CN106636976A - 活塞杆表面的增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及金属材料制备技术领域，尤其是一种活塞杆表面的增材制造方法，采用激光熔敷方法，在活塞杆本体上，先熔敷耐蚀钢层，耐蚀钢厚度为0.50~0.88mm，激光熔敷功率为2.5~3.2KW，随后在耐蚀钢层表面继续熔敷耐磨耐蚀合金层，耐磨耐蚀合金层厚度为2.80~3.35mm，激光熔敷功率为1.8~2.2KW，最后精加工至规定尺寸和精度，可以获得表面耐磨和耐蚀性好的活塞杆。本发明采用激光熔敷增材制造活塞杆，效率高，活塞杆表面加工量小，活塞杆表面硬度≥55HRC，活塞杆表面耐盐雾腐蚀≥2000h，本发明活塞杆耐磨性好，使用寿命比普通碳钢活塞杆提高280~350%，比普通合金钢活塞杆提高220~260%，推广应用具有良好的经济和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料制备技术领域，尤其是一种活塞杆表面的增材制造方法。
背景技术
活塞杆是支持活塞做功的连接部件，大部分应用在油缸、气缸运动执行部件中，是一个运动频繁、技术要求高的运动部件。以液压油缸为例，由缸筒、活塞杆（油缸杆）、活塞、端盖几部分组成。其加工质量的好坏直接影响整个产品的寿命和可靠性。活塞杆加工要求高，其表面粗糙度要求为Ra0.4~0.8um，对同轴度、耐磨性要求严格。活塞杆通常采用滚压工艺提高表面抗腐蚀能力，并能延缓疲劳裂纹的产生或扩大，因而提高活塞杆疲劳强度。通过滚压成型，滚压表面形成一层冷作硬化层，减少了磨削副接触表面的弹性和塑性变形，从而提高了活塞杆表面的耐磨性，同时避免了因磨削引起的烧伤。
因活塞杆工作条件恶劣，使用中极易发生磨损和腐蚀。为了延长活塞杆使用寿命，中国发明专利CN 104191152公开了一种煤矿用液压缸活塞杆表面或中级缸外表面的修复再制造方法，针对煤矿用液压缸活塞杆表面或中级缸外表面损伤失效后的再制造，结合长期实践创新设计出一种采用特定金属粉末配比的金属丝材作为粉芯丝材，即由不锈钢箔层包裹主要成分为Cr、Ni和Fe的金属粉末构成，并创新的基于电弧热喷涂的工艺方法进行表面的修复再制造，使得表面修复层的耐腐蚀性能及硬度与表面激光熔敷技术相当的前提下，同时兼顾了良好的经济适用性及实际的生产效率，并完全能够替代现有电镀技术，在煤矿用液压支架油缸中活塞杆及中级缸的修复利用中具有广阔的推广使用前景。
中国发明专利CN103866221还公开了一种支撑式煤矿液压支架活塞杆感应预热熔涂再制造工艺，包括旧件清洗洁净化、可再制造特征判断及等级分类、活塞杆旧件粗加工、感应预热熔涂耐磨防腐涂层、后续精加工、质检入库步骤。该发明将感应预热熔涂引入旧件再制造，既克服传统修复工艺加工次数有限、粗糙度差、效果差的缺陷，又克服了激光熔覆再制造工艺的高成本、低效率、易受热变形的问题，既达到了再制造活塞杆的高性能高品质，又实现再制造过程的高速高效、高成品率、自动控制、低生产成本，显著延长了再制造活塞杆的使用寿命，整个再制造过程，无污染，绿色环保。
中国发明专利CN103671339还公开了一种耐磨耐腐蚀合金表面覆层的液压启闭机油缸活塞杆，活塞杆表面使用激光器作为能量源，合金材料粉末作为加工材料，熔覆形成耐磨耐腐蚀合金熔覆层。熔覆层金属晶体细致纵向排列的非常致密，使熔覆层坚硬、耐蚀、耐磨，并且可以达到低稀释率低热影响的突出效果。熔覆层与基材呈冶金融合，强度非常高。熔覆层可为单层也可多层叠加，熔覆完成后熔覆层厚度为0.2mm至10mm。该发明实现了活塞杆表面耐磨耐腐蚀防护层的柔性化制造，生产周期短，加工效率高。表面材料限制少，适用范围广。获得的耐磨耐腐蚀合金激光熔覆活塞杆表面无氧化影响、无热应力变形，具有较高的综合机械性能，与基材结合强度好，抗磨抗腐蚀性能优异。
