CN102913446B - 一种柱塞及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械领域，尤其是涉及一种柱塞及其制造方法。所述柱塞包括：本体以及工作层；所述工作层设置于所述本体的外周面上。柱塞的制造方法包括：将铬、碳、铁、镍以及石蜡混合形成混合料；将混合料压制于本体的外周面上形成毛坯；将毛坯在氢气保护气氛下进行烧结；将烧结好的毛坯加工成柱塞；按照重量计，铬的含量为15%-20%；所述碳的含量为5%-10%；所述铁的含量为30%-35%；所述镍的含量为35%-40%；所述石蜡的含量为5%-10%。铬、碳之间形成硬质相碳化铬，提高材料的耐磨和耐腐蚀性能。铁、镍以及石蜡避免工作层出现缺陷，提高与本体之间的结合力。工作层的耐磨性以及耐腐蚀性更优于以硬铬为原料的工作层。

Description

一种柱塞及其制造方法

技术领域

本发明涉及机械领域，尤其是涉及一种柱塞及其制造方法。

背景技术

柱塞泵是一种利用柱塞在泵缸体内往复运动，使柱塞与泵壁间形成容积改变，反复吸入和排出液体并增高其压力的泵。是诸如液压机、工程机械和船舶中等多个领域中的重要工具。例如在石油开采领域，在对油田就行开采的后期，由于原油被不断的抽出，地下油层的压力不断的下降，致使地下原油大量脱气（原油中的气体态轻烃组分脱离出去），使得原油的粘度增加，造成了原油的压力无法克服原油的重力以及原油和油井之间的摩擦力而从油井喷出，从而造成地下残留大量的原油无法开采出来。为了保持或者提高地下原油的油层压力，必须使用柱塞泵对油田进行注水。

柱塞作为柱塞泵中的一个主要构件，一般都是由钢铁等金属制成。柱塞在使用的过程中，需要承受液体的腐蚀以及在使用过程中的磨损。随着液体对柱塞的腐蚀，在柱塞的表面会逐渐形成沟槽以及腐蚀点。而由金属制成的柱塞的硬度相对较小，在使用的过程中容易造成磨损。腐蚀以及磨损导致了柱塞与泵缸体之间的密封性能下降，一旦密封性能下降到一定程度，便需要更换柱塞。为了延长柱塞的使用时间，现有的做法是在柱塞的表面用电镀的方式镀一层硬铬（即金属铬），使得硬铬在柱塞的表面形成一层工作层（即表面耐磨层）。例如，现有的柱塞是在型号为42CrMo的钢材外表面镀一层0.1毫米（mm）厚的硬铬。42CrMo经过热处理后硬度达到HRC50（洛氏硬度），而硬铬的硬度在HRC60-HRC63，且硬铬比钢铁等金属具有更好的耐腐蚀性，因此在金属柱塞的表面电镀一层硬铬，能够降低液体对柱塞的腐蚀以及柱塞在使用过程中的磨损。

但是这种柱塞在使用的过程中，其硬度以及抗腐蚀性仍然不能够满足用户的需求。例如在石油开采领域中，现有的镀有硬铬的柱塞一般使用20余天便需要更换一次，每次更换都需要耗费大量的时间，影响了石油开采的效率。

发明内容

本发明提出了一种柱塞及其制造方法，能够提高柱塞工作层的硬度，延长柱塞的使用时间。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种柱塞，包括：本体以及工作层；所述工作层设置于所述本体的外周面上；

所述工作层按重量百分比计，包括：铬15%-20%、碳5%-10%、铁30%-35%、镍35%-40%、石蜡5%-10%。

优选地，所述工作层按重量百分比计，包括：铬16%、碳6%、铁30%、镍40%、石蜡8%。

优选地，所述工作层的厚度为0.4mm-0.6mm。

优选地，所述本体由45号钢制成。

一种柱塞的制造方法，包括：

将铬、碳、铁、镍以及石蜡混合形成混合料；其中，按照重量计，所述混合料中铬的含量为15%-20%；所述碳的含量为5%-10%；所述铁的含量为30%-35%；所述镍的含量为35%-40%；所述石蜡的含量为5%-10%；

