CN108220952A - 一种采用超高速率激光熔覆方法制造的液压支架立柱 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种采用超高速率激光熔覆方法制造的液压支架立柱。立柱主体材料为27SiMn,在立柱最易受到腐蚀介质侵蚀的活柱及中缸外表面采用超高速率激光熔覆方法制备奥氏体不锈钢耐腐蚀涂层。采用该方法制造的立柱耐腐蚀性能和使用寿命均超过目前国内使用的电镀立柱,且克服了传统激光熔覆方法所导致的涂层平整度差的问题,能够进行大规模批量化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用激光熔覆方法制造的圆柱类零件,尤其涉及一种采用高速率激光熔覆方法制造的液压支架立柱,属于激光增材制造领域。
背景技术
液压支架立柱是矿山机械的重要设备,在服役过程中承受来自顶板的载荷,是液压支架的主要承载部件,因此要求立柱具有足够的强度和使用寿命,为综采工作提供支撑防护和安全保障。
液压支架立柱长期在酸、碱性腐蚀环境中工作,尤其是立柱的活柱和中缸外表面暴露在外部环境中承受着腐蚀、磨损和碰撞。目前国内液压支架立柱均采用27SiMn材料制造,并在立柱活柱和中缸表面采用电镀工艺,以铜锡合金作为打底层,镀层厚度为20~35μm,然后表面镀硬铬,厚度为30~45μm。
通过对发生问题的立柱的故障统计发现:出现几率最大的故障是立柱的电镀面出现损伤。其原因主要有两种:第一种是在矿井下镀层表面吸附腐蚀性介质渗入镀层底部形成腐蚀圆,腐蚀物堆积造成起泡;第二种是崩落的固体装机造成镀层开裂和剥落。
使用激光熔覆技术,通过激光加热将不锈钢粉末熔覆在27SiMn立柱基体表面,形成与立柱基体呈冶金结合的致密不锈钢涂层,可避免上述第一种原因引起的故障。且不锈钢涂层具有比铬镀层更好的韧性,不会发生大面积开裂和剥落现象。但传统的激光熔覆速率较低,熔覆后涂层粗糙度较大且光滑度较差。
发明内容
本发明针对上述带有电镀涂层的立柱易破损和传统激光熔覆方法生产的立柱涂层粗糙度较大且光滑度较差的问题,采用同轴送粉式的超高速率激光熔覆方法,提供一种使用寿命更长、涂层光滑可控、均匀致密、结合度更好的液压支架立柱。需要说明的是,本发明中的超高速是相对于现有的激光熔覆速度而言的,该超高速具体是指激光扫描线速度大于等于20m/min。
本发明技术方案的具体内容是:
一种采用超高速率激光熔覆方法制造的液压支架立柱,其特征在于该液压支架立柱包括中缸、活柱、底阀和外缸,且该活柱和中缸通过下述方法制备:
(1)选择不锈钢粉末并对粉末筛分处理,然后经过烘干处理后真空封存,备用;
(2)将牌号为27SiMn的活柱或中缸基体固定在车床上,车削外圆至直径小于成品直径0.2~0.6mm,检查基体表面,确保表面光洁无缺陷;
(3)将活柱或中缸基体装夹在激光熔覆设备的回转机构上,调整光斑(激光焦点)和粉斑(不锈钢粉末汇聚点)相对基体外表面待熔覆面上方的位置,并根据具体情况设定超高速率激光熔覆工艺参数;
(4)采用同轴送粉超高速激光熔覆方法,使用步骤(3)所设定的工艺将步骤(1)所得的不锈钢粉末熔覆到基体表面,得到厚度为0.15~0.45mm的涂层;
(5)在不送粉条件下降低激光功率,保持其它工艺参数不变,对熔覆涂层进行激光重熔,得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层;
(6)将中缸、活柱与底阀和外缸进行装配,得到完整的液压支架立柱。
