一种活塞杆的表面修复方法
【专利摘要】本发明提出一种超音速火焰粉末喷涂与高频感应重熔相结合的活塞杆表面修复方法，所述方法采用创新研发的具有良好抗腐蚀性和耐磨性的喷涂粉末作为超音速火焰粉末喷涂的合金材料，通过超音速火焰粉末喷涂技术将具有耐磨抗腐蚀性能的所述喷涂粉末均匀地喷涂在活塞杆的工作表面上，再通过高频感应技术对涂层进行二次重熔，形成均匀且组织细密的扩散微冶金结合熔覆层。本发明所述方法修复后的活塞杆具有更强的耐腐蚀性和耐磨性，不但降低了活塞杆与导向套内表面间的磨损，而且能很好地适应酸碱腐蚀等恶劣工况环境，提高了活塞杆以及油缸整体的使用寿命，同时杜绝了现有电刷镀修复再制造中镀层的脱落问题，具有广阔的市场推广前景。
【专利说明】一种活塞杆的表面修复方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于设备修复再制造【技术领域】，具体涉及一种活塞杆的超音速火焰粉末喷 涂与高频感应重熔表面修复方法，尤其是一种液压支架油缸中活塞杆的超音速火焰粉末喷 涂与高频感应重熔表面修复方法。
【背景技术】
[0002] 修复再制造技术是近年发展比较迅速的一种表面处理技术，尤其是在一次性设备 投入较大、设备更换维修费用较为昂贵的煤矿开采中，被广泛的应用于多类设备表面损伤 的修复中。液压支架是在摩擦支柱和单体液压等基础上发展起来的采矿工作面机械化支护 设备，它与滚筒采煤机、可弯曲刮板输送机、转载机及胶带输送机等组成一个有机的整体， 实现了采、支、运等主要工序的综合机械化采煤工艺。液压油缸作为液压支架系统中最重要 的执行元件，是将液压能转换为往复直线运动的机械能的能量转换装置。在液压油缸的工 作过程中，活塞杆在油缸缸筒内做往复运动，与油缸端盖上的导向套滑动配合，长时间与导 向套滑动摩擦，将会使活塞杆发生磨损导致其直径变细，遇有特殊情况时，活塞的推力作用 还会使活塞杆发生变形弯曲。此外，矿用液压支架油缸使用工况比较恶劣，空气中含有大量 的煤尘与极少量的二氧化硫、硫化氢等易溶解于水且具有较强腐蚀性的酸性气体，使得活 塞杆工作时不仅承受强大的力学载荷，而且受到乳浊液的腐蚀和进入乳浊液中硬质颗粒的 磨损和划伤，进而导致油封失效，油缸泄露。针对液压支架系统中油缸活塞杆的这种变形和 表面损伤，具有两种解决方案，一种是更换整个液压支架，这样不但会造成整个综采工作面 的大面积停机，而且设备直接更换的成本费用非常昂贵，因此在综合机械化采煤工艺中一 般不采取这种方式；另一种方式是对变形和磨损的活塞杆进行修复再制造，使其复原以满 足生产要求，传统的修复再制造方法是采用电刷镀修复技术，通过在活塞杆工作表面形成 电镀耐磨防腐蚀的镀层来满足其耐磨抗蚀功能。然而，由于电镀镀层与活塞杆基材之间为 物理结合，结合强度不高，电镀层和基体之间会有明显的界面，界面两侧的基体和电镀层成 分相差非常大，其化学电位差也非常大，在活塞杆与导向套长期滑动摩擦工作时，以及硬质 颗粒对活塞杆的磨损及划伤而出现缺陷时，造成基体的露出，在电化学作用下，腐蚀过程会 沿着电位差最大的位置即界面迅速扩展，导致镀层的大面积脱落，因此针对活塞杆的损伤 变形，传统的电刷镀修复再制造方法存在着较为严重的镀层脱落问题，在一定程度上限制 了这种修复再制造技术的使用，现有技术中尚未出现一种能够很好的解决矿用液压支架油 缸中活塞杆变形和表面损伤的修复再制造方法。