CN113046625A - 矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末及修复方法 - Google Patents

矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末及修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光加工修复，特别涉及一种矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末及修复方法。本发明是针对激光熔覆修复矿用液压中缸时出现的合金涂层易出现点蚀现象而导致腐蚀寿命短的问题，提出了一种耐点蚀能力高、服役寿命长的矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末及修复方法。合金粉末包括：Cr：15.0～17.0wt％；Ni：1.5～2.0wt％；Co：1.5～2.0wt％；Mo：0.8～1.2wt％；Mn：0.0～0.4wt％；Nb：0.1～0.2wt％；C：0.07～0.14wt％；N：0.06～0.12wt％；Ce：0.03～0.06wt％；B：0.6～1.0wt％；Si：0.8～1.2wt％；Fe为余量。其中，Co元素的加入不仅仅可以扩大奥氏体区域，使得韧性增加，耐磨性得以提升，使得熔覆层的耐点蚀性进一步提高，使用寿命增加。

Description

矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末及修复方法
技术领域
本发明涉及激光加工修复用合金粉末及修复方法，特别涉及一种矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末及修复方法。
背景技术
传统的矿用液压立柱中缸常采用电镀硬铬的方式进行修复，该修复工艺主要存在以下三方面的不足之处：
其一，对环境污染严重，与社会发展方向背道而驰；
其二，镀铬层与基材结合力较弱，容易“起皮、起包”；
其三，镀铬层空隙率无法得到有效控制，导致耐腐蚀性下降。
随着大功率半导体激光器的发展及其技术的日渐成熟，以效率高、热变形小、冶金结合为突出优点的激光熔覆技术，受到越来越多需要使用表面强化技术行业的关注与认可，故越来越多的人选择采用激光熔覆修复矿用液压立柱中缸。
激光熔覆修复中缸所使用的合金粉末是结合其服役环境设计开发而来的，该粉末的特点为在马氏体不锈钢成分的基础上，通过添加B、Si等元素使其变为自熔性合金粉末，其设计思路是向高硬度、耐Cl、S离子腐蚀方向发展，但是，目前利用激光熔覆技术修复液压立柱中缸的合金涂层在通过盐雾实验或在矿井下服役时常有表面点蚀的现象出现，并且出现位置为熔覆层的搭接区域。通过大量的分析得出如下两点结论：1、在激光熔覆合金涂层的搭接区Cr-C化合物的比例较高，导致该化合物的周围出现贫Cr区；2、由于激光熔覆时冷却速度过快导致晶界出现微细孔。
发明内容
本发明的目的是解决现有采用激光熔覆修复的矿用液压立柱中缸，存在井下服役时，在熔覆层的搭接区域常出现表面点蚀现象的技术问题，提供一种矿用液压立柱中缸激光熔覆修复方法及熔覆用合金粉末。
本发明是针对激光熔覆修复矿用液压中缸时出现的合金涂层易出现点蚀现象而导致腐蚀寿命短的问题，提出了一种耐点蚀能力高、服役寿命长的矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末及修复方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
本发明提供一种矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末，其特征在于，包括以下组分的粉末：
Cr：15.0～17.0wt％；
Ni：1.5～2.0wt％；
Co：1.5～2.0wt％；
Mo：0.8～1.2wt％；
Mn：0.0～0.4wt％；
Nb：0.1～0.2wt％；
C：0.07～0.14wt％；
N：0.06～0.12wt％；
Ce：0.03～0.06wt％；
B：0.6～1.0wt％；
Si：0.8～1.2wt％；
Fe为余量。
进一步地，所述各组分的粉末预先混合后采用氮气雾化制粉方法制得。
进一步地，所制粉末的粒度分布在120～260目之间。
进一步地，Cr：15.6～16.6wt％；
Ni：1.65～1.75wt％；
Co：1.65～1.75wt％；
Mo：0.9～1.0wt％；
Mn：0.2～0.3wt％；
Nb：0.12～0.15wt％；
C：0.09～0.10wt％；
N：0.10～0.11wt％；
Ce：0.035～0.045wt％；
B：0.68～0.76wt％；
Si：0.9～1.0wt％；
Fe为余量。
进一步地，Cr：16.6wt％；
Ni：1.75wt％；
Co：1.75wt％；
Mo：1.0wt％；
Mn：0.2wt％；
Nb：0.15wt％；
C：0.10wt％；
N：0.10wt％；
Ce：0.045wt％；
B：0.76wt％；
Si：1.0wt％；
Fe为余量。