本发明的超高速激光熔覆技术是一种新型、高效的激光熔覆技术,其激光束少部分能量作用在基体材料上形成较浅的熔池,而大部分能量作用在了粉末材料上,使粉末在进入熔池之前温度升至熔点并熔化,以液滴的形式与基体材料结合,再依靠基体自身冷却凝固。由于不需要在基体表面形成较深的熔池,故与传统激光熔覆技术相比,激光能耗明显下降,工作效率也提高了几十甚至上百倍。粉末熔滴极高的凝固速率,使涂层在制备过程中基本不被氧化,保证了涂层的性能。
根据本发明另一方面,还提供了一种采用超高速率激光熔覆方法制造的液压支架立柱,该立柱的活柱和中缸通过下述方法制备:
(1)选择不锈钢粉末并对粉末筛分处理,获得粒度范围为15~50μm、球形度大于90%的粉末,然后经过保温温度120~150℃、保温时间1.5~3.5h的烘干处理后真空封存,备用;
(2)将牌号为27SiMn的活柱或中缸基体固定在车床上,车削外圆至直径小于成品直径0.2~0.6mm,检查基体表面,确保表面光洁无缺陷;
(3)将活柱或中缸基体装夹在激光熔覆设备的回转机构上,并调整光斑和粉斑相对基体外表面待熔覆面的位置:要求光斑与粉斑重合,距待熔覆面0.5~2mm。并根据具体情况设定激光熔覆工艺参数;
(4)采用同轴送粉超高速激光熔覆方法,使用步骤(3)所设定的工艺将步骤(1)所得的不锈钢粉末熔覆到基体表面,得到厚度为0.15~0.45mm的涂层;
(5)在不送粉条件下降低激光功率,保持其它工艺参数不变,对熔覆涂层进行激光重熔,得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层;
(6)将中缸或活柱装夹在磨床上,精加工至规定尺寸和精度;
(7)将中缸、活柱与底阀、外缸等其他零部件进行装配,得到完整的液压支架立柱;
本发明相对于传统激光熔覆方法制造的立柱优势在于:熔覆速率高,可以显著提高生产效率;激光重熔后的涂层表面平整度高于传统的熔覆涂层平整度,且涂层厚度控制更精确,涂层光滑、均匀致密且结合度更好,提高了生产效率并可以降低生产成本;更小的热输入可减小活柱或中缸的变形量。
附图说明
图1为本发明所述的液压支架立柱结构示意图。
图1中,1-底阀;2-外缸;3-中缸;4-活柱;5-导向套;6-卡键;7-挡圈。
图2为实施例所述液压支架立柱活柱熔覆区域纵截面示意图。
图2中,8-奥氏体不锈钢涂层;9-27SiMn活柱基体。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例中提供了一种采用超高速率激光熔覆方法制造的液压支架立柱。有利地,参见图1-2,该液压支架立柱包括中缸3、活柱4、底阀1和外缸2,且该活柱和中缸通过下述方法制备:
(1)选择不锈钢粉末并对粉末筛分处理,然后经过烘干处理后真空封存,备用;
(2)将牌号为27SiMn的活柱或中缸基体固定在车床上,车削外圆至直径小于成品直径0.2~0.6mm,检查基体表面,确保表面光洁无缺陷;
(3)将活柱或中缸基体装夹在激光熔覆设备的回转机构上,调整光斑(激光焦点)和粉斑(不锈钢粉末汇聚点)相对基体外表面待熔覆面上方的位置,并根据具体情况设定超高速率激光熔覆工艺参数;
(4)采用同轴送粉超高速激光熔覆方法,使用步骤(3)所设定的工艺将步骤(1)所得的不锈钢粉末熔覆到基体表面,得到厚度为0.15~0.45mm的涂层;
(5)在不送粉条件下降低激光功率,保持其它工艺参数不变,对熔覆涂层进行激光重熔,得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层;
