煤礦機械應(yīng)用激光熔覆技術(shù)的研究與實踐

韓文靜，　宋進朝，　劉學(xué)功,3，　于　威

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煤礦機械應(yīng)用激光熔覆技術(shù)的研究與實踐

韓文靜1，宋進朝2，劉學(xué)功1,3，于威1

(1.永城職業(yè)學(xué)院 礦業(yè)工程系，河南 永城476600；2.永城職業(yè)學(xué)院 建筑工程系，河南 永城476600；3.河南能源化工集團永煤公司，河南 永城476600)

摘要：結(jié)合現(xiàn)代采煤機械對耐磨、耐蝕性能的技術(shù)要求，對采用激光熔覆技術(shù)改善工件表面性能的實踐進行了總結(jié)，重點介紹了激光熔覆技術(shù)在截齒、采煤機高速軸、液壓支架及掘進機密封套上的應(yīng)用，對煤礦機械激光熔覆材料的選擇也進行了討論。

關(guān)鍵詞:煤礦機械； 激光熔覆； 材料； 應(yīng)用

引　言

處在水汽、礦塵以及一些有害氣體中的煤礦機械設(shè)備工況條件苛刻，許多機械還要承受著重載、高速、振動及摩擦等高強度工作；大部分機械設(shè)備不分晝夜，長年累月連續(xù)作業(yè)，運行時間較長。煤礦機械的腐蝕和磨損問題嚴重，激光熔覆技術(shù)對于減緩煤礦機械的腐蝕磨損失效具有十分重要的意義[1]。

激光熔覆技術(shù)可以有效提高基體材料表面的耐磨、耐蝕性能。它采用激光熱源應(yīng)用不同的添料方式，激光照射基體上已選好的涂層材料會同時熔化涂層材料和基體表面薄層，在快速凝固后形成稀釋度極低的呈現(xiàn)冶金結(jié)合表面涂層。與電鍍、氣相沉積和堆焊相比較，激光熔覆具有組織致密、結(jié)合度好、熔覆材料多等優(yōu)點[2-5]。激光熔覆能在基體表面形成均勻致密的金屬涂層，而電鍍鍍層容易出現(xiàn)孔隙和裂紋。電鍍鍍層與基體之間為物理結(jié)合，而激光熔覆層與基體冶金結(jié)合。激光熔覆加工前只需對加工件表面進行除油、除銹處理，工序更簡化。電鍍?nèi)菀讓Νh(huán)境產(chǎn)生廢水，激光熔覆作為一種環(huán)保、高效的修復(fù)技術(shù)，不會產(chǎn)生廢氣、廢液?？傊す馊鄹埠蟮脑O(shè)備的抗蝕性和結(jié)合力更強，效率更高，具有較好的環(huán)保性。

本文較為系統(tǒng)地總結(jié)了激光熔覆在不同煤礦機械上的應(yīng)用情況，探討激光熔覆材料選擇方法，并對其在煤礦機械上的應(yīng)用進行了展望。

1　激光熔覆在煤礦機械上的應(yīng)用

1.1在采掘機械上的應(yīng)用1.1.1截齒上的應(yīng)用

采掘機上的截齒用來割煤，也用于截割硬度較高的巖石。其壽命長短決定著采掘機使用的經(jīng)濟性，直接反映采掘機械截割性能和可靠性。截齒表面處理應(yīng)用激光熔覆技術(shù)，能提高截齒的耐磨性，延長使用壽命。

朱培星等[6]對掘進機截齒進行激光熔覆處理，截齒材料在激光加工過程中出現(xiàn)表面微熔。在安徽省丁集煤礦的EBZ200H型硬巖掘進機進行了激光熔覆，采用鐵、鈷和鎳元素為主的熔覆材料，對三種截齒進行現(xiàn)場熔覆試驗。通過試驗發(fā)現(xiàn)，鐵和鈷元素為主的熔覆涂層截齒耐磨性能更好。

楊慶東[7]采用大功率激光表面熔覆技術(shù)，選用特種耐磨自熔性合金粉末對截齒端部錐面及刮板機易磨損部位進行激光強化，制備出冶金結(jié)合、硬質(zhì)點和高韌性金屬材料復(fù)合的涂層，機械使用壽命提高2～4倍。孫咸[8]首先采用TIG堆焊焊材法將Ni60+WC材料堆在截齒刀頭防護部位，然后用高頻感應(yīng)法熔覆Ni60+WC涂層，涂層硬度可達60～63HRC。

