CN114855053B - 一种液压支架油缸内壁修复用合金粉末及激光熔覆方法 - Google Patents

一种液压支架油缸内壁修复用合金粉末及激光熔覆方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种液压支架油缸内壁修复用合金粉末及激光熔覆方法；解决解决采用电弧堆焊铜焊丝技术，存在的单边厚度2.5mm以上、影响后续工序的零件装配工作、容易出现点腐蚀和面腐蚀、堆焊效率慢、成本较高的技术问题，以及采用激光熔覆奥氏体不锈钢自熔性合金粉末的技术来修复液压油缸内壁，存在机加效率低的技术问题；合金粉末的组成成分：C：0.06～0.10wt％；Cr：14.0～15.0wt％；Ni+Co：5.9～7.1wt％；Mn：4.8～6.1wt％；Nb：0.9～1.5wt％；V：0.06～0.09wt％；B：0.39～0.52wt％；Si：1.12～1.48wt％；Cu：28.35～30.12wt％；Fe为余量；本发明提供了一种高效率机械加工、无表面腐蚀且经济型的激光熔覆方案。

Description

一种液压支架油缸内壁修复用合金粉末及激光熔覆方法
技术领域
本发明涉及液压支架油缸内壁修复的激光熔覆方法，具体涉及一种液压支架油缸内壁修复用合金粉末及激光熔覆方法。
背景技术
当前，煤矿液压支架油缸内壁常用电镀铜和电弧堆焊熔铜合金焊丝的技术进行表面修复和强化，考虑到环保，电镀铜技术基本被电弧堆焊铜合金焊丝技术所代替。
随着电弧堆焊铜焊丝技术的不断推广和应用，行业内普遍认识到该项技术存在诸多不足之处，总结下来主要体现在五个方面：1)电弧堆焊热输出大，堆焊层的稀释率高，单边厚度必须要焊2.5mm以上方可解决高稀释率的问题；2)电弧堆焊铜合金焊丝后油缸的缩钢量较大，影响后续工序的零件装配工作；3)铜合金堆焊层在井下煤矿环境中的耐蚀性不高，容易出现点腐蚀和面腐蚀；4)堆焊效率慢，一般在6～7小时/平方米；5)成本较高，每平方米焊材成本在2000元左右。
为解决上述行业痛点，采用了激光熔覆奥氏体不锈钢自熔性合金粉末的技术来修复液压油缸内壁，其主要优势体现在：1)稀释率低：单边熔覆1.5mm，机加后剩余单边0.6mm就可通过中性盐雾试验，不发生点腐蚀和面腐蚀；2)激光熔覆的缩缸量可控制在0.1～0.2mm之间，不影响后续的装配工序；3)熔覆效率高，可达2.5小时/平方米；4)成本低，每平方米的焊材成本仅为650元；但是，在激光熔覆后，发现在内孔镗削和衍磨工序时机加效率很低，一般情况下，电弧堆焊铜合金焊丝的镗削效率为1小时/平方米，衍磨效率为2小时/平方米；而激光熔覆奥氏体不锈钢合金粉末的镗削效率为2.5小时/平方米，衍磨效率为8.5小时/平方米，这种机加效率大大影响了激光熔覆技术在修复液压油缸内壁领域的推广；究其原因为：奥氏体不锈钢合金熔覆层属于高铬、镍、钼耐磨合金涂层，并且铁基合金的导热性和自润滑性能远低于铜基合金，在镗削加工奥氏体不锈钢熔覆层时非常容易使刀具过热和刀尖磨损，刀尖磨损后会加剧切削热产生及引起刀具前、后角度的改变，从而使刀具的切削力增加，这时会导致镗削的尺寸不稳定和表面出现震纹的现象发生，这种现象再进一步加剧刀具的磨损和切削热产生，导致被加工面的硬度迅速升高。
为解决上述机加问题，目前常见的方法就是及时、频繁地更换刀具和调整支撑块的间隙，这将对生产成本和生产的连续性有很大影响；如果不频繁换刀具，被磨损的刀具会强烈使激光熔覆层加工硬化，硬化程度甚至可达2～3倍(一般在55HRC左右)，这么高的硬度又进一步影响了衍磨工序的加工效率。
