CN114481120A

CN114481120A - 一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法

Info

Publication number: CN114481120A
Application number: CN202210014228.0A
Authority: CN
Inventors: 孙小涛; 孙鹏皓; 曾宪鸿; 王守福; 郑伟
Original assignee: Yingkou Yulong Photoelectric Technology Co ltd
Current assignee: Yingkou Yulong Photoelectric Technology Co ltd
Priority date: 2022-01-07
Filing date: 2022-01-07
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2042-01-07
Also published as: CN114481120B

Abstract

一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法，涉及一种合金粉末激光熔覆修复煤矿设施的方法，本发明包括以下步骤：1）在不送合金粉末的情况下，按照：激光功率/（光斑面积×线速度）=4.11~5.24w/（mm²×mm/s）的公式选用激光工艺参数在基材表面进行出光加热；2）清除加热后基材表面的夹渣物，使用权利要求1所述合金粉末进行激光熔覆，该熔覆参数的指导公式为：激光功率/（光斑面积×线速度×熔覆厚度）=9.38~11.72w/（mm²×mm/s×mm）。本发明提供的激光熔覆修复用合金粉末及方法，其制备粉体工艺简单、熔覆推进杆表面层的耐蚀性高、综合成本低、使用寿命长。

Description

一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法

技术领域

本发明涉及一种合金粉末熔覆修复煤矿设施的方法，特别是涉及一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法。

背景技术

煤矿井下支护设备用液压推移杆是整套液压系统中最为重要的承重零件，在受到重负荷以及含有硫、氯离子的潮湿环境中，液压推移杆比中缸、活柱更易受到应力腐蚀-开裂的影响，严重时可能发生坍塌事故。

目前，煤矿用液压推移杆的主流修复方式是电镀硬铬和激光熔覆，与传统电镀硬铬相比激光熔覆修复的优势是更加环保和不易出现涂层掉块及面腐蚀。在激光熔覆技术快速占领液压立柱修复市场的今天，激光熔覆用高硬度、高耐蚀合金粉末的开发以及合金粉末与熔覆工艺匹配的问题一直困扰这个行业发展。当前，行业内常采用1Cr（17~19）Ni（2~3）M_×（M为金属，下同）系马氏体耐酸钢合金粉末激光熔覆修复老旧推移杆，通过批量生产发现老旧推移杆的熔覆层中易出现的异物夹渣、气孔、搭接区腐蚀等问题，究其原因是老旧推移杆即使机加后依旧会残留肉眼看不见的夹渣物，该夹渣物易上浮到熔覆层内造成熔覆层表面质量缺陷，此外，由于液压推移杆直径较小（一般在140mm以下）、长度较长（一般在800~2000mm不等），激光熔覆时，基材温升很快，这必将造成激光熔覆层内有大量的碳化物析出及稀释率升高的问题。

中国发明专利申请号为201810185968 .4 的专利申请文件公开了一种液压支架活柱外表面激光熔覆修复方法，该专利使用的激光熔覆修复粉末正是如上所述的1Cr（17~19）Ni（2~3）M_×系马氏体耐酸钢合金粉末。经过数千平方米现场加工积累的数据来看，激光熔覆修复液压活柱的稀释率一般在5%以内，但是修复液压推移杆的熔覆层稀释率一般在10~20%以内，根据铬/铁=n/8（n=1，2，3，4...）定律，铁基材料中铬含量每增加11.65wt%，钢材的耐蚀性都会出现一次质的飞越[参考文献1、2、3]，并且根据现场生产质检和试验数据得知：当熔覆层中的铬含量在11.65wt%和23.30wt%之间，即，熔覆层中铬含量在17~18wt%时，激光熔覆液压推移杆的耐蚀性才会得以保证。因此1Cr（17~19）Ni（2~3）M_×系马氏体耐酸钢合金粉末并不适合修复稀释率较大的液压推移杆。此外，该专利并未提到对于老旧推移杆基材中夹渣物的处理方法，更没有提到如何设定工艺参数来减少夹渣物和气孔的产生。

