油壓減振器活塞桿表面激光熔覆不銹鋼的組織與性能

2023-07-26 07:07:48史耀君周華杉夏少華

金屬熱處理 2023年6期

史耀君, 周華杉, 孫華, 夏少華

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司, 江蘇常州 213011)

隨著國內軌道交通列車運營速度的不斷提高,作為機車車輛走行機構重要組成部件之一的油壓減振器,其使用性能的優劣,將直接影響機車車輛運行過程中的安全性和舒適性[1]?；钊麠U是油壓減振器上最關鍵的零部件(見圖1),其表面保護層的性能直接影響油壓減振器的服役狀況[2]。目前油壓減振器活塞桿表面主要是采用鍍鉻工藝,起到耐磨防護的作用。但在服役過程中,由于環境灰塵或者砂粒會進入油壓減振器內部,在活塞桿運動過程中,電鍍層表面會出磨痕、銹蝕、剝落等現象,從而導致活塞桿的表面防護失效。常規的修復方法是采用化學腐蝕或者機加工去除活塞桿表面的鍍鉻層,再重新進行鍍鉻處理。該方法工藝可靠簡單,同時兼顧性價比,是油壓減振器活塞桿常用的修復手段。但隨著工業生產環保壓力的日益增大,活塞桿在電鍍過程中產生的廢水、廢氣、廢渣嚴重污染生態環境且損害人體健康,不符合綠色制造的環保理念。近年來迅速發展的激光熔覆技術為修復金屬零件表面保護層提供了一條解決上述問題的有效途徑[3-4]。吳鵬飛等[5]研究了粉碎機刀盤材料Cr12Mo1V1鋼表面激光熔覆Fe基合金熔覆層的微觀組織和性能,改善了材料表面的耐磨性。盧慶亮等[6]研究了盾構機密封跑道修復的激光熔覆Fe基涂層制備工藝,試驗結果達到了盾構機密封跑道磨痕的再制造修復效果。王戈等[7]研究了在20低碳鋼表面激光熔覆316L不銹鋼熔覆層的組織與性能。這些利用激光熔覆技術修復零件表面以及改善材料表面性能的試驗研究,都取得了良好的效果。為了使油壓減振器活塞桿修復性能達到技術要求,同時符合綠色制造的理念,本文利用激光熔覆技術對活塞桿表面進行修復,分別采用了兩種不同合金粉末對活塞桿表面進行熔覆試驗,并對熔覆層的表面質量、微觀組織、顯微硬度和耐蝕性進行了分析研究,試驗結果表明采用激光熔覆技術對活塞桿表面進行修復取得了良好效果,滿足了對活塞桿保護層的技術要求。

圖1 油壓減振器活塞桿實物圖Fig.1 Physical map of oil damper piston rod

1 試驗材料、設備及方法

1.1 試驗材料

試驗樣件的基體材料為35鋼,激光熔覆層材料選用兩種不同成分的不銹鋼合金粉末(粉末A和粉末B),其化學成分如表1所示。

表1 合金粉末A和B的化學成分(質量分數,%)Table 1 Chemical composition of alloy powder A and B (mass fraction, %)

1.2 試驗設備和方法

本試驗采用HP-115型五軸激光增材制造系統進行激光熔覆修復試驗。激光熔覆試驗參數為激光功率500 W,掃描速度360 mm/min,光斑直徑φ2.0 mm,送粉量15 r/min,偏移量0.8 mm,試驗在氬氣保護氣氛下進行。

激光熔覆后的試樣先采用著色滲透探傷進行熔覆層表面質量分析,然后采用OBSERVER A1M型金相顯微鏡對激光熔覆層橫截面微觀組織進行觀察,再采用FEM-7000型顯微硬度計對熔覆層進行顯微硬度分析。顯微硬度的測試方法為從距離熔覆層表面0.05 mm處依次向基體方向測量硬度,各相鄰測試點間隔0.1 mm,加載砝碼為300 g,加載時間為10 s,測量5次取平均值。采用WY/Q-650系列鹽霧試驗箱對兩種不同激光熔覆層試樣進行48 h中性鹽霧試驗,基體部分利用環氧樹脂進行包裹,研究兩種不同粉末熔覆層的耐蝕性。

