（材料加工工程专业论文）液压支架活塞杆表面防护层的制备与组织性能研究.pdf

摘要 摘要 活塞杆是液压设备中的易损件，在使用过程中易出现磨损、腐蚀、变形等 现象导致液压系统失效，延误生产进度。因此在活塞杆表面制备有防护层，目 前国内主要采用电镀硬铬及复合镀铬、堆焊工艺制备和修复活塞杆表面防护层。 火焰喷涂加感应重熔技术及等离子熔覆技术两种工艺均可在活塞杆表面制备高 硬度抗磨耐蚀防护层的能力，且在成本、环境保护、适用性、规模应用等方面 具有较强优势，但是有关这两种工艺在制备及修复液压支架立柱活塞杆方面的 研究及分析不多。 本文首先使用商业雾化粉末f e 9 0 分别优化得到了火焰喷涂加感应重熔技 术、等离子熔覆技术的最佳工艺参数，并在上述条件下，从成形性、防护层组 织、结合强度、孔隙率、对合金粉末的要求及耐磨性能等方面分别对两种工艺 的优劣进行了对比分析。另外，还结合液压支架立柱活塞杆的实际工作状况， 设计并制备了耐磨耐蚀、抗形变的f e 基合金粉末防护层，并使用硬度计、金相 显微镜、s e m 、e d a x 及x r d 等检测手段分析所得防护层的力学性能和显微 组织。 在火焰喷涂加感应重熔技术中，当氧乙炔流量比例为1 0 、送粉量为 9 7 7 9 m i n 、预热时间为4 0 s 、喷涂时间为3 m i n 、工件表面线速度为1 2 7 m m i n 、 重熔电源功率为6 0 k w 、频率为2 0 k h z 、感应线圈移动速率为4 m m m i n 、试样 表面温度为1 1 0 0 - 1 1 7 0 时，能得到涂层沉积速率最大、粉末散失率最小、涂 层与基材结合强度较佳的f e 9 0 合金防护层。该防护层成形良好，与基材呈微冶 金结合；硬度达到5 0 - - 一5 5 h r c ，内部组织致密，由h v 8 4 9 5 的奥氏体和h v 9 4 8 4 的针状共晶组成，层内存在少量孔隙；而使用最佳工艺参数得到的机械混合粉 末f e 基合金防护层，则孔隙率高，力学性能较差。 在等离子熔覆技术中，经实验得到的最佳工艺参数：喷嘴到基材距离为 1 2 m m 、搭接率( 搭接宽度) 2 5 、熔覆电流为3 0 0 a 、熔覆速率为3 1 2 m m m i n 、 送粉量为5 0 - - , 5 5 9 m i n 。在上述参数得到的等离子熔覆f e 9 0 合金防护层，成形良 好，组织致密，且与基材呈完全冶金结合。熔覆层由大量枝晶组成；搭接区存 在二次热致重结晶现象；热影响组织由片状珠光体、魏氏体区和再结晶区组成。 结合液压支架立柱活塞杆表面防护层性能要求，通过正交实验得到适用于 摘要 等离子熔覆技术的铁基合金粉末最佳配方：c 4 5 c r 2 3 n i 6 b s i 4 5 m n r e 。经熔覆 后的防护层，其组织主要k 臼( f e ，c r 7 ) c 3 、( f e ，c r ) 2 3 c 6 硬质相和( f e ，c r ) y 固溶 体基体组成。磨损实验和腐蚀实验发现，该配方防护层耐磨耐蚀性能均优于f e 9 0 等离子熔覆合金层。 关键词：表面防护；火焰喷涂；感应重熔；等离子熔覆；f e 基粉木 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep o s t o no fh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e mw a sv u l n e r a b l ep o i n t ，a n de s p e c i a l l y , i t w o u l db ea b r a s i o n ，r u s t ya n do u to fs h a p e ，a sar e s u l t ，i td e l a y e dp r o d u c t i o na n d c a u s e dl o s s e s s ot h ec o a t i n go v e rp o s t o nw a sm a d eb e f o r eu s e d ，t h ec o a t i n go v e r p o s t o nw e r em a d ea n dr e p a i r e dw i d e l yu s e dt h ep r o c e s s e so fh a r dc h r o m i u mo r c h r o m i u mc o m p o s i t ee l e c t r o p l a t i n ga n do v e r l a yw e l d i n gi nt h ep a s td a c a d e s t h e f l a m es p r a y i n ga n dp l a s m aj e tc l a d d i n gp r o c e s sw e r es u i t a b l et op r o d u c ea n dr e p a i r t h eh a r d ，w e a rr e s i s t a n c e ，c o r r o s i o nc o a t i n go v e rh y d r a u l