史耀君, 周华杉, 孙 华, 夏少华
(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司, 江苏 常州 213011)
随着国内轨道交通列车运营速度的不断提高,作为机车车辆走行机构重要组成部件之一的油压减振器,其使用性能的优劣,将直接影响机车车辆运行过程中的安全性和舒适性[1]。活塞杆是油压减振器上最关键的零部件(见图1),其表面保护层的性能直接影响油压减振器的服役状况[2]。目前油压减振器活塞杆表面主要是采用镀铬工艺,起到耐磨防护的作用。但在服役过程中,由于环境灰尘或者砂粒会进入油压减振器内部,在活塞杆运动过程中,电镀层表面会出磨痕、锈蚀、剥落等现象,从而导致活塞杆的表面防护失效。常规的修复方法是采用化学腐蚀或者机加工去除活塞杆表面的镀铬层,再重新进行镀铬处理。该方法工艺可靠简单,同时兼顾性价比,是油压减振器活塞杆常用的修复手段。但随着工业生产环保压力的日益增大,活塞杆在电镀过程中产生的废水、废气、废渣严重污染生态环境且损害人体健康,不符合绿色制造的环保理念。近年来迅速发展的激光熔覆技术为修复金属零件表面保护层提供了一条解决上述问题的有效途径[3-4]。吴鹏飞等[5]研究了粉碎机刀盘材料Cr12Mo1V1钢表面激光熔覆Fe基合金熔覆层的微观组织和性能,改善了材料表面的耐磨性。卢庆亮等[6]研究了盾构机密封跑道修复的激光熔覆Fe基涂层制备工艺,试验结果达到了盾构机密封跑道磨痕的再制造修复效果。王戈等[7]研究了在20低碳钢表面激光熔覆316L不锈钢熔覆层的组织与性能。这些利用激光熔覆技术修复零件表面以及改善材料表面性能的试验研究,都取得了良好的效果。为了使油压减振器活塞杆修复性能达到技术要求,同时符合绿色制造的理念,本文利用激光熔覆技术对活塞杆表面进行修复,分别采用了两种不同合金粉末对活塞杆表面进行熔覆试验,并对熔覆层的表面质量、微观组织、显微硬度和耐蚀性进行了分析研究,试验结果表明采用激光熔覆技术对活塞杆表面进行修复取得了良好效果,满足了对活塞杆保护层的技术要求。
图1 油压减振器活塞杆实物图Fig.1 Physical map of oil damper piston rod
1.1 试验材料
试验样件的基体材料为35钢,激光熔覆层材料选用两种不同成分的不锈钢合金粉末(粉末A和粉末B),其化学成分如表1所示。
表1 合金粉末A和B的化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical composition of alloy powder A and B (mass fraction, %)
1.2 试验设备和方法
本试验采用HP-115型五轴激光增材制造系统进行激光熔覆修复试验。激光熔覆试验参数为激光功率500 W,扫描速度360 mm/min,光斑直径φ2.0 mm,送粉量15 r/min,偏移量0.8 mm,试验在氩气保护气氛下进行。
激光熔覆后的试样先采用着色渗透探伤进行熔覆层表面质量分析,然后采用OBSERVER A1M型金相显微镜对激光熔覆层横截面微观组织进行观察,再采用FEM-7000型显微硬度计对熔覆层进行显微硬度分析。显微硬度的测试方法为从距离熔覆层表面0.05 mm处依次向基体方向测量硬度,各相邻测试点间隔0.1 mm,加载砝码为300 g,加载时间为10 s,测量5次取平均值。采用WY/Q-650系列盐雾试验箱对两种不同激光熔覆层试样进行48 h中性盐雾试验,基体部分利用环氧树脂进行包裹,研究两种不同粉末熔覆层的耐蚀性。
2.1 表面质量
采用两种不同成分不锈钢合金粉末进行激光熔覆的试样以及熔覆层着色渗透探伤如图2所示,其中图2(a)为两种不同粉末激光熔覆的试样A(合金粉末A)和试样B(合金粉末B)的熔覆层表面宏观形貌。图2(b)为采用着色渗透探伤检测方法后,两种试样熔覆层表面形貌。从图2(b)可以看出,两种试样的熔覆层表面无气孔和裂纹等常见缺陷,表明试验材料和激光熔覆工艺参数选取合理,熔覆层质量良好。