2 試驗結果及討論

2.1 表面質量

采用兩種不同成分不銹鋼合金粉末進行激光熔覆的試樣以及熔覆層著色滲透探傷如圖2所示,其中圖2(a)為兩種不同粉末激光熔覆的試樣A(合金粉末A)和試樣B(合金粉末B)的熔覆層表面宏觀形貌。圖2(b)為采用著色滲透探傷檢測方法后,兩種試樣熔覆層表面形貌。從圖2(b)可以看出,兩種試樣的熔覆層表面無氣孔和裂紋等常見缺陷,表明試驗材料和激光熔覆工藝參數選取合理,熔覆層質量良好。

圖2 兩種不同粉末激光熔覆試樣(a)以及熔覆層著色滲透探傷圖(b)Fig.2 Laser clad specimens by two different powders(a) and dye penetrant flaw detection diagram of the clad layer(b)

2.2 微觀組織及顯微硬度

粉末A和粉末B的激光熔覆試樣截面微觀組織如圖3所示,其中圖3(a,c)為粉末A激光熔覆試樣的截面微觀組織,而圖3(b,d)為粉末B激光熔覆試樣的截面微觀組織。從圖3(a,b)可以看出,兩種熔覆層平均厚度均約0.65 mm,熱影響區平均厚度約0.5 mm,熔覆層與基體之間為冶金結合。依據金屬凝固理論,以及多道搭接激光熔覆不銹鋼涂層的組織演化規律[5,8],并結合圖3(c,d)的微觀組織圖,分析得出熔覆層頂部主要依靠空氣進行熱量散失,溫度梯度較小,形核速率大于晶粒的生長速率,從而形成細小的等軸晶。熔覆層中部依靠基體和熔覆層頂部進行熱量散失,溫度梯度增大,晶粒生長速率變大,形成樹枝晶和胞狀晶。熔覆層底部與基體結合處,依靠基體金屬散熱,溫度梯度最大,形成平面晶和胞狀晶。

圖3 粉末A(a,c)和粉末B(b,d)激光熔覆試樣的截面微觀形貌Fig.3 Micromorphologies of cross-section of laser clad specimens with power A(a, c) and power B(b, d)

兩種不同粉末的激光熔覆試樣顯微硬度測試點如圖3(a,b)中所示,顯微硬度平均值分布曲線如圖4所示,其變化趨勢與文獻[9]中激光熔覆涂層在室溫的顯微硬度分布曲線一致?？梢钥闯?粉末A熔覆層顯微硬度平均值為729 HV0.3,而粉末B熔覆層顯微硬度平均值為617 HV0.3,與基體平均顯微硬度250 HV0.3相比,均有了大幅度提高。熔覆層的耐磨性一般與其顯微硬度成正比,兩種熔覆層的顯微硬度結果表明,粉末A的熔覆層具有更好的耐磨性,且達到了油壓減振器活塞桿對熔覆層硬度的技術要求。

圖4 激光熔覆試樣橫截面顯微硬度分布曲線Fig.4 Microhardness distribution curves of cross-section of laser clad specimens

2.3 耐蝕性

粉末A和粉末B激光熔覆試樣的鹽霧腐蝕試驗結果如圖5所示?？梢钥闯?兩種不同粉末的試樣經過48 h鹽霧腐蝕后,熔覆層均未發生銹蝕現象,其表面仍舊光亮平整。環氧樹脂包裹層上的銹蝕斑主要來自與熔覆層結合處基體的腐蝕。試驗結果表明,兩種熔覆層均具有良好的耐蝕性,其原因是兩種熔覆層中鉻含量高,在氧化性環境中能在鋼的表面形成非常薄且致密的氧化膜,防止熔覆層進一步氧化或腐蝕。