CN102677044B - 一种在液压支架的立柱的表面形成激光熔覆层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种在液压支架的立柱的表面形成激光熔覆层的方法。该方法包括以下的步骤：步骤a)：用激光束熔化第n-1条激光熔覆带的一部分宽度以及用于形成第n条激光熔覆带的激光熔覆用合金粉末，形成第n条激光熔覆带，其中，n为大于等于2的整数；步骤b)：用激光束熔化第n条激光熔覆带的一部分宽度以及用于形成第n+1条激光熔覆带的激光熔覆用合金粉末，形成第n+1条激光熔覆带。本发明的方法既能够高效地进行熔覆，又能够获得强度较高的熔覆表面。

Description

一种在液压支架的立柱的表面形成激光熔覆层的方法

技术领域

本发明涉及一种在液压支架的立柱的表面形成激光熔覆层的方法，属于激光加工制造领域。

背景技术

液压支架立柱是矿山开采设备中的关键部件，在国内，对于液压支架立柱通常采用镀铬的方面进行表面处理，从而来防止表面的生锈以及防腐蚀。然而镀铬层的耐磨性较差，一般经过1～1.5年之后，镀铬层就会出现起皮以及脱皮等现象，因此，乳化液就会腐蚀立柱表面，从而会影响到液压支架的使用效果。

公告号为CN101875128B的中国专利公开了一种矿用液压支架立柱的激光熔覆方法，其通过特定的激光熔覆工艺条件来熔覆三层冶金材料，从而解决了矿用液压支架立柱表面的耐磨性、防腐蚀性的问题，提高了使用寿命。具体的技术方案是，在对矿用液压支架立柱进行表面处理之后，进行预热，然后在特定的工艺条件下，用熔覆用合金粉末材料依次镀覆底层、中层和面层。其中，底层选用的熔覆用合金粉末材料的重量百分比为0.1％的C、3.2％的Si、0.5％的Mn、10.2％的Cr、8.8％的Ni、0.8％的Nb、0.1％的B、0.5％的P和余量的Fe。

公告号为CN102242361的中国专利申请公开了一种用于矿用液压支架立柱的激光熔覆方法，其步骤是：使激光束和送粉器输出的镍基合金粉末流束沿立柱本体的活柱的表面形成螺旋状扫描；激光头输出的激光束的截面设置为15～20mm×1.5～2.5mm的矩形光斑，激光束的扫描线速度设置为480～720mm/min，输出激光束的激光器的输出功率设置为7200～7400W。送粉器中输出的镍基合金粉末设置为按重量比含有≤0.15％C、0.5～1.0％Si、0.4～0.8％Mn、17.5～19.5％Cr、21～25％Ni和余量Fe。

对于上述的矿用液压支架立柱的激光熔覆方法，虽然对于激光熔覆用合金粉末的配方以及激光熔覆方法的大致过程进行了描述但是在激光熔覆方法的细节上，仍然有需要细化之处。例如，在激光熔覆过程中，如何实现既能够进行熔覆，又能够获得强度较高的熔覆表面。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种在液压支架的立柱的表面形成激光熔覆层的方法，该方法既能够进行熔覆，又能够获得强度较高的熔覆表面。

具体地，本发明所提供的技术方案如下：

技术方案1.

一种在液压支架的立柱的表面形成激光熔覆层的方法，包括以下的步骤：

步骤a)：用激光束熔化第n-1条激光熔覆带的一部分宽度以及用于形成第n条激光熔覆带的激光熔覆用合金粉末，形成第n条激光熔覆带，其中，n为大于等于2的整数；

步骤b)：用激光束熔化第n条激光熔覆带的一部分宽度以及用于形成第n+1条激光熔覆带的激光熔覆用合金粉末，形成第n+1条激光熔覆带。

技术方案2.

根据技术方案1所述的形成激光熔覆层的方法，其改变之处在于，在步骤a)之前还包括形成第n-1条激光熔覆带的步骤，

当n＝2时，所述形成第n-1条激光熔覆带的步骤具体为，用激光束熔化用于形成第n-1条激光熔覆带的激光熔覆用合金粉末；

当n大于2时，所述形成第n-1条激光熔覆带的步骤具体为，用激光束熔化第n-2条激光熔覆带的一部分宽度以及用于形成第n-1条激光熔覆带的激光熔覆用合金粉末，形成第n-1条激光熔覆带。

技术方案3.

