CN109296588B

CN109296588B - 一种活塞杆及液压缸

Info

Publication number: CN109296588B
Application number: CN201811500091.XA
Authority: CN
Inventors: 朱青海; 何冰; 陈志凯
Original assignee: Construction Machinery Branch of XCMG
Current assignee: Jiangsu Xugong Construction Machinery Research Institute Co ltd
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2018-12-10
Publication date: 2021-06-04
Anticipated expiration: 2038-12-10
Also published as: CN109296588A

Abstract

本发明涉及一种活塞杆及油缸。该活塞杆包括杆芯；激光熔覆层，所述杆芯的至少部分周向表面被所述激光熔覆层覆盖；镀层，所述激光熔覆层的至少部分表面被所述镀层覆盖。该活塞杆具有改善的耐腐蚀性能。

Description

一种活塞杆及液压缸

技术领域

本发明涉及机械零部件表面处理领域，具体涉及一种活塞杆及液压缸。

背景技术

液压油缸由于结构简单、可靠性高等优点，广泛应用于工程机械,农用机械,矿山机械,生产设备及交通运输等行业。海工油缸是海工工程机械液压系统最重要的零部件之一，海工油缸在海洋环境中，一方面承受着强烈变化的海洋气候的影响(如风、雨、盐雾、大气污染等的侵蚀)，使海工油缸面临着十分严峻的考验；另一方面海水是天然的电解质溶液，处于海水中的金属容易产生诸如缝隙腐蚀、晶间腐蚀、海水冲刷等导致油缸失效，尤其活塞杆长期裸露部位失效更快，寿命极低。因此，海工油缸活塞杆表面防腐涂层的合理设计对提高其耐腐蚀性能、可靠性以及延长使用寿命具有重要意义。

激光熔覆技术是利用高能激光束辐照，通过迅速熔化、扩展和凝固，在基材表面沉积一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，构成一种不同于基材的新材料，以弥补基体所缺少的高性能。可根据工件的性能要求，沉积各种成分的合金、金属基复合材料等，制备耐热、耐蚀、耐磨、减摩、抗氧化和无磁等特性的表面覆层，使材料具有常规处理所不具有的组织与性能。

发明内容

本公开提供一种活塞杆，包括

杆芯；

激光熔覆层，所述杆芯的至少部分周向表面被所述激光熔覆层覆盖；

镀层，所述激光熔覆层的至少部分表面被所述镀层覆盖。

在一些实施方案中，所述杆芯的周向表面是指所述杆芯的侧壁。

申请日前的活塞杆大多为“杆芯+镀层”结构，形成腐蚀的原因是腐蚀介质贯穿镀层微裂纹渗入杆芯，导致杆芯腐蚀，从而降低活塞杆寿命。本公开的活塞杆具有“杆芯+激光熔覆层+镀层”结构，使腐蚀介质不容易渗入杆芯，进而提高活塞杆的耐腐蚀能力，从而延长活塞杆使用寿命。

在一些实施方案中，所述杆芯包括第一段杆芯和第二段杆芯，所述第一段杆芯与第二段杆芯首尾相接；所述第二段杆芯的周向表面被所述激光熔覆层覆盖；所述第一段杆芯的周向表面不被激光熔覆层覆盖；所述镀层至少将覆有激光熔覆层的区域与未覆有激光熔覆层的区域的交界处覆盖。

由于活塞杆应用于液压缸时，杆芯的不同部分所处环境不同。对于长期位于液压缸内部的那部分杆芯，发生腐蚀的风险较低，对于长期暴露于液压缸外部的那部分杆芯，发生腐蚀的风险较高。基于上述技术方案，可以根据需要，对腐蚀风险较高的那部分的杆芯进行激光熔覆处理，针对性地加强该段杆芯的耐腐蚀能力，对于腐蚀风险较低部分的杆芯，不进行激光熔覆处理，进而降低生产成本，起到事半功倍的有益效果。此外，由于覆有激光熔覆层的区域与未覆有熔覆层的区域之间有交界，该交界处是腐蚀发生的风险点，通过镀层将该交界处覆盖，进一步降低了腐蚀风险。