i cp r e s s u r ep o s t o n ，w h i c h t a k eal o to fa d v a n t a g e ss u c ha sl o wc o s t ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i n g ，a p p l i c a b i l i t ya n d w i d e l yu s e dc o m p a r e dw i t he l e c t r o p l a t e ，h o w e v e r , t h er e s e a r c hw o r ko nt h e mi ss t i l l i n s u f f i c i e n t i nt h i sp a p e r , f e 9 0a l l o yp o w e r , w h i c hw a sm a d eb ya t o m i z a t i o nm e t h o d ，w a s u s e dt od e t e r m i n a t et h e b e s tt e c h n i c a lp a r a m e t e r so ft h ef l a m es p r a y i n g p l u s i n d u c t i o nr e m e l t i n ga n dt h ep l a s m aj e tc l a d d i n gp r o c e s s u n d e rt h eb e s tp a r a m e t e r s ， c o m p a r i s i o no ft h et w op r o c e s s e sw a sd o n ei n t h i sp a p e rf r o ms h a p e ，s t r u c t u r e ， b o n d i n gs t r e n g t h ，p o i s o nr a t ea n dc o n d i t i o n so fp o 、；v d e r a n dt h e n ，a c c o r d i n gt o w o r k i n gc o n d i t i o no fh y d r a u l i cp r e s s u r es u p p o r t i n gp o s t o na n dt h ep a r a m e t e r s ，w e d e s i g ns u i t a b l ef e - b a s e da l l o yp o w e r , d e t e c t e da n da n a l y s i s e dt h ep r o p e r t i e sa n d s t r u c t u r eo f t h ec o a t i n g b yh a r d n e s st e s t e r , o m ，s e m ，e d a x ，x r da n de t c t h er e s u l t sp r e s e n t e dt h a t ，i nt h ep r o c e s so ff l a m es p r a y i n g , w h e n0 2a n dc 2 h 2 f l u xr a t i oi s1 0 ，t r a n s p o r tp o w d e rr a t ei s9 7 7 9 m i n ，p r e h e a tt i m ei s4 0 s ，s p r a yt i m ei s 3 m i n , s u r f a c el i n es p e e do fs a m p l ei s1 2 7 m s ，p o w e ro fe l e c t r i c i t y - s u p p l yi s 6 0 k w 、f r e q u e n c yi s2 0 k h z ，t h et e m p e r a t u r eo ft h es a m p l es u r f a c ei sa b o u t 1 1 0 0 1 1 7 0 c ，t h ef l a m es p r a y i n gp r o c e s si sa p p l yt oa t o m i z a t i o na l l o yp o w d e r , f o r e x a m p l e ，f e 9 0a l l o yp o w d e rc a nb em a d ei n t oc o a t i n g ，w h o s eh a r d n e s sr e a c h e s 5 0 - - - 5 5h r c ，a n di t ss t r u c t u r ei sc o m p a c t ，w i t h o u tp o r e s b u tt h em e c h a n i c a l l ym i x e d p o w d e ri t sn o ts u i t t ot h i sp r o c e s sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gc o a t i n gc o n t a i n sal o to f p o r o s i t y i i i a b s t r a c t t h eo p t i m i z i n gp a r a m e t e r so ft h ep l a s m ac l a d d i n gp r o c e s sa r ea sf o l l o w s ：t h e d i s t a n c eb e t w e e nn o z z l ea n di o n si s12 m m ，o v e r l a p p i n gr a t i o ( o v e r l a p p i n gw i d t h ) i s 2 5 ，t h ew e l d i n gc u r r e n ti s3 0 0 a ，t h ew e l d i n gr a t ei s312 m m m i n ，a n dt h ep o w d e r f e e d i n gr a t ei s5 0 5 5 9 m i n u n d e rp a r a m e t e r sa b o v e ，t h ew e l ls h a p e da n dc o m p a c t s t r u c t u r ef e 9 0a l l o yp l a s m ac l a d d i n go v e r l a yi so b t a i n e d t h ec o a t i n gz o n ew a s c o n s i s to fal a r g en u m b e ro fd e n d r i t i cc r y s t a l s t h eh e a ta f f e c t e dz o n em a i n l y c o n t a i n so ff e r r i t e ，p e a r l i t ea n dw i d m a n s t a t t e n r e c r y s t a l l i z a t i o nd i s t r i c tw a st h e r m a l l y i n d u c e di nt h eo v e r l a p p i n gz o n e a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fo v e r l a yp r o p e r t i e so fp o s t o n ，f e - b a s e dp o w d e r c 4 5 c r 2 3 n i 6 b s i 4 5 m n l r ew a st h em o s to p t i m i z a t i o np o w d e rd u r i n go r t h o g o n a l e x p e r i m e n t s t h ec l a d d i n gc o a t i n gw a sc o n s i s to f h a r dp h a s eo f ( f e ，c 0 7 c 3a n d ( f e ， c r ) 2 3 c 6a n da l l o y e d - - s o l u t i o nm a t r i x t h ew e a ra n dc o r r o s i o nr e s i s t e n c ep r o p e r t i e s o ft h i sf e b a s e da l l o yp o w d e rc o a t i n gw e r eb e t t e rt h a nf e 9 0p l a s m ac l a d d i n g o v e r l a y k e y w o r d s ：c o a t i n g ；f l a m es p r a y i n g ；i n d u c t i o nr e m e l t i n g ；p l a s m ac l a d d i n g p r o c e s s ；f e - b a s e da l l o yp o w d e r i v 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 活塞杆是液压设备中的易损件，在使用过程中易出现磨损、腐蚀、变形等 现象导致液压系统失效，延误生产进度，本论文正是基于此种情况展开研究。 1 2 课题研究的目的及意义 中国是煤炭资源型国家，是世界第一产煤大国，煤炭行业是我国国民经济 高速发展的重要基础。虽然国家正在大力发展新能源，但据报道，2 0 0 9 年我国 国内一次性能源消费结构中，煤炭所占比例仍然高达6 8 7 ，石油为1 8 ，天 然气为3 4 ，其他包括新能源等可再生能源共占9 9 【l 】，可以看出，煤炭资源 的开发利用在整个国民经济中占有举足轻重的位置，因此煤矿设备的研发与改 进具有重要的意义。综合机械化采煤是煤矿技术水平的标志，是增加煤炭产量、 提高劳动效率、增加经济效益的重要手段。