CN115747790B - 一种利用合金熔覆再制造技术修复立柱缸体表面缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用合金熔覆再制造技术修复立柱缸体表面缺陷的方法，包括以下步骤：先测量、去除原疲劳层和点蚀层，再调整表面质量，然后利用冷弧熔覆线材分别在立柱缸体内壁滑动面、外圆、缸口、底阀孔形成合金熔覆层，经精加工、抛光、探伤、补焊后退火，最后质量检验；其中，立柱缸体内壁滑动面处冷弧熔覆线材为铜合金焊丝，立柱缸体外圆、缸口及底阀孔处冷弧熔覆线材为铁合金焊丝，铜合金焊丝及铁合金焊丝表面均包覆有纳米复合涂层。本发明通过对立柱缸体不同部位采用不同焊丝熔覆形成合金熔覆层，达到维修再制造的目的，提高了立柱缸体抗腐蚀和耐磨性能，从而较好地发挥立柱的使用性能，提高了立柱在井下的使用寿命。

Description

一种利用合金熔覆再制造技术修复立柱缸体表面缺陷的方法

技术领域

本发明属于合金熔覆技术领域，具体涉及一种利用合金熔覆再制造技术修复立柱缸体表面缺陷的方法。

背景技术

液压支架是煤矿综采工作面的主要支护设备，它能可靠而有效地支撑和控制工作面的顶板，防止矸石进入回采工作面和推进输送机。液压立柱油缸是液压支架的重要组成部分，是用于控制开采工作面矿山压力的承压结构件，立柱缸体的承压能力和可靠性往往直接影响开采作业面的工作效率和安全性。在实际的开采使用中，立柱缸体由于长时间承受很大的压力和弱酸性的潮湿环境，不可避免的腐蚀、拉伤、冲击、磕碰等致使立柱缸体出现局部的腐蚀和镀层损坏，直接造成了液压支架的泄压，极大的降低了工作面的开采效率，甚至是安全事故。由于液压支架回撤安装周期长、地面工业场地不足等因素，立柱缸体的维修工作一直困扰并制约着煤矿的生产进度及回采工作。

目前，对立柱缸体外表面修复较成熟的修复技术有电镀镀铬修复技术、等离子熔覆修复技术和激光熔覆技术。电镀镀铬修复技术利用电解离子置换的原理将镀液中的金属离子还原成金属原子并沉积在金属表面，形成具有一定厚度和较高结合力的修复层，该方式修复效率高、成本低，但是环境污染较为严重。等离子熔覆修复技术对于立柱缸体的热量输入大，易产生变形，熔覆层搭接易出现夹渣、气孔，但是工艺稳定，成本较低。激光熔覆技术对于立柱缸体能量集中，热输入量小，工件几乎无变形，熔覆层外观平整，且激光熔覆的使用寿命相对等离子融覆更长，但是设备投入成本高，技术门槛高。

合金熔覆主要是采用氩气保护焊接修复的技术，利用脉冲电源、保护性气体和特殊焊丝完成修复工件，具有控制焊接热输入量最低、母材熔化少、电弧稳定性好、熔深浅、熔覆速度快等工艺特点。申请号为CN201910942261.8的专利公开了一种液压立柱导向套修复再制造方法，先对导向套表面进行清洗，然后车削导向套内密封面，再用铝青铜焊丝对导向套内密封面进行冷熔铜合金，熔覆完成后检查熔覆质量。申请号为CN202210423895.4的专利公开了一种煤矿用液压缸壁熔覆铜合金装置，通过将铜合金焊丝用低温冷熔的方法熔覆在工件内壁表面起到耐磨损、耐腐蚀作用。虽然熔覆铜合金修复立柱缸体壁已有相关报道，但是现有熔铜工艺受熔覆工序及材料的限制，熔覆层往往较厚，需要后续机加工，熔覆过程中易产生气孔、飞溅、焊接缺陷，并且熔覆层与基体的结合力欠佳，熔覆层的合金层性能有待提高。立柱缸体内壁不仅要求熔覆层具有适宜的硬度，还对耐磨性和耐腐蚀性要求较高，以保证缸体的密封性，如何低成本、高效率地解决立柱缸体修复问题是亟待解决的问题。因此，开发合金熔覆强化和再制造修复技术，对于修复煤矿液压支架立柱缸体具有重要的现实意义。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明提供了一种利用合金熔覆再制造技术修复立柱缸体表面缺陷的方法，通过对立柱缸体内壁滑动面冷弧熔覆铜合金焊丝，对立柱缸体外圆、缸口及底阀孔冷弧熔覆铁合金焊丝，使不同部位的熔覆层满足立柱缸体的使用要求，提高立柱缸体的服役时长。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种利用合金熔覆再制造技术修复立柱缸体表面缺陷的方法，包括以下步骤：

