本發(fā)明涉及一種復合材料及其加工設備、加工方法，具體涉及一種可應用于核心液壓零部件制造的耐高壓雙金屬復合材料及其加工設備、加工方法，屬于金屬材料加工領域。

背景技術：

隨著我國金屬加工行業(yè)的飛速發(fā)展，市場對于各類產(chǎn)品的性能要求不斷提高，同時，對于產(chǎn)品小型化及產(chǎn)品環(huán)保性的要求也日益強烈。正是基于上述要求，因此目前各加工企業(yè)都在著力提高材料的性能。

高力黃銅是高性價比的一種銅合金，其耐磨性、承載性均極為優(yōu)異，被廣泛用于液壓泵、液壓馬達摩擦副的制造，此外，其還可以用于各種柱塞泵、馬達配油盤及缸體等的加工制造。但是目前，在高壓領域內使用的采用高力黃銅單體制造的摩擦副已不能滿足性能要求，為了更好的使用這類材料，各加工企業(yè)多采用優(yōu)質碳素鋼作為背襯基材復合銅合金的方法來提高摩擦副的機械性能。

具體而言，在目前的生產(chǎn)加工過程中，大多數(shù)的零件生產(chǎn)均采用粉末冶金的方式進行。而高壓、超高壓液壓零部件多為品種多、批量小的產(chǎn)品，粉末冶金的加工方式并不適合這種小批量生產(chǎn)，并且粉末冶金的生產(chǎn)設備規(guī)模較大成本較高。而且，目前粉末冶金采用的多為鉛青銅合金，由于其中含有鉛，因此已不能滿足環(huán)保要求。除上述缺陷外，還有較為關鍵的一點是，雖然鉛青銅的減摩性較好但其耐磨性較很差，相較而言，高力黃銅的綜合性能優(yōu)于鉛青銅。

綜上所述，如何設計出一種能夠實現(xiàn)碳素鋼或合金鋼與高力黃銅相結合、可應用于核心液壓零部件制造的耐高壓雙金屬復合材料及其加工設備、加工方法，就成為了本領域內的工作人員亟待解決的問題。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術存在上述缺陷，本發(fā)明的目的是提出一種可應用于核心液壓零部件制造的耐高壓雙金屬復合材料及其加工設備、加工方法。

本發(fā)明的目的，將通過以下技術方案得以實現(xiàn)：

一種耐高壓雙金屬復合材料，包括相結合的兩種金屬材料層及焊片，所述兩種金屬材料層包括用于提高材料耐磨性能的耐磨層以及用于提高材料機械性能的耐壓層，所述耐磨層及所述耐壓層之間借助所述焊片實現(xiàn)固相結合。

優(yōu)選地，所述焊片的熔點低于所述耐磨層及所述耐壓層的熔點；所述耐磨層的材質為銅合金，所述耐壓層的材質為鋼材，所述焊片的材質為銀。

優(yōu)選地，所述耐磨層的材質為高力黃銅，所述耐壓層的材質為碳素鋼或合金鋼。

本發(fā)明還揭示了一種用于加工上述耐高壓雙金屬復合材料的加工設備，包括設備外殼，所述設備外殼內設置有一用于加壓加熱結合的密閉加熱爐腔，還包括可活動地設置于所述密閉加熱爐腔內的壓合裝置及加熱裝置，所述密閉加熱爐腔還連接有用于爐腔抽真空的真空泵，以及用于監(jiān)測爐腔內溫度的溫度傳感器。

優(yōu)選地，所述壓合裝置包括相互匹配的上壓板及下壓板，所述上壓板及下壓板之間設置有一結合工位，所述結合工位的周向外側設置有用于爐內加熱保溫的石墨塊。

優(yōu)選地，所述加熱裝置包括固定設置于所述密閉加熱爐腔內的加熱器以及固定設置于所述設備外殼底部的液壓式加熱設備。

本發(fā)明還揭示了一種使用上述用于加工耐高壓雙金屬復合材料的加工設備的加工方法包括如下步驟：

S1、上料步驟，首先將需要結合的兩種金屬材料層及焊片按序疊合，并使所述焊片處于耐磨層及耐壓層之間，隨后將完成疊合的材料放置于密閉加熱爐腔內的結合工位處；

S2、抽真空步驟，當待結合材料被送入所述結合工位后，閉合所述密閉加熱爐腔，隨后使用真空泵將對所述密閉加熱爐腔內進行抽真空處理；

S3、加熱步驟，當所述密閉加熱爐腔內形成真空環(huán)境后，啟動加熱裝置對爐內進行加熱，并通過溫度傳感器監(jiān)測爐內的實時溫度，直至使所述密閉加熱爐腔內的溫度達到結合溫度，隨即停止加熱并進入保溫狀態(tài)；