实践证明大力发展综合机械化采煤， 开发和改进作为长采煤工作面上的最重要安全生产设备之一的液压支架是十分 关键的。如图1 1 所示。 图1 1 液压支架 采煤生产时，为保证采煤工人的生命安全和生产作业的有效进行，需要对 绪论 顶板进行支护，进行支护时使用的设备即是液压支架。液压支架在生产中主要 起支撑和控制工作面顶部的顶板，防止煤矸石和煤屑落入刮板输送机并隔离采 空区的作用。液压支架属于重型设备，其投资费用占整个采煤工作面成套设备 总投资费用的6 0 以上。工业的发展对液压支架的质量提出了越来越高的要求， 研发制造性能优越、生产效率高、使用寿命长、成本低廉的高质量液压支架成 为煤碳生产的发展趋判到。 目前使用的液压支架分为三类，即：支撑式液压支架、掩护式液压支架、 支撑掩护式液压支架。无论何种液压支架，在工作过程中，其液压立柱活塞杆 均容易遭到飞溅的煤矸石撞击导致其表面尺寸和粗糙度变化，兼之煤矿环境中 各种介质对其表面造成腐蚀、磨损，长时间使用后液压油内混进碎屑及硬颗粒， 进而导致漏液和立柱内表面出现锈蚀、拉伤甚至出现沟槽，给整个生产带来不 便。尤其是使用3 5 m 以上的大采高液压支架时，由于液压立柱活塞杆暴露距离 更长，其表面更易受到撞击和侵蚀，给进一步提高立柱高度和增加采煤量带来 技术困难，而我国厚煤层储量巨大，国有煤矿中厚度3 5 m 以上的煤层占总储 量的4 5 v a 上【3 】，因此必须发展大长度液压支架和解决液压活塞杆表面易遭撞 击变形及磨损、锈蚀难题。 普通液压支架内外活塞材料采用4 2 c r m o 和2 7 s i m n 钢，为提高活塞杆表面 耐磨耐蚀抗冲击性能，一般对活塞杆表面进行电镀硬铬或先镀铁再镀硬铬与其 他合金，以提高其表面硬度和强度，但是电镀后所得镀层厚度仅为5 0 7 0 i - t m ， 无法抵抗一定强度的冲击，仅做为表面防锈层起保护作用存在。另外电镀会带 来对环境的污染，其中c ，存在致癌性，在某些领域，电镀铬已经被完全取代。 国内大型企业多采用堆焊活塞杆表面防护层工艺，王海波等【4 】试图采用普通埋 弧焊结合c 0 2 气体保护焊对液压支架外表面进行堆焊防护层，但是其存在焊缝 与焊道搭接的缺陷，且其采用普通焊丝对液压支架中缸的防护作用有限。吕纪 武等人【5 】采用d 2 2 6 药芯焊丝加h j 2 6 0 进行埋弧堆焊铸机液压剪活塞杆，并对焊 后热处理作出分析研究。文献1 6 】使用等离子喷涂设备制备f e 基合金防腐涂层以 取代电镀硬铬层，取得良好的耐腐蚀效果，但未涉及高强度压力下的抗冲击耐 磨损问题。激光熔覆形成的防护层在厚度和表面成形性均能达到要求【_ 7 1 ，n i c o l a s s e l t e s 等【8 】采用等离子喷涂加二极管激光重熔复合过程制备取代镀硬铬层的 n i c r b s i 涂层，但是激光熔覆设备造价成本过高、对合金粉末要求过严、生产 效率不高的缺陷限制了其在工业生产中规模应用。因此，寻找一种工艺制备的 2 绪论 液压支架立柱活塞表面防护层即能起到有效防护作用，又能保证生产成本普通 工业生产足以承受是十分有意义的。本文在大量阅读相关文献资料和工业生产 实际调研的基础上，提出采用氧乙炔火焰喷涂加感应重熔技术及等离子熔覆技 术在液压支架活塞杆表面制备和修复高强度高硬度抗冲击耐磨损防护层，以提 高液压支架的使用寿命及生产效率，并对比分析两种工艺制备防护层的优劣， 为相关应用及理论研究提供具有一定参考价值的依据和资料。 1 3 火焰喷涂与感应加热技术 1 3 1 火焰喷涂概述 热喷涂是指将被喷涂材料( 粉末、丝材等) 送入从喷嘴中喷出的高温高速 火焰或其他热质流中，材料受热后以熔融或半熔融高塑性状态高速喷射到经过 预处理的基材表面，熔融粒子碰撞基材表面时发生能量转换，在基材表面铺展， 并以极快的速度冷却、凝固、堆叠形成涂层，随喷嘴的移动，涂层扩展至所有 基材表面。研究人员利用超高速摄像机拍摄下粉末粒子从撞击基材表面开始到 完全铺展的时间为7 u s 左右【9 1 。火焰喷涂技术是热喷涂技术中开发较早的一种， 至今已经发展了高速火焰喷涂技术，在材料表面改性技术中占比较重要的位置。 它是靠一种可燃气体或液体与氧气混合，通过特殊结构的燃烧器喷嘴，剧烈燃 烧产生大量热量对合金粉末和基材表面进行加热，从而实现合金粉末熔敷在基 材表面的方法【l o 】。 ( 1 ) 燃气 能够在燃烧过程中释放大量热量的气体就是燃气，一般使用乙炔( c 2 h 2 ) 、 丙烷( c 3 h 8 ) 等，使用最多的是乙炔。与其他燃气相比，乙炔气具有以下优点： 1 ) 热值高，火焰温度高达3 0 0 0 - - 一3 2 0 0 。c ，远远高于液化石油气，适合熔 化低熔点合金粉末。 2 ) 生产成本低，且相对氢气更安全。 3 ) 对材料本身影响小，使用时不易使用金属材料渗氢或渗碳、脱碳而改变 其力学性能。 常用燃气( 燃油蒸气) 的主要理化性质如表1 1 所示。 绪论 注：储存方法：乙炔钢瓶，在1 7 2 1 m p a 压力下溶解状态；天然气管道或钢瓶；液 化石油气钢瓶，压力1 5 1 m p a 。 ( 2 ) 工作原理 火焰喷涂喷枪工作原理如图1 2 所示。