S1、对拆解下来的立柱缸体进行尺寸、直线度检测，然后去除原疲劳层和点蚀层；

S2、利用喷砂处理调整外圆表面质量，利用珩磨对内壁表面进行精整加工；

S3、利用冷弧熔覆线材分别在立柱缸体内壁滑动面、外圆、缸口、底阀孔形成合金熔覆层；

S4、按原尺寸对立柱缸体进行精加工、抛光，以达到工件公称尺寸、公差及表面粗糙度要求；对合金熔覆层进行探伤、补焊；

S5、将冷弧熔覆后的立柱缸体装炉升温至720～740℃，保温2～2.5h，降温至500～550℃保温0.5～1.0h，炉冷至300℃后出炉空冷；

S6、对立柱缸体进行质量检验；

其中，S3中用于立柱缸体内壁滑动面的冷弧熔覆线材为铜合金焊丝，用于立柱缸体外圆、缸口及底阀孔的冷弧熔覆线材为铁合金焊丝；铜合金焊丝表面及铁合金焊丝表面均包覆有纳米复合涂层，所述纳米复合涂层由涂覆液制成，所述涂覆液包括以下质量百分数的组分：金属间化合物粉末5.4～7.2％、纳米陶瓷粉末1.8％～3.6％、纳米导电炭黑10～15％、镍基合金粉末8～15％、钛酸酯促进剂1～3％，余量为基础液。

本发明通过在立柱缸体内壁滑动面处冷弧熔覆铜合金焊丝，使内壁滑动面具有优异的耐磨性和耐蚀性；通过在立柱缸体外圆、缸口及底阀孔处冷弧熔覆铁合金焊丝，使外圆、缸口及底阀孔具有优异的硬度和强度；并通过在铜合金焊丝表面及铁合金焊丝表面包覆有纳米复合涂层，减少焊丝表面缺陷，保证了熔覆表面质量，并将硬质相引入合金熔覆层中，进一步提高合金熔覆层的硬度和耐磨性。

优选地，所述铜合金焊丝包括以下质量百分数的组分：Ni 4.5～6.0％、Al 7.0～9.0％、Fe2.2～4.0％、Mn 1.0～2.0％、Ti 0.2～0.35％、Gd 0.02～0.05％、As 0.02～0.04％、C＜0.03％，余量为Cu；所述铁合金焊丝包括以下质量百分数的组分：Ni 4.0～5.0％、Mo 2.0～3.0％、Cr17.0～19.0％、Mn 0.35～0.75％、Si 0.35～0.4％、C≤0.02％、P≤0.02％、S≤0.02％，余量为Fe。

本发明所述铜合金焊丝中各组分的作用如下：

锰(Mn)和铝(Al)在铜中的溶解度很大，适量的锰和铝均能提高强度、硬度和耐蚀性，过量则会降低合金塑性；铝青铜中镍(Ni)无限固溶，减轻组织偏析，提高合金的韧性、耐腐蚀性和热稳定性，通过镍、铁(Fe)，可以细化晶粒，提高强度，使晶粒细化；其中铁的含量必须控制在4.0％以下，否则使合金发脆、降低韧性，同时降低耐腐蚀性能；钛(Ti)可以抑制气孔的产生，还可以改善高电流区域的电弧稳定性；钆(Gd)能有效降低高温流变应力，减小晶粒尺寸，改善合金的延展性；砷(As)在铜中的固溶度也很大，可以消除铜合金晶界上的共晶组织，从而提高铜的塑性；钛、钆及砷均以微量添加，协同助力于细化组织、提高韧性，添加量增大则会形成过多弥散分布的高熔点金属间化合物，其作为第二相虽仍能改善机械性能，但位于晶界处的不连续析出，会影响冷加工性能，容易导致材料断裂或开裂，不利于小尺寸丝材的加工。

本发明所述铁合金焊丝中各组分的作用如下：

镍(Ni)能提高铁合金的强度和耐蚀性，又保持良好的塑韧性；钼(Mo)能细化晶粒，提高淬透性和热强性能，使铁合金在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力；铬(Cr)能显著提高强度、硬度、耐磨性和耐蚀性，但会降低塑韧性，故铬含量不易过多；锰(Mn)可以改善铁合金的热加工性能和机械性能，但是锰量增加会减弱抗腐蚀能力和焊接性能，故锰含量控制在0.75％以下；硅(Si)能显著提高合金的抗拉强度和屈强比，具有良好的固溶强化作用，但会降低合金的塑韧性和延展性，还会恶化焊接性，故硅含量控制在0.35～0.4％；碳(C)和磷(P)会增加铁合金的冷脆性，硫(S)会使铁合金产生热脆性，均会降低铁合金的延展性和韧性，并且不利于铁合金焊丝的焊接性能，故碳、磷及硫的含量均应控制下0.02％以下。

