液壓缸活塞桿表面耐腐性研究及應(yīng)用

周 黎，李 敏，文 明，高亞東，鄧季賢

（北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076）

0 引 言

液壓缸作為液壓系統(tǒng)的關(guān)鍵執(zhí)行機構(gòu)，應(yīng)用在特種車調(diào)平起豎、調(diào)高轉(zhuǎn)向等多項動作中，其性能的好壞直接影響流程動作。作為液壓缸的關(guān)鍵零件——活塞桿，承載強度高且為運動零件，表面不能采用涂漆等防護方式。當前，在海南沿海、島礁等高溫、高濕、高鹽霧惡劣環(huán)境中應(yīng)用的液壓缸傳統(tǒng)鍍Cr的活塞桿極易受到腐蝕：一旦出現(xiàn)銹蝕、損傷等缺陷，液壓系統(tǒng)會引起泄漏、卡滯、多余物污染等異常。本文采取調(diào)研試制、理論分析、試驗驗證等方式，對4種熱噴涂涂層活塞桿[1]的微觀形貌、金相成分等方面進行分析研究，并開展自然環(huán)境考核對比試驗，為惡劣環(huán)境中液壓缸活塞桿的耐腐性設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 腐蝕機理

液壓缸活塞桿為兼顧承載強度和表面防護，一般采用電鍍Cr處理，Cr層具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，針對一般使用環(huán)境具有較好的防腐能力，且具有較低的摩擦系數(shù)和較高的耐磨性，工藝相對簡單、成熟，目前應(yīng)用最為廣泛。

從電鍍工藝中了解到，Cr層都有其固有的缺陷[2]，那就是不可避免會出現(xiàn)鍍層針孔以及裂隙（析氫過程造成），如圖1所示。

圖1 Cr層剖面缺陷 Fig.1 Profile Defects of Chromium Layer

由于活塞桿表面存在這些缺陷，這些部位只受到很淺的Cr層保護，當活塞桿處于伸出狀態(tài)時，外界腐蝕介質(zhì)通過這些缺陷與基體接觸，進入電化學(xué)腐蝕進程。外界環(huán)境惡劣引起腐蝕加劇，鍍層發(fā)生應(yīng)力性破裂和脫落、鼓泡，形成開放性腐蝕，即腐蝕坑。某型號車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓缸在海南沿海高溫暴曬地區(qū)使用1年半后，出現(xiàn)了比較嚴重的Cr層脫落、表面起泡等現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 活塞桿開放性腐蝕 Fig.2 Open Corrosion of Piston Rod

2 新型涂覆涂層分析

為提高活塞桿涂層的耐蝕性，以適應(yīng)沿海及島礁等惡劣環(huán)境的要求，結(jié)合技術(shù)資料查詢[3]及市場廣泛調(diào)研，選用 4種新型熱噴涂涂層（高速火焰噴射 Ni/Cr結(jié)合層+等離子噴涂Cr2O3/TiO2陶瓷面層，高速火焰噴射Cr2C3+NiCr，高速火焰噴射NiCrMoW，表面激光融覆 Ultimet），并制作活塞桿樣棒試件，進行對比分析試驗，如表1所示。

表1 活塞桿樣棒表層處理方式 Tab.1 Surface Treatment of Piston Rod

2.1 微觀形貌分析研究

在每種活塞桿樣棒上取 1塊試片制備成金相試樣后對涂鍍層剖面進行形貌觀察和厚度測量。4種熱噴涂涂層的微觀形貌如圖3～6所示，可以看出以下特點：

a）活塞桿1：分為2層，外層表面非常粗糙，不光滑，內(nèi)部孔隙較多，但沒有形成貫通性的裂紋，平均厚度155 μm；內(nèi)部結(jié)合打底層相對致密，但也存在一些孔隙，平均厚度100μm。

b）活塞桿2：單層，較厚，平均厚度321 μm。外表面粗糙，內(nèi)部致密性一般，較活塞桿1的外層稍好，較活塞桿1的內(nèi)層稍差，同樣存在一些孔隙。

c）活塞桿3：單層，較厚，平均厚度338 μm，比活塞桿2稍厚。外表面光滑平整，內(nèi)部最為致密。

d）活塞桿4：分為兩層，內(nèi)層平均厚度975 μm，外層平均140 μm，總厚度超1 mm。外層表面比3#粗糙，個別孔隙較大，但沒有形成貫通性的裂紋；內(nèi)部打底層非常厚，致密性一般。

