液壓支架油缸內(nèi)孔激光熔覆用銅基合金粉末性能優(yōu)化

許金寶

山東能源集團(tuán)裝備制造（集團(tuán)）有限公司 山東泰安 271200

1 序言

油缸內(nèi)孔堆焊銅獲得了較為廣泛的認(rèn)可，其成形表面美觀且易于加工，由此帶動(dòng)了激光熔覆銅基合金粉末的發(fā)展[1]，尤其是高速激光熔覆的問(wèn)世衍生并促進(jìn)了油缸內(nèi)孔的激光熔覆應(yīng)用。但銅材本身導(dǎo)熱性好且對(duì)激光的反射極高，對(duì)工藝和設(shè)備均提出了嚴(yán)格要求。諸多研究者依托激光增材進(jìn)行了銅合金的工藝驗(yàn)證[2]，然而在重型裝備方面，銅基激光增材因附加值問(wèn)題而少有研究，目前液壓支架油缸內(nèi)孔激光熔覆用銅材與內(nèi)孔堆焊用焊絲具備一定的成分相關(guān)性，銅基合金粉末可見(jiàn)鋁青銅、鎳鋁青銅、錫青銅等，但銅基材料的耐腐蝕性能參差不齊，且由于銅材質(zhì)軟導(dǎo)致防護(hù)層的耐磨性能較低。隨著技術(shù)的推廣應(yīng)用，優(yōu)化特定元素含量獲得了較好效果[3，4]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試在銅粉中添加一些其他粉末或?qū)~粉表面進(jìn)行氧化對(duì)其進(jìn)行改性，降低其對(duì)激光的反射率及導(dǎo)熱性[5，6]。一些非標(biāo)材料因具備更符合預(yù)期的硬度及耐蝕性而獲得應(yīng)用。

基于現(xiàn)有激光熔覆用銅材合金粉末及堆焊用焊絲，對(duì)銅基粉進(jìn)行成分優(yōu)化及工藝驗(yàn)證，設(shè)計(jì)油缸內(nèi)孔高速激光熔覆用銅基合金粉末的相關(guān)屬性，主要包括成形硬度及耐腐蝕性能篩選。通過(guò)內(nèi)孔激光熔覆工藝驗(yàn)證，并配合開(kāi)展力學(xué)性能試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)一種內(nèi)孔熔覆用銅基合金粉末，其自潤(rùn)滑性好，成形硬度便于內(nèi)孔熔覆層的鏜削加工，提高液壓支架油缸內(nèi)孔激光熔覆銅基合金粉末性能及鏜削加工效率。

2 試驗(yàn)材料及方法

液壓支架油缸母材為27SiMn鋼，合金粉末為銅基優(yōu)化粉末，采用高速熔覆用4kW光纖激光內(nèi)孔加工系統(tǒng)，工藝參數(shù)3.5～4kW，光斑φ3mm，搭接率50%～70%。

采用蔡司EVO10掃描電鏡進(jìn)行合金粉末形貌檢測(cè)，HYL-102型霍爾流速計(jì)進(jìn)行合金粉末松裝密度及流動(dòng)性檢測(cè)。切割取10mm×10mm×10mm試樣制成金相試樣后使用金相處理分析軟件IPP進(jìn)行晶粒度檢測(cè)。為便于開(kāi)展鹽霧試驗(yàn)，試驗(yàn)用基材為液壓支架油缸用母材27SiMn鋼弧面替代內(nèi)孔凹面，制取φ100mm×100mm的待測(cè)區(qū)域進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度（35±2）℃，鹽霧沉降率2mL/80cm2·h，試驗(yàn)周期視表面腐蝕進(jìn)程定，分別取48h、72h、96h。

3 結(jié)果及討論

3.1 銅基合金粉末設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)用內(nèi)孔堆焊實(shí)芯焊絲鋁青銅C u A l8、C u A l7系列成分優(yōu)化設(shè)計(jì)了激光熔覆用銅基合金粉末，其化學(xué)成分分別為：wC=0.005%～0.01%，wCr=0.05%～0.09%，wMo=0.01%～0.08%,wSi=0.03%～0.09%，wFe=0.20%～0.30%，wAl=6%～10%，余量為銅。粒度為300～500目（25～48μm）。

（1）Al、Fe含量?jī)?yōu)選 鋁為銅基合金粉末的主要組分，可細(xì)化晶粒，提高沖擊韌度，具有抗氧化性、抗腐蝕性，并且鋁與鉻結(jié)合可顯著提高鋼的高溫不起皮性能和高溫耐腐蝕性能[4]。鋁在激光作用下能夠形成放熱反應(yīng)，促進(jìn)熔池保持較高溫度，而且還有一定的防腐效果[7]。鐵作為主要微量組分，一方面具有細(xì)化合金晶粒、減小“自回火脆性”、提高力學(xué)性能的作用；另一方面，少量鐵的加入有助于促進(jìn)晶粒組織的有序及微量晶界強(qiáng)化[8]。優(yōu)選Fe、Al含量的設(shè)定見(jiàn)表1。

