掘進(jìn)機(jī)密封套的激光熔覆

孫曉鳴 王文軍

（1北方重工集團(tuán)有限公司煤礦機(jī)械分公司，遼寧 沈陽 110141;2.遼寧裕通激光應(yīng)用技術(shù)工程有限公司，遼寧 沈陽 110168）

1 概述

掘進(jìn)機(jī)是集切割、裝運和行走于一體的綜合掘進(jìn)設(shè)備。掘進(jìn)機(jī)在切割、裝載、轉(zhuǎn)運過程中會產(chǎn)生粉塵，工作面通風(fēng)、切割頭旋轉(zhuǎn)以及煤巖下落形成的風(fēng)流作用也會產(chǎn)生粉塵，它呈懸浮狀態(tài)并隨著工作面風(fēng)流擴(kuò)散。粉塵不僅危害工人的身體健康,而且對掘進(jìn)機(jī)各個部件都會造成一定的危害,同時煤巷中的大量粉塵會引起爆炸。研究表明,95%左右的呼吸性粉塵由切割工序產(chǎn)生,因此在掘進(jìn)機(jī)切割頭上采用內(nèi)噴霧是行之有效的方法,而內(nèi)噴霧效果的好壞主要取決于內(nèi)噴霧水路的結(jié)構(gòu)是否合理以及內(nèi)噴霧水密封的可靠性。

現(xiàn)有懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)中內(nèi)噴霧水路的結(jié)構(gòu)基本相同,都是采用水路從切割臂中穿過,經(jīng)過切割主軸通向切割頭,從而由切割頭上的噴嘴噴出降低切割時產(chǎn)生的粉塵。切割電機(jī)通過減速器帶動切割主軸使切割頭旋轉(zhuǎn)，切割主軸上安裝有滾動軸承,軸承需要潤滑，因此在切割臂的空腔中有潤滑油，這就要求內(nèi)噴霧水路要有可靠的水密封。切割臂內(nèi)部的水密封是依靠套裝到密封套外表面的旋轉(zhuǎn)格萊密封圈將噴霧水與潤滑油分隔開的，旋轉(zhuǎn)格萊密封圈與密封套在相對運動中表層材料不斷損傷產(chǎn)生磨損，因此需要密封套表面應(yīng)具有有較高的硬度及耐磨性，防止水密封失效。一旦旋轉(zhuǎn)密封件失效，一方面內(nèi)噴霧系統(tǒng)無法正常工作，另一方面高壓水進(jìn)入截割臂的內(nèi)部，與潤滑軸承的潤滑油混合到一起，使?jié)櫥腿榛瑢S承造成影響。

2 掘進(jìn)機(jī)密封套的高頻感應(yīng)淬火

大功率掘進(jìn)機(jī)密封套目前多采用GCr15表面高頻感應(yīng)淬火使之硬度達(dá)到規(guī)定的HRC58-62。即將密封套放在感應(yīng)器中，當(dāng)感應(yīng)器中通過交變電流時，在感應(yīng)器周圍產(chǎn)生與電流頻率相同的交變磁場，在工件中相應(yīng)地產(chǎn)生了感應(yīng)電動勢，在工件表面形成感應(yīng)電流，即渦流。這種渦流在密封套的電阻的作用下，電能轉(zhuǎn)化為熱能，使密封套表面溫度達(dá)到淬火加熱溫度，從而實現(xiàn)表面淬火。由于密封套壁厚較薄且有臺間，高頻感應(yīng)淬火后時有硬度不足、有軟點或端部出現(xiàn)軟帶、淬火裂紋、畸變現(xiàn)象發(fā)生。掘進(jìn)機(jī)工作一段時間后旋轉(zhuǎn)格萊密封圈的密封性能下降，內(nèi)噴霧失效。研究一種使密封套表面經(jīng)處理后具有極高的硬度及耐磨性且缺陷少的工藝方法勢在必行。

3 掘進(jìn)機(jī)密封套的激光熔覆

3.1 激光熔覆的用途

激光熔覆是一種新型的涂層技術(shù)，是涉及到光、機(jī)、電、材料、檢測與控制等多學(xué)科的高新技術(shù)，可以解決傳統(tǒng)制造方法不能完成的難題，是國家重點支持和推動的一項高新技術(shù)。世界上各工業(yè)先進(jìn)國家對激光熔覆技術(shù)的研究及應(yīng)用都非常重視。目前，激光熔覆技術(shù)已成為新材料制備、金屬零部件快速直接制造、失效金屬零部件綠色再制造的重要手段之一，已廣泛應(yīng)用于航空、石油、汽車、機(jī)械制造、船舶制造、模具制造等行業(yè)。

3.2 激光熔覆的原理

激光熔覆技術(shù)是指以不同的填料方式在被涂覆基體表面上放置選擇的涂層材料，經(jīng)激光輻照使之和基體表面一薄層同時熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結(jié)合的表面涂層，從而顯著改善基體材料表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電器特性等的工藝方法。