胡明福對截齒合金頭部分采用預(yù)置粉末方式進行激光熔覆處理，熔覆材料以鐵元素為主和鈷元素為主的ZGMn13-4。發(fā)現(xiàn)以鈷元素為主的熔覆粉末效果更好，熔覆后涂層硬度均可達HRC41～45，并用ANSYS軟件對截齒進行動力學(xué)和疲勞分析。研究發(fā)現(xiàn)，熔覆層能有效提高截齒的使用壽命[9]。

趙文強等[10]采用HGL-5000二氧化碳橫流激光器成套設(shè)備，采用SIEMENS-802S/C數(shù)控系統(tǒng)(德國)，實現(xiàn)功能聯(lián)動控制。激光熔覆粉末材料選用358鎳基自熔性粉末，對采煤機截齒端部涂覆合金耐磨層。最終形成的耐磨層δ為1.5～2.0mm，經(jīng)檢測截齒平均顯微硬度為HV800。洛氏硬度為HRC65。兗礦集團有限公司機電設(shè)備制造廠胡振南等[11]研究激光熔覆截齒，發(fā)現(xiàn)洛氏硬度為HRC70左右，平均顯微硬度為HV800。現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，激光熔覆截齒與煤層接觸時無火花，使用壽命為普通截齒的6～7倍，其抗剪性、抗疲勞強度及耐磨性均獲得大幅提高。

石秋芳等[12]分析了半導(dǎo)體激光器在激光熔覆應(yīng)用中的優(yōu)勢，重點分析了激光輸出功率等參數(shù)對激光熔覆質(zhì)量的影響，為開展截齒可靠性研究及其推廣應(yīng)用提供了理論依據(jù)。楊盼等[13-14]在截齒表面激光熔覆高耐磨的鎳基鈷包碳化鎢(WC-Co)涂層。以42CrMo鋼為基體，Ni60B商用粉末為粘結(jié)相，納米WC-Co為增強相，激光熔覆獲得WC-Co陶瓷顆粒增強Ni基復(fù)合涂層。結(jié)果表明，激光熔覆涂層可提高截齒的耐磨性能，磨損后熔覆層中的細小析出相起到了彌散強化作用，熔覆層的表面顯微硬度提高了10%。相同磨損條件下，干磨損涂層硬度高于水磨損硬度。

1.1.2采煤機高速軸上的應(yīng)用

目前國內(nèi)采煤機電機輸出端高速軸一般采用骨架油封與軸套的接觸式密封，但在特殊工況下軸套常常使用不久就因表面磨損失效。在設(shè)備的日常維護檢修過程中，如未及時發(fā)現(xiàn)軸套失效而產(chǎn)生了漏油現(xiàn)象，泄漏的油液容易流入電機，致使電機損壞，造成了更大損失。

三一重型裝備有限公司采用激光熔覆技術(shù)，對采煤機電機高速軸軸套表面涂覆一層合金耐磨層，并與之前使用鍍硬鉻的軸套進行了對比試驗，熔覆硬化層深度(0.5～1.0mm)大于鍍硬鉻硬化層深度(0.02～0.04mm)；熔覆后表面硬度≥65HRC；而鍍硬鉻的表面硬度≥600HV。在鄂爾多斯忽沙圖礦進行現(xiàn)場使用，未發(fā)生漏油現(xiàn)象。說明激光熔覆耐磨軸套效果較好[15]。

1.1.3掘進機密封套上的應(yīng)用

掘進機內(nèi)噴霧水密封的密封套表面要求具有較高硬度及耐磨性。孫曉鳴等[16]將40Cr的密封套試樣固定在數(shù)控二維五軸聯(lián)動加工工作臺上，載流氣體將Ni基自熔性合金粉末輸送至表面，利用CO2激光器形成致密的熔覆層。提高了密封性能，防止油水混合，延長了整機使用壽命。