发明内容
本发明的目的是解决现有煤矿液压支架油缸内壁的表面修复和强化采用电弧堆焊铜焊丝技术，存在的单边厚度2.5mm以上、影响后续工序的零件装配工作、容易出现点腐蚀和面腐蚀、堆焊效率慢、成本较高的技术问题，以及采用激光熔覆奥氏体不锈钢自熔性合金粉末的技术来修复液压油缸内壁，存在机加效率低的技术问题，而提出一种液压支架油缸内壁修复用合金粉末及激光熔覆方法。
本发明的设计思路为：
目前，激光熔覆常用自熔性合金粉末为铁基、钴基、镍基三大类，与这三大类合金相比，铜基合金主要有四大不足之处：1)与铁基基材的物化性能的存在较大差异，相互溶解率低、偏析较为严重；2)铜基合金粉末对半导体或光纤激光器的光量吸收率仅为10％左右，粉末难以熔化；3)当基材为铁基材料时，急热急冷型的激光熔覆技术容易造成铜合金熔覆层的开裂；4)与铁基合金粉末相比没有经济和耐磨方面的优势，与镍基和钴基粉末相比没有抗高温氧化和高温强度方面的优势，所以铜基合金粉末被激光熔覆行业所搁置。
但是如果利用铁基不锈钢合金粉末的易熔覆、耐蚀性和经济性方面的优势，再利用铜基合金的易切削、高导热、自润滑-减摩方面的机加优势，上述所有问题将迎刃而解，但是这个方案存在铁铜不互融和熔覆层中碳元素活度高的问题。
针对铁铜不互融的问题，本发明提供了四条解决思路，第一条路线是通过在铁基合金粉末中加入适量的硼、硅两元素来降低铁基合金粉末的熔点，然后再通过在铜基合金粉末中加入适量的锰、铁元素来抬高铜基合金粉末的熔点，这样做的是为了防止铁铜基合金的熔点相差过大而恶化熔覆层的微观组织；第二条路线是通过在合金粉末中加入适量的镍元素，促进铁与铜元素的互融，在这里，镍元素起过渡和媒介元素的作用，即，镍既能与铜元素产生无限固溶还能与铁元素发生无限固溶，这样的机制就带动了铁元素与铜元素的互融；第三条路线是在铜基合金粉末中加入了约15.0wt％铁元素，在铁基合金粉末中加入了8.0wt％左右的铜元素，通过互相掺杂主合金元素的方式促使两种合金进一步交互融合；第四条路线是在两种合金粉末中都加入了钴、锰两元素；众所周知，铬和铁元素在铜基合金的固溶量很低(分别在1.0wt％以下和5.0wt％以下)，通过钴、锰两元素的加入，促进了激光熔覆层中产生含有大量铬铁两元素的奥氏体相，而铜也为奥氏体形成元素，这就引导了铜元素与铁铬两元素的互融。
针对熔覆层中碳元素活度高的问题，本发明提供了一种“锁碳”机制，具体做法是先通过镍、锰、钴三元素的互相配合，给予碳元素提供一种固溶组织，然后再通过铬、铌等中强碳化物形成元素与碳元素发生化学反应，进行“锁碳”。这种机制可以形象地描述为镍、锰、钴三元素构建了种类似于像房子一样的微观组织，然后再通过铬、铌两元素把碳元素锁定在“房子”内；只有这样才能解决高含量铜元素带来的偏析、硬度不均匀和腐蚀问题。
上述方案从制粉的角度出发，高含量的铜和铁同时熔炼时，两者之间的熔点、比重、亲氧差异性、黏度等物化性能差异较大，制粉非常困难，质量稳定性和成本双双不能保证。如果选用单质金属或中间合金按一定的成分比例进行配粉或混粉时，主要存在两方面的问题：其一为该粉末不但不利用规模化生产，并且含铜熔覆层成分的偏析十分严重以及铜脆现象十分明显；其二为在激光熔覆油缸内壁时粉末的飞溅和烟尘很大，在密闭的有限管道空间内，很容易烧坏激光器的保护镜片，导致激光器的功率衰减，从而引发熔覆质量问题和导致生产停顿。
