本發明涉及金屬材料制備
技術領域：
，尤其是一種活塞桿表面的增材制造方法。
背景技術：
：活塞桿是支持活塞做功的連接部件，大部分應用在油缸、氣缸運動執行部件中，是一個運動頻繁、技術要求高的運動部件。以液壓油缸為例，由缸筒、活塞桿（油缸桿）、活塞、端蓋幾部分組成。其加工質量的好壞直接影響整個產品的壽命和可靠性。活塞桿加工要求高，其表面粗糙度要求為Ra0.4~0.8um，對同軸度、耐磨性要求嚴格。活塞桿通常采用滾壓工藝提高表面抗腐蝕能力，并能延緩疲勞裂紋的產生或擴大，因而提高活塞桿疲勞強度。通過滾壓成型，滾壓表面形成一層冷作硬化層，減少了磨削副接觸表面的彈性和塑性變形，從而提高了活塞桿表面的耐磨性，同時避免了因磨削引起的燒傷。因活塞桿工作條件惡劣，使用中極易發生磨損和腐蝕。為了延長活塞桿使用壽命，中國發明專利CN104191152公開了一種煤礦用液壓缸活塞桿表面或中級缸外表面的修復再制造方法，針對煤礦用液壓缸活塞桿表面或中級缸外表面損傷失效后的再制造，結合長期實踐創新設計出一種采用特定金屬粉末配比的金屬絲材作為粉芯絲材，即由不銹鋼箔層包裹主要成分為Cr、Ni和Fe的金屬粉末構成，并創新的基于電弧熱噴涂的工藝方法進行表面的修復再制造，使得表面修復層的耐腐蝕性能及硬度與表面激光熔敷技術相當的前提下，同時兼顧了良好的經濟適用性及實際的生產效率，并完全能夠替代現有電鍍技術，在煤礦用液壓支架油缸中活塞桿及中級缸的修復利用中具有廣闊的推廣使用前景。中國發明專利CN103866221還公開了一種支撐式煤礦液壓支架活塞桿感應預熱熔涂再制造工藝，包括舊件清洗潔凈化、可再制造特征判斷及等級分類、活塞桿舊件粗加工、感應預熱熔涂耐磨防腐涂層、后續精加工、質檢入庫步驟。該發明將感應預熱熔涂引入舊件再制造，既克服傳統修復工藝加工次數有限、粗糙度差、效果差的缺陷，又克服了激光熔覆再制造工藝的高成本、低效率、易受熱變形的問題，既達到了再制造活塞桿的高性能高品質，又實現再制造過程的高速高效、高成品率、自動控制、低生產成本，顯著延長了再制造活塞桿的使用壽命，整個再制造過程，無污染，綠色環保。中國發明專利CN103671339還公開了一種耐磨耐腐蝕合金表面覆層的液壓啟閉機油缸活塞桿，活塞桿表面使用激光器作為能量源，合金材料粉末作為加工材料，熔覆形成耐磨耐腐蝕合金熔覆層。熔覆層金屬晶體細致縱向排列的非常致密，使熔覆層堅硬、耐蝕、耐磨，并且可以達到低稀釋率低熱影響的突出效果。熔覆層與基材呈冶金融合，強度非常高。熔覆層可為單層也可多層疊加，熔覆完成后熔覆層厚度為0.2mm至10mm。該發明實現了活塞桿表面耐磨耐腐蝕防護層的柔性化制造，生產周期短，加工效率高。表面材料限制少，適用范圍廣。獲得的耐磨耐腐蝕合金激光熔覆活塞桿表面無氧化影響、無熱應力變形，具有較高的綜合機械性能，與基材結合強度好，抗磨抗腐蝕性能優異。中國發明專利CN102166702還公開了活塞桿的激光熔敷修復方法，這種工藝是這樣實現的：在活塞桿的工作表面用車床車去0.5～2mm本體金屬疲勞層，裝夾好工件后，以線速度為400～700mm/min轉動工件，用丙酮清洗掉表面油污雜質，把工件加熱到40～100℃，以功率3.5KW、帶寬3mm的激光熔敷一層不銹鋼作為抗磨抗蝕表面層，最后對激光熔敷層進行機械加工達到活塞桿的使用尺寸規格。該發明的優點不僅實現了對舊液壓油缸活塞桿的修復，減少備件的報廢率，節省生產成本，而且可使修復的液壓油缸活塞桿具有更長的使用壽命和更平衡的運行性能，避免了活塞桿在工作表面由于缺冷卻潤滑油或異物進入缸內引起活塞桿面拉毛，液壓油泄漏等使用問題。中國發明專利CN102703899還公開了一種煤礦井下用液壓支架中缸、活柱及活塞桿表面處理工藝，包括在工件表面依次進行的激光熔覆工序和鍍鉻工序，在激光熔覆工序和鍍鉻工序之間銜接有前處理工序，該前處理工序的步驟為：超聲波除油、水洗、陰極電化學除油、一次熱水洗、酸浸、水洗、陰極活化、二次熱水洗。該發明的優點在于將激光熔覆工藝和電鍍工藝相結合，既顯著提高了工件表面處理層的耐蝕性，又顯著提高了表面處理層的硬度和耐磨性。