凌 靜

宿州學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽宿州，234000

高壓柱塞泵轉(zhuǎn)子雙金屬擠壓鑄掛成形的工藝特點(diǎn)

凌 靜

宿州學(xué)院機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽宿州，234000

對(duì)重力鑄掛轉(zhuǎn)子毛坯與雙金屬擠壓鑄掛轉(zhuǎn)子毛坯兩種技術(shù)的鑄掛過(guò)程進(jìn)行了研究，結(jié)果采用雙金屬擠壓鑄掛優(yōu)勢(shì)明顯：復(fù)合效果好；機(jī)械加工余量小。雙金屬(45#鋼—鉛錫青銅)擠壓鑄掛的傳熱特點(diǎn)：界面熱阻先增大后下降，溫度梯度大。液體金屬擠壓鑄掛成形時(shí)金屬液充型和凝固的特點(diǎn)分別為：澆注充型產(chǎn)生冷隔，高壓充型消除冷隔；重力凝固時(shí)間長(zhǎng)，高壓凝固時(shí)間僅為重力凝固的1/4～1/3。雙金屬擠壓鑄造成形的優(yōu)點(diǎn)：高壓金屬成形，雙側(cè)金屬易夾緊；易獲得細(xì)晶組織；鑄件無(wú)須起模；高壓時(shí)無(wú)須澆冒口。缺點(diǎn)是屬熔液內(nèi)部的氧化物和夾雜物存在內(nèi)部。改進(jìn)措施：提高熔煉合金液質(zhì)量，澆筑前過(guò)濾。

雙金屬；擠壓鑄掛；結(jié)合面；傳熱

1 問(wèn)題的提出

液壓柱塞泵轉(zhuǎn)子毛坯的結(jié)構(gòu)由兩部分組成，如圖1所示。第一部分，轉(zhuǎn)子主體，材質(zhì)是45#鋼，這部分用來(lái)承載壓力和抵抗沖擊作用。第二部分，轉(zhuǎn)子工作面，材質(zhì)是ZCuPb18Sn8鉛錫青銅，在圖1中，轉(zhuǎn)子工作面包含的部分又有中心孔壁、SR240球冠面和7個(gè)圓周均布孔壁。轉(zhuǎn)子工作面的厚度為2 mm左右，性能為抗疲勞、抗咬合、減磨、導(dǎo)熱性好以及工作溫度達(dá)到300℃度時(shí)也不易摩擦粘連。

圖1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

建立柱塞泵轉(zhuǎn)子雙金屬的高壓鑄造成形原理是本課題的關(guān)鍵技術(shù)。簡(jiǎn)而言之，高壓45#鋼坯的端面，可以在柱塞泵轉(zhuǎn)子的孔壁上鑄掛一定厚度(本文為2 mm)的耐磨材料ZCuPb18Sn8鉛錫青銅。由于是在高壓條件下鑄掛，因此對(duì)柱塞泵轉(zhuǎn)子工作面——雙金屬的結(jié)合面的強(qiáng)度要求很高，即對(duì)面之間的剪切強(qiáng)度要求高。另外，結(jié)合面之間不能出現(xiàn)常見(jiàn)的鑄造缺陷，如氣孔、縮松和夾渣等。

2 重力鑄掛轉(zhuǎn)子毛坯與雙金屬擠壓鑄掛轉(zhuǎn)子毛坯的比較

重力鑄造轉(zhuǎn)子毛坯技術(shù)定義為，僅在重力的作用下把鉛錫青銅合金熔液澆入鋼坯體中，從而得到重力作用下的轉(zhuǎn)子毛坯，如圖2所示。圖3則是這一技術(shù)又經(jīng)機(jī)械加工后的轉(zhuǎn)子毛坯。這一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)就是操作簡(jiǎn)單，而缺點(diǎn)則更多，比如，靠近鉛錫青銅一側(cè)的結(jié)合面處會(huì)出現(xiàn)氣孔、夾渣，導(dǎo)致結(jié)合面性能不能滿足要求，造成大量試件報(bào)廢，浪費(fèi)人力、物力、財(cái)力，讓企業(yè)難以發(fā)展。重力鑄造轉(zhuǎn)子毛坯技術(shù)機(jī)械加工余量大，造成鉛錫青銅的大量使用，這不僅增加了工人、機(jī)械的工作量，而且不必要的浪費(fèi)與國(guó)家提倡的節(jié)約資源相背。

圖2 重力鑄造轉(zhuǎn)子毛坯圖

圖3 機(jī)械加工后的轉(zhuǎn)子毛坯圖

雙金屬擠壓鑄掛轉(zhuǎn)子毛坯技術(shù)(圖4)的缺點(diǎn)是技術(shù)相對(duì)重力鑄造轉(zhuǎn)子毛坯技術(shù)工藝復(fù)雜，主要體現(xiàn)在需要高壓作用熔液，而優(yōu)點(diǎn)則相對(duì)更多，最終能滿足試件的要求。

(1)復(fù)合效果好。高壓提高了液體金屬的填充性能；結(jié)合面接觸緊密，兩側(cè)的雙金屬咬合夾緊作用增強(qiáng)；結(jié)合面質(zhì)量提高，少見(jiàn)鑄造缺陷。

