镀铬活塞杆表层裂纹分析与解决

镀铬活塞杆表层裂纹分析与解决
高继文1，刘洲2，
（1.国营芜湖机械厂，安徽芜湖241007；2.北京航空材料研究院，北京100095）
摘要：本文分析了伺服作动器活塞杆表层裂纹形成的机理，确定了活塞杆表层裂纹的性质和产生原因，以及裂纹的深度范围。

采用具有压应力的爆炸喷涂WC/Co工艺代替电镀硬铬工艺解决活塞杆因深度裂纹而报废的问题，制定了可行的维修方案和技术路线，并确定了维修工序和参数。

结果表明，修复的活塞杆满足图样尺寸及技术要求，经综合性能比较及磨合实验验证，WC/Co涂层优于电镀硬铬层。

关键词：表层裂纹；爆炸喷涂；碳化钨/钴
中图分类号：TQ153文献标识码：A
Analysis and Solution of Surface Crack of Chromium Plating
Piston Rod
GAO Jiwen1，LIU Zhou2
（1.State-Owned Wuhu Machinery Factory，Wuhu241007，China；2.Beijing Institute of Aeronauti⁃
cal Materials，Beijing100095，China）
Abstract：In this paper，the formation mechanism of surface layer crack on piston rod of servo actuator was analyzed，the properties and causes of the surface layer cracks and the deepness scope of the crack were determined.The technology of detonation spray WC/Co were used to replace the hard chromium plating process in order to solve the problem of piston rod scrapped caused by deep cracks，the feasible maintenance plans and technical routes were worked out，and the maintenance procedure and parame⁃ters were determined.The results show that the piston rod repaired satisfies the drawing size and techni⁃cal requirements，and the properties of WC/Co coating is better than the hard chromium plating，accord⁃ing to the comprehensive performance comparison and running-in test.
Keywords：surface layer crack；detonation spraying；WC/Co
某型飞机进修理厂大修，其伺服作动器活塞杆磁粉探伤时发现表面存在微裂纹［1］。

伺服作动器的功用是驱动飞机舵面偏转控制飞机正常巡航和机动飞行，其活塞杆工作压力为21MPa，当左右腔压差为17MPa时，活塞杆推出力应不小于25kN。

活塞杆表面裂纹的存在将会严重威胁飞机飞行安全。

因此对这种裂纹形成的机理进行分析研究［2-3］，提出相应解决对策及修复活塞杆，是非常必要的。

为查找伺服作动器活塞杆表层裂纹产生原因，对活塞杆进行磁粉检测、断口观察、金相观察、能谱分析、硬度检测等，确定活塞杆表层裂纹的性质、原因以及裂纹深度范围。

doi：10.3969/j.issn.1001⁃3849.2019.05.009收稿日期：2019-02-11修回日期：2019-03-05
活塞杆维修过程中，裂纹深度决定了消除裂纹的磨削厚度和表面处理方式，一般情况下，裂纹深度在0.01~0.02mm 时，通过尺寸镀铬恢复；裂纹深度在0.02~0.04mm 时，可加大镀铬解决；裂纹深度在0.05~0.08mm 时，可通过二次镀铬处理，但二次镀铬结合强度较弱、孔隙率高，对于活动密封和强度结构件一般不采用；镀铬厚度超过0.08mm 时，将无法采用加大或二次镀铬的方式修复［4］。

为解决活塞杆深度裂纹，本文提出采用具有压应力的爆炸喷涂WC/Co ［5-7］工艺代替电镀硬铬工艺，磨削加工消除活塞杆表层裂纹后爆炸喷涂碳化钨/钴涂层，再磨削精加工至图样尺寸。

1
表层裂纹分析
1.1
磁粉检测
图样规定活塞杆材料为12CrNi3A 渗碳钢，毛
坯锻制，活塞杆表面渗碳层深度0.4~0.8mm ，渗碳表面硬度HRC 58~64，外表面镀硬铬0.010~0.015mm ，粗糙度不劣于Ra 0.10，活塞杆外观如图1所示。

对进厂大修的三件活塞杆进行磁粉探伤检测，发现活塞杆前端区域均存在多条周向裂纹，对裂纹进一步观察，发现裂纹短小、曲折，裂纹长度小于1.5mm 。

裂纹形貌与分布情况见图2。

1.2
断口宏微观观察
将活塞杆破坏打开裂纹，观察原始裂纹，结果如3所示。

可以发现，裂纹深度约为0.1mm ，且原
始裂纹区颜色发暗，见图3（a ）。

根据裂纹断面形貌，可将裂纹分为两类：第一类裂纹表面区呈金黄色，次表面区呈银灰色，裂纹总深度可达0.160mm ，见图3（b ）；第二类裂纹面呈现银灰色，裂纹深度略浅，深度小于0.100mm ，见图3（c ）。

另外，原始裂纹断面相对平坦，未见明显塑性变形。

人工打开的断口区域则呈银色。

将断口在丙酮溶液中超声清洗，
然后使用扫描
图1活塞杆外观
维修件 2
维修件1
维修件3
图2
裂纹形貌与分布情况
（a ）
原始裂纹
（b ）第一类裂纹（c ）第二类裂纹
图3活塞杆打开后的断口宏观形貌
电子显微镜观察断口的微观形貌，第一类裂纹的断面形貌如图4所示，第二类裂纹的断面形貌如图5所示，人工打断区的断面形貌如图6所示。

