激光熔覆技術(shù)在液壓支架銷軸再制造中的應(yīng)用

楊昊彬，楊阿盼

（河南中車重型裝備有限公司煤機技術(shù)質(zhì)量部，河南義馬 472300）

0 引言

煤礦用液壓支架大修時，很多部件在經(jīng)過煤礦井下的濕熱、瓦斯、粉塵及煤炭自身的各種有害化學(xué)成分侵蝕、高強度地質(zhì)壓力作用等復(fù)雜條件下，長期使用后會出現(xiàn)非常嚴(yán)重的腐蝕、磨損、斷裂、變形等損壞，需要更換或再制造。其中結(jié)構(gòu)件的鉸接銷軸，作為主要受力和轉(zhuǎn)動零件，由于沒有軸承和封閉設(shè)計，與結(jié)構(gòu)件及進入配合間隙的礦物雜質(zhì)、水分長期強力摩擦和腐蝕，是損壞最嚴(yán)重的部件之一。在維修拆檢中發(fā)現(xiàn)，液壓支架所有銷軸都會出現(xiàn)不同程度的磨損、銹坑、犁坑現(xiàn)象，機械性能降低，情況嚴(yán)重的會出現(xiàn)彎曲、斷裂現(xiàn)象，報廢率超過80%（圖1）。

圖1 嚴(yán)重腐蝕、磨損的銷軸

制造液壓支架鉸接銷軸一般使用30CrMnTi、40Cr、30CrMnSiA 等合金結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)過淬火—回火熱處理后，強度和硬度可達(dá)到35～42 HRC。一般情況下，銷軸表面采用電鍍鋅工藝防腐，鍍鋅層厚度0.008～0.015 mm。正常情況下，銷軸的設(shè)計強度及壽命能夠滿足液壓支架的使用要求。然而在長期使用后，銷軸會出現(xiàn)非常嚴(yán)重的腐蝕、磨損甚至斷裂等嚴(yán)重?fù)p壞現(xiàn)象，導(dǎo)致故障率提升，液壓支架難以正常工作。液壓支架大修時需要更換大量新的銷軸，甚至由于銷軸嚴(yán)重生銹導(dǎo)致大修時液壓支架難以拆解，部分銷軸甚至需要用火焰切割進行破壞性拆解，從而大大提升維修成本。

借鑒于激光熔覆技術(shù)在液壓支架立柱[1]上的成功應(yīng)用，本文對激光熔覆技術(shù)在銷軸再制造方面的可行性進行分析和研究，以驗證激光熔覆技術(shù)能否解決液壓支架大修中更換銷軸成本過高的問題。

1 激光熔覆技術(shù)的材料和工藝

1.1 熔覆用合金粉末成分選擇

激光熔覆常用的合金粉末有基體合金粉末[2]、Fe 基合金粉末[3]、Ni 基合金粉末[4]等。

（1）基體合金粉末可以通過激光熔覆得到一層與基體化學(xué)成分相同、硬度更高的熔覆層[5]，使零件具備更好的耐磨性能，但是還需要對零件采取電鍍或其他防腐措施，如果應(yīng)用于銷軸再制造，則無法直接解決銷軸腐蝕問題。

（2）Fe 基合金熔覆層通常含有10.5%以上的Ni，以及Cr、Mo 等成分，形成各種不銹鋼熔覆層，使零件具有更好的耐腐蝕性。其中奧氏體不銹鋼可以通過機加工提高表面硬度[6]，如果選擇合適的熔覆金屬和工藝參數(shù)，能夠形成硬度較高的馬氏體不銹鋼[7]，使零件具有良好的耐磨性。通常情況下，F(xiàn)e 基激光熔覆層會形成一種包含奧氏體、鐵素體和馬氏體的多相合金，控制工藝參數(shù)和粉末化學(xué)成分配比，能得到各種不同性能的熔覆層。

（3）Ni 基合金粉末通過合適的激光熔覆工藝參數(shù)，熔覆層硬度可以達(dá)到771 HV0.2，熔覆層內(nèi)無氣孔，形成耐腐蝕和耐磨性能優(yōu)良的熔覆層[8]，是高性能零件的優(yōu)選方案。如果Ni 基合金粉末與WC 合金粉末混合熔覆，能夠形成更高硬度的復(fù)合熔覆層，但是Ni 和WC 的價格均較高，提升了激光熔覆的成本。