(6)将中缸、活柱与底阀和外缸进行装配,得到完整的液压支架立柱。
优选的,所述步骤(1)中,所述不锈钢粉末要求是粒度范围为15~50μm、球形度大于90%。
可以理解的是,本实施例中激光的少部分能量作用在基体表面形成较浅的熔池,激光大部分能量作用在基体上方的不锈钢粉末上;不锈钢粉末在进入熔池之前温度升至熔点并熔化,以液滴的形式与基体结合。与传统工艺相比,本发明的不锈钢粉末稀释率低,涂层成分受基体材料影响更小,最终的涂层表面更加平整光滑、均匀致密且结合度更高。
优选的,该液压支架立柱包括还包括导向套5、卡键6和挡圈7。
优选的,所述步骤(1)中,所述的烘干处理的工艺是将粉末在120~150℃范围内保温1.5~3.5h后并随炉冷却至室温。
优选的,所述步骤(3)中,所述光斑和粉斑相对于立柱基体待熔覆面的位置要求光斑与粉斑在高于待熔覆面0.5~2mm的位置重合。
优选的,所述步骤(3)中,超高速率激光熔覆工艺参数为:光斑直径为1~3mm,立柱表面线速度即熔覆速率为20~75m/min,每转进给量0.2~0.4mm,激光功率为1100~1600W,送粉速率为5~25g/min。
优选的,步骤(5)中将激光功率降低至800~1500KW。
实施例2
该实施例还提供了一种采用超高速率激光熔覆方法制造的液压支架立柱,该立柱的活柱和中缸通过下述方法制备:
(1)选择不锈钢粉末并对粉末筛分处理,获得粒度范围为15~50μm、球形度大于90%的粉末,然后经过保温温度120~150℃、保温时间1.5~3.5h的烘干处理后真空封存,备用;
(2)将牌号为27SiMn的活柱或中缸基体固定在车床上,车削外圆至直径小于成品直径0.2~0.6mm,检查基体表面,确保表面光洁无缺陷;
(3)将活柱或中缸基体装夹在激光熔覆设备的回转机构上,并调整光斑和粉斑相对基体外表面待熔覆面的位置:要求光斑与粉斑重合,距待熔覆面0.5~2mm。并根据具体情况设定激光熔覆工艺参数;
(4)采用同轴送粉超高速激光熔覆方法,使用步骤(3)所设定的工艺将步骤(1)所得的不锈钢粉末熔覆到基体表面,得到厚度为0.15~0.45mm的涂层;
(5)在不送粉条件下降低激光功率,保持其它工艺参数不变,对熔覆涂层进行激光重熔,得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层;
(6)将中缸或活柱装夹在磨床上,精加工至规定尺寸和精度;
(7)将中缸、活柱与底阀、外缸等其他零部件进行装配,得到完整的液压支架立柱。
实施例3
参见图2,一种活柱直径为Φ92mm的液压支架立柱,包括27SiMn活柱基体9和结合在基体9上的奥氏体不锈钢涂层8。其中,活柱基体材料为27SiMn,其通过以下工艺步骤加工制造:用车床车削加工活柱基体,加工至小于成品直径0.4mm;用同轴送粉的超高速率激光熔覆方法在基体表面熔覆316L奥氏体不锈钢涂层;使用激光重熔方法熔化涂层表面未完全熔化的粉末保证涂层表面粗糙度。
其具体工艺步骤为:
(1)对316L奥氏体不锈钢粉末筛分及净化处理,获得粒度范围为15~45μm、球形度大于90%的粉末,然后经过保温温度130℃、保温时间2h的烘干处理后真空封存,备用;
(2)将牌号为27SiMn的活柱基体固定在车床上,车削外圆至直径小于成品直径0.2~0.6mm,检查基体表面,确保表面光洁无缺陷;