中国发明专利申请号为20121015939.8 的专利申请文件公开了一种激光熔覆方法，该专利指定了煤矿用液压支架的外径在200mm以上，一般情况下，外径在200mm以上的液压支架是实心或壁厚较厚的中大型工件，其基材的自冷却能力远高于直径在140mm以下的液压推移杆，因此，激光熔覆该类工件时温升并不高，铬碳化合物的析出量和熔覆层的稀释率并不大。所以，该专利中使用的铬含量为15.0~15.8wt%和17.5~19.5wt%。而本专利的特点是使用22.5~22.7wt%的铬，其元素范围是根据老旧推移杆熔覆层最大20%的稀释率来确定的，目的是保证熔覆层中的铬含量至少在18.0wt%以上，此外，通过降低碳含量来保耐蚀性，通过氮和钴含量来保证有足够量的马氏体（大于63%，体积百分率）以及确保在室温以上过冷奥氏提彻底转变为常温马氏体相，更进一步地保证熔覆层的硬度不低于50HRC。另一方面，金属材料学中有一条公知的理论：“马氏体基体属于高硬度组织，奥氏体基体相属于低硬度组织，铬和镍元素均会降低马氏体相变温度”。即使不锈钢中的铬含量低至11.65wt%，不管其他元素含量如何设定，当镍含量达到20wt%以上时，高温奥氏体区将扩大至室温而不发生马氏体相变，从而形成单一的奥氏体组织在常温中被保留下来。该专利中的合金粉末为铁基合金粉末，铬含量在17.5~19.5%，镍高达21wt%以上，这种钢材无论如何都无法获得马氏体组织，更进一步地思考：该专利中碳含量设定在0.01~0.015wt%，无氮元素设定，所以可以断定，该熔覆层中既无马氏体组织生成又无法形成高碳、氮化物来析出—沉淀硬化熔覆层。这就导致激光熔覆该专利中的合金粉末后无法获得高硬度的熔覆层（40HRC以上），这也意味着该合金粉末并不符合行业内的通用技术要求和煤矿环境需求。

比如图1：利用1Cr（17~19）Ni（2~3）M_×系马氏体不锈钢合金粉末激光熔覆修复老旧液压推移杆的中性盐雾试验结果：出现腐蚀点。

比如图3：利用1Cr（17~19）Ni（2~3）M×系马氏体不锈钢合金粉末激光熔覆修复老旧液压推移杆的硬度：51.1~54.7HRC。

比如图5：利用1Cr（17~19）Ni（2~3）M×系马氏体不锈钢合金粉末激光熔覆修复老旧液压推移杆的常温磨损量：摩擦系数0.414，磨损失重1.22x10-3g/s。

文中涉及到文献如下：

文献1 徐效谦.《不锈钢丝生产流程》，机械工业出版社，2002年10月.

文献2 张志仁译，庞琲骥校.采用耐海水不锈钢包覆法的海洋钢结构物飞沫带的100年防蚀技术[J]，太钢译文,2013年第4期：78-84.

文献3黄嘉虎.《不锈钢晶间腐蚀》，新华出版社，2008年11月第一版.

文献4裴明德译，罗刚校.用钴取代不锈钢中的部分镍[J]，太钢译文,2015年第1期：26-30.

文献5 李敏，李丹丹.微合金化对不锈钢传感器性能的影响[J]，铸造技术，Apr.2014，Vol.35No.4 ，769-771。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法，本发明通过激光线能量和激光熔覆体积能量公式确定熔覆参数，清除老旧推移杆残留异物对熔覆层的影响，在不降低硬度的情况下通过提高铬元素和氮元素进行防止搭接区腐蚀，通过铁素体+马氏体的双相钢，找到熔覆层中铁素体和马氏体两相的黄金比列，降低了应力腐蚀开裂的风险，其综合成本降低了50%，并且避免了坍塌事故的发生，解决了行业痛点问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法，所述方法采用合金粉末激光熔覆修复旧液压推移杆的方法，通过激光线能量和激光熔覆体积能量公式确定熔覆参数，据此清除老旧推移杆残留异物对熔覆层的影响，在不降低硬度的情况下通过提高铬元素和氮元素进行处理；

该方法通过铁素体+马氏体的双相钢原理，找到熔覆层中铁素体和马氏体两相的黄金比例；

该方法包括以下步骤：

1）在不送合金粉末的情况下，按照：激光功率/（光斑面积×线速度）=4.11~5.24w/（mm2×mm/s）的公式选用激光工艺参数在基材表面进行出光加热；

2）清除加热后基材表面的夹渣物，经合金粉末进行激光熔覆，该熔覆参数的指导公式为：激光功率/（光斑面积×线速度×熔覆厚度）=9.38~11.72w/（mm2×mm/s×mm）；