进一步地，Cr：15.6wt％；
Ni：1.65wt％；
Co：1.65wt％；
Mo：0.9wt％；
Mn：0.3wt％；
Nb：0.12wt％；
C：0.09wt％；
N：0.11wt％；
Ce：0.035wt％；
B：0.68wt％；
Si：0.9wt％；
Fe为余量。
本发明还提供一种矿用液压立柱中缸的激光熔覆修复方法，其特殊之处在于，基于上述的矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末，包括以下步骤：
1)清除矿用液压立柱中缸表面的油污及杂质；
2)为熔覆机床安装水循环装置，利用水循环装置对液压立柱中缸内壁进行通水；
3)采用同步送份方式，将所述液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末熔覆在液压立柱中缸的表面，通过离焦方式调节激光束的光斑大小，将激光功率与光斑面积的比值控制在145～155w/mm2范围内，进行熔覆修复；
4)熔覆修复完成后得到修复件，用钢丝刷去除修复件表层的氧化皮，观测熔覆层表面是否有缺陷或裂纹，并测量修复件的尺寸是否符合要求，如符合要求，则修复完成；如有缺陷或裂纹，则使用打磨机磨去该修复层后，返回步骤3)；如只有尺寸不符合要求，则直接返回步骤3)。
进一步地，步骤2)中，熔覆机床所用激光器为直接输出式半导体激光器。
进一步地，步骤2)中通水时，水的流速为35～50L/min。
进一步地，步骤3)中熔覆修复时，激光功率为4200w～6000w，线速度为12～14mm/s，搭接率为38～45％，送粉流量为3.6～3.9kg/h。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末及修复方法，为减少Cr-C化合物的形成，减少碳元素的比例，增加强碳化物形成元素Nb，与Cr元素相比使其优先与C元素结合；加入N与Mo元素提高耐点腐蚀能力，加入稀土元素Ce，以达到净化熔液、细化晶粒的目的，使晶界处单位面积上的气孔比列减小，在上述合金成分中除Co元素以外，其他元素均能降低马氏体形成温度(Ms点)，Co元素的加入不仅仅可以扩大奥氏体区域，避免残留奥氏体及马氏体数量的不足而引起的硬度及耐磨性的下降，使得熔覆层在高硬度的情况下，韧性增加，耐磨性得以提升，并且Co元素还能提高马氏体的生成温度，增加韧性高的板条马氏体的数量，更重要的是Co元素的降低层错能，使得熔覆层的耐点蚀性进一步提高，使用寿命增加。
2、本发明提供的矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末及修复方法，在激光熔覆时通过加入水循环装置和控制功率密度的方式，对熔覆层快速降温，以降低搭接区域Cr-C化合物的形成驱动力。
附图说明
图1为本发明实施例1中合金粉末的扫描电镜图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1
一种矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末，包括以下组分的粉末：
Cr：16.6wt％；
Ni：1.75wt％；
Co：1.75wt％；
Mo：1.0wt％；
Mn：0.2wt％；
Nb：0.15wt％；
C：0.10wt％；
N：0.10wt％；
Ce：0.045wt％；
B：0.76wt％；
Si：1.0wt％；
Fe为余量。
上述矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末的制粉方式为预先混合后采用氮气雾化制粉方法制得，所制粉末的粒度分布在120～260目之间，图1为合金粉末的扫描电镜图，图中可见球形度较好，可用于激光熔覆修复。
一种矿用液压立柱中缸的激光熔覆修复方法，基于上述的矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末，包括以下步骤：
1)清除矿用液压立柱中缸表面的油污及杂质；
2)为熔覆机床安装水循环装置，利用水循环装置对液压立柱中缸内壁进行通水，流速为42L/min，熔覆机床所用激光器为直接输出式半导体激光器；
3)采用同步送份方式，将所述液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末熔覆在液压立柱中缸的表面，激光功率为5100w，线速度为13mm/s，搭接率为40％，送粉流量为3.7kg/h，通过离焦方式调节激光束的光斑大小，将激光功率与光斑面积的比值控制在150w/mm2范围内，进行熔覆修复；
4)熔覆修复完成后得到修复件，用钢丝刷去除修复件表层的氧化皮，观测熔覆层表面是否有缺陷或裂纹，并测量修复件的尺寸是否符合要求，如符合要求，则修复完成；如有缺陷或裂纹，则使用打磨机磨去该修复层后，返回步骤3)；如只有尺寸不符合要求，则直接返回步骤3)。
实施例2
一种矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末，包括以下组分的粉末：
Cr：15.6wt％；
Ni：1.65wt％；
Co：1.65wt％；
Mo：0.9wt％；