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种超音速火焰 粉末喷涂与高频感应重熔相结合的活塞杆表面修复再制造方法，所述方法采用创新研发的 具有良好抗腐蚀性和耐磨性的喷涂粉末作为超音速火焰粉末喷涂的合金材料，通过超音速 火焰粉末喷涂技术将具有耐磨抗腐蚀性能的所述喷涂粉末均匀地喷涂在活塞杆的工作表 面上，再通过高频感应技术对喷涂层进行二次重熔，形成均匀且组织细密的扩散微冶金结 合熔覆层。本发明所述方法修复后的油缸活塞杆具有更强的耐腐蚀性和耐磨性，不但有效 降低了活塞杆与导向套内表面间的磨损，而且能够很好的适应酸碱腐蚀等恶劣工况环境下 的使用要求，提高了活塞杆以及油缸整体的使用寿命，大大降低了煤矿支护成本，且通过本 发明所述方法形成的熔覆层能够牢固地结合于活塞杆基体，完全杜绝了现有电刷镀修复再 制造技术中镀层的脱落技术问题，同时本发明所述方法能够推广应用于除活塞杆以外的其 他磨损表面的修复再制造中，具有广阔的市场推广前景。
[0004] 本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下： 一种活塞杆的表面修复方法，包括以下步骤： 步骤一、按下述重量比配置喷涂粉末混合物：碳0. 7?1%，铬15%?20%，硼2. 5%? 4. 5%，硅 3. 0% ?5%,铁 0. 1-5%，钥 3% ?5%，铜 2. 0% ?3. 5%，钇 0. 3% ?1. 0%，镍余量，并将 喷涂粉末混合物的粒径加工至60 μ m以下； 步骤二、对待修复的活塞杆表面进行清理和粗化处理； 步骤三、对活塞杆进行表面预热处理，控制预热温度在120°C?180°C ; 步骤四、对步骤三预热后的活塞杆表面进行超音速火焰粉末喷涂，通过超音速火焰粉 末喷涂系统以丙烷为燃料、氧气为助燃剂、氩气为送粉气，将步骤一配置的喷涂粉末混合物 均匀喷涂在活塞杆表面上，喷涂过程的工艺参数控制为：丙烷压力〇. 4 MPa?0. 65MPa、氧 气压力1. IMPa、氩气压力1. 1 MPa?1. 3MPa、丙烷流量80?120L/min、氧气流量300? 400L/ min、氩气流量150?200L/min、喷涂距离150mm?200mm、活塞杆转速250?300r/ min且活塞杆相对于喷枪的水平移动速度10?15mm/s、活塞杆层间温度不超过300°C，同时 采取逐层加厚间歇喷涂方式形成较厚喷涂层，且每次喷涂厚度不超过0. 2_ ;当活塞杆表 面喷涂完成后，对喷涂部位进行保温缓冷； 步骤五、对步骤四喷涂后的活塞杆表面进行高频感应预热，控制预热温度在280°C? 300°C之间； 步骤六、对步骤五预热后的活塞杆表面进行高频感应重熔处理，控制重熔温度在 1050°C?1100°C之间，将活塞杆表面的喷涂层形成连续致密的熔覆层，并对重熔处理后的 活塞杆进行保温缓冷； 步骤七、对步骤六处理后的活塞杆进行磨削加工，使活塞杆表面的粗糙度Ra值达到 0. 1?0. 3 μ m，活塞杆外圆尺寸满足使用要求，完成对活塞杆的修复再制造。
[0005] 进一步根据本发明所述的修复方法，其中步骤一具体包括： 1) 、按照所述重量比配置各喷涂粉末原料，然后将一定量的所述喷涂粉末原料放入三 维运动混合机内进行混合，并采用?的铬钥合金钢丸进行磨料，混合磨料时间为25?30 分钟，混合机转速从低到高平稳运转，使各喷涂粉末原料充分混合均匀，形成喷涂粉末混合 物； 2) 、将所述喷涂粉末混合物倒入240目?300目的筛子进行筛分，提取筛下物备用。