(2)機(jī)械加工余量小。減少了工人、機(jī)械的工作量，節(jié)約了鉛錫青銅重金屬資源。

(3)用液體高壓鑄造技術(shù)研究開發(fā)復(fù)雜的試件，體現(xiàn)擠壓鑄造技術(shù)的新發(fā)展。

圖4 雙金屬擠壓鑄造轉(zhuǎn)子毛坯圖

3 雙金屬(45#鋼—鉛錫青銅)擠壓鑄掛的傳熱特點(diǎn)

雙金屬這里指的是45#鋼和鉛錫青銅。當(dāng)高溫下鉛錫青銅熔液澆入鑄型后，模具溫度急劇上升，而模具側(cè)壁金屬液體則形成激冷硬殼。由于模具和鉛錫青銅液體會(huì)產(chǎn)生變溫?zé)釕?yīng)變而收縮，所以鋼坯壁之間形成間隙，如圖5(a)所示，界面熱阻增大，鑄件冷卻速度下降。施加高壓，激冷的硬殼由于彈性變形，剛產(chǎn)生的間隙會(huì)消失，如圖5(b)所示，界面熱阻陡然下降，溫度梯度大。

圖5 液態(tài)金屬?zèng)_壓鑄掛施壓前后鑄型間隙變化

4 液體金屬擠壓鑄掛成形時(shí)金屬液充型和凝固的特點(diǎn)

液體金屬擠壓鑄掛成形，金屬液充型需要兩個(gè)階段。第一階段，澆注充型。這一階段主要是在重力作用下澆注，由于液體流速慢，模壁冷卻強(qiáng)烈，又要保證液體的流動(dòng)性，需要較長(zhǎng)時(shí)間，容易產(chǎn)生冷隔。第二階段，高壓充型。相比第一階段，這一階段由于高壓，液體流動(dòng)時(shí)間短，不易產(chǎn)生或可以消除冷隔等第一階段的鑄造缺陷。

液體金屬擠壓鑄掛成形時(shí)，金屬凝固同樣也有兩個(gè)階段。第一階段，重力凝固。凝固時(shí)間按前文所述的重力鑄掛計(jì)算。第二階段，高壓凝固。高壓施加之后，凝固時(shí)間為第一階段重力凝固的1/4～1/3。

液體金屬擠壓鑄掛成形時(shí)，金屬液充型和凝固的特點(diǎn)：形核率增加。主要原因?yàn)椋阂后w金屬在高壓下快速成核，做功降低，結(jié)果是更多液體金屬形成原子團(tuán)形核；凝固溫度提高，比普通大氣壓下有更大的過(guò)冷度；金屬晶體的游離、增殖加速。

5 雙金屬擠壓鑄造成形的特點(diǎn)

(1)高壓液態(tài)金屬成形、凝固時(shí)收縮，結(jié)合面兩側(cè)雙金屬易夾緊，同時(shí)對(duì)復(fù)雜零件內(nèi)腔有填充作用。

(2)金屬晶核半徑變小，形核率增大，易獲得細(xì)晶組織；另外，凝固收縮率約為重力鑄造時(shí)的1/3左右，鑄造缺陷不易出現(xiàn)，使鑄掛金屬的致密度提高。

(3)鑄件無(wú)須起模，即不要考慮拔模斜度、型腔光潔度，增大了型腔的粗糙度，使得金屬熔液和型腔壁結(jié)合緊密，鑄件質(zhì)量提高。

(4)高壓時(shí)，無(wú)須澆冒口，減少鉛錫青銅材料的使用，機(jī)械加工量也得到減少，能提高產(chǎn)品的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益，縮短生產(chǎn)周期。

(5)由于沒(méi)有排渣、集渣使用的澆冒口，金屬熔液內(nèi)部的氧化物和夾雜物存在內(nèi)部，這是本技術(shù)的缺點(diǎn)，造成鑄件力學(xué)性能的降低。改進(jìn)措施：液態(tài)金屬高壓鑄掛時(shí)，所用的熔煉合金液質(zhì)量要高，澆注前過(guò)濾夾渣，以免殘存在內(nèi)部的鑄造缺陷出現(xiàn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)雙金屬(45#鋼—鉛錫青銅)擠壓鑄掛成形技術(shù)的采用，大大減小了柱塞泵轉(zhuǎn)子的機(jī)械加工余量，提高了結(jié)合層的質(zhì)量。

(2)高壓柱塞泵轉(zhuǎn)子雙金屬擠壓鑄掛成形的合金熔液要在澆注前過(guò)濾，避免成形后內(nèi)部的鑄造缺陷出現(xiàn)。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

2014-04-25

宿州學(xué)院一般科研項(xiàng)目“柱塞泵轉(zhuǎn)子擠壓鑄掛成形的優(yōu)化”(2012yyb07)。

凌靜(1984-)，女，廣西興業(yè)人，碩士，助教，主要研究方向：機(jī)械加工制造、模擬仿真。

10.3969/j.issn.1673-2006.2014.07.024

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