将混合料压制于本体的外周面上形成毛坯；

将毛坯在氢气保护气氛下进行烧结；

将烧结好的毛坯加工成柱塞。

优选地，所述混合料中铬的含量为16%；所述碳的含量为6%；所述铁的含量为30%；所述镍的含量为40%；所述石蜡的含量为8%。

优选地，所述铬、碳、铁、镍以及石蜡均为粒度为150目-300目的粉末；

将铬、碳、铁、镍以及石蜡混合形成混合料具体为：在三维混合机中将上述铬、碳、铁、镍以及石蜡的粉末混合60min-70min。

优选地，所述将混合料压制于本体的外周面上形成毛坯是在9.5MPa-10.5Mpa的压力下，所述混合料的厚度为9mm-11mm。

优选地，所述烧结是在1100℃-1120℃的温度下对所述毛坯烧结3.75h-4.25h。

优选地，所述将混合料压制于本体的外周面上形成毛坯以及所述将毛坯在氢气保护气氛下进行烧结之间还包括：

在275℃-280℃的温度下将毛坯进行烘干；

所述烘干的时间为2.75h-3.25h。

本发明提供的柱塞的制造方法相比现有技术而言，通过将铬、碳、铁、镍以及石蜡混合形成混合料；将混合料压制于本体的外周面上形成毛坯；将毛坯在氢气保护气氛下进行烧结；其中，在制造的过程中，铬、碳之间形成硬质相碳化铬，提高材料的耐磨和耐腐蚀性能。铁、镍是液相烧结，基本杜绝粉末之间的空隙，避免出现缺陷，并且与本体金属形成少量化合物，提高与本体之间的结合力，避免工作层在使用过程中与本体脱落。碳化铬的硬度能够达到HRC68左右。铁、镍以及石蜡在制造的过程中，能够使原料更好的混合且更容易将混合料压制到本体上去。进而，最终生产的柱塞上的工作层的耐磨性以及耐腐蚀性更优于以硬铬为原料的工作层。

且由于工作层是压制到本体上的，因此工作层的厚度可以通过压制时混合料的厚度来控制，因此用户可以根据自己的实际需要，选择不同的工作层的厚度。尤其是工作层的厚度在0.4mm-0.6mm，较之现有技术中，在主体上电镀一层0.1mm的工作层，本发明所提供的柱塞在使用的过程中，粗颗粒杂质不容易将工作层刺穿。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一所提供的柱塞的截面示意图；

图2是本发明实施例三所提供的柱塞的制造方法的流程图；

图3是本发明实施例四所提供的柱塞的制造方法的流程图；

图4是本发明实施例五所提供的柱塞的制造方法的流程图；

图5是本发明实施例六所提供的柱塞的制造方法的流程图；

图6是本发明实施例七所提供的柱塞的制造方法的流程图；

图7是本发明实施例八所提供的柱塞的制造方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所提供的柱塞及其制造方法，是将铬、碳、铁、镍以及石蜡组成的混合料利用高压压制到本体上形成工作层，并通过高温烧结，形成硬度以及抗腐蚀性均优于硬铬的碳化铬，且其工作层的厚度可以根据用户的不同需要来进行选择，因此能够提高柱塞工作层的硬度，延长柱塞的使用时间。

图1是本发明实施例一所提供的柱塞的截面图，参见图1所示，本实施例一所提供的柱塞包括：本体1以及工作层2；所述工作层2设置于所述本体1的外周面上；所述工作层2按重量百分比计，包括：铬15%-20%、碳5%-10%、铁30%-35%、镍35%-40%、石蜡5%-10%。

在本实施例一中，通过将铬、碳、铁、镍以及石蜡按重量计以一定的比例混合形成混合料；将混合料压制于本体1的外周面上形成毛坯；将毛坯在氢气保护气氛下进行烧结，从而在本体1的外周面上形成工作层2；在制造的过程中，铬、碳之间形成硬质相碳化铬，提高材料的耐磨和耐腐蚀性能。铁、镍是液相烧结，基本杜绝粉末之间的空隙，避免出现缺陷，并且与本体金属形成少量化合物，提高与本体之间的结合力，避免工作层在使用过程中与本体脱落。进而，最终生产的柱塞上的工作层的耐磨性以及耐腐蚀性更优于以硬铬为原料的工作层。