[0006] 进一步根据本发明所述的修复方法，其中步骤二具体包括： 1)、对待修复活塞杆表面进行车削加工，清除活塞杆表面的各种损伤和表面软化层，修 正不均勻的磨损表面，将其加工至最大磨损量以下0. 1mm?0. 2mm，并预留不大于5mm的喷 涂层厚度； 2) 、通过车削螺纹对活塞杆表面进行预粗化处理，螺距控制为0. 6mm?1. Omm，螺纹深 度控制为0. 5mm?0. 8mm ; 3) 、对预粗化处理后的活塞杆表面进行脱脂净化处理，采用酒精、丙酮、工业汽油、三氯 乙烯或四氯化碳溶剂去除活塞杆表面和渗入内部的油脂； 4) 、对净化处理后的活塞杆表面进行喷砂粗化处理，采用40?60目的白刚玉在 0. 4MPa?0. 6MPa的喷砂压力下进行表面喷砂粗化加工，使活塞杆表面的粗糙度Ra处于 3. 2 μ m ?6. 3 μ m。
[0007] 进一步根据本发明所述的修复方法，其中步骤四中所述的超音速火焰粉末喷涂系 统包括电源柜1、丙烷罐2、氧气罐3、气体控制箱4、送粉器5、氩气罐6、夹装工装7、行走小 车8、喷枪10、熔覆机床11和冷却水源12,所述丙烷罐2和氧气罐3同时连接于所述气体 控制箱4,通过所述气体控制箱4控制丙烷罐2和氧气罐3的输出气压和流量，所述电源柜 1连接于所述气体控制箱4,所述气体控制箱4通过两根独立的管路将丙烷和氧气提供给喷 枪10,所述氩气罐6连接于所述送粉器5,所述送粉器5内存储有所述喷涂粉末混合物，并 通过管路在氩气送粉气的作用下将所述喷涂粉末混合物提供给所述喷枪10,所述喷枪10 安装于所述行走小车8上，所述夹装工装7设置于所述熔覆机床11上，所述活塞杆9安装 于所述夹装工装7上，并能够在夹装工装7的带动下进行轴向转动，所述行走小车8上能够 沿活塞杆9的轴向在所述熔覆机床11上进行水平移动，所述熔覆机床11自带移动轨道或 滚轮，通过所述冷却水源（12)对喷枪（10)的喷嘴进行冷却并对喷涂火焰进行聚束。
[0008] 进一步根据本发明所述的修复方法，其中步骤三和步骤五中，通过高频感应加热 设备对活塞杆表面进行预热处理，所述高频感应加热设备包括电源控制柜13和感应线圈 14,所述电源控制柜13的振荡频率为200?250kHz，所述感应线圈为直径大于活塞杆外径 的单匝圆形铜管，通过感应线圈14穿过活塞杆表面并相对活塞杆做轴向移动来进行感应 预热，且在预热过程中控制：感应线圈14相对活塞杆的移动速度为15?20mm/s、活塞杆自 身转速为220?280r/min、感应线圈与活塞杆表面间的间隙约2mm且电源控制柜13的输出 电压为3 kV?5kV。
[0009] 进一步根据本发明所述的修复方法，其中步骤六中，通过高频感应加热设备对活 塞杆表面进行高频感应重熔处理，所述高频感应加热设备包括电源控制柜13和感应线圈 14,所述电源控制柜13的振荡频率为200?250kHz，所述感应线圈为直径大于活塞杆外径 的单匝圆形铜管，通过感应线圈14穿过活塞杆表面并相对活塞杆做轴向移动来进行感应 重熔，且在高频感应重熔过程中控制：感应线圈14相对活塞杆的移动速度为5?lOmm/s、 活塞杆自身转速为150?200r/min、感应线圈与活塞杆表面间的间隙约2mm且电源控制柜 13的输出电压为8 kV?12kV，并且当活塞杆表面的喷涂层出现镜面反光现象时停止重熔 处理并采取保温缓冷。
[0010] 进一步根据本发明所述的修复方法，其中步骤七具体包括：将活塞杆放于外圆磨 床上进行磨削加工，砂轮选用粒度为100#?150#的软立方氮化硼砂轮，并控制外圆磨床的 磨削加工工艺参数为：砂轮转速28m/s?33 m/s、轴向进给量0. 8m/min?1.5 m/min、活塞 杆线速度 12m/min ?18m/min、径向进给量 0. 005mm/dst ?0. 015mm/dst。 toon] 进一步根据本发明所述的修复方法，其中通过所述方法修复后的活塞杆表面硬度 HRC大于60,且活塞杆基体与熔覆层间的结合强度大于300MPa。
