[0001] 本发明涉及液压缸加工领域，具体涉及一种连续炉双金属缸体的制备工艺、制备工装及液压缸。

[0002] 液压缸的主体部分为双金属缸体，外形如图1所示，包括以铜合金为材质的铜覆层和以铁合金为材质的钢基体，铜覆层覆盖在钢基体的端面上。固‑液复合法是常用的制备铜钢复合材料的方法之一，利用铜的熔点低于钢，当温度达到铜的熔点时，铜熔化覆盖在钢的表面上，达到两者复合的目的。相较于传统的固‑固复合法的烧结生产方式，具有效率高、环境友好度高的优点。

[0003] 采用连续式网带加热炉进行铜覆层和钢基体的复合，钢基体和制作铜覆层的铜块共同放入加热炉中进行升温，保温过程中，钢基体作为缸体的基体部分与铜块共同升温，铜块完全融化时，钢基体仍保持固态，随后含铜金属熔体流动完全覆盖在钢基体的上端面。加热完成后，缸体进入冷却段，但由于铜合金发生了固液转变，在含铜金属熔体凝固过程中容易出现缺陷；由于钢基体与铜覆层的体积差异大，且铜的导热性能优于钢，与冷却段环境接触的含铜金属熔体表层会优先冷却而凝固，而与钢基体接触的含铜金属熔体仍保持与钢相同的温度，含铜金属熔体中形成自上而下温度逐渐增加的温度梯度，导致含铜金属熔体冷却时出现自上而下的凝固方向，含铜金属熔体和钢基体接触界面处的含铜金属熔体成为最后凝固区域，铜钢界面处存在较大缩松趋势，造成零件的早期失效。中国专利(公开号：CN114042918A)中公开了一种铜钢双金属构件的制备工艺，钢基体固定于沉积工作腔内，然后充满保护气体后进行预热至设定温度，设定温度低于钢材质的固相线温度，将含铜金属熔体沉积于钢基体的表面实现初步复合，在复合后预热再保温；但需要对钢基体、含铜金属熔体分别操作，而并不适用于连续炉，连续炉内没有对钢基体和含铜金属进行分别操作的空间，导致目前的含铜金属熔体的沉积难以实现，影响其在连续炉内的应用，无法满足大批量规模生产的需求。

[0036] 实施例1

[0037] 本发明的一个典型实施例中，如图1‑图5所示，给出一种连续炉双金属缸体的制备工艺。

[0038] 目前双金属缸体制备时需要分别控制钢材质和铜材质的温度，并在沉积时额外进行操作，导致生产效率较低，并且不适用于连续炉的应用，连续炉难以提供操作铜金属熔体沉积的操作空间，导致铜钢双金属缸体难以实现大批量规模生产。基于此，本实施例提供一种连续炉双金属缸体的制备工艺，采用钢基体1和制备铜覆层2的铜原料共同置入连续炉的方案，利用隔热罩5将钢基体1和铜原料分隔，从而形成差速升温，适配连续炉的生产场景，在铜原料熔化后，再引入较低温度的钢基体1上进行沉积，以建立先接触先降温先固化的沉积方式，从而减少铜钢界面的缩松趋势，减少沉积后的零件缺陷。

[0039] 如图1所示，一种连续炉双金属缸体的制备工艺，包括：

[0040] 制作钢基体1；

[0041] 将所述钢基体1安置于连续炉输送带并扣罩隔热罩5，隔热罩5上布置容器3；

[0042] 将制作铜覆层2的铜原料放置于容器3，共同送入连续炉加热；

[0043] 将铜原料温度加热至铜材质液相线温度以上，至铜原料熔化成为含铜金属熔体4，钢基体1被加热并使温度保持在铜材质液相线温度以下；

[0044] 含铜金属熔体4穿过隔热罩5落于钢基体1，含铜金属熔体4在钢基体1上以从下到上的顺序凝固，于钢基体1上形成铜覆层2；

[0045] 将钢基体1和铜覆层2送入连续炉的冷却段，得到缸体。

[0046] 需要指出的是，本实施例中指出的从下到上的顺序凝固是由于钢基体1位于含铜金属熔体4的下方，也就是指沿含铜金属熔体4所形成的铜覆层2的厚度方向上，距离钢基体1越近固化时间越早，即铜钢交界位置为最接近钢基体1的位置，铜钢交界位置的含铜金属熔体4先固化，铜覆层2的外表面后固化。

