CN110331401A - 一种高腐蚀环境下液压支架立柱激光熔覆方法 - Google Patents

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Abstract

一种高腐蚀环境下液压支架立柱激光熔覆方法，包括以下步骤：（1）选取高铬不锈钢合金粉末，其成分重量百分比为：C：0.08~0.12%，Cr：17.0~18.5%，Ni：1.5~2.5%，Mn：0.1~0.3%，Si：0.5~1.0%，B：0.4~0.8%，Mo：0.1~0.2%，S＜0.03%，P＜0.03%，余量为Fe，粉末粒径为48~150μm；（2）合金粉末采用对应的激光熔覆方法熔覆到液压支架立柱外表面，激光器为矩形光斑时，激光功率为4000~10000W；激光矩形光斑为18mm×2mm~24×3mm；螺距=12~16mm；扫描速度为280~650mm/min；送粉速度=40.5~115.5g/min；搭接率27‑28%；激光器为圆形光斑时，激光功率为4000~10000W；激光光斑直径为3~6mm；扫描速度为1.5~2.5mm/min；送粉速度=16.4~34.8g/min；搭接率45~47%，采用高铬不锈钢合金粉末和激光熔覆，获得马氏体‑铁素体双相不锈钢熔覆层，耐蚀性能很好，液压支架立柱寿命大大延长，经济和社会效益巨大。

Description

一种高腐蚀环境下液压支架立柱激光熔覆方法
技术领域
本发明属于激光熔覆技术领域，特别涉及一种高腐蚀环境下液压支架立柱激光熔覆方法。
背景技术
大多数煤矿工作面位于地下数百米甚至上千米，高温高湿强腐蚀的井下环境对在工作面上运行的液压支架的抗腐蚀性能提出了很高要求，而立柱作为液压支架重要的液压传动部件，其稳定性和可靠性是衡量液压支架优劣的关键。激光熔覆作为一种材料表面改性技术，采用高能量的激光束将不锈钢粉末熔融并焊接在基体表面，使钢材基体表面和熔覆层达到冶金结合。由于不锈钢粉末成分选取不当和熔覆工艺差别较大所造成的立柱熔覆层锈蚀问题客观存在。
目前国内对激光熔覆铁基不锈钢合金材料中的合金元素成分对熔覆层抗磨耐蚀性能的影响研究较少，现有的文献报导有：
《中国激光》2018年第12期发表了“激光熔覆制备马氏体／铁素体双相不锈钢层的力学与腐蚀性能研究”一文，采用气雾化粉末：15.74%Cr，1.97%Ni，0.85%Si，0.48%Mn，0.13%C，0.10%B，Fe余量，所制备的激光熔覆层熔覆层由马氏体、铁素体、主要沿枝晶间呈均匀不连续分布的硼碳化物M(B, C)和少量在枝晶内析出的M23(B, C)6组成，由于有碳化物或硼化物析出，固溶体尤其是马氏体中的Cr含量较低，因而耐蚀性不良，在高腐蚀环境下将容易发生腐蚀。
《煤炭科学技术》2018年第5期发表了“激光熔覆技术在高腐蚀环境下液压支架的试验研究”一文，激光熔覆后的金相显微组织为，灰白色的马氏体呈树枝状结晶和椭圆、颗粒形状分布，碳化物呈细长的块、条状分布于马氏体上。试验所用三种粉末含碳量较高，分别为0.25%、0.15%、0.19%，因而耐蚀性不稳定，还难以保持在高腐蚀环境下不发生腐蚀，而且都含有Co，代价高而不实用。
《科学技术创新》2018年第28期发表了“激光熔覆技术在高腐蚀环境中用于液压支架立柱／千斤顶的试验研究”一文，使用低碳马氏体和不锈钢配置的冶金粉末经过熔覆后，液压支架熔覆层的硬度为HRC50～55，仅对熔覆层的耐磨性和耐腐蚀性与基材相比较，没有报道成分和组织，熔覆层在高腐蚀环境下的耐蚀性难以保证。
关于液压支架立柱激光熔覆方法，公开报道的相关专利有：