在本发明实施例二所提供的柱塞中，所述工作层2按重量百分比计，包括：铬16%、碳6%、铁30%、镍40%、石蜡8％。这样，最终形成的硬质相碳化铬的硬度能够达到HRC68，其硬度远大于现有技术中在本体1的表面电镀一层硬铬的硬度，进而能够提高柱塞工作层的硬度，延长柱塞的使用时间。

在上述实施例一和实施例二中，所述工作层的厚度为0.4mm-0.6mm，相比于现有技术而言，更高的厚度使得柱塞在使用的过程中，能够避免粗颗粒杂质将工作层刺穿而为柱塞带来的磨损。并且，由于在本发明中是采用压制的方法将工作层2与本体1结合到一起的，因此，用户可以根据自己的实际需要，来选择工作层2不同的厚度。

在上述实施例一和实施例二中，由于钢材价格便宜，且易于加工，因此，所述本体1由钢材制成。优选地，所述本体1由45号钢制成。45号钢为优质碳素结构用钢，易切削加工，模具中常用来做模板，梢子，导柱等。45号钢实际应用的最高硬度为HRC55，45号钢做成的零件调质处理后具有良好的综合机械性能，广泛应用于各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等。因此使用45号钢制作柱塞的本体1。

参见图2，本发明实施例三所提供的柱塞的制造方法包括：

步骤101：将铬、碳、铁、镍以及石蜡混合形成混合料；

步骤102：将混合料压制于本体的外周面上形成毛坯；

步骤103：将毛坯在氢气保护气氛下进行烧结；

步骤104：将烧结好的毛坯加工成柱塞。

其中，按照重量计，所述混合料中铬的含量为15%-20%；所述碳的含量为5％-10%；所述铁的含量为30%-35%；所述镍的含量为35%-40%；所述石蜡的含量为5%-10%；

在本发明中将铬、碳、铁、镍以及石蜡混合形成混合料；将混合料压制于本体的外周面上形成毛坯；将毛坯在氢气保护气氛下进行烧结；将烧结好的毛坯加工成柱塞。其中，在制造的过程中，铬、碳之间形成硬质相碳化铬，提高材料的耐磨和耐腐蚀性能。铁、镍是液相烧结，基本杜绝粉末之间的空隙，避免出现缺陷，并且与本体金属形成少量化合物，提高与本体之间的结合力，避免工作层在使用过程中与本体脱落。铁、镍以及石蜡在制造的过程中，能够使原料更好的混合且更容易将混合料压制到本体上去。进而，最终生产的柱塞上的工作层的耐磨性以及耐腐蚀性更优于以硬铬为原料的工作层。

在本实施例三中，氢气烧结的目的是提供一种还原性气氛，由于粉末细，在储存、运输、混料以及烘干等环节受空气影响，存在不同程度的氧化，需要对被氧化的粉末进行还原处理。此外，在高温烧结时如果没有气氛保护，粉末更容易氧化，结合这两种原因，烧结时需要在氢气保护的气氛下。

在本发明所提供的柱塞的制造方法的各个实施方式中，作为优选方案，所述混合料中铬的含量为16%；所述碳的含量为6%；所述铁的含量为30%；所述镍的含量为40%；所述石蜡的含量为8%。按照此比例制造的柱塞的工作层2的硬度能够达到碳化铬的硬度能够达到HRC68左右。较之硬铬的硬度更好，抗腐蚀性更强，进而最终生产的柱塞上的工作层的耐磨性以及耐腐蚀性更优于以硬铬为原料的工作层。

在本发明所提供的柱塞的制造方法的各个实施方式中，作为优选方案，所述铬、碳、铁、镍以及石蜡均为粒度为150目-300目的粉末。并且，所述将铬、碳、铁、镍以及石蜡混合形成混合料具体为：在三维混合机中将上述铬、碳、铁、镍以及石蜡的粉末混合60min-70min。