所用合金粉末组成成分如下：

C：0.02~0.04wt%；Cr：22.5~22.7wt%；Ni：1.7~1.9wt%；Co：5.8~6.2wt%；Mo：0.9~1.1wt%；Mn：0.55~0.65wt%；Nb：0.08~0.12wt%；V：0.07~0.09wt%；N：0.10~0.12wt%；Al: 0.8~1.2wt%；Si：0.40~0.49wt%；Fe为余量。

所述的一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法，所述激光熔覆层内的铬含量应大于等于18wt%，保证中性盐雾试验在1000小时内不出现一个腐蚀点，保证熔覆层的硬度不小于50HRC。

所述的一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法，所述铝元素含量范围设定在0.8~1.2wt%。

所述的一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法，所述硅元素根据铝元素含量确定合金范围，应选定Alwt%/Siwt%=2.0~2.5。

所述的一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法，所述液压推移杆熔覆层的稀释率最大为20%，应保证熔覆层中铬的含量大于等于18wt%，所以设定铬含量在22.5~22.7wt%。

所述的一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法，所述氮元素应设定在0.10~0.12wt%，激光熔覆层中无氮气气孔出现，并且熔覆层的硬度还能保持在较高的状态。

所述的一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法，所述设定镍含量：1.7~1.9wt%；钴含量：5.8~6.2wt%；钼含量：0.9~1.1wt%保证熔覆层的硬度大于等于50HRC。

所述的一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法，所述铌、钒联合控碳及钒元素范围为0.07~0.09wt%，晶间腐蚀和应力腐蚀开裂均不会发生。

所述的一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法，所述锰元素在0.55~0.65wt%时为最佳。

本发明的优点与效果是：

1、本发明通过激光线能量和激光熔覆体积能量公式确定熔覆参数，根据此方法能清除老旧推移杆残留异物对熔覆层的影响，在不降低硬度的情况下通过提高铬元素和氮元素进行防止搭接区腐蚀，解决了行业痛点问题。

2、本发明与行业内常用的1Cr（17~19）Ni（2~3）M×系马氏体不锈钢粉末相比其服役寿命提升三倍，综合成本降低50%，更重要的是通过铁素体+马氏体的双相钢的设计原理，找到熔覆层中铁素体和马氏体两相的黄金比例，降低了应力腐蚀开裂的风险，避免了坍塌事故的发生。

附图说明

图1为现有技术修复旧液压推移杆构件腐蚀点对比照片图；

图2为本发明技术修复旧液压推移杆构件腐蚀点对比照片图；

图3为现有技术修复旧液压推移杆硬度对比照片图；

图4为本发明技术修复旧液压推移杆硬度对比照片图；

图5为现有技术修复旧液压推移杆磨损量试验曲线对比图；

图6为本发明技术修复旧液压推移杆磨损量试验曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本发明进行详细说明。

本发明激光熔覆修复煤矿支护旧液压推移杆方法，步骤如下：1）在不送合金粉末的情况下，按照：激光功率/（光斑面积×线速度）=4.11~5.24w/（mm2×mm/s）的公式选用激光工艺参数在基材表面进行出光加热；

2）清除加热后基材表面的夹渣物，使用合金粉末进行激光熔覆，该熔覆参数的指导公式为：激光功率/（光斑面积×线速度×熔覆厚度）=9.38~11.72w/（mm2×mm/s×mm）。

本发明激光熔覆技术所用合金粉末的组成成分：

下表为本发明合金粉末中各成分与含量的选取依据及基本原则

实施例1

修复煤矿支护设备用旧液压推移杆方法，包括以下步骤：

1）在不送合金粉末的情况下，按照：激光功率/（光斑面积×线速度）=4.11~5.24w/（mm²×mm/s）的公式选用激光功率为2000瓦，光斑面积为2×20mm，线速度为11mm/s工艺参数在基材表面进行出光加热，激光器横向移动按搭接螺旋线的方式运行；

2）清除加热后基材表面的夹渣物，使用上述合金粉末进行激光熔覆，该熔覆参数的指导公式为：激光功率/（光斑面积×线速度×熔覆厚度）=9.38~11.72w/（mm²×mm/s×mm），优选地：激光功率6000瓦，线速度9mm/s，熔覆厚度1.6mm，光斑面积为2×20mm,激光器横向移动按搭接螺旋线的方式运行。