图2 两种不同粉末激光熔覆试样(a)以及熔覆层着色渗透探伤图(b)Fig.2 Laser clad specimens by two different powders(a) and dye penetrant flaw detection diagram of the clad layer(b)
2.2 微观组织及显微硬度
粉末A和粉末B的激光熔覆试样截面微观组织如图3所示,其中图3(a,c)为粉末A激光熔覆试样的截面微观组织,而图3(b,d)为粉末B激光熔覆试样的截面微观组织。从图3(a,b)可以看出,两种熔覆层平均厚度均约0.65 mm,热影响区平均厚度约0.5 mm,熔覆层与基体之间为冶金结合。依据金属凝固理论,以及多道搭接激光熔覆不锈钢涂层的组织演化规律[5,8],并结合图3(c,d)的微观组织图,分析得出熔覆层顶部主要依靠空气进行热量散失,温度梯度较小,形核速率大于晶粒的生长速率,从而形成细小的等轴晶。熔覆层中部依靠基体和熔覆层顶部进行热量散失,温度梯度增大,晶粒生长速率变大,形成树枝晶和胞状晶。熔覆层底部与基体结合处,依靠基体金属散热,温度梯度最大,形成平面晶和胞状晶。
图3 粉末A(a,c)和粉末B(b,d)激光熔覆试样的截面微观形貌Fig.3 Micromorphologies of cross-section of laser clad specimens with power A(a, c) and power B(b, d)
两种不同粉末的激光熔覆试样显微硬度测试点如图3(a,b)中所示,显微硬度平均值分布曲线如图4所示,其变化趋势与文献[9]中激光熔覆涂层在室温的显微硬度分布曲线一致。可以看出,粉末A熔覆层显微硬度平均值为729 HV0.3,而粉末B熔覆层显微硬度平均值为617 HV0.3,与基体平均显微硬度250 HV0.3相比,均有了大幅度提高。熔覆层的耐磨性一般与其显微硬度成正比,两种熔覆层的显微硬度结果表明,粉末A的熔覆层具有更好的耐磨性,且达到了油压减振器活塞杆对熔覆层硬度的技术要求。
图4 激光熔覆试样横截面显微硬度分布曲线Fig.4 Microhardness distribution curves of cross-section of laser clad specimens
2.3 耐蚀性
粉末A和粉末B激光熔覆试样的盐雾腐蚀试验结果如图5所示。可以看出,两种不同粉末的试样经过48 h盐雾腐蚀后,熔覆层均未发生锈蚀现象,其表面仍旧光亮平整。环氧树脂包裹层上的锈蚀斑主要来自与熔覆层结合处基体的腐蚀。试验结果表明,两种熔覆层均具有良好的耐蚀性,其原因是两种熔覆层中铬含量高,在氧化性环境中能在钢的表面形成非常薄且致密的氧化膜,防止熔覆层进一步氧化或腐蚀。
图5 粉末A和粉末B激光熔覆试样的腐蚀形貌Fig.5 Corrosion morphologies of laser clad specimens with powder A and powder B
采用激光熔覆技术对油压减振器活塞杆表面保护层进行了修复处理,研究了熔覆层的外观质量、微观组织、显微硬度和耐蚀性,从试验结果可以得出:
1) 两种不锈钢粉末熔覆层表面质量较好,无气孔和表面裂纹。
2) 熔覆层与基体之间为冶金结合,结合强度较高,熔覆层与基体结合处以树枝晶和胞状晶为主,由结合处向熔覆层顶部晶粒明显细化,熔覆层与基体之间存在0.5 mm左右的热影响区,热影响区硬度介于基体硬度和熔覆层硬度之间。
3) 不锈钢12.43%Cr粉末和16.26%Cr粉末熔覆层平均显微硬度分别为729 HV0.3和617 HV0.3,与基体(250 HV0.3)相比有较大幅度提高,且12.43%Cr粉末熔覆层达到了油压减振器活塞杆对保护层硬度的技术要求。
4) 两种不锈钢粉末熔覆层均具有较好的耐蚀性。
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