CN115161637A

CN115161637A - 一种活塞杆表面耐磨耐蚀涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN115161637A
Application number: CN202210925395.0A
Authority: CN
Inventors: 郭永明; 叶福兴; 祁航
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2022-08-03
Filing date: 2022-08-03
Publication date: 2022-10-11

Abstract

本发明属于活塞杆表面加工技术领域，本发明公开了一种活塞杆表面耐磨耐蚀涂层及其制备方法。本发明先配置FeCoCrNiMo球形粉末；然后将待处理的活塞杆表面进行预热处理至≥50℃；采用超高速激光熔覆技术在预热处理后的活塞杆表面制备耐磨耐蚀涂层。本发明解决了传统的活塞杆表面处理方法存在的硬度低、致密度低、耐磨性差、粗糙度高、涂层厚度大的问题；具有熔覆速率高、热影响区小、涂层稀释率低、涂层厚度薄、表面粗糙度低、结合强度高、内部缺陷少、耐腐蚀性能好的特点，能显著提高现行活塞杆耐磨、耐蚀性能。

Description

一种活塞杆表面耐磨耐蚀涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及活塞杆表面加工技术领域，尤其涉及一种活塞杆表面耐磨耐蚀涂层及其制备方法。

背景技术

活塞杆是支持活塞做功的连接部件，在石油化工、煤炭、钢铁、造纸、交通等领域应用广泛。活塞杆大部分应用在油缸、气缸等运动执行部件中，是一种频繁运动的部件，常用材质有普通碳钢、38CrMoAl、35CrMo等合金钢。活塞杆加工要求较高，对同轴度、直线度、表面粗糙度等都有严格的要求，表面粗糙度一般要求≤0.4μm。活塞杆在工作过程中，要承受交变载荷作用，同时表面会产生往复摩擦，因此要求活塞杆要有高的硬度和耐磨性。

由于活塞杆服役工况较复杂，在磨损、腐蚀、交变载荷等耦合工况下，加剧了材料表面磨损、腐蚀速度，使用一段时间后就需要对其进行修复，严重的甚至报废，降低了企业生产效率，所以开发一种高效的活塞杆表面强化材料和强化技术具有重要的经济效益。

电镀硬铬工艺曾广泛的用于活塞杆的表面防护。国标GB 25974.1-2010详细介绍了液压支架立柱零件电镀层的技术要求。也有文献报道采用化学镀Ni-P镀层可用于活塞杆防护。电镀、化学镀具有成本低、效率高、镀层性能良好的特点，是使用最广泛的活塞杆表面防护技术。然而随着全世界对环保问题的重视，污染严重的电镀、化学镀技术已被全世界绝大多数国家取缔，尤其是镀铬产生的六价铬，对人体危害严重，已被国内禁止使用。目前各国都在发展取代电镀硬铬的工艺。

现有的活塞杆表面强化技术主要有以下两种。

一是激光熔覆。激光熔覆技术是一种利用高能密度激光束照射基体表面，使熔覆材料与基体表面的薄层同时熔化并快速凝固，涂层与基体间实现冶金结合的技术方法。激光熔覆作为一种重要的表面改性工艺，制备的涂层具有结构致密、与基体冶金结合、硬度高、耐磨性好的特点。如申请号为200810012680.3的发明专利：液压支架立柱缸筒、活塞杆耐磨抗蚀涂层的激光熔覆工艺中，提出一种主要成分为Fe、Cr、Ni、Mo、Si、C、N、Nb、Ta、B的铁基合金粉末，通过激光熔覆同步自动送粉的方式在基体表面制备一层厚度达到0.6~1.2mm的合金涂层，熔覆工艺如下：激光功率3.5~4.5kW；光斑直径2.5~3.5mm，扫描速度1.5~2.5m/min；搭接率40~50%。制备的涂层均匀、致密，具有良好的耐磨抗蚀性能，与电镀相比能显著提高立柱缸筒、活塞杆的耐磨抗蚀性能和使用寿命。申请号为201811500091.X的发明专利：一种活塞杆及液压缸中，提出一种表面涂覆激光熔覆层的活塞杆。通过激光熔覆同步自动送粉的方式在基体表面制备一层厚度达到0.3-1.5mm的合金熔覆层，熔覆层成分为Ni、Cr、Mo、Fe、、Nb、Si、Mn、Cu、Ti，熔覆工艺如下：激光功率3~3.5kW；光斑直径3-8mm，扫描速度0.3~0.9m/min；搭接率30~50%。制备的涂层与基体结合良好，组织结构致密，具有良好的耐腐蚀性能。申请号为201910192984.0的发明专利：一种利用激光熔覆技术对活塞杆进行加工的方法中，提出一种利用激光熔覆技术对活塞杆进行加工的方法。该方法采用预留待熔覆区域中间位置不熔，以百分表提前检测变形量的方法，在熔覆前将零件变形量进行车削，避免熔覆后因变形导致返工或局部区域熔覆层厚度不达标，基材外露的问题。采用激光熔覆方法进行活塞杆表面修复及强化虽然能提高活塞杆的耐磨抗蚀性能，但是同时存在一些亟待解决的问题：制备效率低下（10~50cm²/min）、经济效益差；制备的涂层稀释率高（稀释率高达10~20%），导致涂层性能显著下降；基体热影响区较大（热影响区厚度通常在500~1000μm甚至更厚），导致基体性能下降，且难以在热敏感材料及薄壁件基体表面沉积涂层；制备涂层表面粗糙度大，后续需要大的加工量和材料去除量，降低了粉末的利用率；制备涂层厚度通常较厚（大于500μm），成本较高。