由于铬、碳、铁、镍以及石蜡均为粒度为150目-300目的粉末，且混合的时间在60min-70min，因此在使用三维混合机在对铬、碳、铁、镍以及石蜡混合的时候，能够将这几种粉末状的物质均匀的混合在一起，在后续的制造过程中，能够使得各个物质之间充分反应，减少因物质混合不均匀而造成的工作层的性质不均匀。优选地，所述铬、碳、铁、镍以及石蜡均为粒度为200目，在三维混合机中将上述铬、碳、铁、镍以及石蜡的粉末混合65min。

在本发明所提供的柱塞的制造方法的各个实施方式中，作为优选方案，所述将混合料压制于本体的外周面上形成毛坯是在9.5MPa-10.5Mpa的压力下，所述混合料的厚度为9mm-11mm。

9.5MPa-10.5Mpa的压力能够将均匀混合的铬、碳、铁、镍以及石蜡紧密的压在一起，压制之前，所述混合料的厚度为9mm-11mm，压制完成后，形成的工作层的毛坯为0.4mm-0.6mm。这样，保证了在后续的制造过程中工作层的厚度变化小，且工作层的密度足够大。优选地，在10Mpa的压力下将厚度为10.1mm的所述将混合料压制于本体的外周面上形成毛坯。

在本发明所提供的柱塞的制造方法的各个实施方式中，作为优选方案，所述烧结是在1100℃-1120℃的温度下对所述毛坯烧结3.75h-4.25h。

在1100℃-1120℃之间将毛坯在氢气保护气氛下进行烧结，可以使得工作层的毛坯中的铬与碳快速的反应生成碳化铬，也保证了其他物质之间的翻反应。烧结的时间为3.75h-4.25h，保证了反应的充分进行，又不会因为过长时间的烧结浪费能源。优选地，在1110℃的温度下将毛坯在氢气保护气氛下进行介绍4h。

参见图3，在本发明所提供的柱塞的制造方法的各的实施例四种，作为优选方案，所述将混合料压制于本体的外周面上形成毛坯以及所述将毛坯在氢气保护气氛下进行烧结之间还包括：将毛坯进行烘干。

进而所述柱塞的制造方法包括：

步骤201：将铬、碳、铁、镍以及石蜡混合形成混合料；

步骤202：将混合料压制于本体的外周面上形成毛坯；

步骤203：将毛坯进行烘干；

步骤204：将烘干的毛坯在氢气保护气氛下进行烧结；

步骤205：将烧结好的毛坯加工成柱塞。

其中，烘干在275℃-280℃的温度下进行，所述烘干的时间为2.75h-3.25h。

由于铬、碳、铁、镍以及石蜡均为粉末，因此暴露在空气中的时候，容易吸附空气中的水分，而水分在对毛培进行烧结的过程中会和铬、碳、铁、镍以及石蜡反应，影响最终烧结后毛培上工作层的硬度，因此，在对毛培进行烧结前，需要将毛培烘干。烘干在275℃-280℃的温度下进行，烘干时间为2.75h-3.25h，可以充分的将工作层的毛坯中的水分烘出，保证烧结的效果。优选地，烘干在277℃的温度下进行，烘干的时间为3h。

参见图4所示，在上述实施例三、实施例四以及各个具体实施方式的基础上，本发明实施例五提供的柱塞的制造方法中，包括：

步骤301：按重量百分比计，在三维混合机中将粒度均为150目-300目的粉末状铬15%-20%、碳5%-10%、铁30%-35%、镍35%-40%以及石蜡5%-10%，混合60min-70min，形成混合料。

