“兩步法”工藝再制造液壓支架立柱研究

賈國平　白冰　王海軍

摘 要：簡要介紹了“兩步法”工藝再制造液壓支架立柱，采用正交試驗法研究了噴涂距離、噴涂電壓和噴涂電流等工藝參數(shù)對JG-3鐵基合金粉末粒子沉積的影響，涂層厚度、熔覆線速度、熔覆步距等熔覆工藝參數(shù)對熔覆層表面形貌的影響，檢測了優(yōu)化后噴涂粒子的速度和溫度，分析了熔覆層的表面形貌和剖面顯微形貌。結(jié)果表明，影響JG-3鐵基合金粉末粒子沉積的噴涂工藝參數(shù)的主次順序為噴涂距離、噴涂電流、噴涂電壓；影響熔覆層表面形貌的熔覆工藝參數(shù)的主次順序為涂層厚度、熔覆線速度、熔覆步距。在此過程中，噴涂粒子的速度和溫度比較高，熔覆層均勻致密、結(jié)合較好、缺陷較少。

關(guān)鍵詞：“兩步法”；等離子噴涂；激光熔覆；熔覆層

中圖分類號：TD355+.4 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.008

液壓支架立柱是液壓支架的主要承載部件，起到調(diào)節(jié)支架高度、維持支架平衡、承受頂板壓力和緩沖過載沖擊等作用，可用它將液壓支架的頂梁與底座連接起來。但是，由于液壓支架立柱長期處于煤礦井下，工作環(huán)境惡劣，有大量的SO2、H2S、Cl-、SO42-等腐蝕介質(zhì)，并且井下氧氣充足、濕度較大、粉塵較多，所以，其表面很容易被腐蝕和磨損。此外，受損立柱在回縮、伸出時又容易劃傷缸套內(nèi)壁，導(dǎo)致立柱內(nèi)部串液，使液壓支架失效，難以有效支撐頂板，進而威脅煤礦的生產(chǎn)安全。

目前，國內(nèi)外諸多學(xué)者致力于液壓支架立柱修復(fù)和再制造工藝的研究，提出了許多基于不同原理的修復(fù)方法，比如電鍍技術(shù)、化學(xué)鍍技術(shù)、不銹鋼鑲套技術(shù)和激光熔覆技術(shù)等。山東能源機械集團大族再制造有限公司的研究者認為，激光熔覆具有稀釋度小、熔覆層結(jié)合好、組織致密和綠色環(huán)保等優(yōu)點，適用于液壓支架立柱的再制造。同時，他們分析、比較了不同粉末材料后認為，高硬度涂層不利于立柱表面的后續(xù)加工。因此，將該公司專門研制的JG-3鐵基合金粉末熔覆于立柱表面，可以獲得硬度不高卻具有較好耐磨性、耐蝕性的熔覆層。然而，采用此方法會導(dǎo)致涂層厚度不均勻，所以，單邊厚度需達到1.3～2 mm才能滿足工藝要求。同時，在后續(xù)加工中，還要去除大部分涂層，單邊厚度保留在0.5 mm左右。這種做法不僅會浪費材料、消耗時間，還會在很大程度上影響整體的生產(chǎn)效率。

針對上述問題，本文提出采用“兩步法”工藝對液壓支架立柱表面進行再制造，即先以高效能超音速等離子噴涂設(shè)備將JG-3鐵基合金粉末噴涂于液壓支架立柱表面上，形成均勻、致密的涂層，然后再用激光熔覆設(shè)備對涂層進行熔覆，進一步提高涂層的結(jié)合強度。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料和設(shè)備

噴涂粉末為山東能源機械集團大族再制造有限公司專門研制的JG-3鐵基合金粉末，粉末粒度為160～320目，其主要的化學(xué)成分如表1所示，粉末形貌如圖1所示。試樣選用尺寸分別為25 mm×16 mm×5 mm（用于檢測涂層增厚）和300 mm×400 mm×5 mm（用于檢測沉積效率）的45#鋼，還有φ90 mm×500 mm的廢舊液壓支架立柱（用于涂層熔覆）。噴涂設(shè)備采用自主研發(fā)的高效能超音速等離子噴涂系統(tǒng)，如圖2所示。在噴涂前，要用丙酮清洗試樣，去除表面的污染物，然后再作噴砂處理，提高基體的清潔度、表面粗糙度和涂層的結(jié)合強度。