生产过程中，氧气与乙炔气通过气 阀进入喷枪枪体内，一般中心孔通氧气而燃气即乙炔从侧孔通过，高速的氧气 流过后，会在喷枪上方的粉斗或送粉管内形成负压( 这种送粉方式称为虹吸式 送粉) ，合金粉末即顺利吸入喷枪，与氧气一起到达喷嘴，与乙炔气混合，并完 成燃烧、加热熔化、涂敷于工件表面的过程。 图1 2 喷枪工作原理 4 绪论 本实验采用的是q t - e 7 h 型粉末火焰喷涂喷焊枪，其组成如图1 3 所示。 图1 3q t - e 7 h 型粉末火焰喷涂喷焊枪组成 l 一枪体2 一连接管3 一火焰喷嘴4 一空气喷嘴5 一空气开关 6 _ 粉斗7 t 阀( 送粉气调节)8 - p 阀( 粉量调节)帅阀( 氧气调节) l o _ - a 阀( 乙炔调节) 1l 一后体 1 2 一进气接头1 3 一支柱 1 4 一手柄1 5 一喷嘴压帽 本实验中所用的喷枪功率较大，适用于各种材料为铸铁、钢、不锈钢、铜 及其合金零件表面的喷涂。 因为火焰喷涂相对压力小、火焰流速低，粉末颗粒撞击基材速率低( 约 4 0 m s ) ，随着工业发展普通火焰喷涂难以应对某些工作条件要求苛刻的工况， 因此出现高速火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂【1 2 】。现在研究较多 集中于高速火焰喷涂即超音速火焰喷涂( h v o f ，h i g hv e l o c i t yo x y g e nf u e l ) ，其 所使用的燃料为航空煤油，送粉气为高速压缩气体。与普通火焰喷涂相比，其 特点是火焰喷射速度高( 可达1 5 0 0 , - - 2 0 0 0 m s ) 、温度低( 2 7 5 0 c 左右) ，因此，合金 粉末被高速高温气体加速至3 0 0 5 0 0 m s 后送达材料表面，形成耐磨层孔隙率 更低，更加致密，与基材结合强度更高( 高于7 0 m p a ) ，且喷涂过程中生成的碳 化物等硬质相因火焰温度较低而较多的保留下来，所以涂层整体强度高，使用 性能好i l3 1 。 绪论 1 3 2 火焰喷涂应用及发展 热喷涂在我国的应用范围十分广泛，涉及机械制造、航空、冶金、电力、 交通运输和石油化工等数个工业领域，可使加工过的工件及设备表面具备耐磨、 防腐、导电、耐热、抗冲蚀、绝缘、减摩润滑、抗氧化及防辐射等功能。具体 到火焰喷涂涂层较多应用在金属、陶瓷材料的表面改性方面，如防腐耐磨层、 表面封严层、抗冲击防护层、绝缘防护层等。 文献【1 4 l 研究了氧乙炔制备镍基耐蚀合金涂层，得到了成形良好、性能较佳 的防腐层，并分析了涂层的高温氧化、电化学腐蚀和热疲劳性能。文献【l5 】利用 氧乙炔火焰喷涂加感应重熔方法在抽油机拉杆接箍表面制备耐磨防护层，并分 析了涂层力学性能，发现镍基合金涂层中的硬质相主要是弥散在基体表面及内 部颗粒状的w c 、c r 3 c 2 等碳化物及c r b 等硼化物，这些硬质相大大提高了涂层 的耐磨性。文献【l6 】对比分析了火焰喷涂及等离子喷涂制备在航空发动机零部件 表面的封严涂层，该封严涂层成分为n i c o c r a l s i 0 2 ，使用温度为9 0 0 - a ：1 0 。 该文献研究所制封严涂层的性能及组织结构时使用s p r a yw a t c h 在线监测系统 监测分析粉末颗粒在喷涂过程中的温度及速度，得出了符合常温、高温和低温 使用性能要求的工艺参数。文献【l 刀研究了利用火焰喷涂在金属基体表面制备绝 缘层的电性能，该绝缘层由两层组成：包含a l 、z r 、t i 、c o 、a i m g 尖晶石的 绝缘层及由趟和金属n i 组成的过渡层。还通过加入质量分数为2 5 的t i ，使 绝缘层具有较高的耐磨性及强度。文献【i8 】利用火焰喷涂在基体表面制备了尼龙 1 0 1 0 复合防护涂层，并研究了复合涂层的结构与性能，认为火焰喷涂聚合物粉 末是一种高效、低耗、简捷的材料保护和维修技术。 普通火焰喷涂涂层存在气孔率高、结合强度相对较低的缺陷，可在喷涂完 成后进行重熔或使用高速火焰喷涂的方法解决。 1 3 3 感应加热概述 火焰喷涂涂层重熔可使用火焰重熔、等离子重熔、高( 中) 频感应重熔等。 火焰重熔又称为火焰喷焊，即使用氧乙炔火焰对涂层进行加热重熔，适用 于异型件及精密件局部修复时的重熔。等离子重熔指使用等离子弧对喷涂层进 行加热重熔，等离子弧温度较高，一般涂层均会产生较多的烧损，且等离子弧 重熔时会产生搭接接头，给后续的表面加工带来较大的工作量，尤其是像液压 支架活塞立柱这种对表面光洁度要求较高的工件，使用等离子弧重熔后序加工 6 绪论 量更大。 高频感应重熔是使用高频感应电源实现涂层加热重熔过程，其工作原理如 图1 4 所示【1 9 l 。 e d d yc u r r e n t 7 o 徽、 - - - m a g n e 百cf i u x j 斗# i ， 、 w o r k p i e c e 图1 4 感应电源工作原理 根据物理学相关知识【2 0 五，当导体中通过电流时，其所在周围空间内就会 产生一个电磁场，当处于该磁场的导体中磁场强度发生变化时，导体就会产生 感应电流，如果导体是回转体即产生涡流。当通过感应器中的电流方向在高速 转换时，如大于1 0 0 k h z 的振荡频率时，通过导体的磁场强度也在发生剧烈的 变化，则导体中的感应电流就会相当可观，形成涡流并转化成巨大的热量，即 实现感应加热。 