优选地，所述金属间化合物粉末为粉末状的(Ti_1-xTa_x)₅Si₃，(Ti_1-xTa_x)₅Si₃中x为0.2～0.4；所述纳米陶瓷粉末为粒径15～30nm的Si₃N₄粉末；所述镍基合金粉末选用镍基自熔性合金粉末；所述钛酸酯促进剂选用钛酸正丁酯；所述基础液为醇类溶剂、醇醚溶剂、酯类溶剂及酮类溶剂中的一种或两种以上。

进一步，所述(Ti_1-xTa_x)₅Si₃采用以下步骤制备：按化合物摩尔比称取Ti粉、Ta粉及Si粉，在保护气氛下球磨4～6h，冷等静压压制成型，得到块状物料；于真空熔炼室内，将块状物料加热至熔化，然后降温至2100～2250℃保温25～50min，采用气雾化方法制粉，收得粉末后，于保护气氛下、400～500℃保温回火2～4h，然后冷却至室温，经筛分，即得(Ti_{1- x}Ta_x)₅Si₃；其中，所述保护气氛均是氩气，所述球磨时球料比为8～15:1，以无水乙醇为助磨剂，球磨转速300～400r/min，球磨后于60～90℃干燥。

优选地，所述涂覆液采用以下步骤制备：在保护气氛下，将金属间化合物粉末、纳米陶瓷粉末、纳米导电炭黑及镍基合金粉末混合，球磨2～4h，得到混合粉体；将混合粉体及钛酸酯促进剂超声分散于基础液中，即得涂覆液；其中，所述保护气氛是二氧化碳与氩气的混合气，所述球磨时球料比为10～15:1，以无水乙醇为助磨剂，球磨转速300～500r/min，球磨后于60～90℃干燥。

优选地，所述纳米复合涂层采用以下步骤制备：将铜合金焊丝/铁合金焊丝浸没于浸蚀剂中进行表面处理20～40s，清洗、干燥后，将涂覆液采用机械涂覆或静电喷涂于铜合金焊丝/铁合金焊丝表面，干燥后，于380～480℃真空热处理20～30min，随炉冷却后，再绕卷，即得包覆有纳米复合涂层的铜合金焊丝/铁合金焊丝；其中，所述浸蚀剂是由稀硫酸和柠檬酸混合而成的溶液，所述浸蚀剂中H₂SO₄所占的质量百分数为2～4％，柠檬酸所占的质量百分数为3～5％。

进一步，所述冷弧熔覆线材的直径为1.0～3.0mm，纳米复合涂层占冷弧熔覆线材的质量百分含量为0.5～1％。

本发明所述纳米复合涂层中各组分的作用如下：

(Ti_1-xTa_x)₅Si₃及Si₃N₄以表面纳米复合涂层形式包裹在焊丝上，对于焊丝有保护作用，对于加工过程中的送丝有润滑作用，减少焊丝表面缺陷，经过电弧熔化后，(Ti_1-xTa_x)₅Si₃及Si₃N₄作为硬质相存在合金熔覆层中，可以显著提高材料的硬度和耐磨性；镍基自熔性合金粉末熔点低，对焊丝基体表面有修复作用，对于熔覆中各相之间的结合起到联结作用，提高了材料致密性；钛酸正丁酯作为金属附着力促进剂能有效提高其他粉体在焊丝基体上的粘附性，而且经高温分解后形成二氧化钛，二氧化钛会引起工件表面阳极斑点收缩和电弧收缩，熔池表面张力梯度变化，起到了细化熔滴、改善电弧稳定性的作用，降低了飞溅，熔敷效率得以提高；纳米导电炭黑具有良好的流动性和高温润滑性，有助于涂覆液的分散均一性，保证了焊丝使用过程中导电性及送丝稳定，而且纳米导电炭黑在熔覆时形成碳氧化物，进一步保护合金熔覆层，提高熔覆表面质量。

其中，所述(Ti_1-xTa_x)₅Si₃制备时采用机械球磨联合气雾化的方法，球磨使材料具有较大的表面能与晶格畸变能，能够在更低的温度下促进原子的扩散、合金的固溶、孔隙的迁移消除，以便于熔炼中形成固溶体，减少复杂相的产生；气雾化使材料氧含量低、粉末球形度好、粒度适宜，在保护气氛下保温回火，有助于改善组织，使成分均匀化。本发明通过弱浸蚀调节表面粗糙度以改善涂层附着力，然后将涂覆液涂覆于表面，最后经中温热处理，稳定纳米复合涂层，实现焊丝成分的均匀化、稳定化。

