用粉末冶金技術(shù)（P/MTechnology）[16]，將鉛青銅粉末燒結(jié)在鋼制缸體上。但必須嚴(yán)格控制各道工序的工藝參數(shù)，其工藝流程可概括為：

1）按一定比例混粉，使構(gòu)成青銅粉末的各化學(xué)組分組成均勻；

2）制備銅鉛微細(xì)粉末合金層壓件，為避免鉛的析出，在保證其具有70%～75%的致密度時(shí)，預(yù)先使層壓件中留有一定的孔隙；

3）在鋼基體上燒結(jié)約0.1 mm厚度的過渡層，使Fe/Cu雙金屬結(jié)合區(qū)得到擴(kuò)大的同時(shí)，也加大了后續(xù)燒結(jié)前表面粗糙度，成分與銅鉛合金層相近，可與銅鉛合金層壓件更好地?zé)Y(jié)成一體，顯著提高鋼基體/銅鉛合金結(jié)合強(qiáng)度；

4）通過對(duì)柱塞孔進(jìn)行擠壓，對(duì)滑面進(jìn)行復(fù)壓，可獲得相對(duì)致密度為95%銅鉛合金層[17-18]。

由于碳具有潤(rùn)滑性好及物理化學(xué)性能較為穩(wěn)定的特點(diǎn)，碳與鉛的混合物潤(rùn)滑質(zhì)量會(huì)更高，因而在燒結(jié)青銅粉末時(shí)，可以添加一定量的碳，改善青銅摩擦面的性能[19-20]。圖3比較了碳含量與摩擦性能之間的關(guān)系，隨著碳含量的增加，對(duì)其摩擦性能有顯著的影響。由于平均摩擦系數(shù)決定摩擦面上的能量分布能力，從圖3-1可以看出，隨著碳含量的增高，平均摩擦系數(shù)先提高后降低。當(dāng)w（C）=3%時(shí)，可以得到最小的摩擦系數(shù)，說明添加此含量的碳時(shí)，摩擦性能最好。而磨痕寬度也在w（C）=3%以后達(dá)到最小。最大摩擦系數(shù)決定摩擦面從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的摩擦幅度的變化能力，則其值越小越好，圖3-2指出當(dāng)w（C）=3%，其最大摩擦系數(shù)相對(duì)最小[21]。

圖3 摩擦性能與碳含量的關(guān)系

目前，雙金屬缸體采用鋼基體柱塞孔內(nèi)壁鑲嵌青銅套的方法也有報(bào)道[22]。首先在柱塞孔處，切削制造兩條環(huán)槽，小緊度鑲壓銅套后，碾壓環(huán)槽壓緊后再進(jìn)行精加工，鋼/銅合金雙金屬缸體因機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度不高，服役中極易出現(xiàn)“拔套現(xiàn)象”，碎套進(jìn)入液壓系統(tǒng)，必將會(huì)損壞泵體，引發(fā)嚴(yán)重事故。

2 結(jié)語

雖然國(guó)內(nèi)對(duì)柱塞泵缸體的焊接方法進(jìn)行了較為全面的研究工作，但其服役性能通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)外同類產(chǎn)品。主要原因在于缸體的焊接工藝過于復(fù)雜。對(duì)于澆注工藝來說，雖然可以通過控制參數(shù)來減少鉛的偏析以及缺陷。但鑄造錫青銅本身的工藝就較為困難，通常鑄造中的缺陷，都能在襯套中發(fā)現(xiàn)。而對(duì)于采用燒結(jié)工藝來說，工藝復(fù)雜只是其中的一個(gè)方面，更為嚴(yán)重的是，難以實(shí)現(xiàn)多孔缸體進(jìn)行整體燒結(jié)的一次成型，目前的構(gòu)件多見于單孔缸體。而機(jī)械結(jié)合的缸體，雖然其工藝較為簡(jiǎn)單，但其服役性能低下，通常只能用于低壓低頻的液壓系統(tǒng)中。因此研究新工藝和新材料，制造雙金屬柱塞泵極為重要。

[1]Li J，Yang H Z，Han M，et al.Application and Design of Plunger Pump Lifting Viscoelastic Fluid[J].Advanced Materials Research，2011，291-294：2 507-2 511.

