液压支架油缸维修再制造，激光熔覆工艺性价比更高

一、煤矿液压支架油缸维修和再制造的主要流程

煤机油缸修复再制造工艺主要应用于电镀铬工艺、冷弧焊接工艺和激光熔覆工艺。

(1)电镀铬是指在预处理后的基底金属表面沉积铬离子形成功能层的表面工程行为。电镀铬是制造和维护液压支柱和千斤顶的传统工艺。主要用于强化油缸的外圆工作面，涂层厚度一般为0.05 ~ 0.07毫米。

(2)冷弧焊工艺的本质是非金属惰性气体(氩弧焊)，国内厂家也称之为合金包覆或热丝冷弧焊。近年来，市场上出现了用冷弧焊不锈钢修复煤油缸外圆，用冷弧焊铜合金新制造或修复煤油缸内孔等现象。基于油缸维修对热变形的敏感性和生产效率的高要求，厂家改进了冷弧焊的操作参数和送丝方式，降低稀释率以减少底座变形，预热焊丝以提高焊接生产效率。

(3)激光熔覆工艺(Laser cladding process)是指用大功率激光束加热熔化预先设计成分的合金粉末，涂覆在经过预处理的金属基体表面，获得具有耐磨、耐腐蚀等特殊性能的功能层，并与基体形成冶金结合。近年来，随着光纤技术和激光技术的快速发展，激光熔覆铁基不锈钢技术广泛应用于煤机外筒的新型制造、维修和再制造中，同时在煤机筒内壁的新型制造、维修和再制造中迅速推广。

二、维修与再制造过程绩效对比分析

课题组分别采用三种工艺制作了试样，并对其显微组织和性能进行了对比分析。

(1)样块的基体材料为27SiMn和30CrMnSi，活塞杆为40Cr，热处理状态为调质，其中27SiMn应用较多。课题组选用27SiMn作为基体材料进行工艺对比试验，调质后硬度为240-280HB。

(2)工艺参数的选择

1)电镀工艺:镀硬铬，厚度0.05 ~ 0.07毫米..

2)冷弧焊接工艺:采用日本松下焊机，具体参数:弧电压22~28V，焊接电流220~310A，送丝速度7~12m/min，预留厚度0.5mm S215铝铁青铜(熔铜试样块)，316L不锈钢(内孔合金试样块)，自制ER806L马氏体不锈钢(外圆)

3)激光熔覆工艺:采用德国laserline激光器，功率3,000 W，光斑直径4*4mm，速度1800 ~ 2400mm/min，搭接率50%，预留厚度0.5 mm，熔覆材料为自制105C粉末(外层激光熔覆样块)和101粉末(内层激光熔覆样块)。

焊丝及粉末主要化学成分见表1：

（3）组织分析 利用电子显微镜观察外圆合金样块及外圆激光熔覆样块的显微组织形貌。

图1 外圆合金样块截面20倍组织形貌

图2 外圆激光熔覆样块截面20倍组织形貌

从显微组织图可以看出，圆柱形合金试块(冷弧焊)和圆柱形激光熔覆试块的结合是冶金结合。而冷弧焊热影响区的显微组织发生了变化，晶粒有烧穿和粗大的趋势，稀释区较大。微结构的这些变化将在一定程度上降低基底的整体强度。

图3 熔铜样块截面20倍组织形貌

图4 熔铜样块截面50倍组织形貌

图5 内孔合金样块截面20倍组织形貌

图6 内孔合金样块截面50倍组织形貌

图7 内孔激光熔覆样块截面20倍组织形貌

图8 内孔激光熔覆样块截面50倍组织形貌

从显微组织可以看出，内孔激光熔覆与内孔合金(冷弧焊)为冶金结合，内孔熔铜为半冶金结合。这是因为在20~300℃时，铜合金的线膨胀系数a=20.9×10-6/℃,碳钢的线膨胀系数a=(12.1-13.5)×10-6/℃。在热胀冷缩过程中，铜合金的变形量比碳钢大，铜合金的熔点一般为900~1050℃。焊接时基材散发大量热量，焊接区域难以达到熔化温度，造成假焊。其中内孔熔铜试样块金相组织中界面明显，说明熔铜工艺结合力略低。同样，激光熔覆的热影响区明显小于其他两种工艺，说明激光熔覆技术对基体的影响最小。

然后，对冷弧焊试样和激光熔覆试样的晶粒尺寸、组织和性能进行了分析。

图9 冷弧焊工艺样块微观组织及数据

冷焊工艺:

