液压支架立柱表面修复技术的研究.pdf

2 0 1 5 年第7 期 中州煤炭 总第 2 3 5 期 液压支架立柱 表面修 复技术 的研 究 许 兴波 ， 黎 文强 ， 丁紫 阳 ， 王腾 飞 ， 韩光 普 1 ． 郑煤集 团白坪煤业有 限公 司， 河南 登封4 5 2 4 8 3 ； 2 ． 河南省 煤科 院耐磨技 术有限公 司， 河南 郑 州4 5 0 0 0 1 摘要 为 了提高液压支架立柱 的耐磨蚀性 能， 分别采用激光熔覆技术和等 离子熔覆技术对立柱表 面进行修 复 强化处 理。结合立柱 失效形式 ， 对 比分析 了 2种熔覆工 艺以及熔覆层 的硬度 、 耐磨性 能和耐蚀 性 能等性能 。 结果表 明 2种熔覆 技术均能显著提高立柱 表面综合 性能 ， 有效 延长 了立柱使用 寿命 ， 创造 了良好 的经济 效 益和社会效益。 关键词 液压支架立柱 ； 激光熔覆 ； 等 离子熔覆 中图分类号 T D 3 5 5 ． 4 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 5 0 7 0 0 9 5 0 3 Re s e a r c h o n Su r f a c e Re p a i r Te c hn o l o g y o f Hy d r a ul i c S up po r t Co l u m n Xu Xi n g b o ， Li W e n q i a ng ， Di n g Z i y a n g ， W a n g Te n g i ， Ha n Gu a ng p u 1 ． B a ip i n g C o a l Mi n e ， Z h e n g z h o u C o a l I n d u s t r y G r o u p C o ． ， D e n g f e n g 4 5 2 4 8 3 ， C h i n a ； 2 ． He n a n Me i Ke Y u a n We a r r e s i s t i n g T e c h n o l o g y C o ．， L t d ．， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 1 ， C h i n a Abs t r ac t To i mp r o v e t h e we a r r e s i s t a n c e a n d c o r r o s i o n r e s i s t a nc e o f h y d r a u l i c s u p po r t c o l u mn， t he l a s e r c l a dd i ng a nd p l a s ma c l a d d i n g t e c hn o l o g y we r e r e s pe c t i v e l y u s e d t o r e pa i r a nd s t r en g t h e n t h e c o l umn s u rfa c e ． Co mb i n e d wi t h t h e f a i l u r e f o r ms o f t h e p i l l a r ， t wo ki n ds o f c l a dd i n g pr o c e s s a n d t he i r c l a d di ng l a y e r s we r e s t ud i e d， i nc l u di ng t he i r h a r d ne s s， we a r r e s i s t a n c e a n d c o r r o s i o n r e s i s t a nc e ． The r e s ul t s s h o w t h a t ， t h e t wo t y pe s o f c l a d di n g t e c hn o l o g y c a n s i gn i fic a n t l y i mp r o v e t h e c o mp r e he n s i v