针对上述问题，采用将铁基合金和铜基合金先分开进行制粉，然后按比例进行混粉的方案就能得以解决，其主要原因为：1)该类型的合金粉末是以铁基成分为主导，铜基合金为辅助，解决了上述的铜合金粉末对激光波长吸收率低、难熔、开裂以及机加效率低的问题；2)无论是铁基粉末还是铜基粉末每一粒粉末中均含有各自成分的元素，并且通过设计大粒径范围的铁基合金粉末和小粒径范围的铜基合金粉末，混粉时可让铜基粉末更好地融入到铁基合金粉末颗粒间的空隙内，防止熔覆飞溅、烟尘大和激光熔覆层元素偏析的问题；3)在2)的基础上，利用激光熔覆急热急冷的加工特点，防止了熔融态的铜元素的偏聚和反应，对激光熔覆层的成分均匀性有利；最重要的是需要对铁基和铜基合金粉末的成分进行优化设计，这样才能有效地阻止成分偏析的产生。
为了完成上述构思，本发明所采用的技术方案为：
一种液压支架油缸内壁修复用合金粉末，其特殊之处在于：
包括以下组分：
C：0.06～0.10wt％；
Cr：14.0～15.0wt％；
Ni+Co：5.9～7.1wt％；
Mn：4.8～6.1wt％；
Nb：0.9～1.5wt％；
V：0.06～0.09wt％；
B：0.39～0.52wt％；
Si：1.12～1.48wt％；
Cu：28.35～30.12wt％；
Fe为余量。
进一步地，所述合金粉末是由铁基合金和铜基合金分别用气雾化制粉工艺制作，然后按(64.5～65.5):(34.5～35.5)的重量百分比在混粉器中进行充分混粉后配制而成，优选65：35；
即合金粉末是由铁基合金粉末和铜基合金粉末按照(64.5～65.5):(34.5～35.5)的比例充分混粉后配制而成，铁基合金粉末是通过铁基合金用气雾化制粉工艺制作，铜基合金粉末通过铜基合金用气雾化制粉工艺制作。
进一步地，定义：铁基合金粉末中，Ni的含量为A1；Co的含量为B1；Mn的含量为C1；Si的含量为D1；Cu的含量为E1；Fe的含量为F1；
铜基合金粉末中，Ni的含量为A2；Co的含量为B2；Mn的含量为C2；Si的含量为D2；Cu的含量为E2；Fe的含量为F2；
则需满足：
A1+B1＝(3.494～3.750)(A2+B2)；
C1＝(0.165～0.212)C2；
D1＝(0.609～0.741)D2；
E1＝(0.114～0.116)E2；
F2＝(0.263～0.284)F1。
进一步地，C：0.06wt％；
Cr：14.0wt％；
Ni+Co：5.91wt％；
Mn：4.8wt％；
Nb：0.9wt％；
V：0.07wt％；
B：0.39wt％；
Si：1.13wt％；
Cu：30.1wt％；
Fe为余量。
进一步地，C：0.10wt％；
Cr：15.0wt％；
Ni+Co：7.1wt％；
Mn：6.1wt％；
Nb：1.5wt％；
V：0.09wt％；
B：0.52wt％；
Si：1.48wt％；
Cu：28.93wt％；
Fe为余量。
本发明还提出一种液压支架油缸内壁修复的激光熔覆方法，其特殊之处在于，采用上述一种液压支架油缸内壁修复用合金粉末；
具体包括以下步骤；
步骤1：将合金粉末装入到熔覆设备的送粉器内，并安装待加工工件；
步骤2：参数设置
设置待加工工件激光熔覆区域的起始位置与终止位置；
设置激光功率9～10KW，线速度9～10mm/s，搭接率50～55％，单边单次熔覆厚度1.4～1.6mm；