液壓支架銷軸設(shè)計硬度一般為35～42 HRC，維氏硬度為330～400 HV，因此熔覆層硬度應(yīng)大于該硬度，否則反而會降低銷軸的耐磨性能。由于激光熔覆技術(shù)是一個冶金過程，可以通過調(diào)整工藝參數(shù)改善合金微觀結(jié)構(gòu)，使基體合金粉末熔覆、Ni 基合金及Ni 基復(fù)合熔覆層都能達(dá)到此要求。其中Ni 基及其和WC的復(fù)合熔覆層比較容易獲得更高的硬度，而Fe 基合金粉末熔覆形成的不銹鋼，可以通過加大激光功率來提高熔覆層硬度，當(dāng)激光功率達(dá)到2.4 kW 時，熔覆層硬度可達(dá)到647.64 HV[9]，也能夠獲得非常好的耐磨性。

綜合以上3 種熔覆合金的特點，從性能和成本考慮，選擇Fe基合金激光熔覆不僅能滿足銷軸耐腐蝕、耐磨性能的要求，還具有較低的成本，比較適合用于液壓支架銷軸的再制造，是性價比較高的一種方案。

1.2 激光熔覆技術(shù)的選擇

目前可以選擇的激光熔覆技術(shù)有常規(guī)激光熔覆和超高速激光熔覆。有研究表明，超高速激光熔覆技術(shù)與常規(guī)激光熔覆技術(shù)在使用Fe 基合金熔覆時都能滿足液壓支架銷軸的耐磨性能和耐腐蝕性能要求，但是超高速激光熔覆技術(shù)獲得的熔覆層耐腐蝕耐磨性能更好[10]，而且超高速激光熔覆速率比常規(guī)激光熔覆的熔覆速率高40～100 倍，且熱影響區(qū)小，對基體的機械性能影響非常小，單層熔覆厚度比常規(guī)熔覆技術(shù)更小，應(yīng)優(yōu)先選擇。

第一，小學(xué)語文教學(xué)中經(jīng)典誦讀時間過短。當(dāng)下由于小學(xué)語文課堂教學(xué)時間有限，教師難以保證課堂教學(xué)中經(jīng)典誦讀所占的時間比重，長此以往學(xué)生會逐漸對經(jīng)典誦讀失去學(xué)習(xí)積極性與主動性。與此同時，經(jīng)典誦讀是一個長期不間斷的學(xué)習(xí)過程，但是小學(xué)階段大部分的經(jīng)典誦讀都是由教師組織進行的，很難保證經(jīng)典誦讀的連貫性與持續(xù)性，致使課堂教學(xué)效果與教學(xué)效率較低。

2 銷軸激光熔覆工藝流程

2.1 激光熔覆對象的挑選

液壓支架大修時，應(yīng)對拆解下來的銷軸進行嚴(yán)格挑選，沒有裂紋、斷裂和明顯彎曲等功能和性能嚴(yán)重?fù)p傷的舊銷軸，方可使用激光熔覆技術(shù)進行再制造。目前，激光熔覆技術(shù)還不能修復(fù)這些情況所造成的零件失效。

由于激光熔覆技術(shù)的成本較高，而新制銷軸的加工工藝較為簡單，可以核算和對比新制銷軸成本和激光熔覆成本，選擇一定大小范圍的銷軸進行激光熔覆。一般情況下，對直徑100 mm以上的銷軸進行激光熔覆的性價比相對更高。

2.2 銷軸再制造工藝流程

經(jīng)過挑選的銷軸，可按照車削→磨削→激光熔覆→磨削或車削的工藝流程進行再制造。

舊銷軸被嚴(yán)重腐蝕、磨損的表面經(jīng)過車削后，表面的凹坑、銹坑、劃傷、磨損、犁坑等損傷全部被車掉，如果設(shè)計熔覆層厚度在0.2 mm 以下時，采用高速激光熔覆技術(shù)，基體的表面粗糙度會影響熔覆層耐腐蝕性能[11]，此時須經(jīng)過磨削使機加工表面粗糙度低于Ra1.6 μm，在進行激光熔覆前，要保證被熔覆表面光滑、清潔，沒有任何銹跡、斑坑、污跡，以免對冶金過程造成不良影響。