在一些实施方案中，所述第一段杆芯的直径为D1，所述第二段杆芯的直径为D2，D1＞D2；所述激光熔覆层的厚度为0.5×(D1-D2)。

基于此，覆有激光熔覆层的第二段杆芯与未覆有激光熔覆层的第一段杆芯具有相同的直径，两端杆芯的过渡处平滑连续。连续平滑的过渡界面，一方面，便于活塞杆在液压缸内无阻地运动，另一方面，也不易于附着污垢。

在一些实施方案中，所述杆芯包括第一段杆芯和第二段杆芯，所述第一段杆芯与第二段杆芯首尾相接；所述第一段杆芯的直径为D1，所述第二段杆芯的直径为D2，D1＞D2；所述激光熔覆层覆盖第二段杆芯的全部表面，所述激光熔覆层的厚度为0.5×(D1-D2)；所述镀层覆盖所述激光熔覆层和所述第一段杆芯的全部表面。

基于此，不必对活塞杆的整体进行激光熔覆，能够降低激光熔覆的面积，降低生产成本。由于第二段杆芯相较于第一段杆芯具有更小的直径，使得覆有激光熔覆层的第二段杆芯与第一段杆芯具有相同的直径，二者交界处光滑连续，能够避免腐蚀介质(如海水、泥污)在交界处堆积，降低腐蚀风险。进一步，由于第一段杆芯与激光熔覆层具有不同的腐蚀电位，是腐蚀风险高的位置，将第一段杆芯与激光熔覆层交界处表面交界处用镀层进一步覆盖，降低了交界处发生腐蚀的风险。以上特征协同作用，进而获得了本公开兼具低成本和耐腐蚀优点的活塞杆。

在一些实施方案中，D1-D2＝0.6mm～3mm。

在一些实施方案中，所述第一段杆芯与所述第二段杆芯的交界处设有倒角。

基于此，由于激光熔覆层的边缘的截面也是圆角，因此上述倒角结构能够与激光熔覆层的边缘无缝地配合，避免在二者之间留下缝隙，成为腐蚀发生的风险点。

在一些实施方案中，所述第一段杆芯(10)的长度为L1，所述第二段杆芯(20)的长度为L2，所述杆芯的总长度为L；L1＝0.1L～0.9L；L2＝0.1L～0.9L。

在一些实施方案中，L1+L2＝L。

在一些实施方案中，所述激光熔覆层的成分如下：

C：≤0.08wt％，Cr：18～23wt％，Mo：8～10wt％，Si：0.4～0.6wt％，Mn：0.4～0.6wt％，Cu：0.4～0.6wt％，Ti：0.3～0.5wt％，Nb：3～5wt％，Fe：4～6wt％，Ni：余量。

在一些实施方案中，所述镀层是含铬镀层。例如所述镀层的铬含量为90wt％以上，例如95wt％以上，例如100wt％。

基于此，镀铬层能有效抑制贫铬区的产生。

在一些实施方案中，所述镀层是电镀镀层或化学镀镀层。

上述激光熔覆层具有优良的耐腐蚀性能，其中，Cr元素的加入使Ni产生固溶强化，提高Ni基的电极电位而钝化，增强其耐蚀性；Mo的加入，显著改善Ni基合金耐氯化物腐蚀和提高抗氯离子点腐蚀、耐还原性酸腐蚀的能力，具有优良的耐气蚀性能；Si的加入使得涂层致密、韧性好、裂纹敏感性小，进一步改善了Ni、Cr的耐腐蚀性能；少量Mn元素能细化晶粒，改善涂层的切削性能；Cu的加入，提高抗非氧化性无机酸腐蚀的能力、导电性，且塑性范围宽，不易开裂；加入特定量Ti元素，能与碳形成稳定的碳化物，抑制贫铬现象产生，提高抗晶间腐蚀能力；Nb元素一方面能与合金中的C元素生成NbC碳化物，大大提高合金的抗冲蚀和耐磨能力，另一方面固熔强化形成强韧的有限固溶体，有良好的抗疲劳性能；Fe的加入有利于改善涂层的加工性能和耐磨性能。