由于直接熔覆在工件表面的不銹鋼層將基體與外部的腐蝕介質隔離，起到了很好的防腐效果；在激光熔覆層上鍍鉻，不僅滿足了工件的硬度和耐磨性要求，而且可以通過調整鍍鉻層的種類進一步提高工件的耐蝕性能。中國發明專利CN101994116還公開了一種活塞桿表面強化層復合工藝，其特征在于經過下列步驟：清洗活塞桿工作面的油污、雜質，將１８－８型奧氏體不銹鋼粉氣送至活塞桿工作面，用激光照射，使不銹鋼粉熔覆在活塞桿工作面，并形成厚度為１～３ｍｍ的不銹鋼熔覆底層，再將１Ｃｒ１３型馬氏體不銹鋼粉氣送至底層上，用激光照射，使不銹鋼粉熔覆在活塞桿工作面的底層上，并形成厚度為１～３ｍｍ的不銹鋼熔覆強化層。實現梯度復合強化，使液壓傳動油缸活塞桿具有更長的使用壽命和更平衡的運行性能，避免了活塞桿在工作表面由于缺冷卻潤滑油或異物進入缸內引起活塞桿面拉毛，液壓油泄漏等使用問題。該工藝參數可控性強，加工操作方便，便于工業化大批量生產。中國發明專利CN101338427還公開了液壓支架立柱缸筒、活塞桿耐磨抗蝕涂層的激光熔覆工藝，包括以下工藝過程：首先立柱缸筒、活塞桿表面預處理：室溫下對立柱缸筒、活塞桿表面進行除油、除銹，并用酒精清洗干凈；然后合金粉末的選擇和自動送粉裝置的調節：選用具有優良耐磨抗蝕性能且與基體冶金相容性良好的鐵基合金粉末，鐵基合金粉末的成份中主要含有Ｆｅ、Ｃ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｂ；最后自動送粉裝置的調節：調節自動送粉裝置，使自動送粉頭出來的合金粉末正好落在激光熔池內，調節送粉量，使合金粉末涂層的厚度達到０．６－１．２ｍｍ；該發明合金涂層均勻、致密，具有優良的耐磨抗蝕性能，采用該發明技術制造的立柱缸筒、活塞桿具有較電鍍顯著提高的耐磨抗蝕性能和使用壽命。中國實用新型200420010954.2還公開了一種耐磨活塞桿，它為臺階式圓柱體，其中直徑小的一端為活塞桿體，直徑大的一端為活塞體，在活塞體外表面上設有環形槽，在活塞桿體圓柱形工作表面上設有一層用激光熔敷形成的耐磨結構層，在活塞體上的環形槽的兩側內壁上設有一層用噴焊形成的耐磨結構層。本實用新型采用含有鉻Ｃｒ、鎳Ｎｉ、鐵Ｆｅ、硅Ｓｉ、硼Ｂ、鈷Ｃｏ等合金作為耐磨結構層，能夠提高活塞桿的高頻耐磨性、耐蝕性和高壓氣體的密封性；由于耐磨結構層是采用噴焊和激光熔敷的方法結合在母材上，因此結合力增強，不易脫落，使用壽命長，適用于各種類型的活塞桿，尤其是適用于化肥行業生產設備上的活塞桿，大大縮短維修周期，提高企業經濟效益。近年來增材制造技術發展很快，中國發明專利CN104550955公開了一種用于螺桿激光組合制造的工藝方法，依次包括如下步驟：確定激光組合增材制造材料、對螺桿光桿表面進行清潔表面、螺桿激光組合增材制造和對螺桿初步成型后進行后續銑削加工。該發明具有的有益技術效果如下：利用激光組合增材制造技術對螺桿光桿進行增材制造，通過高能量密度的激光束快速掃描待處理表面，由于極快的加熱和冷卻速度，使晶粒不易長大，從而在激光組合增材制造形成的螺棱表面獲得極細的晶粒，且與基體呈牢固冶金結合的高性能堆焊層。當改變表面層的材料（如把Ni60換成Stellite6與316L組合等）時即可改變表層的性能，在其它場合獲得應用（如大型齒輪）。中國發明專利CN103205747還公開了活塞環的高耐磨激光增材加工方法，涉及活塞環的表面處理
技術領域：