优选地，修复立柱缸体内壁滑动面时，冷弧熔覆的平均电弧电压为12～25V，输出脉冲电流为20～90A，输出脉冲时间为40～60ms，送丝速度为2.0～3.0m/min，熔覆线速度为0.6～1.2m/min，熔覆厚度0.5～3mm，保护气采用流量为8～15L/min的氩气。

优选地，修复立柱缸体外圆、缸口及底阀孔时，冷弧熔覆的平均电弧电压为12～25V，输出脉冲电流为50～100A、输出脉冲时间40～60ms，送丝速度为4.0～5.0m/min，熔覆线速度为2.0～2.5m/min，熔覆厚度0.5～4mm，保护气采用流量为8～15L/min的氩气。

优选地，S2中喷砂处理后外圆表面质量达到Sa2.5，珩磨后内壁表面粗糙度Ra≤0.4μm；S4中抛光后表面粗糙度Ra≤0.2μm。

本发明通过冷弧熔覆修复液压支架缸体表面缺陷，形成的合金熔覆层与待熔覆基体结合情况良好，提高了立柱缸体的抗腐蚀和耐磨性能，能够较好地发挥液压支架立柱的使用性能，提高了立柱在井下的使用寿命；旧的立柱缸体经维修再制造后，在尺寸、形状、寿命和性能等方面不亚于新设备，提高了资产利用率，延长了设备使用的生命周期，降低了设备的采购成本。

具体实施方式

为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明，但所述实施例旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，实施例中所用原料均为普通市售产品，未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。

一种利用合金熔覆再制造技术修复立柱缸体表面缺陷的方法，包括以下步骤：

S1、对拆解下来的立柱缸体进行尺寸、直线度检测，然后去除原疲劳层和点蚀层；

S2、利用喷砂处理调整外圆表面质量达到Sa2.5，利用珩磨对内壁表面进行精整加工，以使粗糙度Ra≤0.4μm；

S3、利用冷弧熔覆线材分别在立柱缸体内壁滑动面、外圆、缸口、底阀孔形成合金熔覆层；

S4、按原尺寸对立柱缸体进行精加工、抛光，以达到工件公称尺寸、公差及表面粗糙度要求(Ra≤0.2μm)；对合金熔覆层进行探伤、补焊；

S5、将冷弧熔覆后的立柱缸体装炉升温至730℃，保温2h，降温至510℃保温1h，炉冷至300℃后出炉空冷；

S6、对立柱缸体进行质量检验。

其中，修复立柱缸体内壁滑动面时，冷弧熔覆的平均电弧电压为20V，输出脉冲电流为60A、输出脉冲时间50ms，送丝速度为3m/min，熔覆线速度为1m/min，保护气采用流量为10L/min的氩气；焊前无预热，焊后自然空冷。修复立柱缸体外圆、缸口及底阀孔时，冷弧熔覆的平均电弧电压为20V，输出脉冲电流为80A、输出脉冲时间50ms，送丝速度为5.0m/min，熔覆线速度为2.5m/min，保护气采用流量为10L/min的氩气；焊前无预热，焊后自然空冷。

下述实施例中，减径率：变形量：

减径率及变形量公式中，D₀为入轧/入模直径(单位：mm)，D_i为出轧/出模直径(单位：mm)。

实施例1

上述方法的S3中，用于立柱缸体内壁滑动面的冷弧熔覆线材采用铜合金焊丝，用于立柱缸体外圆、缸口及底阀孔的冷弧熔覆线材采用铁合金焊丝，铜合金焊丝和铁合金焊丝表面均包覆有纳米复合涂层，纳米复合涂层占冷弧熔覆线材(铜合金焊丝/铁合金焊丝与纳米复合涂层的总质量)的质量百分含量为0.8％。

所述铜合金焊丝的制备步骤如下：

(1)按照各组分的质量百分数进行配料：Ni 5.2％、Al 8.1％、Fe 2.8％、Mn1.37％、Ti 0.28％、Gd 0.03％、As 0.03％、C＜0.03％，余量为Cu；其中，Ni/Fe＝1.857，原料可采用纯金属，也可以采用中间合金；

(2)熔炼：将原料置于真空熔炼室内，用中频感应加热至1100℃，并熔炼45min，得到合金熔体，保温状态下向合金熔体中通入氩气持续15min，得到铜合金液；

(3)铸造-热轧：将步骤(2)所得铜合金液升温至1300℃，经水平连铸，形成直径为40mm的铜合金棒材，控制入轧温度为450℃，进行3次热连轧，热连轧的外径总减径率为75％，热连轧的轧制速度为2m/s，然后酸洗表面以去除表面的油污及杂质，得到直径为10mm的铜合金杆材；