感应电源一般按其频率大小不同分为工频、中频、超音频和高频四种。工 频即日常使用的普通工业用电所处的频率，小于1 k h z ；中频使用频率为l o 3 0 k i - i z ，用于材料表面要求一定淬透深度淬火加热；超音频使用频率为3 0 - - 1 0 0 k h z ，可用于钎焊及感应电炉方面：高频使用频率为1 0 0 k h z 以上，其加热 材料表层深度较浅，工件淬透深度控制在2 m m 以内，因此较多应用于表面淬火 加热。 目前国内生产的多为i g b t 晶体管式感应电源，具有电能转换效率高、加 热速度快的特点，表1 2 为国内部分主要感应电源的型号和技术参数。 7 绪论 表1 2 国内部分主要感应电源的型号和技术参数 耋型型呈 堡塑塑奎丛生圣堕量丝g 箍当垫奎丛型 中频 超音频 高频 k g p s 6 0 1 0 s p z 系列 c w 系列 h f p 系列 g p h 系列 w h 系列 h h p 系列 g p l 0 c w 5 s p g 系列 由电磁学相关知识可知交变磁场产生的感应电流，即涡流( e d d yc u r r e n t ) a l p 存在着热效应( t h e r m a le f f e c t ，电流转化为热) 、去磁效应( 新磁场的产生反对原磁 场的变化方向) 、邻近效应( p r o x i m a t ee f f e c t ，相互靠近的导体通有交变电流时， 会受到邻近导体的影响) 、圆环效应( c i r c l ee f f e c t ，当交流电流通过圆环形螺线圈 时，电流会趋向于螺线圈导体的内侧) 、集肤效应( s k i ne f f e c t ) ，这其中集肤效应 对感应加热影响最大，对其研究也最多田】。 感应电源加热的深度与电源的频率有很大关系。通常感应电流在导体内部 的分布是不均匀的，当交变电流通过导体时，电流将向导体表面集中，这种现 象在物理学上叫集肤效应。而随着电流转变频率的增加，这种效应就越显著。 感应加热时工件上磁感应强度分布如图1 5 所裂2 3 1 。 t e s tp e i c o 图1 5 感应加热时工件上磁感应强度分布 弼 似 舶 枷 踟 粕 脚 枷 柳 垮 肛 扣 扣 乳 扣 队 肚 c h 3 1 1 1 l l 2 5 5 6 o 2 舛 撕 他 5 3 l 2 1 ) o o o o k k o 坝 巧 屹 m 拍 铷 铷 。 胁 耻 鼽 妣 扯 舭 肌 绪论 工程上定义从表面到电流密度下降到表面电流密度的0 3 6 8 ( 1 e ) 的厚度为 集肤深度或穿透深度，利用公式1 1 计算交变电流集肽效应的深度0 ： 0 = 其中严交流电源的频率； 卢一工件材料的电导率； 广工件材料的磁导率； 卜常数。 公式1 1 应用涉及材料的物理学性质参数较多，使用不方便，人们迸一步 简化成为经验公式1 2 ： 肚芳 2 ， 从经验公式1 2 ，可以明显看出，所加热工件的集肤深度与使用的电源频率 平方根成反比，即随着交流电源频率的增加，集肤深度将减小，因此可按需要 加热工件表面层的深度选择电源类型与频率。 另外，涡流的分布除与电源频率有关，还与材料的电阻率有关。防护层成 分为铁基合金，其电阻率远高于基材( 防护层存在较多孔隙、夹杂等) ，因此通 过防护层的涡流较少，防护层的受热主要来自基材的热传导，这种从涂层与基 材结合处开始的热传导过程非常有利于高结合强度防护层的形成。 1 3 4 感应加热应用及发展 感应加热技术具有无接触、能量密度高、清洁环保节能、加热速率快、产 品质量稳定及生产效率高易于自动化等优点【2 4 】，在现今工业生产中广泛应用。 主要用于感应熔炼、表面感应淬火热处理、感应钎焊熔化焊等【2 5 之6 1 。 但是感应加热技术自身还存在一些有待解决的问题，像在感应熔炼中的电 磁搅拌致使出现“驼峰”现象【2 7 】、表面感应淬火中加热不均出现“淬不透 及“过 淬 等，还需要改进感应加热电源及生产工艺本身来解决。随着工业发展的要 求，感应电源必将向着频率更高、容量更大并且更加智能、自动和集成的方向 发展。 9 绪论 1 4 等离子熔覆技术 1 4 1等离子熔覆技术概述 等离子体是一种被电离的气态物质，是除固体、液体、气体之外的第四态。 其中高温等离子体部分具有高温、高速、高压的特点，等离子体在与其他材料 碰撞时，会将巨大的能量传递给这些材料，产生一系列物理和化学反应，从而 具有被人们利用的价值。等离子熔覆技术正是基于高温等离子的一些特性发展 的一种材料表面改性技术，其工作原理如图1 6 所示。 枪体移动方向 j 熔覆层 工件基体 工件转动方向 图1 6 等离子熔覆工作示意图 等离子枪 钨极 混合粉气 等离子弧 熔池 在图1 6 中，等离子枪( 等离子炬，负极) 与工件表面( 正极) 之间形成 等离子弧，等离子弧作为热源熔化工件表面形成熔池，同时合金粉末被氩气运 送至等离子弧内一起熔化，熔化成液态的合金粉末随等离子弧到达工件表面进 入熔池，在熔池中充分搅拌反应。随着等离子弧移动离开，原先的熔池冷却凝 固形成熔覆层，整个过程是个动态平衡的熔化一凝固一熔化一凝固的过程。 现在工业应用的等离子熔覆设备送粉方式主要分为外送粉和内送粉两种方 式。