可以看出，第一类裂纹的断面表面区和次表面区均呈现沿晶格和局部准解理混合的断裂特征，在冰糖状晶面上可见细小的撕裂棱。

第二类裂纹断面微观形貌与第一类裂纹基本一致，也呈现沿晶格和局部准解理混合断裂特征。

而人工打断区同裂纹断面明显不同，呈现出均匀细小的韧窝特征。

1.3金相观察
在活塞杆垂直裂纹方向切取试样，磨制抛光后
进行金相观察，结果如图7所示。

结果表明，活塞杆基体及裂纹附近未见异常夹杂和其它冶金缺陷。

开裂处附近组织与未开裂处组织一致。

截面裂纹形貌相似，裂纹曲折，产生于轴的基体表面和次表面，深度范围为20~110µm 。

1.4能谱分析
使用能谱仪对裂纹区和人工打断区进行能谱
检测分析。

第一类裂纹区的金黄色氧化区域元素组成如表1所示，可以看出该区域含较多的氧元素，其原子比可达19%以上，这说明该活塞杆服役时间较长，随着空气中O 、Si 等元素在裂纹中缓慢渗入、氧化，形成Fe 、Si 等元素的氧化物，致使裂纹的表面呈现金黄色。

相比之下，第二类裂纹区及人工
打断区的能谱结果表明这些区域均未见明显的氧元素，两区域的能谱测试结果分别列于表2和表3。

1.5
硬度检测
采用与金相检查试样相同位置的样品，经磨制抛光后进行维氏硬度测试，结果如表4。

由结果可知，样品近表面硬度呈现先上升后下降的趋势，距表面0.01mm 处的硬度仅为HV627.2，换算成洛氏硬度为HRC56.6；距表面约0.10mm 处的硬度达到最大值HV657.9（HRC58.1），符合渗碳层表面硬度技术要求；活塞杆的渗碳层深度约为0.41mm ，处于技术要求下限0.4~0.8mm。

（a
）裂纹断面形貌（c
）沿晶面上的撕裂棱
（b ）沿晶和局部准解理形貌
图4
第一类裂纹断面微观形貌
（a
）沿晶和局部准解理形貌
（b ）沿晶面上的撕裂棱
图5
第二类裂纹断面微观形貌
图6
人工打断区微观形貌
（a ）试样1
表层裂纹深度（c ）试样3
表层裂纹深度
（b ）试样2表层裂纹深度
图7
截面金相形貌及裂纹深度
1.6表层裂纹分析与讨论
根据活塞杆表层裂纹的表征分析结果，可以得出以下规律：1）活塞杆表层裂纹较浅，均小于0.2
mm，大多呈接近周向平行裂纹；2）活塞杆表层裂纹断面呈金黄氧化色，表面含有较多氧元素，分析认为，作动活塞开裂后又经历了高温环境，裂纹产生于最后一道去应力回火之前，裂纹产生可能与活塞杆内部残余拉应力过大有关；3）裂纹断口宏观未见明显塑性变形，微观呈现沿晶晶格和局部准解理混合断裂特征；4）从局部可见小撕裂棱和韧窝形貌特征，表层裂纹均为沿晶和穿晶开裂；5）活塞杆表面均为渗碳、镀铬的处理，而电镀硬铬为拉应力，深度裂纹的产生是由于活塞杆在表面拉应力和工作应力共同作用下长期服役持续延迟开裂的结果。

2解决措施和效果
三件活塞杆表面均为渗碳、电镀硬铬的处理，而电镀硬铬为拉应力，所以可采用具有压应力的爆炸喷涂WC/Co工艺代替电镀硬铬进行修复。

活塞杆的服役介质为液压油，对耐腐蚀性能要求不高，故涂层材料选用WC/Co。

通过资料调研，主要借鉴
BMS10—67K《热喷涂粉末》、BAC5851《热喷涂涂层的应用》等国外标准，并综合相关资料［8-10］，确定了活塞杆的爆炸喷涂WC/Co修复技术及工序。