(4)固溶-时效处理：于真空炉内，将铜合金杆材随炉升温至910℃，保温1.5h，入淬冷介质中冷却至低于60℃，再空冷至室温；然后再于真空炉内，升温至440℃，保温2h后，随炉冷却至低于100℃，再空冷至室温，得到固溶强化杆材；

(5)磷化处理-冷拉拔-中间退火：将步骤(4)所得固溶强化杆材经矫直、酸洗、表面磷化处理和涂润滑油后，进行单模拉拔，每道次减径率17％、拉拔速度为1m/s，然后进行多模拉拔，每道模减径率为10％、拉拔速度为2m/s，单模拉拔和多模拉拔过程中冷变形量达到60～75％(总减径率＞40％)时，于560℃真空退火30min并随炉冷却，多模拉拔结束时不进行真空退火处理；冷拉拔后，定径、刮削(刮削速度为8m/s，减径0.02mm)，得到直径为1mm的铜合金焊丝(由于制备纳米复合涂层时有真空热处理，故机加工后不再进行退火处理)；

其中，所述酸洗采用含有100g/L H₂SO₄、40g/L H₂O₂、40g/L乙醇及0.2g/L苯并三氮唑的水溶液，室温浸泡30s；所述表面磷化处理采用普通市售的锌锰系磷化液(AIR-XMA50)，室温浸泡5min，表面磷化处理后单位面积上磷化膜重约5g/m²；

所述冷拉拔及中间退火工序控制如下：

单模拉拔：φ10mm→φ8.30mm→φ6.89mm→φ5.72mm→中间退火→φ4.75mm→φ3.94mm→φ3.27mm→中间退火；

多模拉拔：φ3.27mm—φ2.94mm—φ2.65mm—φ2.38mm—φ2.14mm—φ1.93mm；中间退火；φ1.93mm—φ1.74mm—φ1.56mm—φ1.40mm—φ1.26mm—φ1.13mm—φ1.02mm。

上述制备的铜合金焊丝屈服强度为789.6MPa、抗拉强度1237.1MPa。

所述铁合金焊丝的制备步骤如下：

(1)按照各组分的质量百分数进行配料：Ni 4.5％、Mo 2.5％、Cr 18.0％、Mn0.6％、Si 0.38％、C≤0.02％、P≤0.02％、S≤0.02％，余量为Fe；原料可采用纯金属，也可以采用中间合金；

(2)熔炼：将原料置于真空熔炼室内，用中频感应加热至1350℃，并熔炼45min，得到合金熔体，保温状态下向合金熔体中通入氩气持续15min，得到铁合金液；

(3)铸造-热轧：将铁合金液控制在1300～1350℃，经水平连铸，形成直径为40mm的铁合金棒材，控制入轧温度为450℃，进行3次热连轧，热连轧的外径总减径率为75％，热连轧的轧制速度为2m/s，然后酸洗表面以去除表面的油污及杂质，得到直径为10mm的铁合金杆材；

(4)完全退火：于真空炉内，将铁合金杆材随炉升温至950℃，保温1h，随炉冷却至低于450℃，再空冷至室温，得到细化杆材；

(5)冷拉拔-中间退火：将细化杆材经矫直、清洁和涂润滑油后，进行多道次拉拔，每道次减径率8～10％、拉拔速度为1m/s，拉拔过程中冷变形量大于65％时，于590℃真空退火30min并随炉冷却，拉拔结束时不进行退火处理；冷拉拔后，定径、刮削(刮削速度为8m/s，刮削2道次，每道次减径0.02mm)，得到直径为2mm的铁合金焊丝(由于制备纳米复合涂层时有真空热处理，故机加工后不再进行退火处理)；

所述冷拉拔及中间退火工序控制如下：

φ10mm→φ9.0mm→φ8.1mm→φ7.29mm→φ6.56mm→φ5.90mm→中间退火→φ5.31mm→φ4.78mm→φ4.30mm→φ3.87mm→φ3.48mm→中间退火→φ3.13mm→φ2.88mm→φ2.62mm→φ2.41mm→φ2.22mm→φ2.04mm。

上述制备的铁合金焊丝屈服强度为1012.3MPa、抗拉强度为1756.9MPa。

所述纳米复合涂层由涂覆液制成，所述涂覆液包括以下质量百分数的组分：(Ti_0.75Ta_0.25)₅Si₃粉末5.8％、纳米Si₃N₄粉末2.7％、纳米导电炭黑12.5％、Ni60A粉末12％、钛酸正丁酯2％，余量为异丙醇。