在一些方面，提供本公开任一项的活塞杆的制备方法，包括

(1)获得杆芯；

(2)对杆芯的至少部分周向表面进行激光熔覆处理，形成激光熔覆层；

(3)对激光熔覆层的至少部分周向表面进行镀覆处理，形成镀层。

在一些实施方案中，激光熔覆的工艺参数包括以下一项或多项：

激光功率：3000～3500w，例如3200w；

扫描速度：5～15mm/s，例如10mm/s；

送粉速率：15～25g/min，例如20g/min；

光斑直径：3～8mm，例如5mm；

搭接率：30～50％，例如40％；

送粉气压力：0.3～0.5MPa，例如0.4MPa；

保护气流量：8～12L/min，例如10L/min。

在一些实施方案中，上述制备方法中，所述杆芯包括第一段杆芯和第二段杆芯；且步骤(2)包括，对第二段杆芯的至少部分周向表面进行激光熔覆处理，形成激光熔覆层，且对第一段杆芯的至少部分周向表面不进行激光熔覆处理。

在一些实施方案中，上述制备方法中，所述第一段杆芯的直径为D1，所述第二段杆芯的直径为D2，D1＞D2；步骤(2)包括，对第二段杆芯的周向表面进行激光熔覆处理，形成激光熔覆层，且对第一段杆芯的周向表面不进行激光熔覆处理；步骤(3)包括，对上一步产品进行镀覆处理，形成镀层，所述镀层至少将所述第一段杆芯与所述激光熔覆层交界处周向表面覆盖。

在一些实施方案中，上述制备方法中，步骤(2)和(3)之间还包括，打磨步骤(2)的产品，使第一段杆芯与覆有激光熔覆层的第二段杆芯具有相同的直径。

在一些实施方案中，上述制备方法中，所述镀层将所述第一段杆芯与所述激光熔覆层全部覆盖。

在一些方面，提供一种液压缸，包括缸筒和上述的活塞杆，所述活塞杆插入于所述缸筒中，并能够相对于所述缸筒运动。

在一些实施方案中，所述活塞杆的杆芯包括第一段杆芯和第二段杆芯，所述第一段杆芯与第二段杆芯首尾相接；当缸筒内的活塞杆位于行程末端时，所述第一段杆芯全部位于缸筒内，至少部分所述第二段杆芯位于缸筒外。

在一些实施方案中，全部第二段杆芯位于缸筒外。

在一些实施方案中，行程末端是指活塞杆位于缸筒内最大深度的状态。

在一些实施方案中，液压缸为液压油缸。

在一些实施方案中，至少部分是指10％～100％，例如全部。

在一些实施方案中，激光熔覆层位于杆芯和镀层之间。

在本发明中，除非另有说明，否则本文中使用的科学和技术名词具有本领域技术人员所通常理解的含义。并且，本文中所涉及的实验室操作步骤均为相应领域内广泛使用的常规步骤。同时，为了更好地理解本发明，下面提供相关术语的定义和解释。

在一些实施方案中，除非额外说明，操作在常温常压下进行。

如本文中使用的，术语“常温”是指25±5℃。

如本文中使用的，术语“常压”是指1个大气压±5％。

如本文中使用的，术语“约”应该被本领域技术人员理解，并将随其所用之处的上下文而有一定程度的变化。如果根据术语应用的上下文，对于本领域技术人员而言，其使用不是清楚的，那么“约”的意思是不超过所述特定数值或范围的正负10％。

术语“液压缸”通常指的是包括缸体的液压致动器，活塞响应于被供给到缸体中或从缸体排出的液压流体而在该缸体中移动，并且，在该缸体中，活塞杆连接至活塞，从而随活塞的移动而从缸体延伸或被收缩到缸体中。