[0047] 本实施例中，如图2所示，隔热罩5与钢基体1相离，隔热罩5采用隔热材料，隔热罩5所选择的保温材料的导热系数≤钢基体1的导热系数，从而使钢基体1的升温速率减缓。隔热材料可以采用陶瓷气凝胶材料、纳米纤维气凝胶、硅酸铝纤维棉等。例如，氧化硅‑氧化铝复合陶瓷气凝胶(FR‑SACA)通过使用自我牺牲聚合物重新排列二氧化硅气凝胶微粒和莫来石陶瓷纤维来实现，具有耐高温(1300–1600℃)和优异的隔热性能，形成类似鸟巢结构的交叉互扣的增强结构，具有优异的性能，包括低密度、低导热率和高可逆压缩率；纳米纤维气凝胶可以采用ZrO2–Al2O3纳米纤维气凝胶(ZrAlNFAs)等。

[0048] 常规的缸体熔铸中，铜块放置在缸体的钢基体1上端面上，两者一起进入连续炉加热，铜合金的导热系数为398W/(m·K)，钢基体1的导热系数为45W/(m·K)，两者比热容几乎一致，加热过程中铜块的熔化受到与之接触的钢基体1的温度的影响。钢基体1表面升温较快，升温速率大于铜块，铜块与钢基体1接触的部位先熔化，导致了在冷却时铜液远离钢基体1一侧先固化，铜钢界面一侧后固化，出现缩松趋势，造成早期失效。

[0049] 因此，本实施例中，隔热罩5、隔热罩5与钢基体1之间的空气共同阻隔连续炉对钢基体1的加热，使得钢基体1的升温速率小于铜原料的升温速率，如图3所示，隔热罩5能够阻挡连续炉内高温环境对钢基体1的加热，减缓钢基体1的升温速率；同时，隔热罩5与钢基体1之间的空气也能够将加热炉内的热气氛和钢基体1部分进行隔离，空气的导热系数为0.023W/(m·K)，比热容为1030J/(Kg·K)，亦是很好的隔热材料，在铜原料加热熔化到完全沉积于钢基体1的时间段，使钢基体1温度保持在铜材质液相线温度以下。

[0050] 钢基体1、隔热罩5、容器3和铜原料于连续炉内共同运动，控制连续炉内的加热和保温温度，以及连续炉的移动速度，本实施例中，连续炉按照一定的熔铸温度T、移动速度r运行，进行相应的加热、保温和冷却。

[0051] 如图2所示，容器3呈漏斗状，顶端开口以放置铜原料，底端穿过隔热罩5后形成开口，以供含铜金属熔体4落至钢基体1。本实施例中，如图1所示，钢基体1为圆柱状，待沉积铜覆层2的一端设有圆环形的凹槽，制备铜覆层2的铜原料可以采用圆柱形的铜块。

[0052] 在含铜金属熔体4落至钢基体1后，与钢基体1接触的含铜金属熔体4先凝固，形成从靠近钢基体1到远离钢基体1方向上温度逐渐增加的温度梯度，从而按照从下到上的顺序凝固，形成致密度高的铜覆层2，无需在输送过程中额外施加人为干预，满足连续炉生产双金属缸体的需求。

[0053] 本实施例中，铜材质液相线温度是指铜原料的熔化温度，在钢基体1保持在铜材质液相线温度以下时，能够使接触钢基体1的含铜金属熔体4冷却而趋向凝固，建立钢基体1上含铜金属熔体4从接触钢基体1到远离钢基体1方向上逐渐固化的趋势。

[0054] 通过隔热罩5的隔热作用，减小钢基体1表面的升温速率，使钢基体1的温度始终低于铜块材质的液相线温度，并且通过控制加热炉的温度和输送带速率，使铜原料充分熔化并流动覆盖钢基体1的上端面。含铜金属熔体4通过漏斗状的容器3流向钢基体1的上端面，此时钢基体1的温度低于含铜金属熔体4的液相线温度，形成自上而下温度逐渐降低的温度梯度，与钢基体1接触的含铜金属熔体4优先凝固，形成自下而上的凝固顺序。

[0055] 待落至钢基体1的所有含铜金属熔体4的温度均低于铜材质的液相温度后，能够形成铜覆层2的所有含铜金属熔体4均全部覆盖在钢基体1上，形成所需的沉积状态，整体状态已经固定，再送入连续炉的冷却段，进行进一步的冷却。

[0056] 通过在钢基体1外包裹隔热材料，使钢基体1在连续炉中加热过程中的升温速率明显小于铜原料的升温速率，最后在相同的环境温度下，铜原料熔化，而钢基体1温度始终低于铜材质的液相线温度，从而使含铜金属熔体4在钢基体1上凝固时实现自下而上的凝固顺序。