[0012] 进一步根据本发明所述的修复方法，其中所述活塞杆材质为27SiMn的中碳调 质钢，化学成分：碳 〇. 27%，硅 1. 20%，锰 1. 35%，铬< 0. 30%，钥 < 0. 15%，镍< 0. 30%，铜 彡0. 30%，磷彡0. 035%，硫彡0. 035%，铁余量，热处理硬度HBS175?203。
[0013] 进一步根据本发明所述的修复方法，其中所述活塞杆材质为42CrMo的中碳调质 钢，化学成分为：碳〇. 42%，硅0. 30%，锰0. 65%，铬1. 13%，钥0. 15%?0. 25%，镍彡0. 30%，铜 彡0. 30%，磷彡0. 035%，硫彡0. 035%，铁余量，热处理硬度HBS193?215。
[0014] 本发明的技术方案至少具备以下技术效果： (1) 本发明修复的活塞杆具有更强的耐腐蚀性和耐磨性，其中超音速火焰粉末喷涂中 所用的喷涂粉末成分中含有3%?5%的抗硫化元素钥、0. 3%?1. 0%稀土元素钇，不仅可以 提高合金喷涂层的抗硫化性能、抗剥落性能及抗热腐蚀性能，而且能够起到细化晶粒的作 用，使喷涂层组织更为致密，提高了喷涂层的耐腐蚀、耐磨损、耐冲击等综合性能，使用时可 有效降低活塞杆与导向套内表面的磨损，提高了油缸整体的使用寿命； (2) 本发明所述修复在制造方法同时避免了热喷涂中不可避免的涂层孔隙率大的问 题，使得修复表面质量更好； (3) 本发明所述修复在制造方法中熔覆层保持了粉体原有合金的相结构组成，使熔覆 层与基体实现了扩散微冶金结合，提高了熔覆层的外观质量、结合强度（超过300MPa)、硬 度（HRC60?HRC70)和致密性，尤其是结合强度大大提高，相对于普通超音速火焰粉末喷涂 的涂层结合强度80Mpa)，本发明方法所获得的熔覆层与基体结合强度能提高3倍以上 (彡 300Mpa)。
[0015] (4)本发明所述超音速火焰粉末喷涂与高频感应技术中采用熔覆机床带动活塞杆 沿轴线移动和同轴转动，使活塞杆在高频感应预热、重熔过程中的加热能够连续进行，保证 了活塞杆表面各个位置与线圈耦合均匀，使活塞杆加热更加均匀，进而保证了修复质量。
[0016] (5)通过本发明所述超音速火焰粉末喷涂与高频感应技术对于表面磨损及划伤较 深（1?5_)、面积较大、腐蚀较为严重的活塞杆进行修复时，修复周期短，性能可靠，且工 艺灵活、简单，便于操作，效率高。
[0017] (6)本发明所述方法能够推广应用于除活塞杆以外的其他磨损表面的修复再制造 中，具有广阔的市场推广前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 附图1为本发明所述方法中用到的超音速火焰粉末喷涂系统的组成结构图； 附图2为本发明所述方法中用到的高频感应加热设备的组成结构图； 图中各附图标记的含义如下： 1-电源柜、2-丙烷罐、3-氧气罐、4-气体控制箱、5-送粉器、6-氩气罐、7-夹装工装、 8_行走小车、9-活塞杆、10-喷枪、11-熔覆机床、12-冷却水源、13-电源控制柜、14-感应线 圈。
【具体实施方式】
[0019] 以下对本发明的技术方案进行详细的描述，以使本领域技术人员能够更加清楚的 理解本发明，但并不因此限制本发明的保护范围。
