柱塞泵缸體焊接工藝研究現狀★

趙 賀， 吳志生， 陰 旭

（太原科技大學材料學院， 山西 太原 30024）

柱塞泵是液壓系統和傳送系統的關鍵部件。它依靠柱塞在缸體中的往復運動，通過改變密閉缸體內液壓油的容積，實現吸油、壓油的功能，是典型的柱塞液壓泵整體結構。其廣泛應用在航空航天、車輛、起重運輸、冶金、工程機械、船舶等液壓系統或傳動系統中[1-8]。由于其數量從幾十到上百不等。目前，出于對輕量化、低碳減排及綠色制造等方面的考慮，航空工業不斷開展相關的問題研究。液壓泵作為液壓系統的心臟，隨著液壓系統的發展提出越來越高要求。減輕柱塞泵等核心構件重量并提高轉速和壓力，對于先進戰機的制造，已是人所共識。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，在運行到一定頻率后，需進行簡單的修復。

20世紀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雜，如圖1所示。從材料角度來分析，由于錫青銅的結晶溫度范圍寬及凝固區域大，在凝固過程中，對錫鉛青銅來說易產生鉛偏析（見圖2-1），從而降低其耐磨性[10]。而對含磷青銅來說，由于磷的存在使得合金反偏析傾向特別嚴重，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），導致雙金屬結合強度降低，易在使用中造成銅合金襯套脫落[11-12]，發生“脫套現象”。其破碎的部件，一旦進入液壓或傳動系統中，必將破壞液壓或傳動系統工作。此外，澆注后的青銅凝固后，需后續處理成槽孔，其材料利用率僅為60%～70%[13]。對于鋼與液相銅的結合能力，有文獻認為，如果鋼中的碳含量較高，則在澆注過程中，高碳鋼制缸體內碳會與空氣中的氧結合生成氧化物沉淀在鋼壁上，造成銅合金無法與鋼基體結合。因此當前有人用熔融態FeO代替熔融態硼砂，對鋼制缸套表面進行脫碳處理后，再進行青銅澆注，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]

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

1）按一定比例混粉，使構成青銅粉末的各化學組分組成均勻；

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

3）在鋼基體上燒結約0.1 mm厚度的過渡層，使Fe/Cu雙金屬結合區得到擴大的同時，也加大了后續燒結前表面粗糙度，成分與銅鉛合金層相近，可與銅鉛合金層壓件更好地燒結成一體，顯著提高鋼基體/銅鉛合金結合強度；

4）通過對柱塞孔進行擠壓，對滑面進行復壓，可獲得相對致密度為95%銅鉛合金層[17-18]。

由于碳具有潤滑性好及物理化學性能較為穩定的特點，碳與鉛的混合物潤滑質量會更高，因而在燒結青銅粉末時，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系，隨著碳含量的增加，對其摩擦性能有顯著的影響。由于平均摩擦系數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，平均摩擦系數先提高后降低。當w（C）=3%時，可以得到最小的摩擦系數，說明添加此含量的碳時，摩擦性能最好。而磨痕寬度也在w（C）=3%以后達到最小。最大摩擦系數決定摩擦面從靜態到動態的摩擦幅度的變化能力，則其值越小越好，圖3-2指出當w（C）=3%，其最大摩擦系數相對最小[21]。

圖3 摩擦性能與碳含量的關系

目前，雙金屬缸體采用鋼基體柱塞孔內壁鑲嵌青銅套的方法也有報道[22]。首先在柱塞孔處，切削制造兩條環槽，小緊度鑲壓銅套后，碾壓環槽壓緊后再進行精加工，鋼/銅合金雙金屬缸體因機械結合強度不高，服役中極易出現“拔套現象”，碎套進入液壓系統，必將會損壞泵體，引發嚴重事故。

2 結語

雖然國內對柱塞泵缸體的焊接方法進行了較為全面的研究工作，但其服役性能通常遠遠低于國外同類產品。主要原因在于缸體的焊接工藝過于復雜。對于澆注工藝來說，雖然可以通過控制參數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，都能在襯套中發現。而對于采用燒結工藝來說，工藝復雜只是其中的一個方面，更為嚴重的是，難以實現多孔缸體進行整體燒結的一次成型，目前的構件多見于單孔缸體。而機械結合的缸體，雖然其工藝較為簡單，但其服役性能低下，通常只能用于低壓低頻的液壓系統中。因此研究新工藝和新材料，制造雙金屬柱塞泵極為重要。

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