史耀君, 周華杉, 孫 華, 夏少華

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司, 江蘇 常州 213011)

隨著國(guó)內(nèi)軌道交通列車運(yùn)營(yíng)速度的不斷提高,作為機(jī)車車輛走行機(jī)構(gòu)重要組成部件之一的油壓減振器,其使用性能的優(yōu)劣,將直接影響機(jī)車車輛運(yùn)行過(guò)程中的安全性和舒適性[1]。活塞桿是油壓減振器上最關(guān)鍵的零部件(見(jiàn)圖1),其表面保護(hù)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(hù)的作用。但在服役過(guò)程中,由于環(huán)境灰塵或者砂粒會(huì)進(jìn)入油壓減振器內(nèi)部,在活塞桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,電鍍層表面會(huì)出磨痕、銹蝕、剝落等現(xiàn)象,從而導(dǎo)致活塞桿的表面防護(hù)失效。常規(guī)的修復(fù)方法是采用化學(xué)腐蝕或者機(jī)加工去除活塞桿表面的鍍鉻層,再重新進(jìn)行鍍鉻處理。該方法工藝可靠簡(jiǎn)單,同時(shí)兼顧性價(jià)比,是油壓減振器活塞桿常用的修復(fù)手段。但隨著工業(yè)生產(chǎn)環(huán)保壓力的日益增大,活塞桿在電鍍過(guò)程中產(chǎn)生的廢水、廢氣、廢渣嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境且損害人體健康,不符合綠色制造的環(huán)保理念。近年來(lái)迅速發(fā)展的激光熔覆技術(shù)為修復(fù)金屬零件表面保護(hù)層提供了一條解決上述問(wèn)題的有效途徑[3-4]。吳鵬飛等[5]研究了粉碎機(jī)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(gòu)機(jī)密封跑道修復(fù)的激光熔覆Fe基涂層制備工藝,試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了盾構(gòu)機(jī)密封跑道磨痕的再制造修復(fù)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(shù)修復(fù)零件表面以及改善材料表面性能的試驗(yàn)研究,都取得了良好的效果。為了使油壓減振器活塞桿修復(fù)性能達(dá)到技術(shù)要求,同時(shí)符合綠色制造的理念,本文利用激光熔覆技術(shù)對(duì)活塞桿表面進(jìn)行修復(fù),分別采用了兩種不同合金粉末對(duì)活塞桿表面進(jìn)行熔覆試驗(yàn),并對(duì)熔覆層的表面質(zhì)量、微觀組織、顯微硬度和耐蝕性進(jìn)行了分析研究,試驗(yàn)結(jié)果表明采用激光熔覆技術(shù)對(duì)活塞桿表面進(jìn)行修復(fù)取得了良好效果,滿足了對(duì)活塞桿保護(hù)層的技術(shù)要求。

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

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)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(xué)成分如表1所示。

表1 合金粉末A和B的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical composition of alloy powder A and B (mass fraction, %)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和方法

本試驗(yàn)采用HP-115型五軸激光增材制造系統(tǒng)進(jìn)行激光熔覆修復(fù)試驗(yàn)。激光熔覆試驗(yàn)參數(shù)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(yàn)在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行。

激光熔覆后的試樣先采用著色滲透探傷進(jìn)行熔覆層表面質(zhì)量分析,然后采用OBSERVER A1M型金相顯微鏡對(duì)激光熔覆層橫截面微觀組織進(jìn)行觀察,再采用FEM-7000型顯微硬度計(jì)對(duì)熔覆層進(jìn)行顯微硬度分析。顯微硬度的測(cè)試方法為從距離熔覆層表面0.05 mm處依次向基體方向測(cè)量硬度,各相鄰測(cè)試點(diǎn)間隔0.1 mm,加載砝碼為300 g,加載時(shí)間為10 s,測(cè)量5次取平均值。采用WY/Q-650系列鹽霧試驗(yàn)箱對(duì)兩種不同激光熔覆層試樣進(jìn)行48 h中性鹽霧試驗(yàn),基體部分利用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行包裹,研究?jī)煞N不同粉末熔覆層的耐蝕性。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 表面質(zhì)量

采用兩種不同成分不銹鋼合金粉末進(jìn)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(cè)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(wú)氣孔和裂紋等常見(jiàn)缺陷,表明試驗(yàn)材料和激光熔覆工藝參數(shù)選取合理,熔覆層質(zhì)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(qū)平均厚度約0.5 mm,熔覆層與基體之間為冶金結(jié)合。依據(jù)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(guī)律[5,8],并結(jié)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(jìn)行熱量散失,溫度梯度較小,形核速率大于晶粒的生長(zhǎng)速率,從而形成細(xì)小的等軸晶。熔覆層中部依靠基體和熔覆層頂部進(jìn)行熱量散失,溫度梯度增大,晶粒生長(zhǎng)速率變大,形成樹(shù)枝晶和胞狀晶。熔覆層底部與基體結(jié)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(cè)試點(diǎn)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(shì)與文獻(xiàn)[9]中激光熔覆涂層在室溫的顯微硬度分布曲線一致。可以看出,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(jié)果表明,粉末A的熔覆層具有更好的耐磨性,且達(dá)到了油壓減振器活塞桿對(duì)熔覆層硬度的技術(shù)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(yàn)結(jié)果如圖5所示。可以看出,兩種不同粉末的試樣經(jīng)過(guò)48 h鹽霧腐蝕后,熔覆層均未發(fā)生銹蝕現(xiàn)象,其表面仍舊光亮平整。環(huán)氧樹(shù)脂包裹層上的銹蝕斑主要來(lái)自與熔覆層結(jié)合處基體的腐蝕。試驗(yàn)結(jié)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(huán)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(jìn)一步氧化或腐蝕。

圖5 粉末A和粉末B激光熔覆試樣的腐蝕形貌Fig.5 Corrosion morphologies of laser clad specimens with powder A and powder B

3 結(jié)論

采用激光熔覆技術(shù)對(duì)油壓減振器活塞桿表面保護(hù)層進(jìn)行了修復(fù)處理,研究了熔覆層的外觀質(zhì)量、微觀組織、顯微硬度和耐蝕性,從試驗(yàn)結(jié)果可以得出:

1) 兩種不銹鋼粉末熔覆層表面質(zhì)量較好,無(wú)氣孔和表面裂紋。

2) 熔覆層與基體之間為冶金結(jié)合,結(jié)合強(qiáng)度較高,熔覆層與基體結(jié)合處以樹(shù)枝晶和胞狀晶為主,由結(jié)合處向熔覆層頂部晶粒明顯細(xì)化,熔覆層與基體之間存在0.5 mm左右的熱影響區(qū),熱影響區(qū)硬度介于基體硬度和熔覆層硬度之間。

3) 不銹鋼12.43%Cr粉末和16.26%Cr粉末熔覆層平均顯微硬度分別為729 HV0.3和617 HV0.3,與基體(250 HV0.3)相比有較大幅度提高,且12.43%Cr粉末熔覆層達(dá)到了油壓減振器活塞桿對(duì)保護(hù)層硬度的技術(shù)要求。

4) 兩種不銹鋼粉末熔覆層均具有較好的耐蝕性。