从图9a(相组成图)可以看出，涂层主要由Fe(FCC)相组成，而基体由Fe(BCC)相组成，基体与涂层之间存在相互扩散，即存在过渡区。

从图9b(反极图)和图9d(取向差角分布图)可以看出，涂层晶粒尺寸为17.0±20.0 μm，没有明显的择优取向。

从图9c(微区平均几何差)可以看出，涂层的KAM值为0.31，涂层的KAM值为1.64，这反映了表面修复后各自累积的残余应变。一般来说，残余应变越大，抵抗塑性变形的能力越强。

图10 激光熔覆工艺样块微观组织及数据

激光熔覆工艺；

从图10a(相组成图)可以看出，涂层主要由Fe(FCC)相组成，而基体由Fe(BCC)相组成，基体与涂层之间存在相互扩散，即存在过渡区。

从图10b(反极图)和图d(取向差角分布)可以看出，涂层的晶粒尺寸为10.3±13.7微米，没有明显的择优取向。激光熔覆后的晶粒尺寸更细，有利于细晶强化。

从图10c(微区平均几何差)可以看出，涂层的KAM值为0.66，涂层的KAM值为1.72，这反映了表面修复后各自累积的残余应变。激光熔覆后的KAM值较高，有利于抵抗塑性变形，提高耐磨性和硬度。

通过对晶粒尺寸和显微组织的详细分析，发现激光熔覆后晶粒尺寸更细小，有利于细晶强化。激光熔覆后的残余压应力较高，有利于抵抗塑性变形，提高耐磨性和硬度。

从显微组织图可以看出，激光熔覆和内孔冷弧焊均为冶金结合，内孔熔铜为半冶金结合。其中内孔熔铜界面明显，表明熔铜结合力略低于其他两种工艺。同样，激光熔覆的热影响区明显小于其他两种工艺，说明激光熔覆技术对基体的影响最小。

(4)极化曲线分析:用腐蚀测试仪测试不同试块在3.5%NaCl溶液中的极化曲线。偏振分析方法如图11所示。

图11 极化曲线分析方法示意图

在腐蚀热力学中，自腐蚀电位表示腐蚀的难易程度。自腐蚀电位越高，耐腐蚀性越好。自腐蚀电流表示腐蚀速率。自腐蚀电流越低，耐腐蚀性越好。

从极化曲线分析图12可以看出，激光熔覆的自腐蚀电位高于冷弧焊(圆柱形合金)，冷弧焊的自腐蚀电位高于镀铬。激光熔覆的自腐蚀电流低于冷弧焊，冷弧焊的自腐蚀电位电流低于镀铬。结果表明，激光熔覆的耐蚀性优于冷弧焊，冷弧焊的耐蚀性优于镀铬。

图12 外圆不同修复工艺样块在3.5%NaCl溶液中的极化曲线

从图13的极化曲线可以看出，激光熔覆的自腐蚀电位高于内孔合金，内孔合金的腐蚀电位高于熔融铜。激光熔覆的自腐蚀电流低于内孔合金，内孔合金的自腐蚀电位电流低于熔铜。说明激光熔覆的耐蚀性优于合金熔覆，合金熔覆的耐蚀性优于熔融铜，耐蚀性差异较大。总的来说，激光熔覆试样的耐蚀性优于冷弧焊试样。

图13 内孔不同修复工艺样块在3.5%NaCl溶液中的极化曲线

中性盐雾试验(NSS)用于评估模拟部件。如图14所示，96小时后，冷弧焊模拟部位开始腐蚀，而激光熔覆模拟未发现腐蚀。

图14 96h中性盐雾试验模拟件情况

1)耐磨性分析。用HY-32型超声波硬度计测量了冷弧焊和激光熔覆试样的硬度。结果如下:

表2 外圆冷弧焊与激光熔覆外圆样块超声波硬度对比 单位：HRC

表3 冷弧焊与激光熔覆内孔样块超声波硬度对比 单位：HBS

表明激光熔覆的实际硬度优于冷弧焊。

在相同的摩擦磨损试验条件下，冷弧焊试样的磨损率为-4.8 × 10-4 mm3 N-1 m-1，激光熔覆试样的磨损率为-1.2×10-4 mm3N-1m-1光。激光熔覆试样的磨损量仅为内孔熔覆铜合金试样的25%。

图15 试样磨损形貌图 (a)冷弧焊 (b)激光熔覆

第三，结论

综上所述，煤矿液压支架油缸的几种维修再制造工艺的技术性能可以归纳如下，如表4和表5所示。

表4 油缸维修工艺性能综合分析

表5 油缸维修工艺性能评价表

结论很明确:煤机油缸的维修再制造，电镀、冷弧焊、激光熔覆的对比分析，激光熔覆工艺性能更好，性价比更高。