表1 優(yōu)選Fe、Al含量的設(shè)定（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

采用4kW同種內(nèi)孔激光熔覆工藝熔覆成形后，結(jié)合金相處理分析軟件IPP分別對(duì)熔覆有A-I組銅基合金粉末的工件進(jìn)行平均晶粒尺寸測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，激光熔覆內(nèi)孔銅基合金粉末對(duì)應(yīng)表1中E組的平均晶粒尺寸明顯小于其他組。在多晶體中，晶粒越細(xì)小，晶界就越多，在受力變形時(shí)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受到晶界的阻礙，從而使晶界內(nèi)的滑移越難進(jìn)行，屈服強(qiáng)度會(huì)增大，從而起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用。細(xì)晶強(qiáng)化的顯著特點(diǎn)是在提高材料強(qiáng)度、硬度的同時(shí)，還能提高其塑性和韌性，因此，優(yōu)選配比為0.24%Fe、8.5%Al。

表2 優(yōu)選Fe、Al含量設(shè)定的晶粒度 （μm）

（2）成形性能檢測(cè) 成形表面加工至表面粗糙度0.4μm以下。激光熔覆銅合金涂層最終保留有效熔覆層厚度為0.5m m，由于激光熔覆的涂層厚度（1mm）較堆焊涂層厚度（3～5mm）大幅度降低，因此加工效率較內(nèi)孔堆焊熔銅件可提升1.3倍。采用便攜式里氏硬度計(jì)在試樣表面沿軸向均勻取點(diǎn)，檢測(cè)成形表面硬度，見(jiàn)表3。

表3 硬度檢測(cè) （HBW）

96h標(biāo)準(zhǔn)中性鹽霧試驗(yàn)的熔覆層表面效果如圖1所示。銅合金粉末成形表面經(jīng)24h鹽霧試驗(yàn)出現(xiàn)變色，主要是銅的氧化物，為鈍化層，隨著試驗(yàn)進(jìn)程銹蝕表面泛綠色，主要為銅綠，無(wú)明顯Fe的褐色氧化物，說(shuō)明耐腐蝕性能較好。

3.2 合金粉末性能優(yōu)化

為進(jìn)一步優(yōu)化成形性能，對(duì)比分析優(yōu)化耐腐蝕元素含量，進(jìn)一步提升銅基合金粉末成形耐腐蝕性能。①鋅（Zn）：鋅在合金中固溶性大，具有固溶強(qiáng)化作用。②鎳（Ni）：提高合金的強(qiáng)度、韌性、抗脫鋅性和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性。分別進(jìn)行添加Ni、Zn的合金粉末設(shè)計(jì)，并優(yōu)化各元素含量進(jìn)行耐腐蝕性能驗(yàn)證。

（1）添加Zn的合金粉末 添加Zn元素，其wZn分別控制在0.1%、0.2%、0.3%，見(jiàn)表4。分別測(cè)試合金粉末的流動(dòng)性、松裝密度及表面形貌，并結(jié)合熔覆工藝驗(yàn)證其成形后的表面硬度、耐腐蝕性能。合金粉末微觀形貌如圖2所示。

圖2 加Zn銅合金粉末批次形貌（100×）

表4 合金粉末的化學(xué)成分

合金粉末流動(dòng)性、松裝密度檢測(cè)均符合立柱用激光熔覆合金粉末流動(dòng)性及松裝密度檢驗(yàn)規(guī)范。粉末形貌檢測(cè)發(fā)現(xiàn)三批次粉末都存在異形粉末顆粒：1號(hào)和3號(hào)粉末顆粒表面較為粗糙，且1號(hào)粉末的粒度區(qū)間極其不均勻，細(xì)粉、粗粉粒徑出現(xiàn)兩極分化。2號(hào)相對(duì)光滑，2號(hào)和3號(hào)粉末衛(wèi)星球數(shù)量較少，3號(hào)粉末的粒徑均勻性較高。

硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5，由表5可看出，所有試樣硬度均保持在150～180HBW之間，1號(hào)較高，與前兩批次Zn元素優(yōu)化前的硬度值相比較偏低。對(duì)三批次粉末熔覆的5件試驗(yàn)件進(jìn)行96h的標(biāo)準(zhǔn)中性鹽霧試驗(yàn)，試驗(yàn)效果如圖3所示。以3號(hào)表面狀態(tài)最佳，但是所有試樣銹蝕產(chǎn)物顯著，且Fe的銹蝕物多，呈流淌狀，均不符合使用要求。但wZn=0.1%時(shí)的表面效果較佳。