Mn：0.3wt％；
Nb：0.12wt％；
C：0.09wt％；
N：0.11wt％；
Ce：0.035wt％；
B：0.68wt％；
Si：0.9wt％；
Fe为余量。
上述矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末的制粉方式为预先混合后采用氮气雾化制粉方法制得，所制粉末的粒度分布在120～260目之间。
一种矿用液压立柱中缸的激光熔覆修复方法，基于上述的矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末，包括以下步骤：
1)清除矿用液压立柱中缸表面的油污及杂质；
2)为熔覆机床安装水循环装置，利用水循环装置对液压立柱中缸内壁进行通水，流速为40L/min，熔覆机床所用激光器为直接输出式半导体激光器；
3)采用同步送份方式，将所述液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末熔覆在液压立柱中缸的表面，激光功率为5000w，线速度为12.5mm/s，搭接率为38％，送粉流量为3.6kg/h，通过离焦方式调节激光束的光斑大小，将激光功率与光斑面积的比值控制在145w/mm2范围内，进行熔覆修复；
4)熔覆修复完成后得到修复件，用钢丝刷去除修复件表层的氧化皮，观测熔覆层表面是否有缺陷或裂纹，并测量修复件的尺寸是否符合要求，如符合要求，则修复完成；如有缺陷或裂纹，则使用打磨机磨去该修复层后，返回步骤3)；如只有尺寸不符合要求，则直接返回步骤3)。
实施例3
一种矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末，包括以下组分的粉末：
Cr：15.0wt％；
Ni：1.5wt％；
Co：1.5wt％；
Mo：0.8wt％；
Mn：0.0wt％；
Nb：0.1wt％；
C：0.07wt％；
N：0.06wt％；
Ce：0.03wt％；
B：0.6wt％；
Si：0.8wt％；
Fe为余量。
上述矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末的制粉方式为预先混合后采用氮气雾化制粉方法制得，所制粉末的粒度分布在120～260目之间。
一种矿用液压立柱中缸的激光熔覆修复方法，基于上述的矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末，包括以下步骤：
1)清除矿用液压立柱中缸表面的油污及杂质；
2)为熔覆机床安装水循环装置，利用水循环装置对液压立柱中缸内壁进行通水，流速为35L/min，熔覆机床所用激光器为直接输出式半导体激光器；
3)采用同步送份方式，将所述液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末熔覆在液压立柱中缸的表面，激光功率为4200w，线速度为12mm/s，搭接率为42％，送粉流量为3.8kg/h，通过离焦方式调节激光束的光斑大小，将激光功率与光斑面积的比值控制在145w/mm2范围内，进行熔覆修复；
4)熔覆修复完成后得到修复件，用钢丝刷去除修复件表层的氧化皮，观测熔覆层表面是否有缺陷或裂纹，并测量修复件的尺寸是否符合要求，如符合要求，则修复完成；如有缺陷或裂纹，则使用打磨机磨去该修复层后，返回步骤3)；如只有尺寸不符合要求，则直接返回步骤3)。
实施例4
一种矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末，包括以下组分的粉末：
Cr：17.0wt％；
Ni：2.0wt％；
Co：2.0wt％；
Mo：1.2wt％；
Mn：0.4wt％；
Nb：0.2wt％；
C：0.14wt％；
N：0.12wt％；
Ce：0.06wt％；
B：1.0wt％；
Si：1.2wt％；
Fe为余量。
上述矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末的制粉方式为预先混合后采用氮气雾化制粉方法制得，所制粉末的粒度分布在120～260目之间。
一种矿用液压立柱中缸的激光熔覆修复方法，基于上述的矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末，包括以下步骤：
1)清除矿用液压立柱中缸表面的油污及杂质；
2)为熔覆机床安装水循环装置，利用水循环装置对液压立柱中缸内壁进行通水，流速为50L/min，熔覆机床所用激光器为直接输出式半导体激光器；
3)采用同步送份方式，将所述液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末熔覆在液压立柱中缸的表面，激光功率为6000w，线速度为14mm/s，搭接率为45％，送粉流量为3.9kg/h，通过离焦方式调节激光束的光斑大小，将激光功率与光斑面积的比值控制在155w/mm2范围内，进行熔覆修复；
4)熔覆修复完成后得到修复件，用钢丝刷去除修复件表层的氧化皮，观测熔覆层表面是否有缺陷或裂纹，并测量修复件的尺寸是否符合要求，如符合要求，则修复完成；如有缺陷或裂纹，则使用打磨机磨去该修复层后，返回步骤3)；如只有尺寸不符合要求，则直接返回步骤3)。