3.3 激光熔覆的特點

（1）冷卻速度快（高達(dá)106K/s），屬于快速凝固過程，容易得到細(xì)晶組織或產(chǎn)生平衡態(tài)所無法得到的新相，如非穩(wěn)相、非晶態(tài)等。

（2）涂層稀釋率低（一般小于5%），與基體呈牢固的冶金結(jié)合或界面擴(kuò)散結(jié)合，通過對激光工藝參數(shù)的調(diào)整，可以獲得低稀釋率的良好涂層，并且涂層成分和稀釋度可控。

（3）熱輸入和畸變較小，尤其是采用高功率密度快速熔覆時，變形可降低到零件的裝配公差內(nèi)。

（4）粉末選擇幾乎沒有任何限制，特別是在低熔點金屬表面熔敷高熔點合金。

（5）熔覆層的厚度范圍大，單道送粉一次涂覆厚度在0.2-2.0mm。

（6）能進(jìn)行選區(qū)熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能價格比。

（7）光束瞄準(zhǔn)可以使難以接近的區(qū)域熔敷。

（8）工藝過程易于實現(xiàn)自動化。

3.4 掘進(jìn)機(jī)密封套激光熔覆的實施方式

將已加工好的材料為40Cr的密封套固定在數(shù)控二維五軸聯(lián)動加工工作臺上，Ni基自熔性合金粉末（由 Cr、B、Si、C、Fe、Ni組成）放置在送粉器里，送粉機(jī)構(gòu)中的載流氣體將Ni基自熔性合金粉末輸送至密封套表面，同時利用CO2激光器產(chǎn)生的高能量密度激光束將Ni基自熔性合金快速熔化，直接堆積形成非常致密的熔覆層。熔覆工藝參數(shù)為：激光功率 p＝3000～4000W，掃描速度 v＝7～12mm／s，光斑尺寸≈5mm。每道搭接量為激光光斑直徑的35～50%，在數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺上進(jìn)行多道掃描。熔覆層與密封套基體呈現(xiàn)原子冶金結(jié)合，從而使密封套表面獲得高的硬度及耐磨性。密封套基體材料采用40Cr，它是一種常用的調(diào)質(zhì)鋼，具有較高的強(qiáng)、韌、塑性配合，經(jīng)常用來制造在重載荷和沖擊下工作的耐磨件；Ni基自熔性合金粉末（由 Cr、B、Si、C、Fe、Ni組成）耐磨性、耐蝕性、抗滑動磨損性好。由于激光功率高，掃描作用時間短，熔覆層和基體表層加熱后熔化速度快，急速冷卻時過冷度大，一方面熔池中的合金元素能迅速形成多種化合物而增加非自發(fā)晶核的數(shù)量，使形核率大為提高，形成細(xì)小均勻的顯微組織，而40Cr鋼基材組織較粗大，從而產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化。組織細(xì)密可提高晶界結(jié)合力，增強(qiáng)材料強(qiáng)度和韌性，為獲得高硬度提供了保證，另一方面，熔覆層內(nèi)存在的Cr23C6、Ni3B、Ni3Si等硬質(zhì)相使得熔覆層硬度增加。顆粒相的彌散強(qiáng)化、合金元素的固溶強(qiáng)化和馬氏體相變強(qiáng)化對熔覆層顯微硬度的提高也有一定作用。隨著密封套表面的硬度的大幅提高，在磨損過程中原子不易發(fā)生轉(zhuǎn)移，而硬度較低的心部為表層提供了相對較好的韌塑性，在表層受力時能夠在一定范圍內(nèi)以彈性變形的方式減少表層破壞的幾率，宏觀上表現(xiàn)為耐磨性的提高。在激光熔覆后，Ni基自熔性合金粉末中存在的大量合金元素大量溶入枝晶產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，形成大量共晶化合物產(chǎn)生第二相強(qiáng)化，使得耐磨性增強(qiáng)。

結(jié)語

采用激光熔覆的密封套，密封套熔覆層組織細(xì)密、性能優(yōu)異、熱應(yīng)力小、變形小，與密封套基體呈現(xiàn)原子冶金結(jié)合，使得密封套表面硬度高，耐磨性強(qiáng)。激光束的功率、位置和形狀等能夠精確控制，所以無軟帶、軟點現(xiàn)象，能極大地提高旋轉(zhuǎn)格萊密封圈的密封能力，解決掘進(jìn)機(jī)內(nèi)噴霧失效問題，減少維修費用，延長整機(jī)使用壽命。

[1]邱星武.NI基大面積激光熔覆涂層制備工藝及組織性能研究.論文天下，2008.

[2]唐英，楊杰.激光熔覆鎳基粉末涂層的研究，熱加工工藝，2004.

[3]高承興,史成建.掘進(jìn)機(jī)內(nèi)噴霧水路結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，煤礦機(jī)械，2008.