【摘 要】
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高压柱塞泵是高端液压装备的核心元件,液压元件中的许多运动副在高频的周期运动下承受着较强的摩擦损耗,大多数情况下液压元件会因运动副的磨损而失效。铜合金具有良好的耐磨性和导热性,且加工性能优越;球墨铸铁在有较高强度的同时切削加工性能优良。铜合金/球墨铸铁双金属既满足结构件的强度要求,又兼具功能件的耐磨性,满足高压高速大功率柱塞泵用材料未来发展趋势。本文采用钎焊工艺,应用液态钎料在母材表面润湿原理制备了
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高压柱塞泵是高端液压装备的核心元件,液压元件中的许多运动副在高频的周期运动下承受着较强的摩擦损耗,大多数情况下液压元件会因运动副的磨损而失效。铜合金具有良好的耐磨性和导热性,且加工性能优越;球墨铸铁在有较高强度的同时切削加工性能优良。铜合金/球墨铸铁双金属既满足结构件的强度要求,又兼具功能件的耐磨性,满足高压高速大功率柱塞泵用材料未来发展趋势。本文采用钎焊工艺,应用液态钎料在母材表面润湿原理制备了四种铜合金/球墨铸铁双金属,开展了四种铜合金在球墨铸铁表面润湿性以及双金属的性能研究。试验研究了HMn58-2锰黄铜、HSn60-1锡黄铜、H62黄铜和QSi3-1硅青铜四种铜合金在球墨铸铁表面的润湿性及润湿机理。试验表明,四种铜合金/球墨铸铁界面处无裂纹、夹杂、孔洞等缺陷,冶金结合良好,其中,锰黄铜和锡黄铜与球墨铸铁界面的扩散层由深灰色的针状相Cu Zn、浅灰色的基体相Fe3Si与黑色的球状相石墨组成;H62黄铜/球墨铸铁界面无扩散层产生,硅青铜在球墨铸铁表面的润湿铺展能力较差。当保温时间为100s,钎焊温度由920℃提升到1000℃时,锰黄铜的润湿面积由92.1 mm2提升至114.2 mm2,平衡润湿角由48.5°下降到40.1°,继续提高钎焊温度,C元素发生明显的上坡扩散,界面C迁移现象显著,降低了界面结合。在钎焊温度980℃、保温时间100（s锰黄铜、锡黄铜、H62黄铜）和钎焊温度1080℃、保温时间100s（硅青铜）的工艺条件下制备了四种铜合金/球墨铸铁双金属,试验研究了干摩擦条件和润滑剂摩擦条件下载荷对铜合金/球墨铸铁双金属的摩擦磨损性能的影响。结果表明:干摩擦条件下,随着载荷的提高,铜合金/球墨铸铁双金属的摩擦系数升高,磨损体积增大,磨损表面存在大量“犁沟”,磨损形式以磨粒磨损为主,其中锰黄铜/球墨铸铁双金属摩擦系数和磨损体积均最小,载荷为50N时摩擦系数为0.556,磨损体积为0.065 mm3。润滑剂摩擦条件下,摩擦系数和磨损体积均大幅下降,随着载荷的提高,铜合金/球墨铸铁双金属的摩擦系数和磨损体积均有不同程度的升高,其中锰黄铜/球墨铸铁双金属摩擦系数和磨损体积均最小,载荷为50N时摩擦系数为0.144,磨损体积为0.087 mm3。锰黄铜/球墨铸铁双金属界面抗剪强度为175.3 MPa,锰黄铜表面显微硬度为178.91 HV,均为四种铜合金中最优值,满足具体工况条件的使用。通过仿真计算建立了四种铜合金/球墨铸铁双金属模型,开展了双金属残余应力的研究。计算发现,四种铜合金/球墨铸铁双金属的残余应力均集中在铜合金与球墨铸铁界面处,锰黄铜/球墨铸铁双金属的最大残余应力为783 MPa,S11、S22拉应力是诱发接头失效的最主要原因之一。球墨铸铁的板厚对双金属最大等效应力有影响,过薄的球墨铸铁会导致钎焊过程中双金属变形严重,最大等效应力达到953 MPa过厚的球墨铸铁会导致降温时散热过慢,增大残余应力,最大等效应力达到804 MPa。
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