(3)将表面光滑、无缺陷、直径小于成品直径0.4mm的立柱基体装夹在数控机床上,用无水乙醇擦拭基体待熔覆表面,并调整光斑和粉斑相对立柱基体待熔覆面的位置:使光斑与粉斑在高于待熔覆面1mm的位置重合。设定超高速率激光熔覆的工艺参数,具体工艺是:光斑直径为1.1mm,立柱表面线速度即熔覆速率为25m/min,每转进给量0.30mm,激光功率为1350W,送粉速率为20g/min;
(4)采用同轴送粉超高速激光熔覆方法,使用步骤(3)所述的工艺将步骤(1)所得的不锈钢粉末熔覆到立柱基体表面,得到厚度为0.35mm的耐腐蚀涂层;
(5)不送粉,对熔覆涂层表面进行激光重熔,保持立柱旋转线速度50m/min、每转进给量0.25mm和激光焦点位置不变,将激光功率降低至1350W对熔覆涂层进行激光重熔,得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层;
(6)将活柱与底阀、外缸、中缸等其他零部件进行装配,得到完整的液压支架立柱。
本发明采用超高速率激光熔覆技术在活柱基体上制备耐腐蚀涂层,涂层未出现气孔、裂纹等缺陷,带有奥氏体不锈钢耐腐蚀涂层的活柱耐腐蚀性和使用寿命均优于电镀铬的活柱。本发明激光重熔后的涂层表面平整度高于传统的熔覆涂层平整度,且涂层厚度控制更精确,涂层光滑、均匀致密且结合度更好,提高了生产效率并可以降低生产成本;更小的热输入可减小活柱或中缸的变形量,产品性能更加优越。
Claims (6)
1.一种采用超高速率激光熔覆方法制造的液压支架立柱,其特征在于该液压支架立柱包括中缸、活柱、底阀和外缸,且该活柱和中缸通过下述方法制备:
(1)选择不锈钢粉末并对粉末筛分处理,然后经过烘干处理后真空封存,备用;
(2)将牌号为27SiMn的活柱或中缸基体固定在车床上,车削外圆至直径小于成品直径0.2~0.6mm,检查基体表面,确保表面光洁无缺陷;
(3)将活柱或中缸基体装夹在激光熔覆设备的回转机构上,调整光斑(激光焦点)和粉斑(不锈钢粉末汇聚点)相对基体外表面待熔覆面上方的位置,并根据具体情况设定超高速率激光熔覆工艺参数;
(4)采用同轴送粉超高速激光熔覆方法,使用步骤(3)所设定的工艺将步骤(1)所得的不锈钢粉末熔覆到基体表面,得到厚度为0.15~0.45mm的涂层;
(5)在不送粉条件下降低激光功率,保持其它工艺参数不变,对熔覆涂层进行激光重熔,得到表面平滑光亮、无凹坑和裂纹的涂层;
(6)将中缸、活柱与底阀和外缸进行装配,得到完整的液压支架立柱。
2.根据权利要求1所述的液压支架立柱,其特征在于,所述步骤(1)中,所述不锈钢粉末要求是粒度范围为15~50μm、球形度大于90%。
3.根据权利要求1所述的液压支架立柱,其特征在于,所述步骤(1)中,所述的烘干处理的工艺是将粉末在120~150℃范围内保温1.5~3.5h后并随炉冷却至室温。
4.根据权利要求1-3任一项所述的液压支架立柱,其特征在于,所述步骤(3)中,所述光斑和粉斑相对于立柱基体待熔覆面的位置要求光斑与粉斑在高于待熔覆面0.5~2mm的位置重合。
5.根据权利要求1-3任一项所述的液压支架立柱,其特征在于,所述步骤(3)中,超高速率激光熔覆工艺参数为:光斑直径为1~3mm,立柱表面线速度即熔覆速率为20~75m/min,每转进给量0.2~0.4mm,激光功率为1100~1600W,送粉速率为5~25g/min。
6.根据权利要求1-3任一项所述的液压支架立柱,其特征在于,步骤(5)中将激光功率降低至800~1500W。
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