柱塞泵缸体焊接工艺研究现状★

赵 贺， 吴志生， 阴 旭

（太原科技大学材料学院， 山西 太原 30024）

柱塞泵是液压系统和传送系统的关键部件。它依靠柱塞在缸体中的往复运动，通过改变密闭缸体内液压油的容积，实现吸油、压油的功能，是典型的柱塞液压泵整体结构。其广泛应用在航空航天、车辆、起重运输、冶金、工程机械、船舶等液压系统或传动系统中[1-8]。由于其数量从几十到上百不等。目前，出于对轻量化、低碳减排及绿色制造等方面的考虑，航空工业不断开展相关的问题研究。液压泵作为液压系统的心脏，随着液压系统的发展提出越来越高要求。减轻柱塞泵等核心构件重量并提高转速和压力，对于先进战机的制造，已是人所共识。因此，研制轻量化柱塞泵钛/铜合金双金属缸体取代多年所用的钢铜合金双金属缸体，具有重要意义。

1 柱塞泵缸体研究现状

早期制造双金属柱塞泵缸体，采用在钢、铁或其他合金（如65Mn等）零件的表面电镀或喷涂耐磨损面，但使用寿命短效果不好，目前其工艺仅用于低速缸体，在运行到一定频率后，需进行简单的修复。

20世纪70年代初，开始在钢基体上浇铸（Pouring Casting）锡铅铜合金衬套的整体铸造缸体方法[9]，但其工艺流程非常复杂，如图1所示。从材料角度来分析，由于锡青铜的结晶温度范围宽及凝固区域大，在凝固过程中，对锡铅青铜来说易产生铅偏析（见图2-1），从而降低其耐磨性[10]。而对含磷青铜来说，由于磷的存在使得合金反偏析倾向特别严重，生成三元共晶体（α+δ+Cu3P），使得铜合金与钢套之间隔离开来（见图2-2），导致双金属结合强度降低，易在使用中造成铜合金衬套脱落[11-12]，发生“脱套现象”。其破碎的部件，一旦进入液压或传动系统中，必将破坏液压或传动系统工作。此外，浇注后的青铜凝固后，需后续处理成槽孔，其材料利用率仅为60%～70%[13]。对于钢与液相铜的结合能力，有文献认为，如果钢中的碳含量较高，则在浇注过程中，高碳钢制缸体内碳会与空气中的氧结合生成氧化物沉淀在钢壁上，造成铜合金无法与钢基体结合。因此当前有人用熔融态FeO代替熔融态硼砂，对钢制缸套表面进行脱碳处理后，再进行青铜浇注，获得了有效的接头[14]。

图1 双金属浇注工艺流程图

图2 浇注过程中的缺陷[15]

当前钢-铜合金双金属柱塞泵缸体也采用粉末冶金技术（P/MTechnology）[16]，将铅青铜粉末烧结在钢制缸体上。但必须严格控制各道工序的工艺参数，其工艺流程可概括为：

1）按一定比例混粉，使构成青铜粉末的各化学组分组成均匀；

2）制备铜铅微细粉末合金层压件，为避免铅的析出，在保证其具有70%～75%的致密度时，预先使层压件中留有一定的孔隙；

3）在钢基体上烧结约0.1 mm厚度的过渡层，使Fe/Cu双金属结合区得到扩大的同时，也加大了后续烧结前表面粗糙度，成分与铜铅合金层相近，可与铜铅合金层压件更好地烧结成一体，显著提高钢基体/铜铅合金结合强度；

4）通过对柱塞孔进行挤压，对滑面进行复压，可获得相对致密度为95%铜铅合金层[17-18]。

由于碳具有润滑性好及物理化学性能较为稳定的特点，碳与铅的混合物润滑质量会更高，因而在烧结青铜粉末时，可以添加一定量的碳，改善青铜摩擦面的性能[19-20]。图3比较了碳含量与摩擦性能之间的关系，随着碳含量的增加，对其摩擦性能有显著的影响。由于平均摩擦系数决定摩擦面上的能量分布能力，从图3-1可以看出，随着碳含量的增高，平均摩擦系数先提高后降低。当w（C）=3%时，可以得到最小的摩擦系数，说明添加此含量的碳时，摩擦性能最好。而磨痕宽度也在w（C）=3%以后达到最小。最大摩擦系数决定摩擦面从静态到动态的摩擦幅度的变化能力，则其值越小越好，图3-2指出当w（C）=3%，其最大摩擦系数相对最小[21]。

图3 摩擦性能与碳含量的关系

目前，双金属缸体采用钢基体柱塞孔内壁镶嵌青铜套的方法也有报道[22]。首先在柱塞孔处，切削制造两条环槽，小紧度镶压铜套后，碾压环槽压紧后再进行精加工，钢/铜合金双金属缸体因机械结合强度不高，服役中极易出现“拔套现象”，碎套进入液压系统，必将会损坏泵体，引发严重事故。

2 结语

虽然国内对柱塞泵缸体的焊接方法进行了较为全面的研究工作，但其服役性能通常远远低于国外同类产品。主要原因在于缸体的焊接工艺过于复杂。对于浇注工艺来说，虽然可以通过控制参数来减少铅的偏析以及缺陷。但铸造锡青铜本身的工艺就较为困难，通常铸造中的缺陷，都能在衬套中发现。而对于采用烧结工艺来说，工艺复杂只是其中的一个方面，更为严重的是，难以实现多孔缸体进行整体烧结的一次成型，目前的构件多见于单孔缸体。而机械结合的缸体，虽然其工艺较为简单，但其服役性能低下，通常只能用于低压低频的液压系统中。因此研究新工艺和新材料，制造双金属柱塞泵极为重要。

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