外送粉方式指粉末直接进入熔池，内送粉方式指粉末进入等离子弧柱，被 熔化或部分熔化后再进入熔池，这两种方式不存在本质区别，但是不同的送粉 1 0 绪论 方式需要不同设计的等离子枪来实现。外送粉方式的等离子枪结构上等离子弧 与合金粉末从不同的喷孔中喷出，内送粉方式的等离子枪结构上等离子弧与合 金粉末汇合以后从同一喷孔中喷出，这就造成两种不同结构的等离子枪对合金 粉末的生产工艺要求不同。 合金粉末的生产工艺主要有机械研磨法和水雾或气雾雾化法。机械研磨法 生产工艺简单、设备要求低，但是粉末成分均匀性差、颗粒为非球形，流动性 差；雾化法生产对设备要求投入大，但是粉末成分均匀，颗粒呈球形，综合成 本远高于机械研磨法。外送粉方式的等离子设备对粉末要求低，适合机械研磨 法及雾化法生产的粉末，但是内送粉方式的等离子只能使用雾化法生产的合金 粉末，否则将产生堵孔、烧嘴等故障，严重影响生产效率【2 8 棚】。 对等离子熔覆合金粉末研究较为深入成果较多的是山东科技大学和武汉材 料保护所，他们开发了一系列的f e 基合金粉末，已经在工业上取得一定的应用， 对替代n i 基合金粉末、控制生产成本起到一定积极作用。 1 4 2 等离子熔覆应用及发展前景 由于等离子弧具有能量密度大、生产效率和自动化程度高、对合金粉末要 求和综合成本低、操作使用简单等特点，具有创造良好经济效益的能力，因此 可在规模化工业中大量应用，主要用于以下几方面【3 0 】： ( 1 ) 材料表面改性方面。这方面应用最广，如采煤设备中的刮板输送机中 部槽、截齿及瓦斯抽放钻杆的表面熔覆强化、石油钻探中各种输油管道内表面 的熔覆强化及矿山设备各种锤头及叶片的表面熔覆强化。图1 7 为经过等离子 熔覆齿体强化的截齿。 图1 7 等离子熔覆表面强化的截齿 绪论 ( 2 ) 设备修复再制造方面。如大型水泥破碎滚筒、立磨辊及火电厂中速磨 煤辊等大型异型工件表面破损处的修复与再制造。这些工件由于体积巨大，造 价昂贵，修复成本远小于重新更换，使用等离子熔覆修复后可达到甚至超过原 使用性能。 ( 3 ) 新型复合材料的生产加工方面。如双金属复合钢板的生产，可采用等 离子熔覆设备在普通钢板表面大面积熔覆耐磨合金层，以代替进口优质耐磨合 金钢板，此种工艺目前已在国内开始使用，正在进一步发展中。 ( 4 ) 零件的快速成形方面。正处于研究当中，具有广阔的应用和发展前景。 微弧等离子束流熔覆技术，即是小功率等离子束流熔覆技术，所使用的等 离子枪功率较小，等离子弧能量精细，易于控制，主要是应用于已制备铁基合 金熔覆层的后处理过程，以减少微观偏析、改善微观组织，提高合金层耐蚀性 及耐磨性【3 l 】。 1 5 研究内容及技术路线 1 5 1 研究内容 本文以煤炭工业液压支架立柱活塞杆为研究对象，研究其失效方式，以制 备活塞杆表面防护层、提高液压支架使用寿命为目标，分别运用火焰喷涂加感 应重熔、等离子熔覆技术在液压支架立柱活塞杆表面制备高耐磨、抗冲击、耐 腐蚀、具有相当结合强度，同时成本控制在一定范围内的防护层，并对防护层 组织及其他性能进行系统分析和研究，其主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 针对液压支架立柱活塞杆失效方式，分别利用火焰喷涂加感应重熔、 等离子束流熔覆制备和修复活塞杆表面防护层。 ( 2 ) 火焰喷涂加感应重熔工艺优化研究。研究火焰喷涂加感应重熔工艺过 程中表面线速度、氧乙炔比例、送粉量、感应频率等各参数对商用雾化粉末涂 层的成形、力学性能及微观组织的影响。 ( 3 ) 等离子熔覆工艺优化研究，优化工艺参数，并结合火焰喷涂加感应重 熔工艺讨论两种不同工艺参数对防护层成形质量、组织形貌、使用性能等的影 响规律，做对比分析，探讨两种加工工艺的优劣。 ( 4 ) 设计符合液压支架立柱活塞杆工况的f e 基合金粉末，研究c r 、c 、n i 等主要合金元素对防护层抗冲击耐磨抗蚀性能的影响，并使用光学显微镜、扫 绪论 描电镜、电子能谱、x 射线衍射等方法研究不同成分下防护层的形貌、组织及 相组成，分析其性能。 1 5 2 技术路线 按照实验目标及实验内容，设计技术路线如图1 8 所示。 绪论 图1 8 技术路线 1 4 实验材料设备及分析方法 2 实验材料设备及分析方法 本章在前期研究工作的前提下，提出以类似液压支架立柱活塞杆的普通圆 钢代替进行热喷涂及等离子熔覆实验，这样即可节约成本、减少时间又能起到 相同的效果。本章对实验材料的选取及所制备防护层的分析检测方法进行了简 单介绍。 2 1实验材料 本实验以( p 3 0 m m x 15 0 m m 的q 2 3 s 圆钢为基材进行实验。q 2 3 s 含碳适中， 综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。其化学 成分及力学性能如表2 1 及表2 2 所示，其显微组织照片如图2 1 所示。 表2 1q 2 3 s 化学成分( w t ，) 硬度i - i b s抗拉强度 屈服强度弹性模量线膨胀系数 尘堡垒迦垒 ( 兰! q ! 丛呈尘! 