本文所用的术语“缸筒”是指其中具有沿着缸筒的纵向轴线的孔的缸体。

有益效果

(1)通过对活塞杆长期裸露部分进行激光熔覆，并对激光熔覆后的表面进行镀铬处理，镀铬层能有效抑制贫铬区的产生，提高了活塞杆的耐腐蚀性能，延长了其在海洋苛刻工况下的使用寿命。

(2)对活塞杆的腐蚀风险高的特定段进行激光熔覆处理，不仅能降低熔覆面积、减少粉末用量、节约成本，还能提高生产效率。

(3)在第一段杆芯和第二段杆芯的交界处设置倒角，有利于杆芯与激光熔覆涂层紧密结合，有利于激光熔覆层的熔覆。

(4)针对海水腐蚀工况，选取镍基粉末制备活塞杆防腐涂层，并按特定添加相应的铬、钼等元素成分，制备的涂层致密、均匀、无裂纹、无气孔，具有抵抗脱落、裂纹、晶间腐蚀、缝隙腐蚀等失效的性能，且具有良好的工艺性。

(5)基于激光熔覆技术特点设计激光熔覆层厚度，确定活塞杆熔覆涂层加工余量、电镀余量和磨削余量，能有效减少加工余量，提高生产效率。

附图说明

图1是一个活塞杆的示意图；

图2是一个液压缸的示意图；

图3是一个活塞杆的激光熔覆层的金相图；

图4是一个活塞杆的激光熔覆层的扫描电子显微镜(SEM)照片；

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

图1示出一个活塞杆的示意图。如图1所示：

该活塞杆为直径为φ50mm的海工油缸活塞杆。

活塞杆的杆芯分为两段，即第一段杆芯10和第二段杆芯20，第一段杆芯10的直径为D1＝49.95mm，第二段杆芯20的直径为D2＝49mm，第一段杆芯10与第二段杆芯20首尾相接。第一段杆芯的长度为700mm，第二段杆芯的长度为150mm。第二段杆芯20上覆有激光熔覆层21，其厚度为0.95mm。第一段杆芯10和激光熔覆层21上进一步覆有电镀层30，电镀层30的厚度为0.05mm。

在一些实施例中，第一段杆芯10与第二段杆芯20的交界处设有倒角15，倒角15是φ0.5mm的圆弧倒角。

在一些实施例中，激光熔覆层的成分如下：C：0.05％，Cr：20％，Mo：8.5％，Si:0.5％，Mn：0.5％，Cu：0.5％，Ti：0.4％，Nb：3.5％，Fe：4.5％和Ni：余量。

在一些实施例中，活塞杆通过以下方法获得：

(1)通过车削的方法获得具有两段结构的活塞杆杆芯，第一段杆芯和第二段杆芯，第一段杆芯的直径为D1＝49.95mm，第二段杆芯的直径为D2＝49mm，第一段杆芯与第二段杆芯首尾相接。第一段杆芯的长度为700mm，第二段杆芯的长度为150mm。

(2)对第二段杆芯实施激光熔覆

激光熔覆粉末的成分为

C：0.05％，Cr：20％，Mo：8.5％，Si:0.5％，Mn：0.5％，Cu：0.5％，Ti：0.4％，Nb：3.5％，Fe：4.5％，和Ni：余量。

激光熔覆的工艺参数包括：

激光功率：3200w；扫描速度：10mm/s；送粉速率：20g/min；光斑直径：φ5mm；搭接率：40％；送粉气压力：0.4MPa；保护气流量：10L/min。