设置熔覆头位于起始位置；
步骤3：激光熔覆。
进一步地，步骤3中，采用氩气保护的方式进行螺旋搭接式激光熔覆加工。
发明的有益效果是：
1、本发明提出的一种液压支架油缸内壁修复用合金粉末，突破了两方面的技术障碍，一个是激光熔覆时铁铜不互融的问题，另外一个是熔覆层中碳元素活度高的问题。
2、本发明提出的一种液压支架油缸内壁修复用合金粉末，与电弧堆焊铜焊丝修复液压油缸内壁技术相比：熔覆效率提高了2.6倍左右，机加效率与之相当，综合成本仅为该项技术的50％；
与激光熔覆奥氏体不锈钢合金粉末修复液压油缸相比，焊材的成本仅仅增加了15％，熔覆效率不变，机加效率提高了3.6倍左右；
具体的：
1)熔覆效率比较：电弧堆焊铜焊丝的堆焊厚度在2.0～2.5mm之间，堆焊效率是5.5～6小时/平方米；而本发明提供的方案，熔覆的厚度是1.4～1.6mm，熔覆效率是2.2小时/平米；
2)机加效率比较：电弧堆焊铜焊丝的机加效率是1.7～1.9小时/平米；而本发明提供的方案机加效率是1.8～2.2小时/平米；
3)焊材成本比较：电弧堆焊铜焊丝1944元/平米，激光熔覆用粉是929.5元/平米。
3、本发明提出的一种液压支架油缸内壁修复用合金粉末，与电弧堆焊铜焊丝修复液压油缸内壁技术相比，解决了工件变形大和不耐腐蚀的问题，并且其加工后的硬度与奥氏体不锈钢激光熔覆层的硬度值相当。
附图说明
图1是本发明采用实施例1的方案加工后的工件硬度分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提出一种液压支架油缸内壁修复用合金粉末，包括以下组分：C：0.06～0.10wt％；
Cr：14.0～15.0wt％；
Ni+Co：5.9～7.1wt％；
Mn：4.8～6.1wt％；
Nb：0.9～1.5wt％；
V：0.06～0.09wt％；
B：0.39～0.52wt％；
Si：1.12～1.48wt％；
Cu：28.35～30.12wt％；
Fe为余量。
各组分的元素及含量的选择依据如下：
Figure BDA0003634144730000071
Figure BDA0003634144730000081
Figure BDA0003634144730000091
针对一种液压油缸内壁修复用合金粉末，给出以下几个实施例。
实施例1
铜基合金粉末、铁基合金粉末及铁铜及合金粉末含量如表1所示。
表1
Figure BDA0003634144730000092
基于上述合金粉末的激光熔覆参数为：
1)将自熔性铁基合金粉末和铜基合金分别用气雾化制粉工艺制作，然后按65:35的重量百分比在混粉器中进行充分地混粉；
2)选取激光功率10KW，线速度10mm/s，搭接率52％，熔覆厚度1.6mm，采用氩气保护的方式进行螺旋搭接式激光熔覆加工。
按照上述激光熔覆参数进行激光熔覆加工，包括以下步骤：
1)将合金粉末装入到熔覆设备的送粉器内，并安装待加工工件；
2)设置待加工工件激光熔覆区域的起始位置与终止位置；设置激光功率10KW，线速度10mm/s，搭接率52％，单边单次熔覆厚度1.6mm；设置熔覆头位于起始位置；
3)采用氩气保护的方式进行螺旋搭接式激光熔覆加工。
加工后的效果：
1)熔覆效率比较：电弧堆焊铜焊丝的堆焊厚度在2.0～2.5mm之间，堆焊效率是5.5～6小时/平方米。本实施例提供的方案中熔覆的厚度是1.6mm，熔覆效率是2.2小时/平米；