中国发明专利CN102166702还公开了活塞杆的激光熔敷修复方法，这种工艺是这样实现的：在活塞杆的工作表面用车床车去0.5～2mm本体金属疲劳层，装夹好工件后，以线速度为400～700mm/min转动工件，用丙酮清洗掉表面油污杂质，把工件加热到40～100℃，以功率3.5KW、带宽3mm的激光熔敷一层不锈钢作为抗磨抗蚀表面层，最后对激光熔敷层进行机械加工达到活塞杆的使用尺寸规格。该发明的优点不仅实现了对旧液压油缸活塞杆的修复，减少备件的报废率，节省生产成本，而且可使修复的液压油缸活塞杆具有更长的使用寿命和更平衡的运行性能，避免了活塞杆在工作表面由于缺冷却润滑油或异物进入缸内引起活塞杆面拉毛，液压油泄漏等使用问题。
中国发明专利CN 102703899还公开了一种煤矿井下用液压支架中缸、活柱及活塞杆表面处理工艺，包括在工件表面依次进行的激光熔覆工序和镀铬工序，在激光熔覆工序和镀铬工序之间衔接有前处理工序，该前处理工序的步骤为：超声波除油、水洗、阴极电化学除油、一次热水洗、酸浸、水洗、阴极活化、二次热水洗。该发明的优点在于将激光熔覆工艺和电镀工艺相结合，既显著提高了工件表面处理层的耐蚀性，又显著提高了表面处理层的硬度和耐磨性。由于直接熔覆在工件表面的不锈钢层将基体与外部的腐蚀介质隔离，起到了很好的防腐效果；在激光熔覆层上镀铬，不仅满足了工件的硬度和耐磨性要求，而且可以通过调整镀铬层的种类进一步提高工件的耐蚀性能。
中国发明专利CN 101994116还公开了一种活塞杆表面强化层复合工艺，其特征在于经过下列步骤：清洗活塞杆工作面的油污、杂质，将１８－８型奥氏体不锈钢粉气送至活塞杆工作面，用激光照射，使不锈钢粉熔覆在活塞杆工作面，并形成厚度为１～３ｍｍ的不锈钢熔覆底层，再将１Ｃｒ１３型马氏体不锈钢粉气送至底层上，用激光照射，使不锈钢粉熔覆在活塞杆工作面的底层上，并形成厚度为１～３ｍｍ的不锈钢熔覆强化层。实现梯度复合强化，使液压传动油缸活塞杆具有更长的使用寿命和更平衡的运行性能，避免了活塞杆在工作表面由于缺冷却润滑油或异物进入缸内引起活塞杆面拉毛，液压油泄漏等使用问题。该工艺参数可控性强，加工操作方便，便于工业化大批量生产。
中国发明专利CN 101338427还公开了液压支架立柱缸筒、活塞杆耐磨抗蚀涂层的激光熔覆工艺，包括以下工艺过程：首先立柱缸筒、活塞杆表面预处理：室温下对立柱缸筒、活塞杆表面进行除油、除锈，并用酒精清洗干净；然后合金粉末的选择和自动送粉装置的调节：选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的铁基合金粉末，铁基合金粉末的成份中主要含有Ｆｅ、Ｃ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｂ；最后自动送粉装置的调节：调节自动送粉装置，使自动送粉头出来的合金粉末正好落在激光熔池内，调节送粉量，使合金粉末涂层的厚度达到０．６－１．２ｍｍ；该发明合金涂层均匀、致密，具有优良的耐磨抗蚀性能，采用该发明技术制造的立柱缸筒、活塞杆具有较电镀显著提高的耐磨抗蚀性能和使用寿命。