其中，所述(Ti_0.75Ta_0.25)₅Si₃采用以下步骤制备：

按化合物摩尔比称取Ti粉、Ta粉及Si粉，在氩气气氛下球磨5h(球磨时球料比为10:1，以无水乙醇为助磨剂，球磨转速400r/min，球磨后于80℃干燥)，冷等静压压制成型，得到块状物料；于真空熔炼室内(真空度小于0.1Pa)，将块状物料加热至熔化，然后降温至2180℃保温40min，采用气雾化方法制粉(采用压力为4MPa的氩气喷粉)，收得粉末后，于氩气气氛下、450℃保温回火3h，然后冷却至室温，经筛分，即得。

所述涂覆液采用以下步骤制备：

在二氧化碳与氩气的混合气氛下，将(Ti_0.75Ta_0.25)₅Si₃粉末、纳米Si₃N₄粉末(粒径约20nm)、纳米导电炭黑及Ni60A粉末混合，球磨4h(球磨时球料比为12:1，以无水乙醇为助磨剂，球磨转速400r/min，球磨后于70℃干燥)，得到混合粉体；将混合粉体及钛酸正丁酯超声分散于异丙醇中，即得涂覆液。

在铜合金焊丝/铁合金焊丝表面形成纳米复合涂层的步骤如下：

将铜合金焊丝/铁合金焊丝浸没于浸蚀剂(含3％ H₂SO₄及4％柠檬酸的水溶液)中进行表面处理20～30s(铜合金焊丝30s、铁合金焊丝20s)，清洗、干燥后，将涂覆液采用机械涂覆于铜合金丝材表面，干燥后，于真空热处理30min(铜合金焊丝400℃、铁合金焊丝450℃)，随炉冷却后，再绕卷，即得包覆有纳米复合涂层的铜合金焊丝/铁合金焊丝。纳米复合涂层提高了冷弧熔覆线材的润滑性，减小了冷弧熔覆线材对导电嘴的磨损，铜合金焊丝/铁合金焊丝经纳米复合涂层包覆，显著降低导电嘴孔径磨损率(式中D₀为使用前导电嘴孔径值，D_max为使用后导电嘴的孔径最大值)。以连续冷弧熔覆5h进行检测，铜合金焊丝及铁合金焊丝对导电嘴孔径磨损率分别约18％、21％，包覆有纳米复合涂层的铜合金焊丝/铁合金焊丝对导电嘴孔径磨损率不超过11％。

包覆有纳米复合涂层的铜合金焊丝/铁合金焊丝经冷弧熔覆在立柱缸体(主体材质：27SiMn)上，结合力均大于300MPa，立柱缸体内壁滑动面处熔覆层表面硬度平均约486HV，立柱缸体外圆、缸口、底阀孔熔覆层表面硬度平均约603HV，立柱缸体内壁及外圆熔覆层均耐中性盐雾腐蚀1000h以上。

由于缸体内壁的密封性直接影响缸体的使用寿命，所以缸体内壁所采用的材料除了具备良好的硬度，还需要具备优异的耐磨性和耐蚀性。下面从实施例2～5及比较例1～3，对缸体内壁的冷弧熔覆线材进行进一步研究对比。

实施例2

按照实施例1的技术方案，区别在于：

所述铜合金焊丝包括以下质量百分数的组分：Ni 5.6％、Al 8.1％、Fe 2.8％、Mn1.37％、Ti 0.28％、Gd 0.03％、As 0.03％、C＜0.03％，余量为Cu；其中，Ni/Fe＝2.0。

与实施例1相比，实施例2的区别在于：改变了铜合金焊丝中Ni的含量，Ni/Fe随之改变。

实施例3

按照实施例1的技术方案，区别在于：

所述铜合金焊丝包括以下质量百分数的组分：Ni 5.2％、Al 8.1％、Fe 3.47％、Mn1.37％、Ti 0.28％、Gd 0.03％、As 0.03％、C＜0.03％，余量为Cu；其中，Ni/Fe＝1.5。

与实施例1相比，实施例3的区别在于：改变了铜合金焊丝中Fe的含量，Ni/Fe随之改变。

实施例4

按照实施例1的技术方案，区别在于：纳米复合涂层占冷弧熔覆线材的质量百分含量为0.5％。

与实施例1相比，实施例4的区别在于：减小了纳米复合涂层占冷弧熔覆线材的质量百分含量。

实施例5

按照实施例1的技术方案，区别在于：纳米复合涂层占冷弧熔覆线材的质量百分含量为1.0％。

与实施例1相比，实施例5的区别在于：增大了纳米复合涂层占冷弧熔覆线材的质量百分含量。

比较例1

一种冷弧熔覆线材(无纳米复合涂层)，包括以下质量百分数的组分：Ni 5.2％、Al8.1％、Fe 5.2％、Mn 1.37％、Ti 0.28％、Gd 0.03％、As 0.03％、C＜0.03％，余量为Cu；其中，Ni/Fe＝1.0。