上述合金粉末组分及物理参量如下表：

实施例2

修复煤矿支护旧液压推移杆方法，包括以下步骤：

1）在不送合金粉末的情况下，按照：激光功率/（光斑面积×线速度）=4.11~5.24w/（mm²×mm/s）的公式选用激光功率为1900瓦，光斑面积为2×20mm，线速度为10mm/s工艺参数在基材表面进行出光加热，激光器横向移动按搭接螺旋线的方式运行；

2）清除加热后基材表面的夹渣物，使用上述合金粉末进行激光熔覆，该熔覆参数的指导公式为：激光功率/（光斑面积×线速度×熔覆厚度）=9.38~11.72w/（mm²×mm/s×mm），优选地：激光功率5800瓦，线速度10mm/s，熔覆厚度1.5mm，光斑面积为2×20mm,激光器横向移动按搭接螺旋线的方式运行。

上述合金粉末组分及物理参量如下表：

实施例3

修复煤矿支护旧液压推移杆的方法，包括以下步骤：

1）在不送合金粉末的情况下，按照：激光功率/（光斑面积×线速度）=4.11~5.24w/（mm²×mm/s）的公式选用激光功率为2050瓦，光斑面积为2×21mm，线速度为9.5mm/s工艺参数在基材表面进行出光加热，激光器横向移动按搭接螺旋线的方式运行；

2）清除加热后基材表面的夹渣物，使用上述合金粉末进行激光熔覆，该熔覆参数的指导公式为：激光功率/（光斑面积×线速度×熔覆厚度）=9.38~11.72w/（mm²×mm/s×mm），优选地：激光功率6050瓦，线速度8.5mm/s，熔覆厚度1.55mm，光斑面积为2×20mm,激光器横向移动按搭接螺旋线的方式运行。

上述合金粉末组分及物理参量如下表：

图2所示：本发明的合金粉末及方法激光熔覆修复老旧液压推移杆的中性盐雾试验结果：无一个腐蚀点。

图4所示：本发明的合金粉末及方法激光熔覆修复老旧液压推移杆的硬度：50.2~53.8HRC。

图6所示：本发明的合金粉末及方法激光熔覆修复老旧液压推移杆的常温磨损量：摩擦系数0.396，磨损失重0.76x10-3g/s。

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

1.一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法，其特征在于，所述方法采用合金粉末激光熔覆修复旧液压推移杆的方法，通过激光线能量和激光熔覆体积能量公式确定熔覆参数，据此清除老旧推移杆残留异物对熔覆层的影响，在不降低硬度的情况下通过提高铬元素和氮元素进行处理；

该方法包括以下步骤：

所用合金粉末组成成分如下：

2.根据权利要求1所述的一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法，其特征在于，所述激光熔覆层内的铬含量应大于等于18wt%，保证中性盐雾试验在1000小时内不出现一个腐蚀点，保证熔覆层的硬度不小于50HRC。

3.根据权利要求1所述的一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法，其特征在于，所述铝元素含量范围设定在0.8~1.2wt%。

4.根据权利要求1所述的一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法，其特征在于，所述硅元素根据铝元素含量确定合金范围，应选定Alwt%/Siwt%=2.0~2.5。

5.根据权利要求1所述的一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法，其特征在于，所述液压推移杆熔覆层的稀释率最大为20%，应保证熔覆层中铬的含量大于等于18wt%，所以设定铬含量在22.5~22.7wt%。

6.根据权利要求1所述的一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法，其特征在于，所述氮元素应设定在0.10~0.12wt%，激光熔覆层中无氮气气孔出现，并且熔覆层的硬度还能保持在较高的状态。

7.根据权利要求1所述的一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法，其特征在于，所述设定镍含量：1.7~1.9wt%；钴含量：5.8~6.2wt%；钼含量：0.9~1.1wt%保证熔覆层的硬度大于等于50HRC。

8.根据权利要求1所述的一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法，其特征在于，所述铌、钒联合控碳及钒元素范围为0.07~0.09wt%，晶间腐蚀和应力腐蚀开裂均不会发生。

9.根据权利要求1所述的一种利用合金粉末激光熔覆修复煤矿支护液压推移杆方法，其特征在于，所述锰元素在0.55~0.65wt%时为最佳。