中国实用新型200420010954.2还公开了一种耐磨活塞杆，它为台阶式圆柱体，其中直径小的一端为活塞杆体，直径大的一端为活塞体，在活塞体外表面上设有环形槽，在活塞杆体圆柱形工作表面上设有一层用激光熔敷形成的耐磨结构层，在活塞体上的环形槽的两侧内壁上设有一层用喷焊形成的耐磨结构层。本实用新型采用含有铬Ｃｒ、镍Ｎｉ、铁Ｆｅ、硅Ｓｉ、硼Ｂ、钴Ｃｏ等合金作为耐磨结构层，能够提高活塞杆的高频耐磨性、耐蚀性和高压气体的密封性；由于耐磨结构层是采用喷焊和激光熔敷的方法结合在母材上，因此结合力增强，不易脱落，使用寿命长，适用于各种类型的活塞杆，尤其是适用于化肥行业生产设备上的活塞杆，大大缩短维修周期，提高企业经济效益。
近年来增材制造技术发展很快，中国发明专利CN104550955公开了一种用于螺杆激光组合制造的工艺方法，依次包括如下步骤：确定激光组合增材制造材料、对螺杆光杆表面进行清洁表面、螺杆激光组合增材制造和对螺杆初步成型后进行后续铣削加工。该发明具有的有益技术效果如下：利用激光组合增材制造技术对螺杆光杆进行增材制造，通过高能量密度的激光束快速扫描待处理表面，由于极快的加热和冷却速度，使晶粒不易长大，从而在激光组合增材制造形成的螺棱表面获得极细的晶粒，且与基体呈牢固冶金结合的高性能堆焊层。当改变表面层的材料（如把Ni60换成Stellite6与316L组合等）时即可改变表层的性能，在其它场合获得应用（如大型齿轮）。
中国发明专利CN103205747还公开了活塞环的高耐磨激光增材加工方法，涉及活塞环的表面处理技术领域。采用激光增材制造方法，在环状活塞主体的表面设置原位合成颗粒增强复合涂层。该发明将激光技术应用于活塞环表面处理工艺中，采用快速三维实体快速自由成形新技术，制备的活塞环形状、组织、性能均可控。此外，原位合成颗粒增强复合涂层具有优异的耐磨性能，稳定性好，且与基材的结合力强，使得新型活塞环具有高耐磨特征，使用寿命大为提高。
中国发明专利CN105263654还公开了一种用于内燃机的整体的活塞本体。该活塞本体包括具有一对裙部和一对销壳的第一部件以及具有冠部的第二部件，该冠部带有上燃烧表面和至少部分封闭的油道。第一部件和第二部件在接缝处连接至一起，该接缝位于油道的与上燃烧表面相对的一侧。第一部件通过铸造或者锻造制造，第二部件通过增材制造工艺制造，比如直接金属激光烧结。
尽管增材制造技术在广泛推广应用，但在活塞杆表面进行增材制造还较少报道，特别是利用增材制造技术大幅度提高活塞杆表面的耐磨性和耐腐蚀性能，还未见详细介绍。
发明内容
为了克服现有的技术的不足，本发明提供了一种活塞杆表面的增材制造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种活塞杆表面的增材制造方法，采用激光熔敷方法，在活塞杆本体上，激光熔敷耐蚀钢层和耐磨耐蚀合金层，具体制备工艺步骤是：
①先在碳钢或合金钢活塞杆母材表面激光熔敷一层耐蚀钢，耐蚀钢厚度为0.50~0.88mm，耐蚀钢的化学组成及其质量分数为：0.05~0.12%C，26.85~28.40%Cr，5.50~6.82%Mn，2.28~2.64%Si，18.26~19.77%Ni，8.06~8.53%Mo，0.27~0.39%N，5.06~5.42%Nb，<0.025%S，<0.030%P，余量Fe，激光熔敷功率为2.5~3.2KW；
②继续在步骤①的耐蚀钢上激光熔敷一层耐磨耐蚀合金层，耐磨耐蚀合金层厚度为2.80~3.35mm，耐磨耐蚀合金层的化学组成及其质量分数为：1.15~1.42%C，14.20~15.71%Cr，0.50~0.85%Si，7.40~7.92%Mn，2.41~2.73%B，5.20~5.44%Ni，3.33~3.68%Mo，1.21~1.65%Ti，8.52~8.80%Ce，0.12~0.18%N，0.45~0.55%Ca，<0.030%S，<0.035%P，余量Fe，激光熔敷功率为1.8~2.2KW，最后精加工至规定尺寸和精度，可以获得表面耐磨和耐蚀性好的活塞杆。