圖3 活塞桿1剖面微觀形貌 Fig.3 Micro Morphology of Piston1 Rod Section

圖4 活塞桿2剖面微觀形貌 Fig.4 Micro Morphology of Piston2 Rod Section

圖5 活塞桿3剖面微觀形貌 Fig.5 Micro Morphology of Piston3 Rod Section

圖6 活塞桿4剖面微觀形貌 Fig.6 Micro Morphology of Piston4 Rod Section

2.2 金相檢測分析研究

對4種涂層進行能譜分析，所含元素重量和原子百分比如表2～7所示，表中K，L，M分別代表靠近原子核的第1層、第2層和第3層。

表2 活塞桿1涂層成分（外層）Tab.2 Coating Composition of 1# (Outer Layer)

表3 活塞桿1涂層成分（內(nèi)層）Tab.3 Coating Composition of 1# (Inner Layer)

表4 活塞桿2涂層成分（單層）Tab.4 Coating Composition of 2# (Single Layer)

表5 活塞桿3涂層成分（單層）Tab.5 Coating Composition of 3# (Single Layer)

表6 活塞桿4涂層成分（外層）Tab.6 Coating Composition of 4# (Outer Layer)

表7 活塞桿4涂層成分（內(nèi)層）Tab.7 Coating Composition of 4# (Inner Layer)

從各涂層的成分表，可以看出以下特點[4]：

a）活塞桿1：外涂層中加入一定數(shù)量的TiO2，改善了涂層的孔隙率，使其具有良好的致密度、粘結(jié)強度和耐磨性。打底層為 Ni-Cr合金，增強與基體的結(jié)合力。

b）活塞桿2：主要成分為Ni-Cr合金，用于強氧化性介質(zhì)。其中 Cr含量為 56.91%，Cr的加入使 Ni的耐氧化性酸、鹽以及抗高溫氧化、硫化、釩腐蝕的能力增加。常用的 Ni-Cr耐蝕合金不但能夠抗高溫氧化，還能在水溶液中使用。

c）活塞桿3：本涂層中含18.67%的Mo，即為Ni-Mo耐蝕哈氏合金，加入Mo的主要作用是改善Ni基（固溶體）的抗蝕性、強度以及高溫加工性。研究表明：Ni中加入大于15%Mo可使合金具有很高的耐氧化性酸的能力。Ni中同時加入Cr、Mo的Ni-Cr-Mo合金仍具有單相奧氏體結(jié)構(gòu)，顯示出優(yōu)異的耐蝕性能。它們不僅在氧化性介質(zhì)，而且在還原性介質(zhì)中均具有很好的抗腐蝕能力，特別是在有F-，Cl-等離子的氧化性酸中、在濕氯和含氯氣的水溶液中均具有其它耐蝕合金難以相比的耐蝕性。涂層中再加入W，以進一步提高耐蝕性和力學(xué)性能。

d）4#：外層 WC-CoCr，主要是提高涂層的耐磨性，同時具有優(yōu)異的耐蝕性。內(nèi)層為激光融覆層，成分非常復(fù)雜，為Co基自熔性合金粉末。研究表明[5]：在激光熔覆過程中Si等元素具有造渣功能，它們優(yōu)先與合金粉末中的氧以及工件表面氧化物一起熔融生成低熔點的硼硅酸鹽等覆蓋在熔池表面，防止液體金屬過度氧化，從而改善熔體對基體金屬的潤濕能力，減少熔覆層中的雜質(zhì)和含氧量。Mo是Co基合金粉末中常用的成分之一，一般含量較低（本試件為4.64%），Mo具有較強的碳化物形成能力，在金屬材料中具有細化晶粒，增加韌性的作用。

3 新型涂覆涂層試驗驗證

將4種涂層的活塞桿樣棒（每種6根，分為2組），在海南三亞試驗站開展1年的濕熱海洋自然環(huán)境——大氣暴曬區(qū)（離海邊約100 m）+海水飛濺區(qū)試驗，試驗現(xiàn)場如圖7所示。

圖7 試驗現(xiàn)場 Fig.7 Test Site

3.1 大氣暴曬區(qū)