CN101338427A液压支架立柱缸筒、活塞杆耐磨抗蚀涂层的激光熔覆工艺，公开了选用具有优良耐磨抗蚀性能且与基体冶金相容性良好的铁基合金粉末，主要成分按重量百分比计C0.8%、Cr16%、Ni3%、Mo1%、Si1%、N0.8%、Nb0.8%、Ta0.3%、B0.3%，余量为Fe。
CN101875128A矿用液压支架立柱的激光熔覆方法，公开了采用激光输出功率6800-7000W，激光扫描线速度为720mm/min，激光束为15Í2.5宽带矩形光斑，分三层进行扫描熔覆：底层选用的冶金粉末材料的重量百分比为0.1%C、3.2%Si、0.5%Mn、10.2%Cr、8.8%Ni、0.8%Nb、0.1%B、0.5%P、余量为Fe；中层选用的冶金粉末材料的重量百分比为0.1%C、4.1%Si、0.4%Mn、7.2%Cr、16.5%Ni、0.4%Nb、0.9%B、0.9%P、余量为Fe；面层选用的冶金粉末材料的重量百分比为0.148%C、5.281%Si、0.368%Mn、4.219%Cr、25.88%Ni、0.129%Nb、1.132%B、1.147%P、余量为Fe。
CN101942657A液压支架立柱、千斤顶的表面激光熔覆方法，公开了选用的金属粉为镍基合金粉，加有Al2O3和Cu、ZrO2和V2O5以及ZrO2和WO3组成。
CN102242361A用于矿用液压支架立柱的激光熔覆方法和矿用不锈钢液压立柱，公开了选用的激光头输出的激光束的截面设置为15-20mm×1.5-2.5 mm的矩形光斑，激光束的扫描线速度设置为480-720mm/min，输出激光束的激光器的输出功率设置为7200-7400W。送粉器中输出的镍基合金粉末为按重量比含有≤0.15%C、0.5-1.0%Si、0.4-0.8%Mn、17.5-19.5%Cr、21-25%Ni、余量Fe，在活柱上形成厚度为0.4-0.7mm的激光熔覆层。
CN102677044A一种在液压支架的立柱的表面形成激光熔覆层的方法，公开了选用的合金粉末1的组成0.01-0.15%C、0.5-1.0%Si、0.4-0.8%Mn、17.5-19.5%Cr、21-25%Ni、余量Fe和不可避免的杂质。合金粉末2的组成0.05-0.20%C、1.0-1.5%Si、0.4-0.8%Mn、15.0-15.8%Cr、4.0-4.5%Ni、余量Fe和不可避免的杂质。
CN107267978A代替镀硬铬的涂层材料及用其进行激光熔覆的方法，公开了代替镀硬铬的涂层材料，配方按重量百分比包括C0-0.5%，Cr15-18%，Ni3-5%，杂质0-3%，其余为Fe，将单质金属通过雾化得到代替镀硬铬的涂层材料100-270目，激光输出采用IPG光纤连续输出设备，功率2200-2800W，正离焦5-10mm，光斑直径3-5mm，线速度600-900mm/min，采用气载送粉的方式同步送粉,金属粉末以15-25g/min的速度进入熔池，搭接量50%，熔覆厚度为0.5-1mm。
CN107557781A一种激光熔覆工艺用高硬度耐蚀合金粉末及其制备方法，公开了一种激光熔覆工艺用高硬度耐蚀合金粉末，金属原料按重量百分比计，C≤0.12%，Cr17.5~18.5%，Ni6~7%，B0.8~1.0%，Si1~1.5%，微量元素1.1~3.4%，余量为Fe。其中，所述微量元素包括按重量百分比计的V0.2~0.8%、Nb0.2~0.8%、Ce0.4~0.8%、Mo0.2~0.6%、Hf0.1~1%。