本发明活塞杆表面的增材制造方法，首先在35#、45#、40Cr、42CrMo、Q345等碳钢或合金钢活塞杆母材表面激光熔敷一层耐蚀钢，耐蚀钢厚度为0.50~0.88mm。激光熔敷一层厚度为0.50~0.88mm。耐蚀钢的目的之一是为了提高活塞杆的耐蚀性，目的之二是为了改善活塞杆母材与耐磨耐蚀合金层的结合强度。本发明激光熔敷耐蚀钢的功率为2.5~3.2KW，确保了熔敷效率高，且熔敷层表面质量好，为后续直接熔敷耐磨耐蚀合金层奠定基础。本发明激光熔敷耐蚀钢的化学组成及其质量分数为：0.05~0.12%C, 26.85~28.40%Cr, 5.50~6.82%Mn, 2.28~2.64%Si, 18.26~19.77%Ni, 8.06~8.53%Mo, 0.27~0.39%N, 5.06~5.42%Nb, <0.025%S, <0.030%P, 余量Fe。其中加入26.85~28.40%Cr，可明显提高激光熔覆层的耐蚀性。但是Cr是缩小γ相区，扩大α相区的元素，Cr的大量加入不易获得耐蚀性稳定的奥氏体不锈耐蚀钢，为此本发明中加入了扩大γ相区Ni、Mn和N元素，加入了18.26~19.77%Ni、5.50~6.82%Mn和0.27~0.39%N。奥氏体不锈耐蚀钢尽管耐蚀性好，但强度和硬度低，对在其上面激光熔敷的耐磨耐蚀合金层无法提供强有力的支撑，无法发挥耐磨耐蚀合金层的抗磨效果。因此在本发明耐蚀钢中还加入了8.06~8.53%Mo、5.06~5.42%Nb和2.28~2.64%Si，可以进一步提高耐蚀钢的强度和硬度，确保了其上面激光熔敷的耐磨耐蚀合金层具有优异的耐磨性。此外，8.06~8.53%Mo的加入还可以进一步提高耐蚀钢的耐蚀性。
本发明还在上述耐蚀钢上激光熔敷了一层耐磨耐蚀合金层，主要是确保活塞杆具有优异的耐磨性和耐蚀性。耐磨耐蚀合金层厚度为2.80~3.35mm，本发明激光熔敷耐磨耐蚀合金的功率为1.8~2.2KW，确保了熔敷层组织致密，不会出现裂纹和孔洞等缺陷。本发明耐磨耐蚀合金层的化学组成及其质量分数为：1.15~1.42%C, 14.20~15.71%Cr, 0.50~0.85%Si, 7.40~7.92%Mn, 2.41~2.73%B, 5.20~5.44%Ni, 3.33~3.68%Mo, 1.21~1.65%Ti, 8.52~8.80%Ce, 0.12~0.18%N, 0.45~0.55%Ca, <0.030%S, <0.035%P, 余量Fe。其中加入14.20~15.71%Cr和7.40~7.92%Mn，可以改善熔敷层的耐蚀性能，加入1.15~1.42%C和2.41~2.73%B，可以与Mo、Cr和Fe等生成硼碳化合物，从而可以提高熔敷层的硬度，并改善耐磨性能。加入5.20~5.44%Ni可以提高熔敷层的强度和塑性。特别是加入8.52~8.80%Ce，可以防止熔敷层出现裂纹。加入0.45~0.55%Ca可以防止熔敷层出现孔洞。加入0.12~0.18%N和1.21~1.65%Ti，可以生成细小的TiN，作为凝固核心，可以细化熔敷层组织，提高熔敷层塑性和强韧性，防止熔敷层出现裂纹。
本发明的有益效果是，
1）本发明采用激光熔敷增材制造活塞杆，效率高，活塞杆表面加工量小。
2）本发明活塞杆表面硬度≥55HRC，活塞杆表面耐盐雾腐蚀≥2000h。