根据技术方案1或2所述的形成激光熔覆层的方法，其改变之处在于，

所述用于形成第n条激光熔覆带的激光熔覆用合金粉末的供给速度为38～40g/min，所述用于形成第n条激光熔覆带的激光熔覆用合金粉末的直径为44～178μm；

所述激光束为矩形光斑，所述矩形光斑的长度为15mm，所述矩形光斑的宽度2.5mm，所述激光束的扫描线速度为480～720mm/min，所述激光束的扫描方向垂直于所述矩形光斑的长度方向。

技术方案4.

根据技术方案3所述的形成激光熔覆层的方法，其改变之处在于，所述激光束的能量密度为230W/mm²以上。

技术方案5.

根据技术方案4所述的形成激光熔覆层的方法，其改变之处在于，所述激光束的能量密度为240W/mm²以上。

技术方案6.

根据技术方案3所述的形成激光熔覆层的方法，其改变之处在于，

所述第n-1条激光熔覆带的一部分宽度为6～8mm。

技术方案7.

根据技术方案6所述的形成激光熔覆层的方法，其改变之处在于，

所述第n-1条激光熔覆带的一部分宽度为7mm。

技术方案8.

根据技术方案1～7中任意一项所述的形成激光熔覆层的方法，其改变之处在于，

所述用于形成第n-1条激光熔覆带的激光熔覆用合金粉末的组成为：

0.01～0.15％的C，

0.5％～1.0％的Si，

0.4％～0.8％的Mn，

17.5％～19.5％的Cr，

21％～25％的Ni，

余量的Fe和不可避免的杂质；

其中，以上各种元素的含量为重量百分比含量。

技术方案9.

根据技术方案1～7中任意一项所述的形成激光熔覆层的方法，其改变之处在于，

所述用于形成第n条激光熔覆带的激光熔覆用合金粉末的组成为：

0.05～0.20％的C，

1.0％～1.5％的Si，

0.4％～0.8％的Mn，

15.0％～15.8％的Cr，

4.0％～4.5％的Ni，

余量的Fe和不可避免的杂质；

其中，以上各种元素的含量为重量百分比含量。

技术方案10.

一种在液压支架的立柱的表面形成激光熔覆层的方法，其特征在于，重复进行技术方案1～9任意一项中的所述的步骤a)或者步骤b)。

根据上述的技术方案1～2，既能够高效地进行熔覆，又能够获得强度较高的熔覆表面。

根据上述的技术方案3～5，由于对激光熔覆用合金粉末和激光束的性能指标进行了限制，可以很好地实现上述的形成激光熔覆层的方法。

根据上述的技术方案6～7，当熔覆的激光熔覆带的一部分宽度为6～8mm时，获得的强度更高，并且在后续的磨削过程中，被磨削的激光熔覆带的体积小，可以节省材料。其中，当熔覆的激光熔覆带的一部分宽度为7mm是最优选的方案。

根据上述的技术方案8的方法所获得的液压支架的立柱，由于激光熔覆层的组成采用了特定的组成，所以能够得到良好的表面硬度、使用寿命、熔覆层与金属基体的结合强度和耐盐雾性能。该液压支架的立柱熔覆层的硬度能够达到30HRC以上，矿井中使用寿命为5年以上，熔覆层与立柱基体的结合强度能够达到310MPa以上，耐盐雾性能96小时以上无变化。

根据上述的技术方案9的方法所获得的液压支架的立柱，一方面，其可以满足根据技术方案8的方法所获得的液压支架的立柱的各种性能，例如，矿井中使用寿命为5年以上，熔覆层与立柱基体的结合强度能够达到310MPa以上，耐盐雾性能96小时以上无变化。除此之外，其硬度能够达到45HRC以上。而且，由于Ni含量较低，所以成本较低。