可见，这些专利文献所选铁基合金粉末中要么含碳量较高，要么B、Si含量较高，合金粉末中碳含量较高，可以保证硬度和耐磨性，但是由于碳化物的生成，使Cr的有效含量降低，难以保证耐蚀性，合金粉末中加入了大量B、Si等促共晶元素，这些元素可以大幅降低粉体材料的熔点，改善液态金属流动性和熔覆层表面成形，但是B、Si加入会使熔覆层脆性加大，硼化物和硼碳化物M(B, C)、M23(B, C)6的析出也使耐腐蚀性降低。为降低脆性、提高抗裂性和耐蚀性，又加入至少3%的Ni，有的Ni含量在20%以上，甚至采用镍基合金，这样熔覆层组织中除了马氏体外，会有很多残余奥氏体，甚至基体为奥氏体组织，硬度和耐磨性又不足。而且粉末成分不稳定，熔覆层抗磨耐蚀作用还不能满意。
激光熔覆需要采用合适的工艺，激光功率一定时，同时调节熔覆速度和送粉量，使熔覆层的厚度达到加工要求，使稀释率控制在一定范围之内，稀释率过低，熔覆层易产生孔洞及夹杂缺陷；稀释率过高，熔覆层合金元素含量低而碳含量高，耐蚀性不良。
液压支架立柱激光熔覆焊道为螺旋式移动前进，为保证熔覆厚度一定，当激光功率一定时，送粉速度和熔覆速度的比值基本不变，在熔覆速度较低时，随着熔覆速度的增加，由于线能量减小而使冷速加快；在熔覆速度较高时，随着熔覆速度的增加，由于前面焊道的预热作用逐渐增强而使冷速开始减慢；在冷速缓慢时，晶粒粗大，耐腐蚀性不良；在冷速较大时，晶粒较为细小，耐腐蚀性较好。激光熔覆工艺的制定，就要保证冷却速度尽量大些，以发挥激光熔覆的优势。
铁基不锈钢合金具有材料来源广泛、成本低且抗磨性能好的优点，同时也有熔点高、抗氧化性差，熔覆层易开裂、易产生气孔等缺点；由于不锈钢合金粉末成分选取不当和熔覆工艺不当造成熔覆层组织难以控制，因此立柱熔覆层锈蚀问题客观存在，现有技术还不能解决高腐蚀环境下熔覆层的锈蚀问题。
发明内容
针对上述问题，为解决现有技术之缺陷，本发明之目的在于提供一种高腐蚀环境下液压支架立柱激光熔覆方法，可有效解决高腐蚀环境下液压支架立柱激光熔覆层的锈蚀问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案是，一种高腐蚀环境下液压支架立柱激光熔覆方法，包括以下步骤：
（1）选取高铬不锈钢合金粉末，其成分重量百分比为：C：0.08~0.12%，Cr：17.0~18.5%，Ni：1.5~2.5%，Mn：0.1~0.3%，Si：0.5~1.0%，B：0.4~0.8%，Mo：0.1~0.2%，S＜0.03%，P＜0.03%，余量为Fe，粉末粒径为48~150μm；
（2）根据激光器规格的不同，将合金粉末采用对应的激光熔覆方法熔覆到液压支架立柱外表面上，当激光器为矩形光斑时，其熔覆条件为：激光功率为4000~10000W；激光矩形光斑为18mm×2mm~24×3mm；螺距=12~16mm；扫描速度为280~650mm/min；送粉速度=40.5~115.5g/min；搭接率27-28%；当激光器为圆形光斑时，其熔覆条件为：激光功率为4000~10000W；激光光斑直径为3~6mm；扫描速度为1.5~2.5mm/min；送粉速度=16.4~34.8g/min；搭接率45~47%。
本发明采用高铬不锈钢合金粉末和激光熔覆，获得马氏体-铁素体双相不锈钢熔覆层，没有碳化物或硼化物析出，晶粒细小，偏析小，耐蚀性能很好，液压支架立柱寿命大大延长，经济和社会效益巨大。
附图说明
图1是本发明熔覆层的金相组织实例（白色枝晶组织为铁素体，枝晶间深色组织为马氏体）。
具体实施方式
以下结合附图和具体情况对本发明的具体实施方式作详细说明。
本发明一种高腐蚀环境下液压支架立柱激光熔覆方法，包括以下步骤：