e pe rfo r ma n c e o f c o l umn s u rfa c e， a n d pr o l o n g i t s wo r k i n g l i f e ． Mo r e o v e r ， t h e a pp l i c a t i o n o f t h e l a s e r c l a d di ng t e c h no l o g y h a s a c h i e v e d e c o n o mi c a n d s o c i a l b e ne fit s ． Ke y wor d s h y d r a u l i c s u p po r t c o l umn； l a s e r c l a d di n g； p l a s ma c l a d d i n g 液压支架是煤矿综采面的核心设备 ， 能够安全 可靠地支撑和控制整个 回采工作面 ， 隔离开采区， 有 效保 证 开采 工作 的安 全 顺 利 进 行 ； 立 柱 是液 压 支 架 的关 键 承载部 件 ， 承 载综 采 面顶 板 作用 于 液压 支 架 的载荷 并传递 到 底 座上 ， 且 长 期 在 井 下 复 杂恶 劣 的 酸 、 碱性腐蚀介质 中工作 ， 会 出现腐蚀 、 划伤等缺陷 而 造成 液压 支架 失 效 。 因此 ， 研 究 液 压 支架 立 柱 表 面 修复 工艺 ， 全 面提 升 立 柱 表 面 的耐 磨 、 耐 蚀 、 抗 冲 击性能 ， 延长立柱使用寿命 ， 具有较好的经济效益和 社会 价值 。 目前 ， 国内液 压 支架 立 柱 表 面修 复 技 术 主要 采 用传统的电镀硬铬工艺 ， 但是该工艺修 复后 的立柱 使用寿命较短 、 可修复次数少且存在环境污染危害 身体 健康 等 问题 ， 不 符 合 国家 当前 倡 导 的节 能 、 环 保 、 减排 的政 策要 求 ， 因此 ， 亟 需 一 种绿 色环 保 的立 收稿 日期 2 0 1 5 0 51 8 作者简介 许兴 波 1 9 6 8 一 ， 男 ， 山东东 明人 ， 助理工程 师 ， 1 9 9 8年 毕业于郑州煤炭干部 管理学 院， 现从事煤炭机电管理工作。 柱表面修复技术替代电镀技术。最近几年兴起 的等 离子熔 覆技 术 和激 光熔 覆 技 术 ， 均具 有 熔 覆 层 与基 体结合牢固、 组织致密等优点 ， 而且修复后 的立柱性 能远优 于经 电镀 修 复 的立 柱性 能 ， 因而 受 到 广 泛 的 关注和大力的推广。本文对液压支架立柱等离子表 面修复技术和激光表面修复技术进行了对 比研究。 1 液压支架立柱失效形式分析 1 ． 1液 压支 架立 柱材 质 目前 ， 国 内矿 用液 压 支架 立 柱 的材 料 为 2 7 S i Mn 钢 ， 其 主要化 学成 分见 表 1 。 1 ． 2液压支 架 立柱失 效形 式 由于井 下 复 杂 特 殊 的工 作 环 境 湿 度 大 相 对 湿 度 7 5 ％ 以上 ， 加上 含 S 一 等腐 蚀 物质 的粉尘 较 多 以及井下空气中含有 s O 、 H s等有毒有害气体 ， 形 成 了井 下复 杂特 殊 的酸 、 碱 性腐 蚀介 质 的工作 环境 ， 立柱作为液压支架的主要 承载部件 ， 在长期服役过 程 中 ， 其表 面承受 冲击 和腐 蚀等 作用 ， 会 出现不 同程 95 2 0 1 5年第 7 期 中州煤炭 总第 2 3 5期 表 1 立柱材 料 2 7 S i Mn主要化学成分 w t ． ％ 元素 含量／ ％ 元素 含量／ ％ C O ． 2 6～0 ． 3 2 N； ≤ 0 ． 3 0 S i l ．1 O一1 ． 4 0 P ≤ 0 ． 0 4 Mn 1 ．1 0～1 ． 4 0 S ≤ 0 ． 0 4 V 0 ． 0 70 ． 1 2 度 的锈蚀 、 麻 坑等 缺 陷 ， 影 响 密 封性 ， 造成 立 柱 在 使 用过程中失效； 另外 ， 液压支架立柱在使用过程中， 因局部磕 碰 或 煤 渣 颗 粒使 立 柱 表 面 磨 损 划 伤 而 失 效。因此 ， 腐蚀和磨损是煤矿用液压支架立柱失效 的主要 形式 。 