二是热喷涂。活塞杆表面热喷涂金属涂层、金属陶瓷复合涂层、工程陶瓷涂层是近年来发展较快的一种新技术，也成为传统的电镀硬铬活塞杆的替代技术之一。通过超音速火焰喷涂技术或等离子喷涂技术，在活塞杆表面制备一层金属陶瓷复合涂层，涂层硬度可达镀铬层的两倍以上，耐腐蚀性显著优于镀铬层，能有效提高活塞杆的耐磨耐蚀性能。如申请号为201220394940.X的实用新型专利：一种陶瓷喷涂振动缸活塞杆中，通过“等离子喷涂+激光重熔”两步法在活塞杆表面制备一层陶瓷涂层，涂层结合强度≥500MPa，孔隙率≤0.1%，硬度≥1300HV，制备的涂层具有较高的硬度和良好的致密性，能显著提高活塞杆服役性能。申请号为201911385597.5的发明专利：一种陶瓷活塞杆及其陶瓷涂层喷涂工艺中，提出一种陶瓷活塞杆，由活塞杆表面喷涂陶瓷涂层形成。陶瓷涂层由底层和表层组成，采用等离子喷涂工艺制备，底层材料为碳化镍，厚度大于150μm，喷涂工艺如下：喷涂电流680~720A，喷涂电压45~47V，喷枪速度100~105mm/s；表层材料为Cr₂O₃，厚度大于200μm，喷涂电流780~820A，喷涂电压46~49V，喷枪速度100~105mm/s。喷涂后陶瓷涂层经封孔处理后，表面硬度≥900HV，结合强度37MPa，耐盐雾1500h，具有良好的耐磨耐蚀性能。采用热喷涂方法进行活塞杆表面修复及强化能显著提高活塞杆耐磨耐蚀性能，但是热喷涂涂层同样存在一些问题：涂层主要为机械结合，结合强度较低；涂层存在一定孔隙，虽然有储油效果，但同样存在卸压的风险；涂层制备工序较多，成本较高。采用重熔热处理的方式能提高热喷涂涂层结合性能，但是较高的重熔温度会导致基材力学性能下降，同时增加了成本。

本发明将提供一种新型耐磨耐蚀涂层，通过涂层成分优化设计，并采用超高速激光熔覆技术（也称激光喷涂）在活塞杆表面制备一层高结合强度、高硬度、高致密度、高耐磨性、高耐腐蚀性的薄涂层，通过涂层磨抛加工控制活塞杆尺寸及表面粗糙度，来解决活塞杆服役过程中面临的介质腐蚀、交变载荷载荷、磨损等问题，从而提高活塞杆的服役性能及寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种活塞杆表面耐磨耐蚀涂层及其制备方法，以解决传统的活塞杆表面处理方法存在的硬度低、致密度低、耐磨性差、粗糙度高、涂层厚度大的问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种活塞杆表面耐磨耐蚀涂层的制备方法，包括如下步骤：

1）配置FeCoCrNiMo球形粉末；

2）将待处理的活塞杆表面进行预热处理；

3）采用超高速激光熔覆技术在预热处理后的活塞杆表面制备耐磨耐蚀涂层。

优选的，所述FeCoCrNiMo球形粉末的化学成分包括Fe：20~25份、Co：15~25份、Cr：15~25份、Ni：15~25份、Mo：15~25份。

优选的，所述FeCoCrNiMo球形粉末的粉末粒度10~70μm，球形度为85-100%。

优选的，所述步骤2）中预热处理后活塞杆表面温度≥50℃。

优选的，超高速激光熔覆工艺的载气为氮气或稀有气体。

优选的，所述FeCoCrNiMo球形粉末通过载气送入超高速激光熔覆工艺。

优选的，所述步骤3）中超高速激光熔覆工艺参数如下：激光功率1.5~5kW；送粉速度20~100g/min；光斑大小2~4mm；熔覆距离15~25mm；激光焦点距离0.5~3mm；熔覆线速度10~200m/min；搭接率40~60%。