激光熔覆层的厚度为1.4mm，此时覆有激光熔覆层的第二段杆芯直径达到约50.4mm。然后，将覆有激光熔覆层的第二段杆芯磨削至直径49.95mm。

(4)对上一步产品实施电镀，在第一段杆芯和激光熔覆层表面形成电镀铬层，此时活塞杆总直径达为50.05mm。

(5)对上一步产品实施磨削，将活塞杆直径磨削至50mm。

采用上述方法确定的活塞杆熔覆涂层加工余量、电镀余量和磨削余量，能有效减少加工余量，提高生产效率。

图2是一个液压缸的示意图。如图2所示，液压缸包括缸筒41，缸筒41的开口处设有导向套42和缸盖43，缸盖43将导向套42固定在缸筒41内。活塞杆1穿过缸盖43和导向套42伸入到缸筒内，活塞杆1伸入缸筒内的部分的末端设有活塞11。活塞杆1即图1所示的活塞杆。活塞杆1包括第一段杆芯10和第二段杆芯20，第一段杆芯10长度为700mm，第二段杆芯20的长度为150mm。当活塞杆1位于缸筒41的行程末端时(即活塞到达缸筒最深处的位置)，活塞杆1位于缸筒41内的部分恰好是第一段杆芯10的部分，活塞杆1位于缸筒41外的部分恰好是第二段杆芯20的部分。

由于第二段杆芯20在液压缸工作时长期暴露于外界环境，上述“激光熔覆层+镀层”的双层结构能够很好地提高该段杆芯的抗腐蚀能力。由于第一段杆芯10在液压缸工作时并非长期暴露于外界腐蚀环境，腐蚀风险相对较低，采用单层镀层结构也可满足使用要求。上述设计针对活塞杆不同部分进行个性化处理，一方面降低生产成本，一方面可满足使用要求，起到事半功倍的有益效果。

分析检测：

(1)金相图

利用金相显微镜对活塞杆激光熔覆层进行组织观察，金相图如图3所示。其中，激光熔覆层21与第二段杆芯20结合良好，熔覆组织无裂纹、无气孔等缺陷。

(2)SEM和EDS测试

利用扫描电子显微镜(SEM)和能谱测试仪(EDS)对激光熔覆层的晶界和晶粒处元素测试，扫描电子显微镜照片如图4所示，图中示出晶粒51和晶界52。使用能谱测试仪分别检测晶粒51和晶界52中Cr、Ni元素含量，发现Cr、Ni耐腐蚀元素在晶界和晶粒处分布均匀，未出现偏析现象。晶界和晶粒处Cr、Ni、Fe元素含量分布如下表所示：

表1

	晶界	晶粒
			Cr	20.33	20.68
Ni	60.46	60.2
			Fe	4.66	4.12

产生晶间腐蚀的根本原因是晶界与晶粒处成分不均匀，形成晶界偏析，导致电化学腐蚀不均匀；本发明晶界与晶粒处成分分布均匀，因此能有效抑制晶间腐蚀。能有效抑制晶间腐蚀。

(3)电化学测试

1)制样

试样1：45#钢，试样尺寸：φ50mm×5mm；

试样2：45#钢，表面镀铬，试样尺寸：φ50mm×5mm；

试样3：45#钢，表面激光熔覆，激光熔覆层厚度0.95mm，表面粗糙度Ra 0.3μm。

2)检测

检测溶液：质量分数为5％的NaCl溶液。

3)结论

利用电化学测试仪对活塞杆基体、原镀层和激光熔覆层进行测试(见表2)，可以发现激光熔覆层比原镀层、基体的腐蚀电位高，且腐蚀速率远小于原镀层、基体，因此激光熔覆层能大大提高活塞杆的耐腐蚀性。

表2

	试样1	试样2	试样3
				腐蚀电位，V	-0.748	-0.52	-0.355
腐蚀电流密度，A/cm<sup>2</sup>	2.5×10<sup>-6</sup>	2.33×10<sup>-6</sup>	2.28×10<sup>-6</sup>
				腐蚀速率，μm/a	293.25	82.6	27.9

如上表所示，试样3的腐蚀电位、腐蚀电流密度和腐蚀速率都显著低于试样1和2。这说明，激光熔覆层能够有效地改善钢材的耐腐蚀能力。

尽管本发明的具体实施方式已经得到详细的描述，但本领域技术人员将理解：根据已经公开的所有教导，可以对细节进行各种修改和变动，并且这些改变均在本发明的保护范围之内。本发明的全部范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