[0020] 为了实现本发明的上述技术目的，本发明所提供的针对液压支架系统油缸中活塞 杆表面损伤变形的超音速火焰粉末喷涂与高频感应表面修复方法具体包括以下步骤： (1)配置喷涂粉末原料，按下列重量比配置各粉末状金属原料：碳〇. 7%?1%，铬15%? 20%，硼 2. 5% ?4. 5%，硅 3. 0% ?5%,铁 0· 1-5%，钥 3% ?5%，铜 2. 0% ?3. 5%，钇 0· 3% ? 1. 〇%，镍余量。
[0021] (2)制备喷涂粉末混合物，首先将一定量的按照步骤（1)所示重量比配置的粉末 状金属原料放入三维运动混合机内进行混合，磨料采用?铬钥合金钢丸，混合时间设定为 25?30分钟，转速从低到高试运转，运转平稳，无较大振动及异常噪音即可，使各粉末状金 属原料充分混合均匀，得到喷涂粉末混合物；然后将制得的喷涂粉末混合物利用240目? 300目的筛子进行筛分，得到的筛下物即为喷涂用喷涂粉末，即进一步的将所制备的喷涂粉 末混合物的粒径控制在240目以下。
[0022] (3)活塞杆表面预处理：首先，对待修复活塞杆的表面进行车削加工，清除活塞杆 工件表面的各种损伤(如疲劳层和腐蚀层）和表面软化层，修正不均匀的磨损表面和预留 喷涂层厚度(加工至最大磨损量以下0. 1mm?0. 2_，预留喷涂层厚度不大于5mm);其次对 修正后的活塞杆表面车削螺纹进行表面预粗化处理，螺距为〇· 6mm?1. 0mm，螺纹深度为 0. 5mm?0. 8mm ;然后，对机加工后的表面进行有机溶剂(常用的有机溶剂有酒精、丙酮、工 业汽油、三氯乙烯、四氯化碳等）脱脂处理，去除表面和渗入其中的油脂；最后，对净化后的 表面进行喷砂粗化处理，介质为40?60目白刚玉，喷砂压力为0. 4 MPa?0. 6MPa，使活塞 杆表面粗糙度介于3. 2 μ m?6. 3 μ m间，表面更加活化，以提高喷涂层与基材的结合强度。
[0023] (4)对活塞杆进行表面预热，对步骤（3)预处理得到的活塞杆进行高频感应预热， 以除去活塞杆表面的水分和提高活塞杆表面的温度，增强涂层与基材的结合强度，预热温 度在120°C?180°C，加热均匀，防止局部过热氧化； (5)对步骤（4)中预热均匀后的活塞杆表面进行超音速火焰粉末喷涂。首先采用的超 音速火焰粉末喷涂系统如附图1所示的，包括电源柜1、丙烷罐2、氧气罐3、气体控制箱4、 送粉器5、氩气罐6、夹装工装7、行走小车8、喷枪10、熔覆机床11和冷却水源12。所述的 丙烷罐2和氧气罐3同时连接于气体控制箱4,通过所述气体控制箱4控制丙烷罐2和氧气 罐3的输出气压和流量，所述电源柜1连接于所述气体控制箱4,为其提供工作电源，所述 气体控制箱4通过两根独立的管路将丙烷和氧气输出给喷枪10,所述氩气罐6的气体输出 端连接于所述送粉器5,上述步骤（2)制备的喷涂粉末混合物放置于送粉器5,所述送粉器 5通过喷涂粉末供应管路并在氩气作为送粉气的条件下将喷涂粉末供应至所述喷枪10,从 而由所述喷枪10进行超音速火焰粉末喷涂，其中所述丙烷罐2提供的丙烷作为燃料，所述 氧气罐3提供的氧气作为助燃剂，所述氩气作为喷涂粉末的送粉气，所述喷涂粉末在氩气 的吹送作用下输送至喷枪10内，并在丙烷充分燃烧的条件下进行喷涂。所述的喷枪10安 装于行走小车8上，并能够随行走小车8沿活塞杆9的轴向在熔覆机床11上进行移动，所 述的夹装工装7设置于熔覆机床11上，所述的活塞杆9装夹在夹装工装7上，并能够在夹 装工装7的驱动下进行轴向转动，且所述的熔覆机床11自带轨道或滚轮且能够进行前后移 动，所述冷却水源（12)对喷枪（10)的喷嘴进行冷却并对喷涂火焰进行聚束。