3）本发明活塞杆耐磨性好，使用寿命比普通碳钢活塞杆提高280~350%，比普通合金钢活塞杆提高220~260%，推广应用具有良好的经济和社会效益。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的活塞杆结构示意图；
图中1-活塞杆本体，2-耐蚀钢层，3-耐磨耐蚀合金层。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步陈述，但本发明并不限于以下实施例。表面增材制造的活塞杆结构示意图如图1，也可以是其他改进的结构，此不是本发明的重点。
实施例1：
活塞杆表面的增材制造方法，其特征采用激光熔敷方法，在活塞杆本体1上，激光熔敷耐蚀钢层2和耐磨耐蚀合金层3，具体制备工艺步骤是：
①先在合金钢42CrMo活塞杆母材表面激光熔敷一层耐蚀钢2，耐蚀钢2厚度为0.52mm，耐蚀钢2的化学组成及其质量分数为：0.06%C, 26.93%Cr, 5.51%Mn, 2.64%Si, 19.72%Ni,8.52%Mo, 0.29%N, 5.42%Nb, 0.019%S, 0.023%P, 余量Fe，激光熔敷耐蚀钢的功率为2.5KW；
②继续在步骤①的耐蚀钢2上激光熔敷一层耐磨耐蚀合金层3，耐磨耐蚀合金层3厚度为3.30mm，耐磨耐蚀合金层3的化学组成及其质量分数为：1.41%C, 14.23%Cr, 0.55%Si,7.89%Mn, 2.44%B, 5.21%Ni, 3.67%Mo, 1.22%Ti, 8.56%Ce, 0.13%N, 0.55%Ca, 0.026%S, 0.031%P, 余量Fe，激光熔敷耐磨耐蚀合金的功率为2.2KW，最后精加工至规定尺寸和精度，可以获得表面耐磨和耐蚀性好的活塞杆，其力学性能和耐蚀性能见表1。
实施例2：
活塞杆表面的增材制造方法，其特征采用激光熔敷方法，在活塞杆本体1上，激光熔敷耐蚀钢层2和耐磨耐蚀合金层3，具体制备工艺步骤是：
①先在合金钢40Cr活塞杆母材表面激光熔敷一层耐蚀钢2，耐蚀钢2厚度为0.87mm，耐蚀钢2的化学组成及其质量分数为：0.12%C, 28.35%Cr, 6.80%Mn, 2.29%Si, 18.29%Ni,8.08%Mo, 0.38%N, 5.07%Nb, 0.020%S, 0.025%P, 余量Fe，激光熔敷耐蚀钢的功率为3.2KW；
②继续在步骤①的耐蚀钢2上激光熔敷一层耐磨耐蚀合金层3，耐磨耐蚀合金层3厚度为2.83mm，耐磨耐蚀合金层3的化学组成及其质量分数为：1.16%C, 15.69%Cr, 0.83%Si,7.41%Mn, 2.72%B, 5.44%Ni, 3.35%Mo, 1.62%Ti, 8.80%Ce, 0.18%N, 0.46%Ca, 0.024%S, 0.029%P, 余量Fe，激光熔敷耐磨耐蚀合金的功率为1.8KW，最后精加工至规定尺寸和精度，可以获得表面耐磨和耐蚀性好的活塞杆，其力学性能和耐蚀性能见表1。
实施例3：
活塞杆表面的增材制造方法，其特征采用激光熔敷方法，在活塞杆本体1上，激光熔敷耐蚀钢层2和耐磨耐蚀合金层3，具体制备工艺步骤是：
①先在碳钢Q345活塞杆母材表面激光熔敷一层耐蚀钢2，耐蚀钢2厚度为0.71mm，耐蚀钢2的化学组成及其质量分数为：0.09%C, 27.66%Cr, 5.94%Mn, 2.50%Si, 18.98%Ni,8.29%Mo, 0.34%N, 5.31%Nb, 0.021%S, 0.023%P, 余量Fe，激光熔敷耐蚀钢的功率为2.8KW；