經(jīng)過機加工處理后再對銷軸表面進行激光熔覆。根據(jù)需求選擇合適的合金粉末熔覆和激光熔覆技術(shù)，采用合適的激光功率、掃描速度、送粉速度等工藝參數(shù)，使合金粉末和基體形成良好的冶金結(jié)合。冶金形成的合金組織細(xì)密、均勻，無氣孔和裂紋，從而得到性能優(yōu)良的熔覆層。

初始的激光熔覆層表面粗糙度較高，需要再經(jīng)過車削或磨削機加工后，才能使銷軸達(dá)到設(shè)計直徑尺寸和粗糙度。采用超高速激光熔覆技術(shù)獲得的熔覆層表面粗糙度更低，厚度更薄，一般只需要磨削即可達(dá)到要求，而磨削的加工精度更高，獲得的表面粗糙度更低，能夠減少銷軸的摩擦，從而減緩銷軸的磨損。

3 熔覆銷軸性能試驗

使用Fe 基合金粉末和常規(guī)激光熔覆技術(shù)，對挑選出的舊銷軸進行熔覆修復(fù)，樣品檢測結(jié)果如下：

圖2 磨削后的激光熔覆層

（2）使用洛氏硬度計檢測銷軸各處的硬度在原設(shè)計硬度35～42 HRC 范圍。

（3）熔覆層硬度檢測。由于熔覆層比較薄（一般在3 mm以下），用超聲波硬度計[12]檢測熔覆層硬度不會損傷熔覆層，檢測結(jié)果顯示，F(xiàn)e 基合金熔覆層硬度均在350 HV 以上。結(jié)合之前的研究可知，調(diào)整合金配比和工藝參數(shù)，盡量使熔覆層組織包含更多的馬氏體，還可以得到更高硬度的Fe 基合金熔覆層，使銷軸具有比原設(shè)計新制銷軸更高的耐磨性。

（4）使用藍(lán)點法[13]對熔覆層進行孔隙率試驗，沒有發(fā)現(xiàn)任何裂紋和氣孔。

（5）24 h 和168 h 中性鹽霧試驗[14]結(jié)果顯示熔覆層未發(fā)生銹蝕，耐腐蝕性能符合預(yù)期要求。

由于激光熔覆所使用的Fe 基合金粉末主要成分為Fe、Ni、Mo、Cr 等，在銷軸表面形成的熔覆層為耐腐蝕性能良好的不銹鋼，而且熔覆層厚度遠(yuǎn)超通常使用的銷軸鍍鋅層的厚度（0.008～0.015 mm），而且熔覆層硬度高，較之鍍鋅層更不易磨損脫落，從而更好地保護銷軸，更加不容易被腐蝕，可以極大提高銷軸的使用壽命。

另外，激光熔覆技術(shù)還無法恢復(fù)舊銷軸的耐久性能，對于達(dá)到或接近疲勞壽命[15]的銷軸無法恢復(fù)其材料的使用壽命，如果不注意這種情況，在長期使用中，看似完好的銷軸仍有可能發(fā)生斷裂故障，因此在銷軸接近理論的疲勞極限時，仍需要更換新的銷軸。

4 結(jié)束語

經(jīng)過對激光熔覆技術(shù)所用的多種合金材料和兩種激光技術(shù)的分析對比得出，選擇Fe 基合金激光熔覆技術(shù)對液壓支架舊銷軸進行再制造，既可以減少電鍍這種高耗能、高污染的工藝，也能夠以較低的代價，修復(fù)煤礦井下嚴(yán)峻條件導(dǎo)致的銷軸磨損、腐蝕、犁坑缺陷，經(jīng)過激光熔覆再制造的銷軸，能夠獲得更好的耐磨耐腐蝕性能，減少液壓支架使用中的失效情況，更可以節(jié)省液壓支架的修理成本，是一種具備良好經(jīng)濟效益和社會效益的先進工藝技術(shù)，為液壓支架的大修再制造提供了一個更佳的選擇方案。