圖3 96h標(biāo)準(zhǔn)中性鹽霧試驗(yàn)后的表面效果

表5 熔覆工藝及表面硬度 （HBW）

（2）添加Ni的合金粉末 固定wZn=0.1%，同時(shí)添加Ni元素，分別測(cè)試合金粉末的流動(dòng)性、松裝密度，結(jié)果見(jiàn)表6。表面形貌如圖4所示。合金粉末流動(dòng)性、松裝密度測(cè)試結(jié)果符合立柱用激光熔覆合金粉末流動(dòng)性及松裝密度檢測(cè)規(guī)范，粒徑均勻性尚可，但顆粒表面小顆粒吸附及異形粉末偏多，這進(jìn)一步降低了合金粉末的流動(dòng)性及松裝密度。

圖4 合金粉末形貌（100×）

表6 合金粉末的化學(xué)成分

結(jié)合熔覆工藝驗(yàn)證其成形后的表面硬度、耐腐蝕性能。本次激光熔覆試樣3件，功率為4kW，線速度100mm/s，步距0.6mm，成品厚度為0.50mm，表面硬度檢測(cè)見(jiàn)表7。從表7可看出，試驗(yàn)件硬度在170～180HBW。對(duì)應(yīng)表7的3個(gè)試樣進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，96h試驗(yàn)效果如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，呈現(xiàn)流淌狀的銹蝕表面為綠色，多為銅的氧化物，局部可見(jiàn)褐色Fe的氧化物，試樣的耐腐蝕性能得到一定提升。

圖5 96h的酸性鹽霧試驗(yàn)表面效果

表7 熔覆層表面硬度 （HBW）

（3）增加Ni的合金粉末 添加Ni元素合金粉末的化學(xué)成分見(jiàn)表8，分別測(cè)試合金粉末的流動(dòng)性、松裝密度及表面形貌，檢測(cè)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)值。結(jié)合掃描電鏡對(duì)合金粉末宏觀形貌進(jìn)行檢測(cè)，如圖6所示，合金粉末顆粒大小均勻性及顆粒外表的衛(wèi)星球吸附量均減少，球形度也較佳，極大地提升了合金粉末的流動(dòng)性及松裝密度。

圖6 合金粉末形貌（100×）

表8 合金粉末的成分

熔覆工藝驗(yàn)證其成形后的表面硬度、耐腐蝕性能。硬度檢測(cè)2種合金粉末熔覆試件的表面硬度值，結(jié)果見(jiàn)表9，其硬度值在160～190HBW。96h鹽霧試驗(yàn)效果如圖7所示。從圖7可看出，經(jīng)96h的鹽霧試驗(yàn)表面有局部銹蝕，顏色為銅銹的紅褐色，無(wú)流淌，大部分熔覆面積保持原有顏色，耐腐蝕性能獲得改觀，但色澤差異性不利于產(chǎn)品的外觀。綜上所述，通過(guò)添加一定量的Ni可以較為顯著地提升成形件的耐腐蝕性能。

圖7 96h的酸性鹽霧試驗(yàn)表面效果

表9 增加Ni含量合金粉末熔覆層表面硬度 （HBW）

通過(guò)內(nèi)孔激光熔覆銅基合金粉末的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)液壓支架油缸內(nèi)孔堆焊熔銅的激光熔覆替代，熔覆層厚度從3～4mm降低至1～2mm，銅材耗費(fèi)量降低接近1倍，每熔覆1m2內(nèi)孔耗費(fèi)銅焊絲20kg，熔覆粉末用量12kg。按照銅焊絲90元/kg計(jì)算，每加工1件1.2m2的油缸內(nèi)孔即可節(jié)省原材料費(fèi)用90×（20-12）（元）=720（元）。激光熔覆內(nèi)孔年可加工5000m2，其中30%為激光熔銅件，則節(jié)?。?20×5000×0.3（元）=1080000（元），經(jīng)濟(jì)效益可觀。但不容忽視的是，高速激光熔覆內(nèi)孔技術(shù)的穩(wěn)定性較傳統(tǒng)堆焊還存在一定差距，內(nèi)孔高速激光熔覆對(duì)設(shè)備的要求較苛刻，激光熔覆效率和工藝穩(wěn)定性也需要進(jìn)一步提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）開(kāi)發(fā)油缸內(nèi)孔激光熔覆用銅基合金粉末化學(xué)成分為：wC=0.005%～0.01%，wCr=0.05%～0.09%，wMo=0.01%～0.08%,wSi=0.03%～0.09%，wFe=0.20%～0.30%，wAl=6%～10%，余量為銅。通過(guò)晶粒度優(yōu)選wFe=0.24%、wAl=8.5%，激光熔覆內(nèi)孔銅基合金粉末自潤(rùn)滑性好，成形易加工，加工效率提升至內(nèi)孔堆焊熔銅件的1.3倍，且表面銹蝕產(chǎn)物為均勻的銅氧化物。

2）添加一定含量的Zn、Ni，硬度值未獲得提升，但獲得一定的耐腐蝕性能提升，尤其N(xiāo)i含量的增大顯著增強(qiáng)了涂層的耐腐蝕性能。