2)机加效率比较：电弧堆焊铜焊丝的机加效率是1.7～1.9小时/平米，本发明提供方案的机加效率是1.8～2.2小时/平米，由于设备、操作人员等的影响，机加效率在1.8～2.2小时/平米范围内。
3)焊材成本比较：电弧堆焊铜焊丝1944元/平米，激光熔覆用粉是929.5元/平方米。
4)中性盐雾试验的比较：电弧堆焊在336小时出现大面积腐蚀，本发明提供的方案呈现铜的金属色，无腐蚀表现。
5)如图1所示，本发明提供的熔覆层硬度波动在20HB以内，说明本发明提供的方案无成分偏析产生，并且，与电弧堆焊铜焊丝的堆焊层硬度相当。
实施例2
铜基合金粉末、铁基合金粉末及铁铜及合金粉末含量如表2所示。
表2
Figure BDA0003634144730000101
基于上述合金粉末的激光熔覆参数为：
1)将自熔性铁基合金粉末和铜基合金分别用气雾化制粉工艺制作，然后按65:35的重量百分比在混粉器中进行充分地混粉；
2)选取激光功率9.5KW，线速度9.5mm/s，接率率54％，熔覆厚度1.5mm，采用氩气保护的方式进行螺旋搭接式激光熔覆加工。
按照上述激光熔覆参数进行激光熔覆加工，包括以下步骤：
1)将合金粉末装入到熔覆设备的送粉器内，并安装待加工工件；
2)设置待加工工件激光熔覆区域的起始位置与终止位置；设置激光功率9.5KW，线速度9.5mm/s，搭接率54％，单边单次熔覆厚度1.5mm；设置熔覆头位于起始位置；
3)采用氩气保护的方式进行螺旋搭接式激光熔覆加工。
加工后的效果：
1)熔覆效率比较：电弧堆焊铜焊丝的堆焊厚度在2.0～2.5mm之间，堆焊效率是5.5～6小时/平方米。本实施例提供的方案中熔覆的厚度是1.6mm，熔覆效率是2.2小时/平米；
2)机加效率比较：电弧堆焊铜焊丝的机加效率是1.7～1.9小时/平米，本发明提供方案的机加效率是1.8～2.2小时/平米。
3)焊材成本比较：电弧堆焊铜焊丝1944元/平米，激光熔覆用粉是929.5元/平方米。
4)中性盐雾试验的比较：电弧堆焊在336小时出现大面积腐蚀，本发明提供的方案呈现铜的金属色，无腐蚀表现。
5)本发明提供的熔覆层硬度波动在20HB以内，说明本发明提供的方案无成分偏析产生，并且，与电弧堆焊铜焊丝的堆焊层硬度相当。
实施例3
铜基合金粉末、铁基合金粉末及铁铜及合金粉末含量如表2所示。
表3
Figure BDA0003634144730000111
Figure BDA0003634144730000121
基于上述合金粉末的激光熔覆参数为：
1)将自熔性铁基合金粉末和铜基合金分别用气雾化制粉工艺制作，然后按65:35的重量百分比在混粉器中进行充分地混粉；
2)选取激光功率9.0KW，线速度9.0mm/s，接率率53％，熔覆厚度1.4mm，采用氩气保护的方式进行螺旋搭接式激光熔覆加工。
按照上述激光熔覆参数进行激光熔覆加工，包括以下步骤：
1)将合金粉末装入到熔覆设备的送粉器内，并安装待加工工件；
2)设置待加工工件激光熔覆区域的起始位置与终止位置；设置激光功率9KW，线速度9mm/s，搭接率53％，单边单次熔覆厚度1.4mm；设置熔覆头位于起始位置；
3)采用氩气保护的方式进行螺旋搭接式激光熔覆加工。
加工后的效果：
1)熔覆效率比较：电弧堆焊铜焊丝的堆焊厚度在2.0～2.5mm之间，堆焊效率是5.5～6小时/平方米。本实施例提供的方案中熔覆的厚度是1.6mm，熔覆效率是2.2小时/平米；