4種涂層試件在三亞試驗站大氣曝曬區(qū)進行 1年試驗后，外觀狀態(tài)如圖8～11所示。

圖8 在暴曬區(qū)1年后的活塞棒1樣棒 Fig.8 1# Sample after 1 Year in the Sun Exposure Area

圖9 在暴曬區(qū)1年后的活塞棒2樣棒 Fig.9 2# Sample after 1 Year in the Sun Exposure Area

圖10 在暴曬區(qū)1年后的活塞棒3樣棒 Fig.10 3# Sample after 1 Year in the Sun Exposure Area

圖11 在暴曬區(qū)1年后的活塞棒4樣棒 Fig.11 4# Sample after 1 Year in the Sun Exposure Area

參照GB/T 6461-2002《金屬基體上金屬和其他無機覆蓋層經(jīng)腐蝕試驗后的試樣和試件的評級》標準對試件進行評價，評價效果由保護評級數(shù)Rp/外觀評級數(shù)RA組成，外觀評級RA除了用表8中所列等級考核外，還需對破壞程度以及破壞類型進行分類，具體見標準。

表8 保護評級（Rp）與外觀評級（RA）Tab.8 Protection Rating(Rp)and Appearance Rating (RA)

可以看出，4種涂層均未出現(xiàn)任何銹蝕（不考慮浮銹及試樣兩端），表層色澤度良好，防腐性能均評為10/10級，即保護效果和外觀狀態(tài)都滿足使用要求。

3.2 海水飛濺區(qū)

4種涂層試件在三亞試驗站海水飛濺區(qū)進行12個月試驗后，外觀狀態(tài)如圖12～15所示。

圖12 在飛濺區(qū)1年后的活塞棒1樣棒 Fig.12 1# Sample after 1 Year in the Sun Seawater Splash Area

圖13 在飛濺區(qū)1年后的活塞棒2樣棒 Fig.13 2# Sample after 1 Year in the Sun Seawater Splash Area

圖14 在飛濺區(qū)1年后的活塞棒3樣棒 Fig.14 3# Sample after 1 Year in the Sun Seawater Splash Area

圖15 在飛濺區(qū)1年后的活塞棒4樣棒 Fig.15 4# Sample after 1 Year in the Sun Seawater Splash Area

海水飛濺區(qū)相比大氣暴曬區(qū)，環(huán)境惡劣程度升級，同樣參照GB/T 6461-2002標準對試件進行性能評價；并且綜合涂層的致密性、材料成分等因素，分析試驗結(jié)果如下：

a）活塞棒1涂層的外表面出現(xiàn)銹坑，基體出現(xiàn)損傷，評價為 5/6mE。其打底層為鎳鉻合金，相對致密但厚度較薄，在海水飛濺區(qū)容易被點蝕?；钊麠U一旦出現(xiàn)銹坑，損傷密封的隱患非常大；故在海水飛濺區(qū)，活塞棒1涂層同樣不適用。

b）活塞棒2涂層的圓柱體表面已被銹跡覆蓋，銹蝕非常嚴重，評價為1/1xF。這與涂層的致密性程度一般存在關(guān)聯(lián)，也表明 Ni-Cr合金雖然具有抗高溫氧化性，但不適合在飛濺區(qū)等與海水直接接觸的Cl-環(huán)境中使用。

c）活塞棒3涂層未出現(xiàn)銹蝕，只是表面色澤度稍有變差，評價為10/9vsB。作為哈氏合金涂層，致密程度最好，表明在高Cl-含量的海水中具有非常強的耐蝕性。故在海水飛濺區(qū)，只有活塞棒3涂層滿足使用要求。

d）活塞棒4涂層出現(xiàn)多處深色銹斑，色澤變暗，評價為6/5mA。活塞棒4涂層的厚度較深，同時成分中有少量鉬，起到了細化晶粒，增加韌性的作用。故在海水飛濺區(qū)中沒有出現(xiàn)明顯的銹坑，整體防腐效果優(yōu)于活塞棒1和活塞棒2，但仍達不到使用要求。

4 結(jié)束語

本文對活塞桿傳統(tǒng)鍍 Cr層的腐蝕機理進行了分析，發(fā)現(xiàn)鍍層固有的缺陷是引起腐蝕的主因。為此，試制了4種熱噴涂涂層活塞桿，從微觀形貌、金相成分等方面進行了理論分析，并開展自然環(huán)境考核對比試驗，得出 4種涂層在海洋大氣暴曬區(qū)和海水飛濺區(qū)中的防腐性能，為惡劣環(huán)境中液壓缸活塞桿的耐腐性設(shè)計和選用提供指導(dǎo)。