优选的，在预热处理后的活塞杆表面制备耐磨耐蚀涂层后还包括磨抛操作。

本发明的另一目的是提供一种活塞杆表面耐磨耐蚀涂层制备方法制备得到的活塞杆表面耐磨耐蚀涂层。

优选的，耐磨耐蚀涂层厚度为0.1~0.9mm，表面粗糙度≤0.04μm。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

采用本发明提供的活塞杆表面耐磨耐蚀涂层制备方法，可在活塞杆表面制备高结合强度、高耐磨、高耐蚀的薄涂层。FeCoCrNiMo涂层中，Fe元素提高了涂层韧性，其中Ni和Cr元素提高了涂层耐腐蚀性能，Co元素提高涂层高温氧化性能，Mo元素提高涂层高温力学性能。多种元素的加入赋予了合金涂层高耐磨、高耐蚀等综合性能。涂层厚度为0.1~0.9mm，涂层与基体冶金结合，结合强度≥200MPa，显微硬度为800~1000HV_0.1，耐中性盐雾腐蚀性能超过1000h。本发明获得的高耐磨、耐蚀涂层主要用于活塞杆的表面强化，可以有效提高活塞杆耐磨、耐蚀性能，进而提高其服役性能和寿命，具有重要的工程应用价值。与现行激光熔覆技术相比，具有熔覆速率高、热影响区小、涂层稀释率低、原始涂层厚度薄、表面粗糙度低、加工量小、成本低等特点；与热喷涂技术相比，具有结合强度高、内部缺陷少、耐腐蚀性能好的特点，能提高现行活塞杆耐磨、耐蚀性能。

具体实施方式

一种活塞杆表面耐磨耐蚀涂层的制备方法，包括如下步骤：

1）配置FeCoCrNiMo球形粉末；

2）将待处理的活塞杆表面进行预热处理；

在本发明中，所述FeCoCrNiMo球形粉末的化学成分包括Fe：20~25份、Co：15~25份、Cr：15~25份、Ni：15~25份、Mo：15~25份；优选为Fe：22~24份、Co：18~22份、Cr：18~22份、Ni：18~22份、Mo：18~22份；进一步优选为Fe：23份、Co：20份、Cr：20份、Ni：20份、Mo：20份。

在本发明中，所述FeCoCrNiMo球形粉末的粉末粒度10~70μm，优选为30~60μm，进一步优选为40μm；球形度为85~100%，优选为90~98%，进一步优选为95%。

在本发明中，所述步骤2）中预热处理后活塞杆表面温度≥50℃，优选为60~80℃，进一步优选为65℃。

在本发明中，超高速激光熔覆工艺的载气为氮气或稀有气体，优选为氩气。

在本发明中，所述FeCoCrNiMo球形粉末通过载气送入超高速激光熔覆工艺。

在本发明中，所述步骤3）中超高速激光熔覆工艺参数如下：激光功率1.5~5kW，优选为2~4kW，进一步优选为3kW；送粉速度20~100g/min，优选为40~80g/min，进一步优选为60g/min；光斑大小2~4mm，优选为2.5~3.5mm，进一步优选为3mm；熔覆距离15~25mm，优选为18~23mm，进一步优选为20mm；激光焦点距离0.5~3mm，优选为0.8~2mm，进一步优选为1mm；熔覆线速度10~200m/min，优选为50~150m/min，进一步优选为100m/min；搭接率40~60%，优选为45~55%，进一步优选为50%。

在本发明中，在预热处理后的活塞杆表面制备耐磨耐蚀涂层后还包括磨抛操作。

在本发明中，耐磨耐蚀涂层厚度为0.1~0.9mm，优选为0.3~0.8mm，进一步优选为0.5mm；表面粗糙度≤0.04μm，优选为0.02~0.03μm，进一步优选为0.03μm。

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

粉末材料：采用FeCoCrNiMo球形粉末进行涂层制备，粉末化学成分份数为：Fe：25份；Co：20份；Cr：20份；Ni：18份；Mo：17份。粉末粒度15~45μm，球形度90%。

超高速激光熔覆工艺：首先采用丙酮对加工至预留尺寸的活塞杆进行除油处理，并采用工装对非涂层部位进行保护；然后将活塞杆装卡固定在转床上，调节工艺参数，预热至65℃，开始涂层制备。超高速激光熔覆工艺参数如下：激光功率2kW，保护气及载气采用氩气，送粉速度30g/min，光斑直径2.5mm，熔覆距离18mm，激光焦点与基体距离1.5mm，熔覆线速度35m/min，搭接率60%，涂层厚度0.25mm，表面粗糙度12.5μm；最后进行涂层磨抛，按照60目锆刚玉砂带、400目金刚石砂带、800目金刚石砂带的顺序进行，最后涂层厚度0.15mm，表面粗糙度0.03μm。经对同工艺制备的试样性能进行检测，涂层与基体冶金结合；结合强度＞200MPa；显微硬度850HV_0.1；致密性100%，未发现明显缺陷；基体热影响区深度6μm，涂层稀释率0.6%。