。采用激光增材制造方法，在環狀活塞主體的表面設置原位合成顆粒增強復合涂層。該發明將激光技術應用于活塞環表面處理工藝中，采用快速三維實體快速自由成形新技術，制備的活塞環形狀、組織、性能均可控。此外，原位合成顆粒增強復合涂層具有優異的耐磨性能，穩定性好，且與基材的結合力強，使得新型活塞環具有高耐磨特征，使用壽命大為提高。中國發明專利CN105263654還公開了一種用于內燃機的整體的活塞本體。該活塞本體包括具有一對裙部和一對銷殼的第一部件以及具有冠部的第二部件，該冠部帶有上燃燒表面和至少部分封閉的油道。第一部件和第二部件在接縫處連接至一起，該接縫位于油道的與上燃燒表面相對的一側。第一部件通過鑄造或者鍛造制造，第二部件通過增材制造工藝制造，比如直接金屬激光燒結。盡管增材制造技術在廣泛推廣應用，但在活塞桿表面進行增材制造還較少報道，特別是利用增材制造技術大幅度提高活塞桿表面的耐磨性和耐腐蝕性能，還未見詳細介紹。技術實現要素：為了克服現有的技術的不足，本發明提供了一種活塞桿表面的增材制造方法。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種活塞桿表面的增材制造方法，采用激光熔敷方法，在活塞桿本體上，激光熔敷耐蝕鋼層和耐磨耐蝕合金層，具體制備工藝步驟是：①先在碳鋼或合金鋼活塞桿母材表面激光熔敷一層耐蝕鋼，耐蝕鋼厚度為0.50~0.88mm，耐蝕鋼的化學組成及其質量分數為：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，激光熔敷功率為2.5~3.2KW；②繼續在步驟①的耐蝕鋼上激光熔敷一層耐磨耐蝕合金層，耐磨耐蝕合金層厚度為2.80~3.35mm，耐磨耐蝕合金層的化學組成及其質量分數為：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，激光熔敷功率為1.8~2.2KW，最后精加工至規定尺寸和精度，可以獲得表面耐磨和耐蝕性好的活塞桿。本發明活塞桿表面的增材制造方法，首先在35#、45#、40Cr、42CrMo、Q345等碳鋼或合金鋼活塞桿母材表面激光熔敷一層耐蝕鋼，耐蝕鋼厚度為0.50~0.88mm。激光熔敷一層厚度為0.50~0.88mm。耐蝕鋼的目的之一是為了提高活塞桿的耐蝕性，目的之二是為了改善活塞桿母材與耐磨耐蝕合金層的結合強度。本發明激光熔敷耐蝕鋼的功率為2.5~3.2KW，確保了熔敷效率高，且熔敷層表面質量好，為后續直接熔敷耐磨耐蝕合金層奠定基礎。本發明激光熔敷耐蝕鋼的化學組成及其質量分數為：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，可明顯提高激光熔覆層的耐蝕性。但是Cr是縮小γ相區，擴大α相區的元素，Cr的大量加入不易獲得耐蝕性穩定的奧氏體不銹耐蝕鋼，為此本發明中加入了擴大γ相區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。奧氏體不銹耐蝕鋼盡管耐蝕性好，但強度和硬度低，對在其上面激光熔敷的耐磨耐蝕合金層無法提供強有力的支撐，無法發揮耐磨耐蝕合金層的抗磨效果。因此在本發明耐蝕鋼中還加入了8.06~8.53%Mo、5.06~5.42%Nb和2.28~2.64%Si，可以進一步提高耐蝕鋼的強度和硬度，確保了其上面激光熔敷的耐磨耐蝕合金層具有優異的耐磨性。此外，8.06~8.53%Mo的加入還可以進一步提高耐蝕鋼的耐蝕性。本發明還在上述耐蝕鋼上激光熔敷了一層耐磨耐蝕合金層，主要是確保活塞桿具有優異的耐磨性和耐蝕性。耐磨耐蝕合金層厚度為2.80~3.35mm，本發明激光熔敷耐磨耐蝕合金的功率為1.8~2.2KW，確保了熔敷層組織致密，不會出現裂紋和孔洞等缺陷。本發明耐磨耐蝕合金層的化學組成及其質量分數為：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，可以改善熔敷層的耐蝕性能，加入1.15~1.42%C和2.41~2.73%B，可以與Mo、Cr和Fe等生成硼碳化合物，從而可以提高熔敷層的硬度，并改善耐磨性能。加入5.20~5.44%Ni可以提高熔敷層的強度和塑性。特別是加入8.52~8.80%Ce，可以防止熔敷層出現裂紋。加入0.45~0.55%Ca可以防止熔敷層出現孔洞。加入0.12~0.18%N和1.21~1.65%Ti，可以生成細小的TiN，作為凝固核心，可以細化熔敷層組織，提高熔敷層塑性和強韌性，防止熔敷層出現裂紋。本發明的有益效果是，1）本發明采用激光熔敷增材制造活塞桿，效率高，活塞桿表面加工量小。