S4、壓合步驟，當所述密閉加熱爐腔內的溫度達到結合溫度后，啟動壓合裝置，實現(xiàn)待結合材料的結合，壓合完成后，將已完成壓合的材料置于所述密閉加熱爐腔內進行持續(xù)保溫；

S5、下料步驟，達到規(guī)定的保溫時間后，開啟所述密閉加熱爐腔，將已完成結合的材料取出，完成下料。

優(yōu)選地，在S3的加熱步驟中，所述結合溫度低于所述焊片的熔點，當所述密閉加熱爐腔內的溫度達到結合溫度時，所述焊片保持固態(tài)。

優(yōu)選地，在S4的壓合步驟中，在進行壓合操作時，所述密閉加熱爐腔的爐內壓力為7~15Pa，所述壓合裝置提供的結合壓力為5~10MPa。

優(yōu)選地，在S5的下料步驟中，所述保溫時間不小于60min。

本發(fā)明的突出效果為：本發(fā)明通過在兩種金屬之間加入焊片，再使用真空加壓加熱的方式實現(xiàn)了雙金屬的結合，為了克服兩種金屬對焊片潤濕性差的問題，本發(fā)明采用了低于焊片熔點的加熱溫度，實現(xiàn)了金屬及焊片間高強度的固相結合，同時也避免了高溫加熱對材料金相組織、機械性能的影響。本發(fā)明可以實現(xiàn)同一設備對多品種零件的小批量的生產(chǎn)以及多品種零件的混合生產(chǎn)，設備使用要求低，降低了零件的制造成本。同時，本發(fā)明還能夠有效縮小加工零件的體積，提高加工零件的機械性能，提高良品率。此外，本發(fā)明在生產(chǎn)的全過程中均沒有使用到鉛，充分實現(xiàn)了加工材料的無鉛化，滿足了加工過程的環(huán)保要求。

綜上所述，本發(fā)明能夠制造成本低、使用效果好、環(huán)保程度高，具有很高的使用及推廣價值。

以下便結合實施例附圖，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步的詳述，以使本發(fā)明技術方案更易于理解、掌握。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中加工設備的結構示意圖；

圖2是實驗1的結果分析圖；

圖3是實驗2的結果分析圖；

圖4是實驗3的結果分析圖；

圖5是實驗4的結果分析圖；

圖6是實驗5的結果分析圖；

圖7是實驗6的結果分析圖；

圖8是實驗7的結果分析圖；

圖9是實驗8的結果分析圖；

圖10是實驗1中各種結合溫度下結合面處材料諸元素的線分布分析結果圖；

圖11是實驗1中各種結合溫度下結合面處材料諸元素的線分布分析結果圖；

圖12是實驗1中各種結合溫度下結合面處材料諸元素的面分布分析結果圖；

圖13是實驗1中各種結合溫度下結合面處材料諸元素的面分布分析結果圖。

其中：1、密閉加熱爐腔；2、石墨塊；3、焊片；4、耐壓層；5、耐磨層；6、液壓式加熱設備；7、上壓板；8、下壓板；9、加熱器；10、溫度傳感器。

具體實施方式

本發(fā)明揭示了一種可應用于核心液壓零部件制造的耐高壓雙金屬復合材料及其加工設備、加工方法。

如圖所示，一種耐高壓雙金屬復合材料，包括相結合的兩種金屬材料層及焊片3，所述兩種金屬材料層包括用于提高材料耐磨性能的耐磨層5以及用于提高材料機械性能的耐壓層4，所述耐磨層5及所述耐壓層4之間借助所述焊片3實現(xiàn)固相結合。

所述焊片3的熔點低于所述耐磨層5及所述耐壓層4的熔點。在材質選擇方面，所述耐磨層5的材質為銅合金，所述耐壓層4的材質為鋼材，所述焊片3的材質為銀。

在本實施例中，最為優(yōu)選的方案為，所述耐磨層5的材質為高力黃銅，所述耐壓層4的材質為碳素鋼或合金鋼。

本發(fā)明還揭示了一種用于加工上述耐高壓雙金屬復合材料的加工設備，包括設備外殼，其特征在于：所述設備外殼內設置有一用于加壓加熱結合的密閉加熱爐腔1，還包括可活動地設置于所述密閉加熱爐腔1內的壓合裝置及加熱裝置，所述密閉加熱爐腔1還連接有用于爐腔抽真空的真空泵，以及用于監(jiān)測爐腔內溫度的溫度傳感器10。