[0057] 钢基体1采用合金钢，合金钢为42CrMoS4，化学成分为C 040‑0.45％，Si≤0.40％，Mn060‑0.90％，P≤0.025％，S 0.010‑0.018％，Cr 0.90‑1.20％，Mo 0.15‑0.30％，Cu≤0.20％，Ni≤0.30％，金相组织为珠光体+铁素体；连续炉内的熔铸温度为1080℃≤T≤1120℃，连续炉的输送带的移动速率为80mm/min≤r≤115mm/min。

[0058] 本实施例中，钢基体1的外形尺寸为Φ108*98mm，铜块数量为4个，尺寸为Φ35*20，隔热材料为45#钢，隔热罩5尺寸为Φ170*130mm，熔铸温度为T＝1080℃，连续炉输送带的速率为r＝85mm/min。

[0059] 熔铸过程中铜块的温度曲线和近铜层钢部分的温度曲线如图3所示，可见，当铜块温度达到1080℃时，钢基体1的温度仅为790℃。观察熔铸后的缸体的铜覆层2未发现缩松缺陷，铜覆层2致密度高于常规熔铸，铜覆层2金相如图4所示。图5为常规熔铸工艺下生产的缸体铜覆层2金相。

[0060] 另外，采用传统方式熔铸时，含铜金属熔体4中形成自上而下温度逐渐增加的温度梯度，导致含铜金属熔体4冷却时出现自上而下的凝固方向，不仅会导致铜钢界面处存在较大缩松趋势，当采用锡铅青铜材质的铜覆层2时，在该凝固方向下，锡铅青铜由于经历了固液转变，锡铅青铜中的第二相Pb相在温度梯度和表面张力的作用下，会倾向聚集与铜钢复合界面处，会进一步减弱界面结合力。

[0061] 对此，本实施例中，铜原料采用的铜合金为锡铅青铜，CuSn10Pb10，化学成分(质量百分数)：Sn 7.25‑7.85％，Pb 14.1‑17.26％，Ni 1.24‑1.86％，Zn 0.01‑0.05％，P 0.1％以下，金相组织为α‑Cu+球棒状Pb。

[0062] 第二相Pb相在温度梯度作用下会倾向于高温区域聚集，对此，本发明中含铜金属熔体4的温度梯度为从下到上依次增加，因此能够使Pb相均匀分散，减缓向铜钢复合界面处聚集，同时，由于上部温度更高，即上方处于液态、下方铜钢复合界面处呈半固态或固态，在表面张力作用下，Pb相能够向液态区域聚集，从而实现均匀分散，进而保证界面结合力。

[0063] 如4和图5所示，两者相比，本实施例中熔铸的铜覆层2中Pb相分布均匀，无网状分布，极大的减弱了Pb相对铜基体和界面强度的影响。

[0064] 实施例2

[0065] 本发明的另一个典型实施例中，如图1‑图4所示，给出一种连续双金属缸体的制备工装。

[0066] 用于实施如实施例1的中连续炉双金属缸体的制备工艺，连续炉双金属缸体的制备工装包括连续炉、隔热罩5和容器3。

[0067] 其中，连续炉包括输送方向依次分布的加热段、保温段和冷却段，在熔铸时，加热段和保温段能够提供的熔铸温度为1080℃≤T≤1120℃。

[0068] 隔热罩5内部设有安置钢基体1的容腔；容器3的主体位于隔热罩5外，用于放置制作铜覆层2的铜原料，容器3的出口穿过隔热罩5延伸至容腔内。

[0069] 本实施例中，隔热罩5为底部开口、顶部开孔的壳体结构，隔热罩5的底部开口配合连续炉的输送带形成容腔，隔热罩5的顶部开孔用于供容器3的出口穿过。容器3呈漏斗状，一端设有锥形的凹槽，另一端设有引流管，凹槽区域位于隔热罩5外，引流管一端连通凹槽底部，另一端穿过隔热罩5形成容器3的出口。

[0070] 隔热罩5采用的隔热材料为45#钢，隔热罩5尺寸采用Φ170*130mm，能够扣罩在钢基体1外，钢基体1的外形尺寸为Φ108*98mm，端面上设有容纳含铜金属熔体4的环形槽，连续炉提供的熔铸温度为T＝1080℃，连续炉输送带的速率为r＝85mm/min。

[0071] 实施例3

[0072] 本发明的另一个典型实施例中，如图1所示，给出一种液压缸。

[0073] 本实施例中，液压缸的缸体通过如实施例1中的连续炉双金属缸体的制备工艺来进行制作，如图1所示，在缸体制作完成后，组装相应的液压缸配件，得到液压缸。

[0074] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。