2 等 离子熔 覆和激 光熔 覆技 术 等离子熔覆 技术和激光熔 覆技术工作原理类 似 ， 利用 高 能离子 束／ 激光束 将基 材表 面金 属和熔 覆 材 料 同时熔 化 ， 并 发生 复 杂的物 理化学 反 应 ， 原 位形 成 表 面熔覆 合金 层 。 2 ． 1 修 复 工艺对 比 对液压支架立柱表面分别采用等离子熔覆和激 光熔覆技术进行耐磨处理， 耐磨熔覆层与立柱基材 2 7 S i Mn钢结 合牢 固 ， 均 呈 深 度 冶 金 结 合 ， 且 熔 覆 层 组 织 紧密 ， 二者 熔覆工 艺 如下 1 等离子熔覆 。①对立柱 除锈 去污， 去疲 劳 层； ②等离子熔覆 ； ③熔覆缺陷修补 ； ④立柱校直； ⑤ 机械 车削加 工 。 2 激光熔覆。①清理立柱表面油污， 去表层 ； ②激光熔覆； ③熔覆缺陷修补 ； ④机械加工。 从工 艺 流 程 可看 出 ， 液 压 支架 立 柱 表 面等 离 子 熔覆 工艺 相 比激光 熔 覆 工 艺 ， 多 了一 道 对 立 柱校 直 处理 的工序。这是 由于等离子熔覆热输入量大， 立 柱易 变形 ， 如果 不进 行校 直 ， 可能造 成液 压支 架立 柱 与缸 体装 配不 当 ， 甚 至 出现无 法装 配 的现 象 ， 因此 必 须对 等离 子熔 覆处 理 的立柱进 行校 直处 理 。在熔 覆 过程 中 ， 通过对 立柱 表 面进行 温度 测定 ， 发现 等离 子 熔覆 中的立柱 表面 温度 在 2 5 0 3 5 0℃ ， 远 远高 于激 光熔 覆立 柱表 面 的温度 1 0 0～1 5 0℃ ， 充 分 表 明激 光 熔覆技术热输人量小、 工件不易变形的特点 。 2 ． 2熔 覆层 性能对 比 分别利用等离子熔覆技术和激光熔覆技术对液 压支架立柱表面进行强化处理 ， 所用熔覆材料为 自 主研 发 的铁基 自熔 性 合 金 粉 末 ， 对 2种 表 面熔 覆 层 分别进行硬度测试 、 磨损测试和腐蚀试验测试 ， 其硬 度测 试结 果 见表 2 。 9 6 表 2熔 覆层硬度HR C 工艺 1 2 3 4 平均值 等离子熔覆层 5 2 ． 0 5 4 ． 5 5 6 ． 6 5 6 ． 0 5 4 ． 7 激光熔覆层 5 5 ． 8 5 7 ． 2 5 5 ． 6 5 4 ． 9 5 5 ． 8 磨损试验是以磨粒磨损方式进行测试 ， 试验参 数为加载力 4 5 N， 磨损 2 0 0 0转 ， 转速 2 0 0 r ／ mi n ， 其 磨 损测试 结果 见表 3 。 表 3熔覆层磨损试 验 腐蚀试验是在 中性盐雾环境模拟试验条件下进 行 的， 盐雾试验箱试验参数 腐蚀溶液 N a C 1 为 5 ％ l ％ 5 0 g ／ L ； p H值为 6 ． 57 ． 0 ； 盐雾箱内温度 为 3 5 2 ℃ ； 盐雾 沉 降率 为 1～ 2 m L ／ h ， 腐蚀 时间 为 7 2 h 表 4 。 表 4熔 覆 层 腐 蚀 试 验 由表 2可看 出采用 2种熔覆技术熔覆层 的硬度 相差不大 ， 达到 5 5 H R C左右 ， 比熔覆前立柱的硬度 高 ， 说明采用这 2种熔覆技术均能使合金粉末 与基 材 冶金结 合 ， 明 显 提 高 液 压 支 架 立 柱 表 面 的 硬 度 。 从表 3磨损 试验 情 况 可 知 ， 经 2种 熔 覆 技 术 强化 的 立柱 表面 耐磨性 均 得 到 显 著提 高 ， 熔 覆 层 失重 量 显 著减 少 ， 而激 光熔覆 得 到的熔 覆层更 加致 密 ， 组 织更 加均匀 ， 耐磨性较等离子熔覆稍高 ， 其相对耐磨性分 别 是 基 材 2 7 S i Mn 的 1 ． 0 2 8 ／ 0 ． 1 1 2 9 ． 1 8 倍 和 1 ． 0 2 8 ／ 0 ． 1 2 08 ． 5 7倍 ， 说 明 经 这 2种 熔 覆 技 术 强 化处理的液压支架立柱具有 良好 的耐磨性 能， 对立 柱使用过程中煤渣颗粒对其表面的磨损起到一定的 防护作用。由表 4熔覆层腐蚀试验可 看 出， 2种熔 覆层的耐腐蚀性 明显 比基材 2 7 S i Mn的耐腐蚀性能 好 ， 分别 是基 材 2 7 S i Mn的 4 ． 