1.2在液壓支護設(shè)備上的應(yīng)用

液壓支護設(shè)備在井下惡劣環(huán)境條件下承受沖擊和腐蝕，容易造成塑性變形、疲勞和失效。油缸、活塞桿和立柱等作為液壓支護設(shè)備實現(xiàn)支撐和承載的主要部件，其抗腐蝕能力直接影響液壓支護設(shè)備的使用[17]。

解文正等[18]以液壓支架用27SiMn鋼試樣為基體，采用Nd:YAG固體脈沖激光器激光熔覆Ni60合金粉末，對熔覆層分析研究。綜合結(jié)果表明，試樣表面光滑，熔覆層內(nèi)部組織比較均勻致密。形成的熔覆層質(zhì)量優(yōu)良，具有很高的顯微硬度和較強的耐腐蝕性能，達到實用要求。

趙文強等[19]采用HGL-5000二氧化碳橫流激光器成套設(shè)備對液壓支柱進行表面熔覆。采用SIEMENS-802S/C數(shù)控系統(tǒng)(德國)，選用材料3580鎳基自熔性粉末，大大提高表面的耐腐蝕性、耐磨損性以及使用壽命，強化層表面硬度為HV410。

韓文靜等[20]以27SiMn單體液壓支柱缸體用鋼為基體，激光熔覆Ni60A+20%WC合金粉末制備熔覆層，發(fā)現(xiàn)熔覆層耐磨性比基體材料有較大提高，顯微硬度和耐腐蝕性能較好。高鋒等[21]分析傳統(tǒng)工藝制造下液壓立柱的失效形式，采用TFL型激光設(shè)備熔覆液壓支架立柱，并進行了實踐應(yīng)用考察。

任懷偉[22]對液壓支架關(guān)鍵元部件材料進行性能分析，通過TMCP(Thermo-Mechanical Control Process)技術(shù)提升材料質(zhì)量穩(wěn)定性，采用激光熔覆和不銹鋼包覆技術(shù)提高立柱表面耐腐蝕性。材料性能及加工工藝的升級有效地提升了產(chǎn)品品質(zhì)和市場競爭力。

許興波等[23]對比分析用激光熔覆技術(shù)和等離子熔覆技術(shù)工藝處理的液壓支架。對熔覆過程中立柱表面的溫度測定，發(fā)現(xiàn)激光熔覆立柱表面的溫度(100～150℃)遠遠低于等離子熔覆中的立柱表面溫度(250～350℃)，表明激光熔覆技術(shù)具有熱輸入量小的特點。激光熔覆層在涂層致密均勻性、耐磨性及耐腐蝕性能方面均比等離子熔覆層好。

楊慶東等[24]對比檢測了激光熔覆再制造立柱和電鍍修復(fù)立柱的密封、耐久及強度等性能。激光熔覆再制造的立柱性能比電鍍修復(fù)立柱的性能優(yōu)越，涂層與基體結(jié)合牢固、組織致密。

重慶大江工業(yè)公司自2011年起著手研究液壓支架油缸激光熔覆技術(shù)的可靠性和工藝性，經(jīng)過實驗、驗證及現(xiàn)場試驗，所采用的激光熔覆技術(shù)制造的產(chǎn)品性能優(yōu)于新制鍍鉻油缸，其保護層均勻致密，結(jié)合強度及韌性好，抗腐性能優(yōu)異，局部修復(fù)速度快，對環(huán)境無影響，使用壽命比普通立柱提高5～6倍，符合國家工信部關(guān)于清潔生產(chǎn)、綠色環(huán)保及安全可靠等方面要求。經(jīng)中科院沈陽金屬腐蝕研究所CASS檢測，激光熔覆后的試樣均達到8～9級標準[25]。

山東能源棗礦集團魯南裝備公司再制造了50架ZF7000液壓支架立柱，在使用壽命方面比普通處理立柱提高3倍以上。激光再制造與傳統(tǒng)的電鍍鉻相比不產(chǎn)生污染物的排放，節(jié)材在70%以上，節(jié)能達60%，經(jīng)濟和社會效益更好。

1.3在煤礦其他機械上的應(yīng)用

張愛東等[26]采用激光熔覆修復(fù)刮板輸送機，激光熔覆層整體均勻，針對母材特點配備金屬粉末，可以根據(jù)需要形成冶金結(jié)合。硬度達到HB550，激光熔覆后使用壽命提高2～3倍。