上述的技术方案10的意思是指，任意地重复技术方案1～9中的步骤a)或者步骤b)，就可以实现本发明的技术构思，既能够高效地进行熔覆，又能够获得强度较高的熔覆表面。

附图说明

图1是本发明的具有激光熔覆层的液压支架的立柱的横截面的示意图。

图2是本发明的具有激光熔覆层的液压支架的立柱的纵截面的示意图。

图3是在液压支架的立柱的表面形成激光熔覆层的示意图。

图4是沿着图3中的液压支架的立柱的中心轴将液压支架的立柱的侧表面展开成平面所得到的平面图。

图5a是本发明的在液压支架的立柱的表面形成激光熔覆层的方法的第一种实施方式的步骤a)示意图。

图5b是本发明的在液压支架的立柱的表面形成激光熔覆层的方法的第一种实施方式的步骤b)示意图。

图6是与图3和图4所对应的本发明的方法实施过程中的液压支架的立柱的纵截面图。

图7a是与图5a所对应的液压支架的立柱的纵截面图。

图7b是与图5b所对应的液压支架的立柱的纵截面图。

图8是激光熔覆之后的液压支架的立柱的纵截面图

图中的标号分别表示：

1——未进行激光熔覆的液压支架的立柱，2——激光熔覆层，3——未进行激光熔覆的液压支架的立柱的侧表面，4——第n条激光熔覆带，5——第n-1条激光熔覆带，6——第n+1条激光熔覆带。

具体实施方式

为了使得本领域的技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，下面结合附图和实施方式进行详细说明。

第一种实施方式

首先通过附图来说明液压支架的立柱的整体结构。

图1表示具有激光熔覆层的液压支架的立柱的横截面的示意图。图2是具有激光熔覆层的液压支架的立柱的纵截面的示意图。可以看出，具有激光熔覆层的液压支架的立柱包括未进行激光熔覆的液压支架的立柱1和激光熔覆层2。

下面继续结合附图来说明，液压支架的立柱的形成过程，也就是在液压支架的立柱的表面形成激光熔覆层的方法。

请参见图3，图3是在液压支架的立柱的表面形成激光熔覆层的示意图。激光束从上而下照射未进行激光熔覆的液压支架的立柱的表面3，形成第n条激光熔覆带4。在此激光照射的过程中，可以说，在激光熔覆用合金粉末下降到液压支架的立柱的表面3的时候，很快地就会被激光束的能量所熔化，形成第n条激光熔覆带4。

如果沿着液压支架的立柱的中心轴将液压支架的立柱的侧表面3展开成平面，将得到图4所示的情形。图4是沿着图3中的液压支架的立柱的中心轴将液压支架的立柱的侧表面展开成平面所得到的平面图。在图4中，激光束并未示出，激光束的方向是垂直于纸面指向纸面里面的方向。

图5a和图5b，是本发明的在液压支架的立柱的表面形成激光熔覆层的方法的第一种实施方式的示意图。

步骤a)

如图5a所示，用激光束熔化第n-1条激光熔覆带5的一部分宽度以及用于形成第n条激光熔覆带4的激光熔覆用合金粉末，形成第n条激光熔覆带4；

步骤b)

如图5b所示，用激光束熔化第n条激光熔覆带4的一部分宽度以及用于形成第n+1条激光熔覆带6的激光熔覆用合金粉末，形成第n+1条激光熔覆带6。

在步骤a)和步骤b)中，所述第n-1条激光熔覆带5的一部分宽度与第n条激光熔覆带4的一部分宽度，大小可以相等也可以不相等，优选是相等的，因为如果在各个步骤中熔化的激光熔覆带的一部分宽度是相等的，那么工艺是稳定的，而且得到的材质是均匀的，有利于后续的机械加工。因为如果宽度相等，那么机械加工的厚度是均匀的，可以节省激光熔覆用合金粉末的使用量，从而节约成本。此第一种实施方式中，所述第n-1条激光熔覆带5的一部分宽度与第n条激光熔覆带4的一部分宽度均为7mm。

