高端液壓支架用激光熔覆Fe基粉末設(shè)計與性能研究

丁紫陽

(鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院新材料工程學(xué)院,河南 鄭州 450121)

液壓支架是煤礦開采的重要支護(hù)設(shè)備[1],主要用來對頂板進(jìn)行支護(hù),隔離采空區(qū),保證采煤安全,現(xiàn)已成為機(jī)械化采煤必不可少的重要裝備之一。近年來,隨著煤炭開采技術(shù)的發(fā)展,高產(chǎn)高效礦井不斷涌現(xiàn)以及安全生產(chǎn)意識的提升,對液壓支架的可靠性和性能要求不斷提高,普通的液壓支架已無法滿足煤礦開采的需求,高端液壓支架應(yīng)運(yùn)而生。所謂高端液壓支架,是指具有高支護(hù)性能、高可靠性、長使用壽命的液壓支架,其本質(zhì)是普通液壓支架的升級。激光熔覆技術(shù)作為一種先進(jìn)的表面強(qiáng)化技術(shù)[2-3],能夠有效提高工件的表面性能,助力高端裝備制造。生產(chǎn)實踐表明,采用激光熔覆技術(shù)對液壓支架關(guān)鍵零部件如立柱、中缸等表面進(jìn)行強(qiáng)化,可以在普通基體(27SiMn)上制備出高性能熔覆層,達(dá)到高端液壓支架耐磨損、耐腐蝕等技術(shù)要求,實現(xiàn)液壓支架的高端制造。激光熔覆層的性能主要取決于所選用的激光熔覆粉末,目前,液壓支架關(guān)鍵零部件激光熔覆普遍采用市售的通用型激光熔覆Fe基粉末,雖然實現(xiàn)了液壓支架關(guān)鍵零部件表面強(qiáng)化,但是受粉末限制,激光熔覆層存在質(zhì)量不穩(wěn)定、粉末元素作用發(fā)揮不充分的問題。針對此問題,本文對高端液壓支架用激光熔覆Fe基粉末進(jìn)行設(shè)計和研究,旨在開發(fā)出適用于不同工況條件、不同性能要求、性價比高的高端液壓支架用激光熔覆Fe基粉末,對降低激光熔覆Fe基粉末成本,提升液壓支架激光熔覆表面強(qiáng)化效果,推動液壓支架高端制造具有重要的研究意義。

1 高端液壓支架激光熔覆Fe基粉末設(shè)計

1.1 設(shè)計原則

為了保證激光熔覆后熔覆層具有良好的性能以及熔覆質(zhì)量,在設(shè)計高端液壓支架用激光熔覆Fe基粉末時,要遵循以下設(shè)計原則。

(1)粉末與基材線脹系數(shù)匹配[4]

高端液壓支架用激光熔覆Fe基粉末的線脹系數(shù)要與液壓支架基材盡可能接近,這樣不僅有利于增強(qiáng)激光熔覆的工藝性,而且能夠降低激光熔覆層產(chǎn)生裂紋、開裂的傾向。

(2)粉末與基材熔點匹配[5]

高端液壓支架用激光熔覆Fe基粉末的熔點要和液壓支架基材相適宜。如果粉末熔點過高,在激光熔覆過程中粉末熔化少,造成激光熔覆層稀釋率增大,不易獲得良好光潔度的熔覆層;如果粉末熔點過小,激光熔覆過程中粉末會過度燒損,導(dǎo)致熔覆層易產(chǎn)生孔洞和夾雜。

(3)粉末與基材潤濕性良好

粉末與基材的潤濕性是影響激光熔覆層性能的重要因素。潤濕性好,表面張力小,激光熔覆過程中熔池流動性好,更易獲得均勻、平整的熔覆層。因此,設(shè)計的高端液壓支架用激光熔覆Fe基粉末必須和液壓支架基材之間具有良好的潤濕性。

(4)具有脫氧、造渣功能

激光熔覆時,粉末在激光的作用下會熔化重新凝固,容易產(chǎn)生夾雜和氣孔。由于高端液壓支架對熔覆層質(zhì)量要求較高,不僅要求熔覆層氧化物含量低,而且要求氣孔率少,因此,在設(shè)計高端液壓支架用激光熔覆Fe基粉末時要添加脫氧、造渣的成分。