步骤302：在9.5MPa-10.5Mpa的压力下将厚度为9mm-11mm的混合料压制于本体的外周面上形成毛坯。

步骤303：在275℃-280℃的温度下将毛坯进行烘干2.75h-3.25h。

步骤304：在温度为1100℃-1120℃的温度下将毛坯在氢气保护气氛下进行烧结3.75h-4.25h。

步骤305：烧结好的毛坯加工成柱塞。

参见图5所示，在上述实施例三以及各个具体实施方式的基础上，本发明实施例六提供的柱塞的制造方法中，包括：

步骤401：按重量百分比计，在三维混合机中将上将粒度均为200目的粉末状铬16%、碳6%、铁30%、镍40%以及石蜡8％，混合65min，形成混合料。

步骤402：在10MPa的压力下将厚度为10mm的混合料压制于本体的外周面上形成毛坯。

步骤403：在277℃的温度下将毛坯进行烘干3h。

步骤404：在温度为1110℃的温度下将毛坯在氢气保护气氛下进行烧结4h。

步骤405：烧结好的毛坯加工成柱塞。

参见图6所示，在上述实施例三以及各个具体实施方式的基础上，本发明实施例七提供的柱塞的制造方法中，包括：

步骤501：按重量百分比计，在三维混合机中将上将粒度均为150目的粉末状铬15%、碳5%、铁30%、镍40%以及石蜡10％，混合60min，形成混合料。

步骤502：在9.5MPa的压力下将厚度为9mm的混合料压制于本体的外周面上形成毛坯。

步骤503：在275℃的温度下将毛坯进行烘干2.75。

步骤504：在温度为1100℃的温度下将毛坯在氢气保护气氛下进行烧结3.75。

步骤505：烧结好的毛坯加工成柱塞。

参见图7所示，在上述实施例三以及各个具体实施方式的基础上，本发明实施例八提供的柱塞的制造方法中，包括：

步骤601：按重量百分比计，在三维混合机中将上将粒度均为300目的粉末状铬20%、碳10%、铁30%、镍35%以及石蜡5％，混合70min，形成混合料。

步骤602：在10.5MPa的压力下将厚度为11mm的混合料压制于本体的外周面上形成毛坯。

步骤603：在280℃的温度下将毛坯进行烘干3.25h。

步骤604：在温度为1120℃的温度下将毛坯在氢气保护气氛下进行烧结4.25h。

步骤605：烧结好的毛坯加工成柱塞。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种柱塞，其特征在于，包括：本体以及工作层；所述工作层设置于所述本体的外周面上；

所述工作层按重量百分比计，由：铬15％-20％、碳5％-10％、铁30％-35％、镍35％-40％、石蜡5％-10％组成；

所述工作层由所述铬、碳、铁、镍以及石蜡混合形成的混合料在所述本体表面压制形成毛坯后并在氢气气氛下烧结形成的。

2.根据权利要求1所述的柱塞，其特征在于，所述工作层按重量百分比计，包括：铬16％、碳6％、铁30％、镍40％、石蜡8％。

3.根据权利要求1或2所述的柱塞，其特征在于，所述工作层的厚度为0.4mm-0.6mm。

4.根据权利要求1或2所述的柱塞，其特征在于，所述本体由45号钢制成。

5.一种柱塞的制造方法，其特征在于，包括：

将铬、碳、铁、镍以及石蜡混合形成混合料；

将混合料压制于本体的外周面上形成毛坯；

将毛坯在氢气保护气氛下进行烧结；

将烧结好的毛坯加工成柱塞；

其中，按照重量计，所述混合料中铬的含量为15％-20％；所述碳的含量为5％-10％；所述铁的含量为30％-35％；所述镍的含量为35％-40％；所述石蜡的含量为5％-10％。

6.根据权利要求5所述的柱塞的制造方法，其特征在于，所述混合料中铬的含量为16％；所述碳的含量为6％；所述铁的含量为30％；所述镍的含量为40％；所述石蜡的含量为8％。

7.根据权利要求5所述的柱塞的制造方法，其特征在于，所述铬、碳、铁、镍以及石蜡均为粒度为150目-300目的粉末；

将铬、碳、铁、镍以及石蜡混合形成混合料具体为：在三维混合机中将上述铬、碳、铁、镍以及石蜡的粉末混合60min-70min。

8.根据权利要求5所述的柱塞的制造方法，其特征在于，所述将混合料压制于本体的外周面上形成毛坯是在9.5MPa-10.5Mpa的压力下，所述混合料的厚度为9mm-11mm。

9.根据权利要求5所述的柱塞的制造方法，其特征在于，所述烧结是在1100℃-1120℃的温度下对所述毛坯烧结3.75h-4.25h。

10.根据权利要求5所述的柱塞的制造方法，其特征在于，所述将混合料压制于本体的外周面上形成毛坯以及所述将毛坯在氢气保护气氛下进行烧结之间还包括：

在275℃-280℃的温度下将毛坯进行烘干；

所述烘干的时间为2.75h-3.25h。