实施例2

粉末材料：采用FeCoCrNiMo球形粉末进行涂层制备，粉末化学成分按质量百分比为：Fe：24份；Co：19份；Cr：19份；Ni：19份；Mo：19份。粉末粒度20-50μm，球形度90%。

超高速激光熔覆工艺：首先采用丙酮对加工至预留尺寸的活塞杆进行除油处理，并采用工装对非涂层部位进行保护；然后将活塞杆装卡固定在转床上，调节工艺参数，预热至60℃，开始涂层制备。超高速激光熔覆工艺参数如下：激光功率3.5kW，保护气及载气采用氩气，送粉速度40g/min，光斑直径3mm，熔覆距离20mm，激光焦点与基体距离1.8mm，熔覆线速度80m/min，搭接率50%，涂层厚度0.5mm，表面粗糙度13.5μm；最后进行涂层磨抛，按照40目锆刚玉砂带、400目金刚石砂带、800目金刚石砂带的顺序进行，最后涂层厚度0.4mm，表面粗糙度0.04μm。经对同工艺制备的试样性能进行检测，涂层与基体冶金结合；结合强度＞200MPa；显微硬度860HV_0.1；致密性100%，未发现明显缺陷；基体热影响区深度7μm，涂层稀释率0.75%。

实施例3

粉末材料：采用FeCoCrNiMo球形粉末进行涂层制备，粉末化学成分按质量百分比为：Fe：20份；Co：20份；Cr：20份；Ni：20份；Mo：20份。粉末粒度30-60μm，球形度92%。

超高速激光熔覆工艺：首先采用丙酮对加工至预留尺寸的活塞杆进行除油处理，并采用工装对非涂层部位进行保护；然后将活塞杆装卡固定在转床上，调节工艺参数，预热至54℃，开始涂层制备。超高速激光熔覆工艺参数如下：激光功率4.5kW，保护气及载气采用氩气，送粉速度80g/min，光斑直径3.5mm，熔覆距离25mm，激光焦点与基体距离2.5mm，熔覆线速度150m/min，搭接率45%，涂层厚度0.8mm，表面粗糙度13.5μm；最后进行涂层磨抛，按照40目锆刚玉砂带、400目金刚石砂带、800目金刚石砂带的顺序进行，最后涂层厚度0.7mm，表面粗糙度0.04μm。经对同工艺制备的试样性能进行检测，涂层与基体冶金结合；结合强度＞200MPa；显微硬度940HV_0.1；致密性100%，未发现明显缺陷；基体热影响区深度9μm，涂层稀释率0.9%。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种活塞杆表面耐磨耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）配置FeCoCrNiMo球形粉末；

2）将待处理的活塞杆表面进行预热处理；

2.根据权利要求1所述的一种活塞杆表面耐磨耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述FeCoCrNiMo球形粉末的化学成分包括Fe：20~25份、Co：15~25份、Cr：15~25份、Ni：15~25份、Mo：15~25份。

3.根据权利要求1所述的一种活塞杆表面耐磨耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述FeCoCrNiMo球形粉末的粉末粒度10~70μm，球形度为85~100%。

4.根据权利要求1所述的一种活塞杆表面耐磨耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中预热处理后活塞杆表面温度≥50℃。

5.根据权利要求1所述的一种活塞杆表面耐磨耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，超高速激光熔覆工艺的载气为氮气或稀有气体。

6.根据权利要求1所述的一种活塞杆表面耐磨耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述FeCoCrNiMo球形粉末通过载气送入超高速激光熔覆工段。

7.根据权利要求1所述的一种活塞杆表面耐磨耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中超高速激光熔覆工艺参数如下：激光功率1.5~5kW；送粉速度20~100g/min；光斑大小2~4mm；熔覆距离15~25mm；激光焦点距离0.5~3mm；熔覆线速度10~200m/min；搭接率40~60%。

8.根据权利要求1所述的一种活塞杆表面耐磨耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，在预热处理后的活塞杆表面制备耐磨耐蚀涂层后还包括磨抛操作。

9.如权利要求1-8任一项所述的一种活塞杆表面耐磨耐蚀涂层的制备方法制备得到的活塞杆表面耐磨耐蚀涂层。

10.根据权利要求9所述的活塞杆表面耐磨耐蚀涂层，其特征在于，耐磨耐蚀涂层厚度为0.1~0.9mm，表面粗糙度≤0.04μm。