(5)滿足熔覆層使用性能

高端液壓支架用激光熔覆Fe基粉末主要用于液壓支架的表面激光熔覆強(qiáng)化,獲得符合高端液壓支架性能要求的表面熔覆層,因此,在設(shè)計高端液壓支架用激光熔覆Fe基粉末時要根據(jù)高端液壓支架的工作條件以及不同工況條件下的性能要求進(jìn)行粉末成分設(shè)計。

1.2 成分設(shè)計

根據(jù)高端液壓支架激光熔覆Fe基粉末設(shè)計原則,綜合考慮粉末的成本,粉末成分為Fe-Cr-C-B-Si-X。其中Cr含量主要影響耐蝕性,C在激光熔覆過程中與Fe、Cr、B、Ni等元素反應(yīng)形成Ni-Cr-Fe、BNi3、Fe-Ni固溶體等,主要影響硬度和耐磨性,B、Si含量主要影響脫氧、造渣、潤濕性能,X包含Mn、Ni、Mo等,主要用來改善粉末的性能。粉末成分設(shè)計如下表1所示。

表1 粉末成分設(shè)計 單位:%

1.3 粉末制備

目前,金屬粉末制備常采用霧化法,霧化法主要包括水霧化法、氣霧化法兩種。其中水霧化法是利用高壓水射流將熔融金屬霧化,氣霧化法是利用非活性氣體(例如N2、Ar)將熔融金屬霧化。水霧化法與氣霧化法制備粉末工藝流程對比如下圖1所示。

圖1 水霧化法與氣霧化法制備粉末工藝流程對比

由上圖1可知,氣霧化法制粉工藝中無需干燥流程,而水霧化法制粉工藝中由于采用水霧化,使用的高壓水射流容易造成粉末含水量過大,需要進(jìn)行干燥處理。另外,水霧化法制粉工藝多了干燥環(huán)節(jié),不僅會降低生產(chǎn)效率,而且會增加粉末制備成本。因此,按照表1設(shè)計的粉末成分,采用氣霧化法制備出1#,2#,3#粉末。由于粉末的耐磨、耐蝕等性能不易直接測量,通過測試粉末激光熔覆后激光熔覆層的性能反映粉末的耐磨、耐蝕等性能。

2 實驗設(shè)備及方法

2.1 實驗設(shè)備

實驗設(shè)備主要包括液壓支架激光熔覆設(shè)備、組織分析設(shè)備、性能檢測設(shè)備。其中液壓支架激光熔覆設(shè)備采用IJGR-4數(shù)控半導(dǎo)體激光熔覆設(shè)備,組織分析設(shè)備采用NikonMA100 倒置式金相顯微鏡,性能檢測設(shè)備采用HR-150A型洛氏硬度計、MLG-130型磨損試驗機(jī)、LRHS-412-RY鹽霧腐蝕試驗箱。

2.2 實驗材料

1#粉末、2#粉末、3#粉末、4#粉末(市售常用粉末),其中4#粉末(市售常用粉末)主要成分如下表2所示。

表2 4#粉末(市售常用粉末)主要成分 單位:%

2.3 實驗過程

實驗過程主要包括工件預(yù)處理、激光熔覆、機(jī)加工、金相實驗、硬度測試實驗、磨損實驗、鹽霧腐蝕實驗。對27SiMn工件基體進(jìn)行表面預(yù)處理,清除表面的油污、銹蝕等雜質(zhì),將1#粉末、2#粉末、3#粉末、4#粉末分別裝入激光熔覆設(shè)備的送粉器中,設(shè)置激光熔覆參數(shù)進(jìn)行激光熔覆。激光熔覆后得到1#粉末激光熔覆試樣,2#粉末激光熔覆試樣、3#粉末激光熔覆試樣、4#粉末激光熔覆試樣,對試樣進(jìn)行機(jī)加工后,采用線切割設(shè)備在1#粉末激光熔覆試樣、2#粉末激光熔覆試樣、3#粉末激光熔覆試樣、4#粉末激光熔覆試樣表面按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 230.1-2018、JB/T 7705-1995、GB/T 10125-2021依次制得硬度測試試樣、磨損測試試樣、鹽霧腐蝕試樣,并按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行性能測試。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 組織對比