在第一种实施方式中，步骤a)和步骤b)中的第n-1条激光熔覆带5、第n条激光熔覆带4、第n+1条激光熔覆带6的延伸方向垂直于液压支架立柱的轴向。

为了更好地说明本发明的技术方案，下面结合本发明的方法实施过程中的液压支架的立柱的纵截面图的变化状态，对本发明的技术方案进行说明。

请参见图6，图6是与图3和图4所对应的本发明的方法实施过程中的液压支架的立柱的纵截面图。

激光束照射用于形成第n条激光熔覆带的激光熔覆用合金粉末，形成第n条激光熔覆带。

请参见图7a，图7a是与图5a所对应的液压支架的立柱的纵截面图。其中，在形成第n条激光熔覆带4的过程中，不仅照射和熔化新下落的用于形成第n条激光熔覆带4的激光熔覆用合金粉末，而且还照射和熔化已经成型的第n-1条激光熔覆带5的一部分，也就是图中所示的黑色实心部分。图中黑色实心部分的宽度就是上述的第n-1条激光熔覆带5的一部分宽度。在熔化过程中，激光束的能量使得上述黑色实心部分熔化，在黑色实心部分熔化时，其温度较高，又可以起到对第n-1条激光熔覆带5的除了黑色实心部分之外的已经成型的熔覆带退火的作用，提高了第n-1条激光熔覆带5的除了黑色实心部分之外的已经成型的熔覆带的力学性能。并且，第n条激光熔覆带4也会在后续的过程中，也会被再次加热而进行退火。如此反复就可以达到对于整个熔覆层的退火处理，提高作为表面层的熔覆层的力学性能。

请参见图7b，图7b是与图5b所对应的液压支架的立柱的纵截面图。

在反复进行上述步骤之后，熔覆之后的液压支架的立柱的纵截面图如图8所示。

在将图8中的突起区域磨平，就可以得到作为最终成品的具有激光熔覆层的液压支架的立柱。优选地，磨去实心区域的顶端以上的区域，这样可以最大限度地利用激光熔覆层。

在第一种实施方式中，本发明采用的是，新汶矿业集团新巨龙能源有限公司使用的矿用液压支架立柱，直径为300mm。

激光熔覆流程如下：

(1)将矿用液压支架立柱进行除锈、毛化处理。

(2)装入激光加工机床，该激光加工机床为二氧化碳激光加工机床。

(3)在主轴C的旋转运动及激光头X线性轴的进给运动配合下，在一个工步中送粉与激光熔覆同步进行；激光输出功率7400W，激光扫描线速度为480mm/min，激光束为15*2.5mm的矩形光斑(长为15mm，宽为2.5mm)；进行扫描熔覆的方式进行熔覆，其中，激光熔覆带的形成过程如上所述；

采用的激光熔覆用合金粉末，粒径为44μm～178μm。。该组合物的包含0.02％的C，1.5％的Si，0.4％的Mn，15.8％的Cr，4.0％的Ni，余量的Fe和不可避免的杂质。该激光熔覆用合金的送粉速度为38～40g/min。

(4)进行机械加工。

对于得到的立柱进行试验测试，各向性能指标如下：

(1)无裂纹。

(2)熔覆层硬度能够达到45HRC以上，矿井中使用寿命为5年以上，熔覆层与立柱基体的结合强度能够达到310MPa以上，耐盐雾性能96小时以上无变化。

关于使用寿命，本发明的熔覆有熔覆层的立柱已经在新汶矿业集团新巨龙能源有限公司的推广使用，效果良好，目前已在采面使用4年，没有出现任何质量问题。

关于熔覆层与立柱基体的结合强度之所以能够达到310MPa以上，是因为，在激光熔覆过程中，不仅激光熔覆用合金熔化，而且立柱基体也熔化，因此激光熔覆用合金与立柱基体已经形成一体，所以它们之间的结合强度非常高。

关于耐盐雾性能试验，采用的是中国国家标准GB/T10125-1997，试验所用的药品为氯化钠的水溶液，浓度为50g/L±5g/L，PH为6.5～7.2，温度为35℃±2℃。

由于本实施例中的Ni含量不高，所以成本较低。

第二种实施方式

除了以上的第一种实施方式外，本发明还提供第二种实施方式，第二种实施方式与第一种实施方式的区别在于，第n-1条激光熔覆带5、第n条激光熔覆带4、第n+1条激光熔覆带6的延伸方向并不垂直于液压支架立柱的轴向，而是绕着液压支架立柱的外表面呈螺旋状的形式。