2.1活塞杆修复
图8为制定的修复工艺路线。

（1）除铬：采用化学方法或机械磨削方法去除零件表面铬层；
（2）磨削去除裂纹：对活塞杆表面的裂纹进行磨削去除，磨削深度控制不大于0.2mm；
（3）消除应力：磨削去除裂纹后，进行回火处理以消除应力，温度180℃~200℃、时间4h；
（4）磁粉探伤：对零件进行磁粉探伤，零件表面应无裂纹，如磨削深度达到0.2mm后仍存在裂纹，则放弃修理；
（5）除油清洗：选用工业丙酮，使用棉布、纱布或表面处理擦布对喷涂部位进行清洗，直至彻底去除表面油污；
（6）表面喷砂：选用的砂粒为54目白刚玉，喷砂气体压力0.45~0.55MPa，喷砂距离150~200mm；
表1第一类裂纹的表面金黄色氧化区能谱结果
元素Fe C O Ni Cr Na Si Mn 总量
重量百分比/%
73.97
12.72
9.29
1.92
0.81
0.48
0.41
0.40
100.00
原子百分比/%
43.35
34.66
19.01
1.07
0.51
0.68
0.48
0.24
表2第二类裂纹断口能谱结果
元素Fe C Ni Cr Mn Si 总量
重量百分比/%
83.36
12.53
2.58
0.77
0.46
0.32
100.00
原子百分比/%
57.11
39.90
1.68
0.56
0.32
0.43
表3人工打断区能谱结果
元素Fe C Ni Cr Mn 总量
重量百分比/%
86.21
10.01
2.59
0.84
0.35
100.00
原子百分比/%
63.16
34.11
1.81
0.66
0.26
表4活塞杆硬度梯度测试结果
距外表面深度/mm HV硬度值0.01
627.2
0.05
632.3
0.10
657.9
0.15
619.4
0.20
622.9
图8修复工艺路线
（7）爆炸喷涂WC/Co ：在喷涂过程中使用压缩空气进行冷却并利用红外测温仪进行温度测量，保证零件基体温度低于110℃；喷涂时至少保证单边0.05mm 的余量；
（8）磨削抛光：磨削分为粗磨、精磨和抛光，所
有的磨削砂轮或抛光带均为金刚石材料。

经过磨削和抛光后的零件如图9所示。

（9）检验：按图纸对零件尺寸和表面粗糙度进行检验，检验结果满足图纸要求；
（10）消除应力：检验合格的零件进行回火处
理消除应力，温度190±10℃、时间4h ；
（11）磁粉探伤：零件消除应力后进行磁粉探伤，修复后的零件应不存在线性裂纹。

2.2
涂层性能评价
WC/Co 涂层的干滑动磨损实验使用MMW -2万能摩擦磨损实验机进行，使用的摩擦副为SiN 球，规
格Φ5mm 。

实验时样品法向载荷分别为20N 和50N ，盘旋转速度400r/min ，运行时间30min ，完成后测量样品重量，计算失重量。

在同样条件下测试电镀铬层的磨损量。

两种涂镀层在不同载荷下的摩擦系数如图10所示。

对于WC/Co 涂层，当载荷为20N 时，摩擦系数先在0.1~0.2间波动，实验时间达到800s 时，摩擦系数迅速升高，并在实验时间达1200s 后稳定在0.5~0.7之间；载荷为50N 时，WC/Co 涂层的摩擦系数初始在0.15左右，实验时间达100s 后开始迅速升高，
并最终稳定在0.5~0.8之间。

对于电镀铬层，其摩擦系数随实验时间延长无明显变化，基本稳定在0.7~1.0之间。

图9
修复后的活塞杆
t /s
摩擦系数
（a ）WC/Co ，20N
t /s
摩擦系数
（c ）镀铬，20N
t /s
摩擦系数
（b ）WC/Co ，50N
t /s
摩擦系数
（d ）镀铬，50N
图10WC/Co 和电镀铬层在不同载荷下的干滑动摩擦系数
图11是两种涂镀层的磨损失重曲线。

可以看出，WC/Co 涂层与电镀硬铬镀层的磨损量有明显差别。

20N 载荷下，电镀铬磨损失重23.08mg ，WC/Co 涂层失重0.97mg ；50N 载荷下，电镀铬磨损失重38.29mg ，碳化钨/钴涂层失重1.32mg 。

可见WC/Co 层在20N 和50N 载荷下，磨损量仅为硬铬镀层的4%甚至更低。

WC/Co 涂层的高硬度，使得耐磨性能大大优于硬铬镀层。

三件活塞杆喷涂完成后，对涂层外观进行检查。

涂层表面均匀、连续，无片状剥落、散裂、碎屑、气泡，无可见裂纹。

通过涂、镀层试样干滑动磨损试验，对比摩擦系数变化趋势及涂、镀层的磨损失重，WC/Co 涂层在20N 和50N 载荷下，磨损量是硬铬镀层的4%甚至更低。

碳化钨/钴涂层的高硬度，使得耐磨性能大大优于硬铬镀层。

经涂、镀层产品验装、磨合试验对比验证，结合强度、硬度、孔隙率、弯曲性能等，WC/Co 涂层均优于硬镀铬层。

3结论
（1）活塞杆表面裂纹性质为沿晶和穿晶开裂，
深度裂纹的产生是由于在表面拉应力和工作应力
共同作用下长期服役持续延迟开裂的结果。

（2）为解决活塞杆因深度裂纹而报废问题，提出采用具有压应力的爆炸喷涂碳化钨/钴工艺代替电镀硬铬工艺，制定了可行的修理方案和技术路线，确定了修理工序和参数。

（3）成功修复活塞杆，满足图样尺寸及技术要求，经综合性能比较及磨合试验验证，碳化钨/钴涂层优于电镀硬铬层。

参考文献
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失重量 / m g
摩擦距离 / m
图11WC/Co 和电镀铬层在不同载荷下的磨损量。