不同粉末激光熔覆層顯微組織對比如下圖2所示。

由上圖2可知,四種粉末經(jīng)激光熔覆后獲得的熔覆層組織主要由樹枝晶、等軸晶構(gòu)成。1#粉末、2#粉末、3#粉末激光熔覆層顯微組織相比4#粉末激光熔覆層組織更加均勻、有序、致密,更有利于獲得性能穩(wěn)定的激光熔覆層。

(a)1#粉末激光熔覆層顯微組織

(b)2#粉末激光熔覆層顯微組織

(c)3#粉末激光熔覆層顯微組織

(d)4#粉末激光熔覆層顯微組織圖2 粉末激光熔覆層顯微組織對比

3.2 性能分析

(1)硬度

粉末經(jīng)激光熔覆后熔覆層表面硬度測試結(jié)果如下表3所示。

表3 粉末激光熔覆層表面硬度測試結(jié)果

由上表3可知,1#粉末、2#粉末、3#粉末、4#粉末經(jīng)激光熔覆后試樣表面硬度平均值分別為47.18 HRC、 52.16 HRC、57.58 HRC、49.22 HRC。由此可見,經(jīng)激光熔覆后,激光熔覆層的硬度關(guān)系為:3#粉末>2#粉末>4#粉末>1#粉末,既有用于高硬度場合的粉末,也有用于低硬度場合的粉末,符合開發(fā)出針對不同工況條件、不同性能要求的高端液壓支架用激光熔覆Fe基粉末的目的。2#粉末、3#粉末激光熔覆層硬度更高主要原因是粉末中添加了更多的C、B、Si、Ni等元素,激光熔覆后形成了更多高硬度的硼化物、碳化物等[6]。

(2)耐磨性

粉末激光熔覆層與基材磨損實驗測試結(jié)果如下圖3所示。

(a)1#粉末激光熔覆層與基材磨損失重量

(b)2#粉末激光熔覆層與基材磨損失重量

(c)3#粉末激光熔覆層與基材磨損失重量

(d)4#粉末激光熔覆層與基材磨損失重量圖3 粉末激光熔覆層與基材磨損實驗測試結(jié)果

由圖3可知,四種粉末激光熔覆層磨損失重量均小于基材,相同實驗條件下,激光熔覆層磨損失重量越少,表明激光熔覆層耐磨性越好。圖3(a)中,基材磨損失重量約為0.65 g,1#粉末激光熔覆層磨損失重量約為0.3 g,相同實驗條件下,1#粉末激光熔覆層磨損失重量約為基材的6/13,表明1#粉末激光熔覆層耐磨性約為基材的2.2倍。圖3(b)中,基材磨損失重量約為0.66 g,2#粉末激光熔覆層磨損失重量約為0.25 g,在相同實驗條件下,2#粉末激光熔覆層磨損失重量約為基材的25/66,表明2#粉末激光熔覆層耐磨性約為基材的2.6倍。圖3(c)中,基材磨損失重量約為0.65 g,3#粉末激光熔覆層磨損失重量約為0.2 g,在相同實驗條件下,3#粉末激光熔覆層磨損失重約為基材的4/13,表明3#粉末激光熔覆層耐磨性約為基材的3.25倍。圖3(d)中,基材磨損失重量約為0.64 g,4#粉末激光熔覆層磨損失重量約為0.35 g,相同實驗條件下,4#粉末激光熔覆層磨損失重量約為基材的35/64,表明4#粉末激光熔覆層耐磨性約為基材的1.82倍。由此可見,四種粉末經(jīng)激光熔覆后,激光熔覆層的耐磨性關(guān)系為:3#粉末>2#粉末>1#粉末>4#粉末。主要原因是1#粉末、2#粉末、3#粉末相比4#粉末,不僅含有更多的C、B、Si元素,而且含有Ni、Nb、Mo、V,激光熔覆過程中產(chǎn)生了固溶強(qiáng)化,增加了熔覆層的耐磨性[7]。因此,設(shè)計的三種粉末激光熔覆后具有更優(yōu)異的耐磨損性能,更適合于高端液壓支架用激光熔覆。