所述壓合裝置包括相互匹配的上壓板7及下壓板8，所述上壓板7及下壓板8之間設置有一結合工位，所述結合工位的周向外側設置有用于爐內加熱保溫的石墨塊2。

所述加熱裝置包括固定設置于所述密閉加熱爐腔1內的加熱器9以及固定設置于所述設備外殼底部的液壓式加熱設備6。

本發(fā)明還揭示了一種使用上述用于加工耐高壓雙金屬復合材料的加工設備的加工方法，包括如下步驟：

S1、上料步驟，首先將需要結合的兩種金屬材料層及焊片3按序疊合，并使所述焊片3處于耐磨層5及耐壓層4之間，隨后將完成疊合的材料放置于密閉加熱爐腔1內的結合工位處；

S2、抽真空步驟，當待結合材料被送入所述結合工位后，閉合所述密閉加熱爐腔1，隨后使用真空泵將對所述密閉加熱爐腔1內進行抽真空處理；

S3、加熱步驟，當所述密閉加熱爐腔1內形成真空環(huán)境后，啟動加熱裝置對爐內進行加熱，并通過溫度傳感器10監(jiān)測爐內的實時溫度，直至使所述密閉加熱爐腔1內的溫度達到結合溫度，隨即停止加熱并進入保溫狀態(tài)；

S4、壓合步驟，當所述密閉加熱爐腔1內的溫度達到結合溫度后，啟動壓合裝置，實現(xiàn)待結合材料的結合，壓合完成后，將已完成壓合的材料置于所述密閉加熱爐腔1內進行持續(xù)保溫；

S5、下料步驟，達到規(guī)定的保溫時間后，開啟所述密閉加熱爐腔1，將已完成結合的材料取出，完成下料。

需要補充說明的是，在S3的加熱步驟中，所述結合溫度低于所述焊片3的熔點，當所述密閉加熱爐腔1內的溫度達到結合溫度時，所述焊片3保持固態(tài)。

在S4的壓合步驟中，在進行壓合操作時，所述密閉加熱爐腔1的爐內壓力為7~15Pa，所述壓合裝置提供的結合壓力為5~10MPa。

在S5的下料步驟中，所述保溫時間不小于60min。

以下通過各項具體實驗進一步闡述本發(fā)明的技術方案：

（一）材料的潤濕性評價

一般而言，使用焊片來結合金屬材料（基材），應保證所使用的焊片的熔點低于基材的熔點，焊片融化后濕潤被結合表面，冷卻后實現(xiàn)結合。然而，當焊片加熱到熔融狀態(tài)時，焊片與基材的潤濕性就成為了影響結合面質量的關鍵性因素。

為了對金屬材料的潤濕性進行評價，操作者分別對碳素鋼（S45C）和高力黃銅（CAC302）進行了潤濕性試驗，試驗中使用的焊片材質為銀，重0.27g（直徑5.8mm，厚1mm），熔點為783℃，加熱爐內的溫度為850℃，爐內壓力為1個大氣壓，并填充2NL/min 的氮氣流，保溫時間為15min，材料間接觸面的粗糙度為0.006μｍRa。

實驗結果顯示，碳素鋼與熔融狀態(tài)的銀的接觸角θ=72.6°，角度大于45°，可以認為其潤濕性較差。而高力黃銅與熔融狀態(tài)的銀的接觸角θ=124.8°，角度大于90°，可以認為其潤濕性很差。

上述試驗結果表明使用碳素鋼及高力黃銅都對銀焊片的潤濕性很差，一般為改善材料的潤濕性，都會使用助焊劑，而黃銅類含鋅量較高的材料即便使用助焊劑也很難改善潤濕性，所以用釬焊很難實現(xiàn)碳素鋼與黃銅合金的高強度結合。因此必須尋找其他方法來實現(xiàn)這類材料的結合。