1.2 噴涂方法

固定噴涂主氣Ar的流量為110 L/min，次氣為H2，送粉量為50 g/min，送粉氣為Ar，噴槍移動速度為50 m/min。在整個過程中，采用正交設(shè)計原理，選擇JG-3鐵基合金粉末的噴涂工藝參數(shù)，包括噴涂電流、噴涂電壓和噴涂距離，每個參數(shù)分別選取3個水平值，根據(jù)L9（34）正交表建立正交設(shè)計方案，如表2所示。對25 mm×16 mm×5 mm的試樣做噴涂試驗，每個試樣噴涂10個井比較涂層的厚度。

采用Spray Watch CCD在線測試系統(tǒng)檢測優(yōu)化好的參數(shù)下的噴涂粒子的速度、溫度；采用優(yōu)化好的噴涂參數(shù)噴涂300 mm×400 mm×5 mm的試樣，檢測涂層的沉積效率。在此，具體的做法是：預(yù)先在送粉器內(nèi)裝100 g的粉末材料，將參數(shù)調(diào)至最優(yōu)值，并噴涂已稱重的試樣。待粉末噴涂完畢后，計算試樣的增重，增重與所噴涂粉末的質(zhì)量之比為涂層的沉積效率。

1.3 熔覆方法

采用優(yōu)化好的噴涂參數(shù)噴涂經(jīng)表面處理后的φ90 mm×500 mm廢舊液壓支架立柱，從而得到不同厚度的涂層，并對涂層進行激光熔覆。其固定熔覆功率為3 kW，光斑直徑為12 mm，采用正交設(shè)計原理選擇涂層的熔覆工藝參數(shù)，包括涂層厚度、熔覆線速度和熔覆步距，每個參數(shù)分別選取3個水平值，并根據(jù)L9（34）正交表建立正交設(shè)計方案，比較熔覆層的表面形貌，如表3所示。同時，要將熔覆后的試樣切下一小片制樣，通過顯微硬度計檢測熔覆層和基體的顯微硬度，通過掃描電鏡觀察和分析熔覆層的剖面顯微形貌。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 噴涂試驗

表4為噴涂工藝三因素三水平的正交試驗表。試驗結(jié)果表明，影響JG-3鐵基合金涂層沉積的噴涂工藝參數(shù)的主次順序為噴涂距離>噴涂電流>噴涂電壓。獲得最優(yōu)涂層厚度的工藝參數(shù)為電流420 A、電壓160 V、噴涂距離80 mm。

高效能超音速等離子噴涂的速度為400～700 m/s，溫度為2 000～3 000 ℃。由圖3可知，JG-3鐵基合金粉末粒子的速度在350 m/s左右，溫度在3 000 ℃左右，速度相對較慢，溫度相對偏高。這主要是因為JG-3鐵基合金粉末粒徑在100 μm左右，并且密度也相對較大，導(dǎo)致單個粒子的質(zhì)量相對較大，加速能力相對較差，所以，速度相對較慢。由于粒子的速度相對較慢，在射流中飛行的時間相對較長，加熱時間也相對較長，因此，粒子溫度相對較高。

由表4可知，噴涂距離越近、噴涂電流越大，涂層增厚越大，涂層增厚會隨著電壓的上升呈先增大后減小的發(fā)展趨勢。這是因為JG-3鐵基合金粉末粒子的粒徑相對比較大，在飛行過程中，其加速能力相對有限，噴涂距離越近，其速度越大，涂層的增厚越大。當(dāng)噴涂距離繼續(xù)縮短時，射流會燒損涂層及其基體，因此，可將噴涂距離定為80 mm。電流對噴涂主、次氣有電離作用，電流越大，氣體電離程度越大，膨脹程度也越大，有利于提高粒子的速度，所以，電流越大，涂層增厚越大。此次試驗以H2為次氣，通過調(diào)節(jié)H2的量來調(diào)節(jié)電壓。H2對等離子射流的溫度影響比較大——當(dāng)H2的量增大時，有利于提高粒子的溫度；當(dāng)H2的量達到一定程度時，粒子將出現(xiàn)過融現(xiàn)象，進而影響粒子的沉積。由此可見，涂層厚度會隨著電壓的升高而呈現(xiàn)先增大后減小的情況。