[2]Panella B，F(xiàn)rancesco W.Experimental Assessment of Fatigue Reliability for High-pressure Plunger Pumps[J].ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition，2010，13：277-282.

[3]Notzon S.High Pressure Dynamic Seal for Plunger Pumps with Pressures above 35 kpsi[J].American Society of Mechanical Engineers，2010，5：111-119.

[4]Bruno A，Alberto A，Salvatore B，et al.Development of Novel Ferrofluidic Pumps[J].IEEE，Engineering in Medicine and Biology Society，2006，1-15：1 420-1 423.

[5]PangZC，Zhai W J，Shun J W.Study of Hydrostatic Lubrication of the Slipper in a High-pressure Plunger Pump[J].T.L.E.Tribology Transactions，1993，36（2）：316-320.

[6]Chambliss R K，Cox J C，Lea J F.Plunger Slippage for Rod-drawn Plunger Pumps[J].Journal of Energy Resources Technology-Echnology Transactions of the ASMER，2004，126（3）：208-214.

[7]Momber A W.An Optimisation Parameter for Plunger Pump Based Jetting Systems[J].Forschung im Ingenieurwsen-Engineering Research，2004，68（4）：239-246.

[8]Dautov T M，Gazarov R E.New generation of high-pressure plunger pumps produced by the company IZhNEFTEMASh for the petroleum industry[J].Chemical and Petroleum Engineering，2003，39（7/8）：388-395.

[9]Dasgupta K，Mondal S K.Analysis of the Steady-state Performance of a Multi-plunger Hydraulic Pump[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part A-Journal of Power and Energineering，2002，216（A6）：471-479.

[10]長(zhǎng)沙機(jī)床廠雙層合金軸套實(shí)驗(yàn)小組.鋼-青銅雙層合金軸套離心鑄造工藝[J].上海機(jī)械，1996（5）：33-35.

[11]包新益.高鉛青銅雙金屬軸承離心鑄造及其鉛偏析的研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2004.

[12]丁惠麟.液壓泵油缸轉(zhuǎn)子的雙金屬澆注金相分析[J].航空材料，1981（2）：10-15.

[13]陳先河.雙金屬軸套的常見缺陷及防治方法[J].特種鑄造及有色合金，2000（1）：36-37.

[14]郭大威，徐楨基，顧敦清，等.滑動(dòng)軸承的失效分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

[15]Shen Y B，Yamazaki T，Jin C T，et al.Lining of Cast Iron Cylinder with Copper Alloy[J].Advanced Materials Research，2007，15-17：888-893.

[16]劉永，王瑩，陳衛(wèi)，等.礦用雙金屬?gòu)?fù)合軸套燒結(jié)工藝及其性能研究[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2004，19（1）：18-20.

[17]陳廣志，田玉清，許慶森，等.一種常見鋼-鉛銅雙金屬柱塞缸體的制造方法：CN1161259A[P].1997-10-18.

[18]陳廣志，田玉清，王迎輝.鋼-銅鉛合金雙金屬柱塞缸體的研制[J].新技術(shù)新工藝，1999（1）：21-27.

[19]Xia L，Jia B B，Zeng J，et al.Wear Performance of Copper-graphite Composite and a Leaded Copper Alloy[J].Materials Characterization ，2009，60：363-369.

[20]Yang H J，Luo R Y，Han S Y，et al.Effect of the Ratio of Graphite/Pitch Coke on the Mechanical and Tribological Properties of Copper carbon Composites[J].Wear，2010，268：1 337-1 341.

[21]Liu R T，Xiong X，Chen F S，et al.Tribological Performance of Graphite Containing Tin Lead Bronze Steel Bimetal under Reciprocal Sliding Test[J].Tribology International，2011，44：101-105.

[22]王振桃.油泵缸體鑲壓大緊度柱塞銅套試驗(yàn)研究[J].液壓工業(yè)，1991（2）：24-25.