2)机加效率比较：电弧堆焊铜焊丝的机加效率是1.7～1.9小时/平米，本发明提供方案的机加效率是1.8～2.2小时/平米。
3)焊材成本比较：电弧堆焊铜焊丝1944元/平米，激光熔覆用粉是929.5元/平方米。
4)中性盐雾试验的比较：电弧堆焊在336小时出现大面积腐蚀，本发明提供的方案呈现铜的金属色，无腐蚀表现。
5)本发明提供的熔覆层硬度波动在20HB以内，说明本发明提供的方案无成分偏析产生，并且，与电弧堆焊铜焊丝的堆焊层硬度相当。
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 (5)

1.一种液压支架油缸内壁修复用合金粉末，其特征在于：包括以下组分：
C：0.06～0.10wt％；
Cr：14.0～15.0wt％；
Ni+Co：5.9～7.1wt％；
Mn：4.8～6.1wt％；
Nb：0.9～1.5wt％；
V：0.06～0.09wt％；
B：0.39～0.52wt％；
Si：1.12～1.48wt％；
Cu：28.35～30.12wt％；
Fe为余量；
所述合金粉末是由铁基合金和铜基合金分别用气雾化制粉工艺制作，然后按(64.5～65.5):(34.5～35.5)的重量百分比在混粉器中进行充分混粉后配制而成；
定义：铁基合金粉末中，Ni的含量为A1；Co的含量为B1；Mn的含量为C1；Si的含量为D1；Cu的含量为E1；Fe的含量为F1；
铜基合金粉末中，Ni的含量为A2；Co的含量为B2；Mn的含量为C2；Si的含量为D2；Cu的含量为E2；Fe的含量为F2；
则需满足：
A1+B1＝(3.494～3.750)(A2+B2)；
C1＝(0.165～0.212)C2；
D1＝(0.609～0.741)D2；
E1＝(0.114～0.116)E2；
F2＝(0.263～0.284)F1。
2.根据权利要求1所述的一种液压支架油缸内壁修复用合金粉末，其特征在于：
C：0.06wt％；
Cr：14.0wt％；
Ni+Co：5.91wt％；
Mn：4.8wt％；
Nb：0.9wt％；
V：0.07wt％；
B：0.39wt％；
Si：1.13wt％；
Cu：30.1wt％；
Fe为余量。
3.根据权利要求1所述的一种液压支架油缸内壁修复用合金粉末，其特征在于：
C：0.10wt％；
Cr：15.0wt％；
Ni+Co：7.1wt％；
Mn：6.1wt％；
Nb：1.5wt％；
V：0.09wt％；
B：0.52wt％；
Si：1.48wt％；
Cu：28.93wt％；
Fe为余量。
4.一种液压支架油缸内壁修复用激光熔覆方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一所述的一种液压支架油缸内壁修复用合金粉末；
具体包括以下步骤；
步骤1：将合金粉末装入到熔覆设备的送粉器内，并安装待加工工件；
步骤2：参数设置
设置待加工工件激光熔覆区域的起始位置与终止位置；
设置激光功率9～10KW，线速度9～10mm/s，搭接率50～55％，单边单次熔覆厚度1.4～1.6mm；
设置熔覆头位于起始位置；
步骤3：激光熔覆。
5.根据权利要求4所述的一种液压支架油缸内壁修复用激光熔覆方法，其特征在于：
步骤3中，采用氩气保护的方式进行螺旋搭接式激光熔覆加工。
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