利用表4中優(yōu)化好的噴涂參數(shù)檢測JG-3鐵基合金粉末的沉積效率，測得其沉積效率在75%左右。

2.2 熔覆試驗

表5為熔覆工藝三因素三水平的正交試驗表。試驗結(jié)果表明，影響JG-3鐵基合金涂層表面形貌的熔覆工藝參數(shù)的主次順序為涂層厚度>熔覆線速度>熔覆步距。由表5可知，涂層越厚，熔覆線速度越快，熔覆層越容易開裂，如圖4所示。出現(xiàn)這種情況的原因是，涂層厚度越大，熔覆過程中需消耗的能量越多；熔覆線速度越快，為涂層提供的能量越少；當(dāng)二者都比較大時，涂層得不到足夠的熔覆能量，進而導(dǎo)致涂層與基體難以充分融合。此外，在熔覆過程中，因為熱量集中會產(chǎn)生比較大的拉應(yīng)力，所以，在拉應(yīng)力的作用下，熔覆層結(jié)合不充分的部位就會出現(xiàn)開裂的情況。

圖5為不同厚度熔覆層的顯微形貌，其熔覆參數(shù)如表6所示。由圖5可知，熔覆層均勻致密，幾乎沒有孔隙，與基體結(jié)合緊密，缺陷較少，并且其形貌與基體極為相似，不依靠界面缺陷是很難將熔覆層與基體區(qū)分開來的。另外，在檢測熔覆層和基體的顯微硬度時，測得熔覆層的顯微硬度在600 HV左右，基體的顯微硬度在300 HV左右。

綜上所述，不同厚度的涂層在不同的熔覆線速度和熔覆步距下可以制備性能比較好的熔覆層。經(jīng)過綜合考慮，熔覆工藝的相關(guān)參數(shù)值為：涂層厚度為0.7 mm，熔覆線速度為12 mm/s，熔覆步距為10.5 mm。采用這種工藝的原因是，熔覆層表面比較粗糙，需對其進行一定的磨削加工。如果熔覆層比較薄，很可能會將熔覆層磨掉，磨出基體，影響產(chǎn)品質(zhì)量；如果熔覆層比較厚，則會浪費一定的材料；如果熔覆線速度比較慢，則會延長熔覆時間，增加成本，導(dǎo)致工件受熱變形；如果線速度比較快，則會導(dǎo)致熔覆層開裂。由于激光光斑寬度僅為12 mm，如果步距比較長，則會影響熔覆層的搭接效果；如果步距比較短，則會延長熔覆時間。

總而言之，本試驗僅初步探索了“兩步法”再制造液壓支架立柱的相關(guān)情況，并為今后的相關(guān)工作提供參考依據(jù)，但是，其噴涂工藝和熔覆工藝還需進一步完善。

3 結(jié)論

影響JG-3鐵基合金涂層增厚的高效能超音速等離子噴涂工藝參數(shù)的主次順序為噴涂距離>噴涂電流>噴涂電壓。在噴

涂過程中，因為JG-3鐵基合金粉末粒子的速度快和溫度高，所以，能夠保證涂層的質(zhì)量。

影響JG-3鐵基合金熔覆層表面形貌的激光熔覆工藝參數(shù)的主次順序為涂層厚度>熔覆線速度>熔覆步距。涂層越厚、熔覆線速度越快，涂層越容易開裂。

“兩步法”制備的熔覆層均勻致密、結(jié)合較好、缺陷較少，有較高的質(zhì)量。

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〔編輯：白潔〕