（二）最佳技術條件

為了達到本發(fā)明的最佳技術效果，操作者通過對碳素鋼與高力黃銅釬焊結合時的各種條件進行變化，篩選，并實施以下實驗，以找出滿足結合要求的最佳實施方案。

（1）結合溫度對結合強度的影響

（1.1）實驗1

基本條件：結合材料為碳素鋼(S45C)與高力黃銅（CAC304），結合面夾入Bag-8銀焊片。加熱爐內壓力 7Pa～15Pa、結合壓力2.5MPa、結合面粗糙度0.006μmRa、保溫時間30min。對結合溫度與結合面抗拉強度實施調查，實驗結果見圖2。對比試驗為真空釬焊，所用材料相同，結合壓力10kPa，其他條件均相同。實驗重復數(shù)N=3，實驗結果取均值。

圖2的實驗結果表明結合溫度高于銀焊片融點(783℃)時的結合強度在420MPa到440MPa之間、液相結合溫度升高對結合強度沒有顯著的影響。在接近銀焊片融點的固相溫度獲得了最大結合強度。相同條件下的真空釬焊(結合溫度850℃)的結合強度為240MPa。

（1.2）實驗2

基本條件：結合材料與實驗1相同。結合面壓力變?yōu)?.5MPa、結合面粗糙度變?yōu)?.05μmRa、保溫時間變?yōu)?0min。對結合溫度與結合面抗拉強度實施調查，試驗結果見圖3。對比試驗為真空釬焊，材料相同，結合壓力10kPa，其他條件均相同。實驗重復數(shù)N=3，實驗結果取均值。

圖3的實驗結果表明結合溫度高于銀焊片融點（783℃）的液相溫度條件下，隨著溫度的升高結合強度由440MPa下降到360MPa。而相同條件下真空釬焊的結合強度為270MPa。在接近銀焊片融點的固相溫下獲得了最大結合強度。

（1.3）實驗3

基本條件：結合材料與實驗1相同。爐內壓力變?yōu)?個大氣壓，并填充2NL/min 的氮氣流，結合面壓力與實驗2相同、為5.5MPa，結合面粗糙度與實驗2相同、為1.05μmRa，保溫時間變?yōu)?0min。對結合溫度與結合面拉伸強度實施調查，試驗結果見圖4。實驗重復數(shù)N=3，實驗結果取均值。

圖4的實驗結果表明結合溫度高于銀焊片融點（783℃）的液態(tài)溫度條件下，結合強度在360MPa到355MPa之間，溫度的升高對結合強度沒有顯著影響。比實驗2的真空條件下的結合強度明顯降低。但比上述實驗2中的真空釬焊的結合強度270MPa有明顯提高。

通過以上實驗得出結論，對于潤濕性很差的碳素鋼與銅合金的銀焊片結合，在接近銀焊片融點的溫度條件下實施結合，銀焊片呈固體狀態(tài)故可以回避被結合材料與銀焊片之間的潤濕性很差的不利因素并且不需要使用助焊劑，可以獲得較高的結合強度。同時在結合過程中對結合面施加高于真空釬焊的壓力，會有利于獲得更高的結合強度。

本發(fā)明的方法可以適用于直接擴散法及真空釬焊法無法獲得高結合強度的潤濕性差的材料的結合。例如鋅，銻，鋁，砷，鉍含量較高的金屬材料。需要特別說明的是，本發(fā)明對潤濕性差的定義為接觸角大于45°。特別是像高力黃銅這類接觸角大于90°的材料。

（2）保溫時間對結合強度的影響

（2.1）實驗4

基本條件：結合材料與實驗1相同。爐內壓力為7Pa～15Pa。結合溫度為750℃，結合面壓力為10MPa，結合面粗糙度為0.006μmRa。調節(jié)保溫時間，調查保溫時間對結合強度的影響。試驗結果見圖5。實驗重復數(shù)N=3，實驗結果取均值。圖5的實驗結果表明保溫時間超過1小時之后，結合強度沒有明顯變化。

（2.2）實驗5

基本條件：結合材料與實驗1相同。結合面粗糙度變?yōu)?.05μmRa。其他條件與實驗4相同。調節(jié)保溫時間，調查保溫時間對結合強度的影響。試驗結果見圖6。實驗重復數(shù)N=3，實驗結果取均值。圖6的實驗結果表明保溫時間對結合面強度的影響比實驗4要明顯一些。

通過以上實驗得出結論，保溫時間超過1.0小時后，延長保溫時間對結合面強度的影響不明顯。

（3）結合壓力對結合強度的影響

（3.1）實驗6

基本條件：結合材料與實驗1相同。爐內壓力為7Pa～15Pa，結合溫度為750℃，結合面壓力為10MPa。結合面粗糙度為0.006μmRa，保溫時間為30min。調節(jié)結合壓力調查結合壓力對結合強度的影響。試驗結果見圖7。實驗重復數(shù)N=3，實驗結果取均值。圖7的實驗結果表明結合壓力4MPa以上時結合壓力對結合強度的影響很小。