②继续在步骤①的耐蚀钢2上激光熔敷一层耐磨耐蚀合金层3，耐磨耐蚀合金层3厚度为2.99mm，耐磨耐蚀合金层3的化学组成及其质量分数为：1.27%C, 14.91%Cr, 0.67%Si,7.57%Mn, 2.49%B, 5.35%Ni, 3.49%Mo, 1.44%Ti, 8.63%Ce, 0.15%N, 0.49%Ca, 0.019%S, 0.028%P, 余量Fe，激光熔敷耐磨耐蚀合金的功率为2.0KW，最后精加工至规定尺寸和精度，可以获得表面耐磨和耐蚀性好的活塞杆，其力学性能和耐蚀性能见表1。
表1 活塞杆表面硬度和耐蚀性能
| 性能 | 表面硬度/HRC | 表面硬度差/HRC | 耐盐雾腐蚀/h |
| 实施例1 | 57.3 | 0.8 | 2182 |
| 实施例2 | 56.8 | 1.1 | 2235 |
| 实施例3 | 57.0 | 0.7 | 2178 |
本发明采用激光熔敷增材制造活塞杆，效率高，活塞杆表面加工量小。本发明活塞杆表面硬度高，硬度差小，硬度均匀性，且具有良好的耐盐雾腐蚀性。本发明活塞杆耐磨、耐蚀性好，使用寿命比普通碳钢活塞杆提高280~350%，比普通合金钢活塞杆提高220~260%，推广应用本发明成果具有良好的经济和社会效益。
Claims (1)
1.一种活塞杆表面的增材制造方法，其特征是，采用激光熔敷方法，在活塞杆本体上，激光熔敷耐蚀钢层和耐磨耐蚀合金层，具体制备工艺步骤是：
①先在碳钢或合金钢活塞杆母材表面激光熔敷一层耐蚀钢，耐蚀钢厚度为0.50~0.88mm，耐蚀钢的化学组成及其质量分数为：0.05~0.12%C，26.85~28.40%Cr，5.50~6.82%Mn，2.28~2.64%Si，18.26~19.77%Ni，8.06~8.53%Mo，0.27~0.39%N，5.06~5.42%Nb，<0.025%S，<0.030%P，余量Fe，激光熔敷耐蚀钢的功率为2.5~3.2KW；
②继续在步骤①的耐蚀钢上激光熔敷一层耐磨耐蚀合金层，耐磨耐蚀合金层厚度为2.80~3.35mm，耐磨耐蚀合金层的化学组成及其质量分数为：1.15~1.42%C，14.20~15.71%Cr，0.50~0.85%Si，7.40~7.92%Mn，2.41~2.73%B，5.20~5.44%Ni，3.33~3.68%Mo，1.21~1.65%Ti，8.52~8.80%Ce，0.12~0.18%N，0.45~0.55%Ca，<0.030%S，<0.035%P，余量Fe，激光熔敷耐磨耐蚀合金的功率为1.8~2.2KW，最后精加工至规定尺寸和精度，可以获得表面耐磨和耐蚀性好的活塞杆。
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Denomination of invention: Additive manufacturing method of piston rod surface Effective date of registration: 20230201 Granted publication date: 20180619 Pledgee: Industrial Bank Co.,Ltd. Shanghai pilot Free Trade Zone Lingang New District sub branch Pledgor: SHANGHAI XIONGCHENG MARINE ENGINEERING CO.,LTD.|SHANGHAI XIONGCHENG SHIP ENGINEERING Co.,Ltd. Registration number: Y2023310000019 |
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