2）本發明活塞桿表面硬度≥55HRC，活塞桿表面耐鹽霧腐蝕≥2000h。3）本發明活塞桿耐磨性好，使用壽命比普通碳鋼活塞桿提高280~350%，比普通合金鋼活塞桿提高220~260%，推廣應用具有良好的經濟和社會效益。附圖說明下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖1是本發明的活塞桿結構示意圖；圖中1-活塞桿本體，2-耐蝕鋼層，3-耐磨耐蝕合金層。具體實施方式以下結合實施例對本發明做進一步陳述，但本發明并不限于以下實施例。表面增材制造的活塞桿結構示意圖如圖1，也可以是其他改進的結構，此不是本發明的重點。實施例1：活塞桿表面的增材制造方法，其特征采用激光熔敷方法，在活塞桿本體1上，激光熔敷耐蝕鋼層2和耐磨耐蝕合金層3，具體制備工藝步驟是：①先在合金鋼42CrMo活塞桿母材表面激光熔敷一層耐蝕鋼2，耐蝕鋼2厚度為0.52mm，耐蝕鋼2的化學組成及其質量分數為：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，激光熔敷耐蝕鋼的功率為2.5KW；②繼續在步驟①的耐蝕鋼2上激光熔敷一層耐磨耐蝕合金層3，耐磨耐蝕合金層3厚度為3.30mm，耐磨耐蝕合金層3的化學組成及其質量分數為：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，激光熔敷耐磨耐蝕合金的功率為2.2KW，最后精加工至規定尺寸和精度，可以獲得表面耐磨和耐蝕性好的活塞桿，其力學性能和耐蝕性能見表1。實施例2：活塞桿表面的增材制造方法，其特征采用激光熔敷方法，在活塞桿本體1上，激光熔敷耐蝕鋼層2和耐磨耐蝕合金層3，具體制備工藝步驟是：①先在合金鋼40Cr活塞桿母材表面激光熔敷一層耐蝕鋼2，耐蝕鋼2厚度為0.87mm，耐蝕鋼2的化學組成及其質量分數為：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，激光熔敷耐蝕鋼的功率為3.2KW；②繼續在步驟①的耐蝕鋼2上激光熔敷一層耐磨耐蝕合金層3，耐磨耐蝕合金層3厚度為2.83mm，耐磨耐蝕合金層3的化學組成及其質量分數為：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，激光熔敷耐磨耐蝕合金的功率為1.8KW，最后精加工至規定尺寸和精度，可以獲得表面耐磨和耐蝕性好的活塞桿，其力學性能和耐蝕性能見表1。實施例3：活塞桿表面的增材制造方法，其特征采用激光熔敷方法，在活塞桿本體1上，激光熔敷耐蝕鋼層2和耐磨耐蝕合金層3，具體制備工藝步驟是：①先在碳鋼Q345活塞桿母材表面激光熔敷一層耐蝕鋼2，耐蝕鋼2厚度為0.71mm，耐蝕鋼2的化學組成及其質量分數為：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，激光熔敷耐蝕鋼的功率為2.8KW；②繼續在步驟①的耐蝕鋼2上激光熔敷一層耐磨耐蝕合金層3，耐磨耐蝕合金層3厚度為2.99mm，耐磨耐蝕合金層3的化學組成及其質量分數為：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，激光熔敷耐磨耐蝕合金的功率為2.0KW，最后精加工至規定尺寸和精度，可以獲得表面耐磨和耐蝕性好的活塞桿，其力學性能和耐蝕性能見表1。表1活塞桿表面硬度和耐蝕性能性能表面硬度/HRC表面硬度差/HRC耐鹽霧腐蝕/h實施例157.30.82182實施例256.81.12235實施例357.00.72178本發明采用激光熔敷增材制造活塞桿，效率高，活塞桿表面加工量小。本發明活塞桿表面硬度高，硬度差小，硬度均勻性，且具有良好的耐鹽霧腐蝕性。本發明活塞桿耐磨、耐蝕性好，使用壽命比普通碳鋼活塞桿提高280~350%，比普通合金鋼活塞桿提高220~260%，推廣應用本發明成果具有良好的經濟和社會效益。當前第1頁1 2 3