講述了用球墨鑄鐵替代傳統(tǒng)復合結構材料設計高壓柱塞泵缸體。通過對K3V112 高壓大流量柱塞泵的計算，驗證了球鐵作為缸體材料的可行性。對球鐵進行氣體軟氮化可以得到具有良好的耐磨性、耐腐蝕性、耐熱性和耐熱粘附性的氮化物層，大大提高了缸體的性能。通過材料替代，簡化了缸體的制造工藝，大大降低了制造成本并提高了生產(chǎn)效率與成品率。

引言

　　液壓元件以至整個系統(tǒng)對于主機一般占其成本的20%，但對主機的性能恰恰是至關重要的，而我國的液壓元件盡管產(chǎn)值不低，但高端的幾乎由國外占據(jù)，而且這一差距似乎有增大的趨勢。在2005 年左右，許多工程機械企業(yè)采購的高壓大流量柱塞泵進口件交貨期達一年零三個月以上。對中國液壓行業(yè)來說，高端的高壓大流量泵依賴進口，關鍵材料的性能和熱處理不足。

　　高壓大流量柱塞泵及其心臟部件大部分依靠進口，主要被日本、德國、美國和意大利等液壓強國所壟斷。而高壓大流量柱塞泵的核心部件中，缸體(又稱轉子)、配流盤和柱塞是最重要及易損部件，其整體性能及配合的好壞直接影響泵的性能。因此，對高壓大流量柱塞泵的轉子、配流盤和柱塞的材料、設計與工藝及制造水平的提高是提高主機的關鍵。由于高壓大流量柱塞泵的缸體有兩個主要摩擦副———缸體-柱塞以及缸體-配流盤之間的摩擦副，設計及加工直接影響柱塞泵的流量-壓力特性。

1、缸體結構設計

　　柱塞泵缸體由于存在兩個關鍵的摩擦副———缸體-柱塞和缸體-配流盤， 這兩個摩擦副的配合直接影響到柱塞泵的流量-壓力特性。另外，根據(jù)機械設計原理，摩擦副的兩個零件的材料必須存在一定的硬度差，而且，必須具有良好的耐磨性能和較低的表面粗糙度。對于高壓大流量柱塞泵而言，必須傳遞大功率，所以缸體與傳動軸之間的花鍵要有較高的剛度和強度。正因為如此， 一般在缸體結構設計時都采用兩種材料鑲套和燒結的結構。通常缸體的主體材料用強度與彈性模量較高的材料， 如38CrMoAlA、GCr15 等調(diào)質后氮化處理，同時提高耐磨性。而與柱塞和配流盤相對運動的部分用較軟并耐磨的黃銅， 配流盤和柱塞用38CrMoAlA調(diào)質后氮化處理。

　　圖1 為缸體的結構。柱塞孔鑲套1mm 的黃銅套，配流面燒結黃銅，加工后為0.3mm，如此設計以滿足摩擦副的使用要求并提高使用壽命。

2、材料研究

　　由于選用兩種材料，并進行復合結構形式設計，此結構制造加工工藝復雜，而且成本高。為了滿足應用要求，將缸體設計成一體式結構，選用合金球墨鑄鐵作為缸體的材料，由于合金球墨鑄鐵的機械性能優(yōu)良，強度和彈性模量與中碳鋼相當， 而且經(jīng)過氣體軟氮化以后有很好的耐磨性能，同時，硬度比38CrMoAlA 氮化后的硬度相差HV300～400， 剛好可以達到摩擦副的設計和使用要求。

　　球墨鑄鐵QT-500 的強度與彈性模量等性能可以與45 鋼、40Cr 等中碳鋼或中碳合金鋼相媲美，但是，它具有比中碳鋼或中碳合金鋼有更優(yōu)越的性能。其性能表現(xiàn)在：①鑄鐵有良好的減振性能;②球墨鑄鐵中的石墨呈球狀，易運動，所以，具有良好的耐磨性能;③因球墨鑄鐵中有大量的球狀石墨的存在使得它有良好的自潤滑性能。

　　因柱塞泵在運轉過程中存在一定的氣蝕現(xiàn)象難以消除，而氣蝕會造成一定的主機振動。同時，高壓大流量直軸式柱塞泵可以達到很高的轉速， 機械振動會加劇。因此，在運行過程中會增加轉子的失效。而球墨鑄鐵良好的減振、耐磨以及自潤滑性能使其成為制作缸體的合適的材料。

圖1 川崎K3V112 高壓大流量柱塞泵缸體結構圖

4、制造工藝研究

　　4.1、傳統(tǒng)缸體的制造工藝不足

　　傳統(tǒng)的缸體是由兩種不同材料制造而成，所以，制造工藝相對比較復雜。進行半精加工以后，再通過燒結工藝將黃銅燒結到缸體的球面上。由于兩種金屬材料的熱膨脹系數(shù)的不同，在冷卻時易產(chǎn)生裂紋，會造成廢品率高。完成精加工以后進行氮化處理，而氮化處理的處理溫度在570℃～580℃，此時又會造成很多缸體的球面材料的不良或剝落。

　　每一個柱塞孔必須鑲套一件銅套， 為了克服柱塞與缸體間的運動摩擦力，在設計中，銅套與缸體采用大過盈配合。缸體上有九個柱塞孔，經(jīng)常會由于過盈量較大以及裝備不正而產(chǎn)生廢品。因此處配合為過盈配合，報廢或不良的產(chǎn)品無法修復。另外，此工序為最后一道加工工序，造成的廢品會大大增加缸體的制造成本。

　　4.2、改進后的缸體制造工藝

　　將缸體用球墨鑄鐵作為材料完全能達到使用要求。隨著材料科學的進展， 合金鑄鐵的研究與應用越來越廣。球墨鑄鐵中加入Mn、Cu、Sb 和銻能顯著改善其性能，如抗拉強度、伸長率以及硬度。球鐵中加入質量分數(shù)0.58%～0.6%Mn，0.8%Cu 可以獲得高強度高塑性， 鑄態(tài)時抗拉強度達到795～830MPa，伸長率可達5.5%～6.6%，硬度可達270～283HB。因此，如果用合金球墨鑄鐵作為高壓大流量柱塞泵的缸體材料能達到更高的性能。

　　球墨鑄鐵， 特別是合金球墨鑄鐵的氣體軟氮化性能良好。目前新型的氣體軟氮化工藝日益被廣大熱處理廠所采用。在一定爐壓下，溫度在580℃，通過加氧氮化工藝， 滲層深度可達0.28mm， 滲層硬度可達660HV0.1g，完全能滿足缸體的使用要求。通過軟氮化后的鑄件材料具有良好的耐磨性、耐腐蝕性、耐熱性和抗熱粘附性，因此，球墨鑄鐵作為高壓大流量柱塞泵的缸體材料在某些性能上優(yōu)于常用的38CrMolA。使用球墨鑄鐵，特別是合金球鐵作為缸體材料，在滿足使用工況的前提下，大大降低了成本。

5、結論

　　用球墨鑄鐵替代材料加工制造的缸體應用于K3V112 直軸式柱塞泵上，在試驗臺上做壽命試驗和流量-壓力性能試驗，收到了很好的效果，流量-壓力性能與傳統(tǒng)的材料及制造工藝所生產(chǎn)的缸體相媲美。通過試驗，此設計已成功應用于工程機械的配件中。使用球墨鑄鐵制造高壓柱塞泵缸體完全能達到使用要求，而且在生產(chǎn)過程中，大大簡化了制造工藝，并降低了成本。同時，由于設計的簡單化以及制造工藝的簡化，大大提高了產(chǎn)品的成品率。