（1）选取高铬不锈钢合金粉末，其成分重量百分比为：C：0.08~0.12%，Cr：17.0~18.5%，Ni：1.5~2.5%，Mn：0.1~0.3%，Si：0.5~1.0%，B：0.4~0.8%，Mo：0.1~0.2%，S＜0.03%，P＜0.03%，余量为Fe，粉末粒径为48~150μm；
（2）根据激光器规格的不同，将合金粉末采用对应的激光熔覆方法熔覆到液压支架立柱外表面上，当激光器为矩形光斑时，其熔覆条件为：激光功率为4000~10000W；激光矩形光斑为18mm×2mm~24×3mm；螺距=12~16mm；扫描速度为280~650mm/min；送粉速度=40.5~115.5g/min；搭接率27-28%；当激光器为圆形光斑时，其熔覆条件为：激光功率为4000~10000W；激光光斑直径为3~6mm；扫描速度为1.5~2.5mm/min；送粉速度=16.4~34.8g/min；搭接率45~47%。
实施例1：
高腐蚀环境下液压支架立柱的激光熔覆，选用高铬不锈钢合金粉末，其成分按重量百分比为C=0.11%，Cr=18.06%，Ni=2.37%，Mn=0.13%，Si=0.88%，B=0.70%，Mo=0.18%，S=0.010%，P=0.013%，余量为Fe，合金粉末经水雾化制作而成，利用高压水雾作为雾化介质来破碎连续的熔融金属细流，粒度48～150µm，选用矩形光斑的激光器，将合金粉末采用激光熔覆方法熔覆到液压支架立柱外表面上，其熔覆条件为：激光功率=4000W；激光矩形光斑=18mm×2mm；螺距=12mm；扫描速度=280~380mm/min；送粉速度=40.5~60.5g/min；搭接率27.8%，经检测，熔覆层厚度1.3mm，稀释率10.2%，熔覆层的硬度为HRC55.2，经实地应用，在酸性盐雾腐蚀条件下1000h未出现锈迹。
实施例2：
高腐蚀环境下液压支架立柱的激光熔覆，选用高铬不锈钢合金粉末，其成分按重量百分比为C=0.10%，Cr=18.00%，Ni=2.28%，Mn=0.12%，Si=0.82%，B=0.73%，Mo=0.10%，S=0.013%，P=0.015%，余量为Fe，合金粉末经气雾化制作而成，利用高压气体作为雾化介质来破碎连续的熔融金属细流，雾化气体介质用高纯氮气，气雾化的压力4.8~5MPa，溶体温度：1500~1550℃，粒度48～150µm，选用圆形光斑的激光器，将合金粉末采用激光熔覆方法熔覆到液压支架立柱外表面上，其熔覆条件为：激光功率=4500W；激光光斑直径=3mm；扫描速度=1.5~2.5mm/min；送粉速度=16.4~34.8g/min；搭接率45%，经检测，熔覆层厚度1.2mm，稀释率11.2%，熔覆层的硬度为HRC53.8，经实地应用，在酸性盐雾腐蚀条件下1000h未出现锈迹。
实施例3：
高腐蚀环境下液压支架立柱的激光熔覆，选用高铬不锈钢合金粉末，其成分按重量百分比为C=0.12%，Cr=17.01%，Ni=2.34%，Mn=0.14%，Si=0.86%，B=0.78%，Mo=0.24%，S=0.012%，P=0.014%，余量为Fe，合金粉末经水雾化制作而成，利用高压水雾作为雾化介质来破碎连续的熔融金属细流，粒度48～150µm，采选用矩形光斑的激光器，将合金粉末采用激光熔覆方法熔覆到液压支架立柱外表面上，其熔覆条件为：激光功率=8000W；激光矩形光斑=24mm×3mm；螺距=16mm；扫描速度=500~600mm/min；送粉速度=80.5~110.5g/min；搭接率27.3%，经检测，熔覆层厚度1.3mm，稀释率10.1%。熔覆层的硬度为HRC55.8，经实地应用，在酸性盐雾腐蚀条件下1000h未出现锈迹。