（3.2）實驗7

基本條件：結合材料與實驗1相同。結合面粗糙度變?yōu)?.05μmRa，其他條件與實驗6相同。調節(jié)結合壓力，調查結合壓力對結合強度的影響。試驗結果見圖8。實驗重復數(shù)N=3，實驗結果取均值。

圖8的實驗結果表明，機械加工面（材料結合面粗糙度為1.05μmRa）之間結合，比實驗6中的鏡面（材料結合面粗糙度為0.006μmRa）之間結合時結合壓力對結合強度的影響要大。且結合壓力大于8MPa時，可獲得大于釬焊（200MPa）的結合強度。

（3.3）實驗8

基本條件：結合材料與實驗1相同。保溫時間為60min，其他條件與實驗7相同。調節(jié)結合壓力調查結合壓力對結合強度的影響。試驗結果見圖9。實驗重復數(shù)N=3，實驗結果取均值。 圖9的實驗結果表明，在這種實驗條件下，當結合壓力大于5.5MPa時，可獲得300MPa以上的結合強度。

以上實驗結果可以說明，本發(fā)明的結合方法既可以實現(xiàn)機械加工表面之間的結合還可以實現(xiàn)鏡面之間的結合，考慮到材料鏡面加工的復雜程度，因此本發(fā)明在實際使用時會被更多的應用于機械加工表面之間的結合，且無論采用上述的那種結合方式，均可以保證足夠的結合強度。

（4）材料結合面諸元素分布的分析

（4.1）諸元素的線分布分析

圖10~圖11 為實驗1中各種結合溫度下結合面處材料諸元素（Fe, Ag, Cu, Zn）的線分布分析結果。諸元素的線分布結果表明，在溫度低于銀焊片融點（783℃）的范圍內，鐵Fe向銅Cu的擴散較少，而在高于銀焊片融點（783℃）的范圍內鐵Fe向銅Cu的擴散較多。實驗1在850℃時的分布分析結果與真空釬焊基本相同。

（4.2）諸元素的面分布分析

圖12~圖13 為實驗1中各種結合溫度下結合面處材料諸元素（Fe, Ag, Cu, Zn）的面分析結果。諸元素的面分布結果表明，在溫度低于銀焊片融點（783℃）的范圍內，鐵Fe向銅Cu的擴散較少，而在高于銀焊片融點（783℃）的范圍內鐵Fe向銅Cu的擴散較多。實驗1在850℃時的分布分析結果與真空釬焊基本相同。

上述分析結果表明本發(fā)明的材料結合方法可以大幅減少基底材料中鐵Fe向銅Cu的擴散，從而減小結合工藝過程對高力黃銅機械性能的影響。

綜合以上四個方面的實驗分析可以得知，本發(fā)明中的結合方法可以有效地實現(xiàn)潤濕性較差的碳素鋼與潤濕性很差的高力黃銅之間的高強度結合，且這一結合方式并不會影響結合材料的金相結構，這也就意味著這一結合方式并不會影響結合材料的各項性質及其機械性能。

本發(fā)明通過在兩種金屬之間加入焊片，再使用真空加壓加熱的方式實現(xiàn)了雙金屬的結合，為了克服兩種金屬對焊片潤濕性差的問題，本發(fā)明采用了低于焊片熔點的加熱溫度，實現(xiàn)了金屬及焊片間高強度的固相結合，同時也避免了高溫加熱對材料金相組織、機械性能的影響。本發(fā)明可以實現(xiàn)同一設備對多品種零件的小批量的生產(chǎn)以及多品種零件的混合生產(chǎn)，設備使用要求低，降低了零件的制造成本。同時，本發(fā)明還能夠有效縮小加工零件的體積，提高加工零件的機械性能，提高良品率。此外，本發(fā)明在生產(chǎn)的全過程中均沒有使用到鉛，充分實現(xiàn)了加工材料的無鉛化，滿足了加工過程的環(huán)保要求。

綜上所述，本發(fā)明能夠制造成本低、使用效果好、環(huán)保程度高，具有很高的使用及推廣價值。

對于本領域技術人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神和基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本發(fā)明內，不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。

此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經(jīng)適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。