費可等[27]選用HANSGS-TEL-6000激光熔覆成套設(shè)備，采用五軸數(shù)控機床修復(fù)泵站輸入軸和電機轉(zhuǎn)子軸的軸承。五軸數(shù)控機床使操作過程數(shù)控化、焊接過程自動化，提升了焊接質(zhì)量。經(jīng)無損探傷后發(fā)現(xiàn)沒有焊接缺陷，熔覆層δ為0.25mm，硬度較高。

馮仕焱[28]對45鋼表面激光熔覆Ni60+15%WC復(fù)合粉末，利用ANSYS軟件的“生死單元”技術(shù)仿真分析溫度場。發(fā)現(xiàn)在熔覆過程中基體各點以固定的溫度伴隨著熱源前移，形成準穩(wěn)態(tài)溫度場。

結(jié)合我國煤礦機械上激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用情況，可以發(fā)現(xiàn)激光熔覆在采掘機械、液壓支護設(shè)備上的應(yīng)用較多。采掘機械中多用在截齒的端部處理，有效提高了截齒的抗疲勞強度及耐磨性。液壓支護設(shè)備的研究集中在立柱的表面處理上，其耐磨性尤其是耐腐蝕性能得到有效改善。而液壓支架油缸激光熔覆技術(shù)的應(yīng)用，可以提高油缸的使用壽命，減少泄漏，對于煤礦清潔生產(chǎn)、綠色環(huán)保有著重要的意義。

2　煤礦機械激光熔覆材料選擇

煤礦機械所堆焊的合金材料包括自熔合金以及復(fù)合粉末材料。自熔性合金材料按基體不同可分為鎳基合金、鈷基合金和鐵基合金。鐵基合金適用于局部耐磨損且容易變形的零件，涂層的基材采用鑄鐵和低碳鋼；鎳基合金適合于局部耐磨、耐熱腐蝕的零件，所需要的激光功率密度比熔覆鐵基合金高；鈷基合金涂層適合于耐磨耐腐蝕和抗疲勞的零件。在滑動、沖擊磨損和磨粒磨損嚴重的條件下，單純的鎳基、鈷基或鐵基自熔性合金已不能勝任使用的要求，此時可在自熔性合金粉末中加入各種高熔點的碳化物、氮化物、硼化物和陶瓷顆粒，制成復(fù)合涂層。而作為激光熔覆技術(shù)發(fā)展的熱點材料氧化物陶瓷粉末，在煤礦機械中的應(yīng)用還很少。

1)自熔性合金粉末。自熔性合金粉末對基材有較大的適應(yīng)性，包括各類合金鋼、碳鋼、不銹鋼和鑄鐵。但是對于含硫的鋼材，在基材與熔覆層交界面處形成一種低熔點的脆性物質(zhì)，易使熔覆層剝落。

朱培星等[6]對掘進機截齒熔覆分為以鐵元素、鈷元素和鎳元素為主。熔覆層以鐵元素和鈷元素為主的激光熔覆截齒磨損性更好，與母材的熔合性也更好。楊慶東[7]選用特種耐磨自熔性合金粉末對截齒端部錐面及刮板機易磨損部位進行激光強化，胡明福[9]對截齒合金頭部分進行激光熔覆處理，熔覆材料以鐵元素和鈷元素為主的ZGMn13-4，其抗沖擊、耐磨損的性能較好。以鈷元素為主的熔覆粉末效果更好。趙文強等[10]激光熔覆材料選用358鎳基自熔性粉末，對采煤機截齒端部涂覆合金耐磨層，提高了表面的耐磨性。孫曉鳴[16]采用Ni基自熔性合金粉末激光熔覆40Cr的密封套，由于耐磨性的提高形成了更好地密封性能。解文正等[18]采用Ni60合金粉末激光熔覆27SiMn鋼液壓支架試樣，熔覆層質(zhì)量較好。

為了提高煤礦機械的耐磨性及耐蝕性，激光熔覆涂層材料多采用Ni基、Co基和Fe基自熔合金。這些自熔性合金能獲得與基體結(jié)合優(yōu)良的致密涂層，其中Ni基自熔合金應(yīng)用較多，耐磨性能更佳，效果更好。