实施例4：
高腐蚀环境下液压支架立柱的激光熔覆，选用高铬不锈钢合金粉末，其成分按重量百分比为C=0.11%，Cr=18.01%，Ni=2.37%，Mn=0.13%，Si=0.82%，B=0.70%，Mo=0.22%，S=0.010%，P=0.0142%，余量为Fe，合金粉末经水雾化制作而成，利用高压水雾作为雾化介质来破碎连续的熔融金属细流，粒度48～150µm，选用矩形光斑的激光器，将合金粉末采用激光熔覆方法熔覆到液压支架立柱外表面上，其熔覆条件为：激光功率=8500W；激光矩形光斑=24mm×3mm；螺距=16mm；扫描速度=550~650mm/min；送粉速度=85.5~115.5g/min；搭接率27.3%，经检测，熔覆层厚度1.3mm，稀释率10.5%，熔覆层的硬度为HRC54.7，经实地应用，在酸性盐雾腐蚀条件下1000h未出现锈迹。
实施例中的搭接率是指多道熔覆时，相邻熔覆道间的搭接宽度与单道熔覆层宽度之比，搭接率偏小，相邻熔覆道间会出现明显的凹陷区，搭接率偏大，会出现搭接去的凸出，采用本发明方法，搭接率在适中的范围内，熔覆效果好，在激光功率一定时，通过调节熔覆速度和送粉量，使熔覆厚度达到0.6~1.5mm，稀释率控制在8~12%，稀释率指激光熔覆中，由于熔覆基材的混入而引起的熔覆合金成分的变化，稀释率过低，会导致熔覆层与基材结合性能差，甚至无法冶金，稀释率过高，会使基体过渡稀释涂层，性能变弱，加大开裂、变形的倾向，本发明使稀释率控制在合适的范围，冷却速度较快，晶粒细小，耐腐蚀性好。
需要说明的是，以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计原则的前提下，本领域技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明确定的保护范围内。
采用上述技术方案的本发明，经实验与测试，与现有技术相比，其突出的特点是：
选用高铬不锈钢合金粉末和激光熔覆，获得马氏体-铁素体双相不锈钢熔覆层，没有碳化物或硼化物析出，晶粒细小，偏析小，耐蚀性能很好，而且马氏体-铁素体双相组织使熔覆层具有高的硬度和耐磨性，使用寿命至少延长2.5倍，大大节约了设备成本，可节约设备投资60%以上，而且减少了废弃物对环境造成的不良影响，真正实现了节约环保，经济和社会效益巨大。

Claims (5)

1.一种高腐蚀环境下液压支架立柱激光熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）选取高铬不锈钢合金粉末，其成分重量百分比为：C：0.08~0.12%，Cr：17.0~18.5%，Ni：1.5~2.5%，Mn：0.1~0.3%，Si：0.5~1.0%，B：0.4~0.8%，Mo：0.1~0.2%，S＜0.03%，P＜0.03%，余量为Fe，粉末粒径为48~150μm；
（2）根据激光器规格的不同，将合金粉末采用对应的激光熔覆方法熔覆到液压支架立柱外表面上，熔覆厚度为0.6-1.5mm，稀释率为8-12%，当激光器为矩形光斑时，其熔覆条件为：激光功率为4000~10000W；激光矩形光斑为18mm×2mm~24×3mm；螺距=12~16mm；扫描速度为280~650mm/min；送粉速度=40.5~115.5g/min；搭接率27-28%；当激光器为圆形光斑时，其熔覆条件为：激光功率为4000~10000W；激光光斑直径为3~6mm；扫描速度为1.5~2.5mm/min；送粉速度=16.4~34.8g/min；搭接率45~47%。
