高端液壓支架用激光熔覆Fe基粉末設計與性能研究

丁紫陽

(鄭州職業技術學院新材料工程學院,河南 鄭州 450121)

液壓支架是煤礦開采的重要支護設備[1],主要用來對頂板進行支護,隔離采空區,保證采煤安全,現已成為機械化采煤必不可少的重要裝備之一。近年來,隨著煤炭開采技術的發展,高產高效礦井不斷涌現以及安全生產意識的提升,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,高端液壓支架應運而生。所謂高端液壓支架,是指具有高支護性能、高可靠性、長使用壽命的液壓支架,其本質是普通液壓支架的升級。激光熔覆技術作為一種先進的表面強化技術[2-3],能夠有效提高工件的表面性能,助力高端裝備制造。生產實踐表明,采用激光熔覆技術對液壓支架關鍵零部件如立柱、中缸等表面進行強化,可以在普通基體(27SiMn)上制備出高性能熔覆層,達到高端液壓支架耐磨損、耐腐蝕等技術要求,實現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,雖然實現了液壓支架關鍵零部件表面強化,但是受粉末限制,激光熔覆層存在質量不穩定、粉末元素作用發揮不充分的問題。針對此問題,本文對高端液壓支架用激光熔覆Fe基粉末進行設計和研究,旨在開發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基粉末設計

1.1 設計原則

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

(1)粉末與基材線脹系數匹配[4]

高端液壓支架用激光熔覆Fe基粉末的線脹系數要與液壓支架基材盡可能接近,這樣不僅有利于增強激光熔覆的工藝性,而且能夠降低激光熔覆層產生裂紋、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,導致熔覆層易產生孔洞和夾雜。

(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,容易產生夾雜和氣孔。由于高端液壓支架對熔覆層質量要求較高,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,在設計高端液壓支架用激光熔覆Fe基粉末時要根據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行粉末成分設計。

1.2 成分設計

根據高端液壓支架激光熔覆Fe基粉末設計原則,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。粉末成分設計如下表1所示。

表1 粉末成分設計 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,需要進行干燥處理。另外,水霧化法制粉工藝多了干燥環節,不僅會降低生產效率,而且會增加粉末制備成本。因此,按照表1設計的粉末成分,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 實驗設備及方法

2.1 實驗設備

實驗設備主要包括液壓支架激光熔覆設備、組織分析設備、性能檢測設備。其中液壓支架激光熔覆設備采用IJGR-4數控半導體激光熔覆設備,組織分析設備采用NikonMA100 倒置式金相顯微鏡,性能檢測設備采用HR-150A型洛氏硬度計、MLG-130型磨損試驗機、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處理、激光熔覆、機加工、金相實驗、硬度測試實驗、磨損實驗、鹽霧腐蝕實驗。對27SiMn工件基體進行表面預處理,清除表面的油污、銹蝕等雜質,將1#粉末、2#粉末、3#粉末、4#粉末分別裝入激光熔覆設備的送粉器中,設置激光熔覆參數進行激光熔覆。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,對試樣進行機加工后,采用線切割設備在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準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,并按照標準要求進行性能測試。

3 實驗結果及分析

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,四種粉末經激光熔覆后獲得的熔覆層組織主要由樹枝晶、等軸晶構成。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

粉末經激光熔覆后熔覆層表面硬度測試結果如下表3所示。

表3 粉末激光熔覆層表面硬度測試結果

由上表3可知,1#粉末、2#粉末、3#粉末、4#粉末經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,經激光熔覆后,激光熔覆層的硬度關系為: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,四種粉末經激光熔覆后,激光熔覆層的耐磨性關系為: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,激光熔覆過程中產生了固溶強化,增加了熔覆層的耐磨性[7]。因此,設計的三種粉末激光熔覆后具有更優異的耐磨損性能,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,粉末經激光熔覆后,激光熔覆層的耐腐蝕性關系為:3#粉末>1#粉末>2#粉末>4#粉末。這表明,設計的三種粉末激光熔覆后具有更優異的耐腐蝕性能。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,出現貧Cr區的傾向小,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 結論

(1)設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。開發的三種粉末相比市面常用的激光熔覆Fe基粉末調整了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量不穩定、粉末元素作用發揮不充分的問題。

(2)開發的三種高端液壓支架用激光熔覆Fe基粉末,經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、耐腐蝕性均優于4#粉末(市售常用粉末)激光熔覆層。在當前高端液壓支架需求量日益增大、嚴格控制材料、工藝成本的背景下,應用前景廣闊。三種粉末經激光熔覆后,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,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。