第三种实施方式

除了以上的第一种实施方式外，本发明还提供第三种实施方式，第三种实施方式与第一种实施方式的区别在于，采用的激光熔覆用合金粉末包含0.08％的C，0.9％的Si，0.6％的Mn，18.5％的Cr，23％的Ni，余量的Fe和不可避免的杂质。在该实施方式中，由于含有较多的Ni，所以成本较高，而且洛氏硬度只有30以上。所以第三种实施方式的效果不如第一种实施方式。

第四种激光熔覆方式

除了以上的第一种实施方式外，本发明还提供第四种实施方式，第四种实施方式与第一种实施方式的区别在于，所述第n-1条激光熔覆带5的一部分宽度与第n条激光熔覆带4的一部分宽度均为6mm。

第五种激光熔覆方式

除了以上的第一种实施方式外，本发明还提供第五种实施方式，第五种实施方式与第一种实施方式的区别在于，所述第n-1条激光熔覆带5的一部分宽度与第n条激光熔覆带4的一部分宽度均为8mm。

实验证明，第一种实施方式和第二种实施方式所获得的液压支架的立柱的表面具有更好的力学性能。其中，由于第二种实施方式中，采用大体为螺旋状的熔覆方式，所以工艺连续性更加优异，力学性能也优异。

Claims (7)

1.一种在液压支架的立柱的表面形成激光熔覆层的方法，其特征在于，包括以下的步骤：

步骤a）：用激光束熔化第n-1条激光熔覆带的一部分宽度以及用于形成第n条激光熔覆带的激光熔覆用合金粉末，形成第n条激光熔覆带，其中，n为大于等于2的整数；

步骤b）：用激光束熔化第n条激光熔覆带的一部分宽度以及用于形成第n+1条激光熔覆带的激光熔覆用合金粉末，形成第n+1条激光熔覆带；

其中，所述用于形成第n-1条激光熔覆带的激光熔覆用合金粉末的组成为：

0.05~0.20%的C，

1.0%~1.5%的Si，

0.4%~0.8%的Mn，

15.0%~15.8%的Cr，

4.0%~4.5%的Ni，

余量的Fe和不可避免的杂质；

其中，以上各种元素的含量为重量百分比含量。

2.根据权利要求1所述的形成激光熔覆层的方法，其特征在于，在步骤a）之前还包括形成第n-1条激光熔覆带的步骤，

当n=2时，所述形成第n-1条激光熔覆带的步骤具体为，用激光束熔化用于形成第n-1条激光熔覆带的激光熔覆用合金粉末；

当n大于2时，所述形成第n-1条激光熔覆带的步骤具体为，用激光束熔化第n-2条激光熔覆带的一部分宽度以及用于形成第n-1条激光熔覆带的激光熔覆用合金粉末，形成第n-1条激光熔覆带。

3. 根据权利要求1或2所述的形成激光熔覆层的方法，其特征在于，

所述用于形成第n条激光熔覆带的激光熔覆用合金粉末的供给速度为38~40g/min，所述用于形成第n条激光熔覆带的激光熔覆用合金粉末的直径为44~178μm；

所述激光束为矩形光斑，所述矩形光斑的长度为15 mm，所述矩形光斑的宽度2.5 mm，所述激光束的扫描线速度为480~720 mm/min，所述激光束的扫描方向垂直于所述矩形光斑的长度方向。

4. 根据权利要求3所述的形成激光熔覆层的方法，其特征在于，所述激光束的能量密度为230 W/mm²以上。

5. 根据权利要求4所述的形成激光熔覆层的方法，其特征在于，所述激光束的能量密度为240 W/mm²以上。

6. 根据权利要求3所述的形成激光熔覆层的方法，其特征在于，

所述第n-1条激光熔覆带的一部分宽度为6~8 mm。

7. 根据权利要求6所述的形成激光熔覆层的方法，其特征在于，

所述第n-1条激光熔覆带的一部分宽度为7 mm。