上述四个实施例在修复彻底完成后，观察到矿用液压立柱中缸表面修复效果均为良好。
作用机理：
为减少Cr-C化合物的形成，减少碳元素的比例，增加强碳化物形成元素Nb，与Cr元素相比使其优先与C元素结合；加入N与Mo元素提高耐点腐蚀能力，加入稀土元素Ce，以达到净化熔液、细化晶粒的目的，使晶界处单位面积上的气孔比列减小，在上述合金成分中除Co元素以外，其他元素均能降低马氏体形成温度(Ms点)，Co元素的加入不仅仅可以扩大奥氏体区域，避免残留奥氏体及马氏体数量的不足而引起的硬度及耐磨性的下降，并且Co元素还能提高马氏体的生成温度，增加韧性高的板条马氏体的数量，更重要的是Co元素的降低层错能，减少了应力腐蚀问题。另一方面，在激光熔覆时通过加入水循环装置和控制功率密度的方式是为了快速对熔覆层降温，以降低搭接区域Cr-C化合物的形成驱动力。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末，其特征在于，包括以下组分的粉末：
Cr：15.0～17.0wt％；
Ni：1.5～2.0wt％；
Co：1.5～2.0wt％；
Mo：0.8～1.2wt％；
Mn：0.0～0.4wt％；
Nb：0.1～0.2wt％；
C：0.07～0.14wt％；
N：0.06～0.12wt％；
Ce：0.03～0.06wt％；
B：0.6～1.0wt％；
Si：0.8～1.2wt％；
Fe为余量。
2.根据权利要求1所述的矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末，其特征在于：
所述各组分的粉末预先混合后采用氮气雾化制粉方法制得。
3.根据权利要求1或2所述的矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末，其特征在于：
所制粉末的粒度分布在120～260目之间。
4.根据权利要求3所述的矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末，其特征在于：
Cr：15.6～16.6wt％；
Ni：1.65～1.75wt％；
Co：1.65～1.75wt％；
Mo：0.9～1.0wt％；
Mn：0.2～0.3wt％；
Nb：0.12～0.15wt％；
C：0.09～0.10wt％；
N：0.10～0.11wt％；
Ce：0.035～0.045wt％；
B：0.68～0.76wt％；
Si：0.9～1.0wt％；
Fe为余量。
5.根据权利要求4所述的矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末，其特征在于：
Cr：16.6wt％；
Ni：1.75wt％；
Co：1.75wt％；
Mo：1.0wt％；
Mn：0.2wt％；
Nb：0.15wt％；
C：0.10wt％；
N：0.10wt％；
Ce：0.045wt％；
B：0.76wt％；
Si：1.0wt％；
Fe为余量。
6.根据权利要求4所述的矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末，其特征在于：
Cr：15.6wt％；
Ni：1.65wt％；
Co：1.65wt％；
Mo：0.9wt％；
Mn：0.3wt％；
Nb：0.12wt％；
C：0.09wt％；
N：0.11wt％；
Ce：0.035wt％；
B：0.68wt％；
Si：0.9wt％；
Fe为余量。
7.一种矿用液压立柱中缸激光熔覆修复方法，其特征在于，基于权利要求1至6任一所述的矿用液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末，包括以下步骤：
1)清除矿用液压立柱中缸表面的油污及杂质；
2)为熔覆机床安装水循环装置，利用水循环装置对液压立柱中缸内壁进行通水；
3)采用同步送份方式，将所述液压立柱中缸激光熔覆修复用合金粉末熔覆在液压立柱中缸的表面，通过离焦方式调节激光束的光斑大小，将激光功率与光斑面积的比值控制在145～155w/mm2范围内，进行熔覆修复；
4)熔覆修复完成后得到修复件，用钢丝刷去除修复件表层的氧化皮，观测熔覆层表面是否有缺陷或裂纹，并测量修复件的尺寸是否符合要求，如符合要求，则修复完成；如有缺陷或裂纹，则使用打磨机磨去该修复层后，返回步骤3)；如只有尺寸不符合要求，则直接返回步骤3)。
8.根据权利要求7所述的矿用液压立柱中缸激光熔覆修复方法，其特征在于：
步骤2)中，熔覆机床所用激光器为直接输出式半导体激光器。
9.根据权利要求8所述的矿用液压立柱中缸激光熔覆修复方法，其特征在于：
步骤2)中通水时，水的流速为35～50L/min。
10.根据权利要求9所述的矿用液压立柱中缸激光熔覆修复方法，其特征在于：
步骤3)中熔覆修复时，激光功率为4200w～6000w，线速度为12～14mm/s，搭接率为38～45％，送粉流量为3.6～3.9kg/h。
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