2.根据权利要求1所述的高腐蚀环境下液压支架立柱激光熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）选取高铬不锈钢合金粉末，其成分重量百分比为：0.11%的C，18.06%的 Cr，2.37%的Ni，：0.13% 的Mn，：0.88%的Si，：0.70%的B，：0.18%的Mo，0.010%的S，0.013%的P，余量为Fe，粉末粒径为48~150μm；
（2）选用矩形光斑的激光器，将合金粉末采用激光熔覆方法熔覆到液压支架立柱外表面上，其熔覆条件为：激光功率为4000W；激光矩形光斑为18mm×2mm；螺距=12mm；扫描速度为280~380mm/min；送粉速度=40.5~60.5g/min；搭接率27.8%，熔覆厚度为1.3mm，稀释率为10.2%。
3.根据权利要求1所述的高腐蚀环境下液压支架立柱激光熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）选取高铬不锈钢合金粉末，其成分重量百分比为： 0.10%的C，18.00%的 Cr，2.28%的Ni，：0.12% 的Mn，：0.82%的Si，：0.73%的B，：0.10%的Mo，0.013%的S，0.015%的P，余量为Fe，粉末粒径为48~150μm；
（2）选用圆形光斑的激光器，将合金粉末采用激光熔覆方法熔覆到液压支架立柱外表面上，其熔覆条件为：激光功率为4500W；激光光斑直径为3mm；扫描速度为1.5~2.5mm/min；送粉速度=16.4~34.8g/min；搭接率45%，熔覆厚度为1.2mm，稀释率为11.2%。
4.根据权利要求1所述的高腐蚀环境下液压支架立柱激光熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）选取高铬不锈钢合金粉末，其成分重量百分比为： 0.12%的C，17.01%的 Cr，2.34%的Ni，：0.14% 的Mn，：0.86%的Si，：0.78%的B，：0.24%的Mo，0.012%的S，0.014%的P，余量为Fe，粉末粒径为48~150μm；
（2）选用矩形光斑的激光器，将合金粉末采用激光熔覆方法熔覆到液压支架立柱外表面上，其熔覆条件为：激光功率为8000W；激光矩形光斑为24mm×3mm；螺距=16mm；扫描速度为500~600mm/min；送粉速度=80.5~110.5g/min；搭接率27.3%，熔覆厚度为1.3mm，稀释率为10.1%。
5.根据权利要求1所述的高腐蚀环境下液压支架立柱激光熔覆方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）选取高铬不锈钢合金粉末，其成分重量百分比为： 0.11%的C，18.01%的 Cr，2.37%的Ni，：0.13% 的Mn，：0.82%的Si，：0.70%的B，：0.22%的Mo，0.010%的S，0.0142%的P，余量为Fe，合金粉末经雾化法制成，粉末粒径为48~150μm；
（2）选用矩形光斑的激光器，将合金粉末采用激光熔覆方法熔覆到液压支架立柱外表面上，其熔覆条件为：激光功率为8000W；激光矩形光斑为24mm×3mm；螺距=16mm；扫描速度为550~650mm/min；送粉速度=80.5~115.5g/min；搭接率27.3%，熔覆厚度为1.3mm，稀释率为10.5%。
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