5 5 4倍 和 3 ． 7 7 5倍 ， 对 于 液压 支架 立柱井 下环 境 酸 、 碱 腐蚀介 质具 有很 好 2 0 1 5年第 7期 许兴波 。 等 液压支架立柱表面修复技术的研究 总第 2 3 5期 的防腐蚀作用 ， 延长其使用寿命 。 经等离子熔覆技术和激光熔覆技术强化的液压 支架立柱 ， 其表面硬度 、 耐磨性、 耐腐蚀性都得 到强 化 ， 对基 材起 到一 定 的保护作 用 ， 由于 激光 熔覆 高能 量 、 热量集中的特性， 得到的熔覆层较等离子熔覆层 更加致密均匀， 相对耐磨性及耐腐蚀性能都稍高于 等离子熔覆层 。 液压支架立柱表面采用等离子熔覆和激光熔覆 处理 ， 由于热 源不 同 ， 对 基 材影 响也 不 同 ， 其 熔 覆 层 厚度 及热 影 响如 图 1 所示 ， 其 具体数 据见 表 5 。 aL a s e r 图 1 激光熔覆层和等离子熔 覆层示意 表 5熔覆层参数 由图 1和表 5可看出， 采用激光熔覆及等离子 熔覆 技术 对立柱 表 面 进 行 强化 处 理 ， 由于 激 光 具 有 能量高、 升温快 、 能量集中等特点 ， 熔覆层厚度较等 离子熔覆层薄 ， 后期机械车削量小 ， 节约熔 覆材料 ， 降低熔覆成本 ， 且熔深浅 ， 过渡 区域小 ， 立柱基材受 热影 响较小 ， 变 形 收缩 量 小 ， 对 基 材 组 织影 响甚 小 ， 立 柱变 形小 “ J 。 3经济效益分析 在煤矿机械设备的表面修复强化领域 中， 等离 子 熔覆 技术 的发 展 及应 用 较 激 光 熔覆 技 术 成 熟 ， 由 于激光熔覆设 备投资成本及后期维修 护理成本较 高 ， 导致激光熔覆立柱表面强化成本是等离子熔覆 成本近 2倍。 目前 ， 单位表面积等离子熔覆液压支 架立 柱 价格 为 3 5 0 0元／ m ， 而采 用激 光熔 覆 价格 为 6 0 0 0元／ m ， 等离子熔覆设备及工艺在立柱表面修 复强化领域还是比较成熟和稳定 的， 其成本价格基 本保持稳定 ， 下调的空间不大 ； 而激光熔覆修复强化 立柱 是一 种新 型技 术 ， 随着 激 光 应用 技 术 的不 断 发 展及市场竞争的加剧 ， 激光熔覆设备 的价格肯定会 下降 ， 降低激光熔覆投入成本。另外 ， 随着市场 的发 展和客户要求的不断提高， 具有 高能量密度以及对 基 材影 响较 小 ， 工 件 不 易 变形 等 特 点 的激 光 熔覆 技 术 ， 在立柱表面修复强化领域具有强大的竞争优势 ， 经济效益显著。因此， 从市场 和客户的长远 角度来 看 ， 激光熔覆手段 的技术优势强 ， 发展空 间大 ， 是立 柱表面修复技术发展的必然趋势。 4 结语 1 采用等离子熔覆和激光熔覆技术对液压支 架立柱表面修复强化处理， 其硬度 、 耐磨性能和耐蚀 性能均得到提高， 对立柱表面有效起到防护作用 ， 延 长立 柱使 用寿命 。 2 激光熔覆技术修复立柱表面的各方面综合 性能均优于等离子熔覆技术 ， 在液压支架立柱表面 修复领域竞争优势和应用前景大 ， 具有重要的技术 革新 意义 。 参考 文献 [ 1 ] 白新 德， 徐健 ， 范毓 殿． 激光 表面处理 技术在 改善材 料抗腐 蚀 性 能上 的应用 [ J ] ． 清华大学学报 自然科学版 ， 1 9 9 8 1 2 6 6 ． 6 9． [ 2] 李华川． 激光熔 覆技术在工 业中 的应 用及其发 展[ J ] ． 装备 制 造技术 ， 2 0 0 7 6 1 1 8 ． 1 2 0 ． [ 3 ] 杨庆东． 激光熔覆 技术在矿 山机械设备 再制造 中的应用 [ J ] ． 中国表面工程 ， 2 0 1 0 5 2 ． [ 4 ] 余永 明． 液 压支架 使 用 中主要 问题分 析 [ J ] ． 煤矿 机械 ， 2 0 1 3 7 2 1 7 1 9 ． [ 5 ] 刘小峰 ， 姚鸿 ， 黄 自强 ， 等． 浅谈 液压支架 的技术 现状及发展趋 势 [ J ] ． 河北煤炭 ， 2 0 0 3 3 9 ． 1 0 ． [ 6 ] 王续 明， 张文．煤 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