Claims

1.一种活塞杆，包括

杆芯；

激光熔覆层，所述杆芯的至少部分周向表面被所述激光熔覆层覆盖；和

镀层，所述激光熔覆层的至少部分表面被所述镀层覆盖；

其特征在于，所述杆芯包括第一段杆芯(10)和第二段杆芯(20)，所述第一段杆芯(10)与第二段杆芯(20)首尾相接；

所述第二段杆芯(20)的全部周向表面被所述激光熔覆层(21)覆盖，所述第一段杆芯(10)的周向表面不被激光熔覆层覆盖；

所述镀层(30)覆盖所述激光熔覆层(21)和所述第一段杆芯(10)的全部周向表面；且所述镀层(30)至少将所述第一段杆芯与所述激光熔覆层交界处周向表面覆盖；

其中，所述第一段杆芯(10)的长度为L1，所述第二段杆芯(20)的长度为L2，所述杆芯的总长度为L；L1＝0.1L～0.9L；L2＝0.1L～0.9L；

其中，所述激光熔覆层的成分如下：C：≤0.08wt％，Cr：18～23wt％，Mo：8～10wt％，Si：0.4～0.6wt％，Mn：0.4～0.6wt％，Cu：0.4～0.6wt％，Ti：0.3～0.5wt％，Nb：3～5wt％，Fe：4～6wt％，Ni：余量；和/或，所述镀层是含铬镀层。

2.根据权利要求1所述的活塞杆，所述第一段杆芯(10)的直径为D1，所述第二段杆芯(20)的直径为D2，D1＞D2；

所述激光熔覆层(21)的厚度为0.5×(D1-D2)。

3.根据权利要求2所述的活塞杆，所述D1-D2＝0.6～3mm。

4.根据权利要求1所述的活塞杆，所述第一段杆芯(10)与所述第二段杆芯(20)的交界处设有倒角(15)。

5.根据权利要求1所述的活塞杆，L1+L2＝L。

6.权利要求1～5任一项所述的活塞杆的制备方法，其特征在于，包括

1)获得杆芯；

2)对杆芯的至少部分周向表面进行激光熔覆处理，形成激光熔覆层；

3)对激光熔覆层的至少部分周向表面进行镀覆处理，形成镀层。

7.根据权利要求6所述的方法，其中

所述杆芯包括第一段杆芯(10)和第二段杆芯(20)；

步骤2)包括，对第二段杆芯(20)的至少部分周向表面进行激光熔覆处理，形成激光熔覆层，且对第一段杆芯的至少部分周向表面不进行激光熔覆处理。

8.根据权利要求7所述的方法，其中

所述第一段杆芯(10)的直径为D1，所述第二段杆芯(20)的直径为D2，D1＞D2；

步骤2)包括，对第二段杆芯(20)的周向表面进行激光熔覆处理，形成激光熔覆层(21)，且对第一段杆芯(10)的周向表面不进行激光熔覆处理；

步骤3)包括，对上一步产品进行镀覆处理，形成镀层(30)，所述镀层(30)至少将所述第一段杆芯(10)与所述激光熔覆层(21)交界处周向表面覆盖。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤(2)和(3)之间还包括，打磨步骤(2)的产品，使第一段杆芯与覆有激光熔覆层的第二段杆芯具有相同的直径。

10.根据权利要求9所述的方法，所述激光熔覆层(21)将所述第二段杆芯(20)的周向表面全部覆盖，所述镀层(30)将所述第一段杆芯(10)的周向表面与所述激光熔覆层(21)全部覆盖。

11.一种液压缸，其特征在于，包括缸筒(41)和权利要求1～5任一项所述的活塞杆(1)，所述活塞杆插入于所述缸筒(41)中，并能够相对于所述缸筒(41)运动。

12.根据权利要求11所述的液压缸，所述活塞杆的杆芯包括第一段杆芯(10)和第二段杆芯(20)，所述第一段杆芯(10)与第二段杆芯(20)首尾相接；

当缸筒(41)内的活塞杆(1)位于行程末端时，所述第一段杆芯全部位于缸筒内，至少部分所述第二段杆芯位于缸筒外。