兰! q ：竺里! 1 6 53 7 5 - - 、，5 0 0 约2 3 51 8 4 2 1 9 2 1 1 2 1 1 3 5 图2 1 q 2 3 5 显微组织结构 1 5 实验材料设备及分析方法 本实验使用的防护层材料为自熔性合金粉末。自熔性合金粉末指的是合金 粉末中加入b 和s i 等脱氧、造渣或增加熔体润湿性能力元素的合金粉末，其熔 点较低，约在8 0 0 - - - - 1 2 0 0 之间。 自熔性合金粉末的线膨胀系数一般处于1 4 x 1 0 。6 1 6 x 1 0 - 6 之间，当基 材的线膨胀系数大于1 8 x 1 0 。6 时，容易导致涂层在冷却过程中因承受较大压 应力而出现翘曲和脱皮剥落；当基材的线膨胀系数小于1 2 x 1 0 。6 时，则较易 导致涂层在冷却过程中因承受较大的拉应力而出现裂纹和破碎。从钢铁材料实 用手册可查知，q 2 3 5 的线膨胀系数为1 2 1 1 0 - 6 1 3 5 x l o - 6 之间，不易发 生上述缺陷，较易适合作为基材【3 2 1 。 本实验前期工艺探索中采用的合金粉末为天津铸金表面工程材料科技开发 有限公司生产的f e 9 0 粉末，为不锈钢类型合金粉末，其成分如表2 3 所示。 表2 3f e 9 0 合金粉末成分( w t ，) f e 9 0 合金粉末为水雾法生产的高铬类奥氏体不锈钢，喷涂后涂层收缩率低， 能得到厚度较大的涂层。水雾法生产的f e 9 0 合金粉末，形状以球型为主，如 图2 2 所示，表面光滑，熔点为1 2 7 0 1 2 9 0 ，流动性为5 0 9 1 8 s ，松装密度为 4 5 9 e r a 3 。其颗粒尺寸及形态较符合火焰喷涂及等离子熔覆的要求。f e 9 0 粉末 经喷涂后空冷后可直接得到马氏体组织，硬度可达5 0 - - 一5 5 h r c ，具有耐磨、耐 蚀性和较好的抗裂纹性，也较适合用硬质合金刀具进行车制或磨制。 图2 2f e 9 0 粉末形貌 1 6 实验材料设备及分析方法 后期自熔性合金粉末设计参见第五章内容。 2 2 实验设备 ( 1 ) 火焰喷涂、感应重熔设备 本实验火焰喷涂枪是上海瑞法喷涂机械有限公司生产的q t - e 7 h 型火焰喷 涂喷焊两用枪，可用于喷涂低熔点的镍基、铁基合金粉末，如图2 3 所示，其 主要技术参数如表2 4 所示。 霍 图2 3q t - e 7 h 型火焰喷涂喷焊两用枪 表2 4q t - e 7 h 型火焰喷涂喷焊两用枪主要技术参数 本实验感应重熔设备是由深圳市双平电源技术有限公司生产的s p z 7 0 中 频感应加热电源，有较深加热深度和较快的加热速度。使用三相3 8 0 v 电压， 最大额定输入功率为7 0 k w ，最大输入电流为1 0 5 a ，稳定工作频率为1 8 k h z 左 右，如图2 4 所示。 1 7 实验材料设备及分析方法 图2 4 重熔用s p z 7 0 中频感应电源 在电源上安装紫铜环形感应加热线圈及相应夹具、红外温度感应计等辅助 设施，通以冷却水，即可进行加热，整套设备装置示意如图2 5 所示。 图2 5中频感应电源重熔设备装置 ( 2 ) 等离子熔覆设备 等离子熔覆设备采用河南省煤科院耐磨技术有限公司生产的i g c 1 型圆柱 体等离子粉末熔覆机床，如图2 6 所示，其工艺参数如表2 5 所示。 一溷 实验材料设备及分析方法 i 1 _ t + 3 - 。一器枣蔫灿一一 _ +-j 眩j 一“ 轻 l，? 晶 f ， 图2 表2 5 i i 输压电率输全压压銎电”一“熔覆量流量薹气送釜气冷却水_ - t i t 3 8 0 v4 5 k v a2 2 0 v1 v 1 0 0 - - i 0 0 a 蛐5 1 5盛淼 ( 3 ) 自制转动设备 由小型三相异步电机、变频器、卡盘、顶针及框架组织，可实现轴类工件顺 逆时针旋转和速度调整。变频器显示频率、卡盘转动速度及试样( 直径( p 3 0 圆 钢) 表面线速度之间的关系如表2 6 所示。 表2 6 频率显示、卡盘转速与试样表面线速度之间的对应关系 塑窒里查 壁鎏塑! 堑坳亟壁耋亘垡蕉壅丛坠鱼迎 1 0 03 33 1 l 1 5 0 5 34 9 9 2 0 07 4 5 7 0 2 2 5 0 9 3 58 8 l 3 01 1 5 1 0 8 3 3 51 3 4 51 2 6 7 ( 4 ) 自制粉末混合设备 由小型三相异步电机、v 形滚筒组成，可用于自制粉末的均匀混合。 1 9 实验材料设备及分析方法 2 3 防护层试样制备 2 3 1 预处理 火焰喷涂涂层与基材的结合为不完全冶金结合，因此对材料表面要求较高， 喷涂f ；i 必须对基材进行预处理。本实验对试样预处理包括以下几步： 去皮一粗化一除油一预热 ( 1 ) 去皮：将试样装卡在车床上，边旋转试样边用砂轮磨光机磨制，以清 除表面氧化皮和锈斑等大块附着物。这些杂物的存在会严重影响熔融粉末颗粒 在基材表面的润湿和粘附能力，甚至出现喷不上现象，也有少数采用车床车制 表面的方法。 ( 2 ) 粗化：为了进一步提高涂层与基材的结合强度，要对基材表面进行粗 化，要求得到粗糙度较大的基材表面。本实验采用喷砂机喷砂的方法，采用4 0 6 0 # 的棕刚玉砂进行喷砂，气体压力约为1 2 m p a ，最后得到表面呈灰白色较为 粗糙的表面，其表面粗糙度j f c a 约为5 1 t m 左右。 ( 3 ) 除油：经过磨光、