与实施例1的铜合金焊丝相比，比较例1的区别在于：增大了Fe的含量，Ni/Fe随之改变。

比较例2

一种冷弧熔覆线材(无纳米复合涂层)，包括以下质量百分数的组分：Ni 5.2％、Al8.1％、Fe 2.0％、Mn 1.37％、Ti 0.28％、Gd 0.03％、As 0.03％、C＜0.03％，余量为Cu；其中，Ni/Fe＝2.6。

与实施例1的铜合金焊丝相比，比较例2的区别在于：减小了Fe的含量，Ni/Fe随之改变。

比较例3

一种冷弧熔覆线材，以铜合金焊丝/铁合金焊丝为基体，基体表面包覆有纳米复合涂层，纳米复合涂层占镍铝青铜焊丝的质量百分含量为2％；所述基体及纳米复合涂层按照实施例1的技术方案制得。

与实施例1相比，比较例3的区别在于：增大了纳米复合涂层占冷弧熔覆线材的质量百分含量。

为了检测用于缸体内壁滑动面的冷弧熔覆线材的使用性能，按照上述冷弧熔覆参数，将冷弧熔覆线材熔覆在30CrMnSi钢板基体(表面经打磨、清洗)，测试熔覆层结合强度、表面平均硬度、延伸率和摩擦磨损量(采用摩擦磨损试验机，试验参数：室温、转速150r/min、工作载荷50N、时长10min)结果如表1所示。

表1实施例1～5及比较例1～3所述冷弧熔覆线材(铜合金焊丝)的使用性能

由表1可以看出，为了兼顾韧性和硬度，Ni/Fe应取值1.5～2.0，增大Fe的相对含量，韧性会下降，而减小Fe的含量到一定程度后，韧性也不再提升，反而降低硬度。纳米复合涂层在冷弧熔覆线材中所占的质量百分数要控制在0.5～1％，过少不能发挥作用，过多会反而会劣化材料，导致合金熔覆层与待熔覆基体之间的结合力的降低。

下面采用盐雾试验机对实施例1、比较例1～3所述冷弧熔覆线材形成的熔覆层进行耐腐蚀性能测试，测试条件如表2所示。

表2耐腐蚀性能测试条件

经检测，实施例1所述冷弧熔覆线材形成的熔覆层中性盐雾试验1000h以及铜加速乙酸盐雾试验120h后均未出现锈蚀点，比较例1、2所述冷弧熔覆线材形成的熔覆层在铜加速乙酸盐雾试验120h时出现2处以上锈蚀点，比较例3所述镍铝青铜焊丝形成的熔覆层在铜加速乙酸盐雾试验120h时出现1处锈蚀点。

综上，本发明通过冷弧熔覆修复液压支架立柱缸体表面缺陷，形成的合金熔覆层与待熔覆基体结合情况良好，具有高硬度和良好的耐磨、耐腐蚀性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种利用合金熔覆再制造技术修复立柱缸体表面缺陷的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对拆解下来的立柱缸体进行尺寸、直线度检测，然后去除原疲劳层和点蚀层；

S2、利用喷砂处理调整外圆表面质量，利用珩磨对内壁表面进行精整加工；

S3、利用冷弧熔覆线材分别在立柱缸体内壁滑动面、外圆、缸口、底阀孔形成合金熔覆层；

S4、按原尺寸对立柱缸体进行精加工、抛光，以达到工件公称尺寸、公差及表面粗糙度要求；对合金熔覆层进行探伤、补焊；

S5、将冷弧熔覆后的立柱缸体装炉，升温至720~740℃，保温1.5~2.0 h，降温至500~550℃保温0.5~1.0 h，炉冷至300℃后出炉空冷；

S6、对立柱缸体进行质量检验；

其中，S3中用于立柱缸体内壁滑动面的冷弧熔覆线材为铜合金焊丝，用于立柱缸体外圆、缸口及底阀孔的冷弧熔覆线材为铁合金焊丝；铜合金焊丝表面及铁合金焊丝表面均包覆有纳米复合涂层，纳米复合涂层占冷弧熔覆线材的质量百分含量为0.5~1%；

所述铜合金焊丝包括以下质量百分数的组分：Ni 4.5~6.0%、Al 7.0~9.0%、Fe 2.2~4.0%、Mn 1.0~2.0%、Ti 0.2~0.35%、Gd 0.02~0.05%、As 0.02~0.04%、C＜0.03%，余量为Cu；所述铁合金焊丝包括以下质量百分数的组分：Ni 4.0~5.0%、Mo 2.0~3.0%、Cr 17.0~19.0%、Mn 0.35~0.75%、Si 0.35~0.4%、C≤0.02%、P≤0.02%、S≤0.02%，余量为Fe；