2)復(fù)合粉末。復(fù)合粉末包括自黏性復(fù)合粉末和碳化物粉末。按照結(jié)構(gòu)可分為包覆型和非完全包覆型，區(qū)別在于芯核粉末是否被包覆粉末包住。包覆型粉末由于芯核粉末未受到包覆粉末的保護，可以避免在高溫時發(fā)生部分元素的氧化燒損及揮發(fā)等現(xiàn)象。按照功能可分為硬質(zhì)耐磨復(fù)合粉末(如Co/WC，Ni/WC)、耐高溫復(fù)合粉末、耐腐蝕氧化復(fù)合粉末及減磨潤滑復(fù)合合金粉末等。

孫咸[8]首先采用TIG堆焊焊材方法將Ni60+WC材料堆焊在截齒刀頭防護部位，然后用高頻感應(yīng)法熔覆Ni60+WC涂層，硬度可達60～63HRC。楊盼等[13]在截齒表面激光熔覆高耐磨的鎳基鈷包碳化鎢(WC-Co)涂層，以Ni60B商用粉末為粘結(jié)相，納米WC-Co為增強相，截齒表面硬度提高了10%，耐磨性也獲得了提高。韓文靜等[20]以Ni60A+20%WC合金粉末激光熔覆27SiMn單體液壓支柱缸體用鋼制備熔覆層，耐磨性、顯微硬度和耐腐蝕性能均較好。馮仕焱[28]采用Ni60+15%WC復(fù)合粉末對45鋼表面進行激光熔覆，基體與熔覆層呈冶金結(jié)合。

綜合煤礦機械激光熔覆所選用自熔合金以及復(fù)合粉末材料應(yīng)用情況，激光熔覆涂層材料選用單純的Co基、Ni基或Fe基自熔性合金粉末已不能滿足煤礦機械耐磨損和耐腐蝕的要求，可考慮在其中添加高熔點的陶瓷顆粒[29-31]。由于WC顆粒具有高硬度、高熔點及良好的穩(wěn)定性的特點，且易于獲得，目前應(yīng)用較多。設(shè)計激光熔覆涂層要考慮多種影響因素，要綜合考慮使用要求和基體的情況來選擇熔覆材料。設(shè)計時除了追求涂層材料的使用性能，也要考慮涂層材料的涂覆工藝性，特別是與基體在熱物理性質(zhì)，如熱膨脹系數(shù)、熔點及濕潤性等是否存在著較好的匹配關(guān)系。特定工作環(huán)境與基體存在著最佳涂層合金[32-33]。

3　結(jié)　語

激光熔覆技術(shù)在提高采煤機械表面硬度、耐磨性及耐腐蝕性等性能方面有了一定的應(yīng)用，取得了顯著的效果，但還需進一步優(yōu)化熔覆材料的選擇和完善熔覆工藝參數(shù)?？蓪⒒w材料的良好的工藝性、強韌性與陶瓷材料抗氧化、優(yōu)異的耐蝕、耐磨和耐高溫特性有機結(jié)合起來。根據(jù)現(xiàn)場情況適當組合激光熔覆技術(shù)和其他的表面技術(shù)，使之得到良好的結(jié)合，進而獲得較好的應(yīng)用效果。

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doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.08.005

收稿日期：2016-03-01修回日期： 2016-04-04

中圖分類號：TG174.44

文獻標識碼：A

Research and Practice of Laser Cladding Technology Applied on Coal Mining Machinery in China

HAN Wenjing1， SONG Jinchao2， LIU Xuegong1,3， YU Wei1

(1.Department of Mining Engineering,Yongcheng Vocational College,Yongcheng 476600,China； 2.Department of Architectural Engineering,Yongcheng Vocational College,Yongcheng 476600,China;3.He'nan Energy and Chemical Industry Group,Yongchen Coal Company;Yongcheng 476600,China)

Abstract:According to the anti-wearing and anti-corrosion technical requirements of coal mining machinery,the practices of adopting laser cladding technology for improving the surface performance of coal mining machinery parts were summarized.The applications of the laser cladding technology on the cutting teeth,high-speed shaft of coal winning machine,hydraulic support and sealing gland of excavator were mainly introduced;the choice of laser cladding materials for coal mining machinery was also discussed.

Keyword:coal mining machinery; laser cladding; material; application