(3)耐腐蝕性

粉末激光熔覆層與基材鹽霧腐蝕實驗測試結(jié)果如下圖4所示。

(a)1#粉末激光熔覆層與基材腐蝕失重量

(b)2#粉末激光熔覆層與基材腐蝕失重量

(c)3#粉末激光熔覆層與基材腐蝕失重量

(d)4#粉末激光熔覆層與基材腐蝕失重量圖4 粉末激光熔覆層與基材鹽霧腐蝕實驗測試結(jié)果

由圖4可知,四種粉末激光熔覆層鹽霧腐蝕實驗腐蝕失重量均小于基材,相同實驗條件下,激光熔覆層腐蝕失重量越少,表明激光熔覆層耐腐蝕性越好。圖4(a)中,基材腐蝕失重量約為0.45 g,1#粉末激光熔覆層腐蝕失重量約為0.18 g,相同實驗條件下,1#粉末激光熔覆層腐蝕失重量約為基材的2/5,表明1#粉末激光熔覆層耐腐蝕性約為基材的2.5倍。圖4(b)中,基材腐蝕失重量約為0.44 g,2#粉末激光熔覆層腐蝕失重量約為0.21 g,相同實驗條件下,2#粉末激光熔覆層腐蝕失重量約為基材的21/44,表明2#粉末激光熔覆層耐腐蝕性約為基材的2.1倍。圖4(c)中,基材腐蝕失重量約為0.45 g,3#粉末激光熔覆層腐蝕失重量約為0.08 g,相同實驗條件下,3#粉末激光熔覆層腐蝕失重量約為基材的8/45,表明3#粉末激光熔覆層耐腐蝕性約為基材的5.6倍。圖4(d)中,基材腐蝕失重量約為0.46 g,4#粉末激光熔覆層腐蝕失重量約為0.24 g,相同實驗條件下,4#粉末激光熔覆層腐蝕失重量約為基材的12/23,表明4#粉末激光熔覆層耐腐蝕性約為基材的1.9倍。由此可見,粉末經(jīng)激光熔覆后,激光熔覆層的耐腐蝕性關(guān)系為:3#粉末>1#粉末>2#粉末>4#粉末。這表明,設(shè)計的三種粉末激光熔覆后具有更優(yōu)異的耐腐蝕性能。3#粉末激光熔覆層耐腐蝕性最好,主要原因是Cr含量對Fe基粉末激光熔覆層的耐腐蝕性有重要的影響[8],3#粉末中Cr含量高,其激光熔覆層的富Cr化合物多,出現(xiàn)貧Cr區(qū)的傾向小,并且3#粉末中含有更多的Ni、Nb、Mo、V,有利于耐蝕性的提升。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計的三種用于高端液壓支架激光熔覆的激光熔覆Fe基粉末主要成分為Fe-Cr-C-B-Si-X,并且采用氣霧化法制備出三種粉末。開發(fā)的三種粉末相比市面常用的激光熔覆Fe基粉末調(diào)整了C、Cr、Ni、Mn的含量,并且添加了不同量的Nb、Mo、V、B,解決了市面常用粉末激光熔覆層質(zhì)量不穩(wěn)定、粉末元素作用發(fā)揮不充分的問題。

(2)開發(fā)的三種高端液壓支架用激光熔覆Fe基粉末,經(jīng)激光熔覆后熔覆層組織致密,性能相比基材得到提升,其中耐磨性為基材的2.2倍以上,耐腐蝕性為基材的2.1倍以上,耐磨性、耐腐蝕性均優(yōu)于4#粉末(市售常用粉末)激光熔覆層。在當(dāng)前高端液壓支架需求量日益增大、嚴(yán)格控制材料、工藝成本的背景下,應(yīng)用前景廣闊。三種粉末經(jīng)激光熔覆后,硬度3#粉末>2#粉末>1#粉末,耐磨性能3#粉末>2#粉末>1#粉末,耐腐蝕性能3#粉末>1#粉末>2#粉末。3#粉末綜合性能最優(yōu),可用于高惡劣工況條件下的高端液壓支架。在實際使用過程中,為保證性價比,要根據(jù)高端液壓支架激光熔覆的性能要求及使用工況,合理選擇激光熔覆Fe基粉末。