所述纳米复合涂层由涂覆液制成，所述涂覆液包括以下质量百分数的组分：金属间化合物粉末5.4~7.2%、纳米陶瓷粉末1.8%~3.6%、纳米导电炭黑10~15%、镍基合金粉末8~15%、钛酸酯促进剂1~3%，余量为基础液；

所述金属间化合物粉末为粉末状的(Ti_1-xTa_x)₅Si₃，(Ti_1-xTa_x)₅Si₃中x为0.2~0.4；所述纳米陶瓷粉末为粒径15~30 nm的Si₃N₄粉末；所述镍基合金粉末选用镍基自熔性合金粉末；所述钛酸酯促进剂选用钛酸正丁酯；所述基础液为醇类溶剂、醇醚溶剂、酯类溶剂及酮类溶剂中的一种或两种以上。

2. 根据权利要求1所述利用合金熔覆再制造技术修复立柱缸体表面缺陷的方法，其特征在于：修复立柱缸体内壁滑动面时，冷弧熔覆的平均电弧电压为12~25 V，输出脉冲电流为20~90 A、输出脉冲时间40~60 ms，送丝速度为2.0~3.0 m/min，熔覆线速度为0.6~1.2 m/min，熔覆厚度0.5~3 mm，保护气采用流量为8~15 L/min的氩气。

3. 根据权利要求1所述利用合金熔覆再制造技术修复立柱缸体表面缺陷的方法，其特征在于：修复立柱缸体外圆、缸口及底阀孔时，冷弧熔覆的平均电弧电压为12~25 V，输出脉冲电流为50~100 A，输出脉冲时间为40~60 ms，送丝速度为4.0~5.0 m/min，熔覆线速度为2.0~2.5 m/min，熔覆厚度0.5~4 mm，保护气采用流量为8~15 L/min的氩气。

4. 根据权利要求1所述利用合金熔覆再制造技术修复立柱缸体表面缺陷的方法，其特征在于，所述(Ti_1-xTa_x)₅Si₃采用以下步骤制备：按化合物摩尔比称取Ti粉、Ta粉及Si粉，在保护气氛下球磨4~6 h，冷等静压压制成型，得到块状物料；于真空熔炼室内，将块状物料加热至熔化，然后降温至2100~2250℃保温25~50 min，采用气雾化方法制粉，收得粉末后，于保护气氛下、400~500℃保温回火2~4 h，然后冷却至室温，经筛分，即得(Ti_1-xTa_x)₅Si₃；其中，所述保护气氛均是氩气，所述球磨时球料比为8~15:1，以无水乙醇为助磨剂，球磨转速300~400 r/min，球磨后于60~90℃干燥。

5. 根据权利要求1所述利用合金熔覆再制造技术修复立柱缸体表面缺陷的方法，其特征在于，所述涂覆液采用以下步骤制备：在保护气氛下，将金属间化合物粉末、纳米陶瓷粉末、纳米导电炭黑及镍基合金粉末混合，球磨2~4 h，得到混合粉体；将混合粉体及钛酸酯促进剂超声分散于基础液中，即得涂覆液；其中，所述保护气氛是二氧化碳与氩气的混合气，所述球磨时球料比为10~15:1，以无水乙醇为助磨剂，球磨转速300~500 r/min，球磨后于60~90℃干燥。

6. 根据权利要求1所述利用合金熔覆再制造技术修复立柱缸体表面缺陷的方法，其特征在于，所述纳米复合涂层采用以下步骤制备：将铜合金焊丝/铁合金焊丝浸没于浸蚀剂中进行表面处理20~40 s，清洗、干燥后，将涂覆液采用机械涂覆或静电喷涂于铜合金焊丝/铁合金焊丝表面，干燥后，于380~480℃真空热处理20~30 min，随炉冷却后，再绕卷，即得包覆有纳米复合涂层的铜合金焊丝/铁合金焊丝；其中，所述浸蚀剂是由稀硫酸和柠檬酸混合而成的溶液，所述浸蚀剂中H₂SO₄所占的质量百分数为2~4%，柠檬酸所占的质量百分数为3~5%。

7. 根据权利要求6所述利用合金熔覆再制造技术修复立柱缸体表面缺陷的方法，其特征在于：所述冷弧熔覆线材的直径为1.0~3.0 mm。

8. 根据权利要求1所述利用合金熔覆再制造技术修复立柱缸体表面缺陷的方法，其特征在于：S2中喷砂处理后外圆表面质量达到Sa2.5，珩磨后内壁表面粗糙度Ra≤0.4 μm；S4中抛光后表面粗糙度Ra≤0.2 μm。