下面对采用 上述超音速火焰粉末喷涂系统对预热均匀后的活塞杆表面进行超音速火焰粉末喷涂的过 程进行描述：首先将超音速火焰喷枪10夹装在熔覆机床上的可沿轴向进行移动的行走小 车（8)的固定架上，使喷枪10可依次通过活塞杆的两端；接着通过气体控制箱4和送粉器5 控制各工艺参数，采用丙烷为燃料、氧气为助燃剂、氩气为送粉气在活塞杆表面均匀的喷涂 上述步骤（2)中得到的喷涂粉末，具体喷涂过程中的各工艺参数为：丙烷压力为0.4 MPa? 0. 65MPa，氧气压力为1. IMPa，氩气压力为1. 1 MPa?1.3MPa，丙烷流量80?120L/min，氧 气流量300?400L/ min，氩气流量150?200L/min，喷涂距离150mm?200_，行走小车8 的移动速度10?15mm/s，活塞杆转速为250?300r/min，在喷涂过程中，针对特定部位间 歇式停滞以控制活塞杆的层间温度不超过300°C，且对较厚喷涂层采取逐层加厚多次喷粉 的方法进行喷涂，每次喷涂的厚度不超过〇.2mm，直至喷涂到预定厚度。最后，当活塞杆的 表面喷涂完成后，对喷涂部位采取石棉布保温缓冷措施，防止因骤冷开裂。
[0024] (6)高频感应预热：将步骤（5)中的喷枪及行走小车从熔覆机床11上移走，并将高 频感应加热设备的感应线圈14穿过步骤（5)喷涂后的活塞杆外表面并固定，然后沿活塞杆 的轴向移动熔覆机床，通过熔覆机床带动活塞杆移动，从而使活塞杆的喷涂表面能够相对 于感应线圈14进行移动，并使得感应线圈14能够在活塞杆的整个表面连续预热一遍，通过 这种预热调整了活塞杆的温度梯度，避免了重熔时喷涂层产生龟裂剥落。其中所述的高频 感应加热设备如附图2所不的，包括电源控制柜13和感应线圈14，电源控制柜13为感应线 圈14提供工作电源，感应线圈14基于电磁感应现象发热，感应线圈为直径8mm单阻圆形铜 管。通过高频感应加热设备对喷涂后活塞杆外表面进行的高频感应预热的具体工艺参数条 件为：预热温度控制在280°C?300°C之间，熔覆机床11移动速度15?20mm/s，活塞杆转 速控制在220?280r/min，感应线圈与活塞杆间隙约2mm，高频感应加热设备的电源控制柜 13输出电压3 kV?5kV。
[0025] (7)高频感应重熔、冷却：通过步骤（6)将喷涂后的活塞杆进行高频感应预热后， 调整控制高频感应加热设备的工作参数对活塞杆进行高频感应重熔，具体调整工艺参数 为：熔覆机床11移动速度5?lOmm/s，活塞杆转速150?200r/min，感应线圈与活塞杆间 隙2mm，高频感应加热设备的电源控制柜13输出电压调制为8 kV?12kV，利用步骤（6) 中的高频感应加热设备对经过预热处理的活塞杆表面再次感应加热进行二次重熔，使得活 塞杆表面的合金喷涂层熔融，形成连续致密的熔覆层，整个重熔过程温度控制在1050°C? 1100°C，即喷涂层出现镜面反光现象。重熔后使活塞杆在低能输入下转动冷却，待温度下降 到约400°C时，用石棉布包覆缓慢冷却。
[0026] (8)活塞杆熔覆层的磨削加工：对步骤（7)中得到的活塞杆放于外圆磨床上进行 磨削加工，使活塞杆表面的粗糙度Ra值达到0. 1?0.3μπι，外圆尺寸达到图样要求，完成活 塞杆的修复再制造，其中砂轮选用粒度为100#?150#的软的立方氮化硼砂轮，外圆磨床具 体工艺参数为：砂轮转速28m/s?33 m/s，轴向进给量0. 8m/min?1.5 m/min，活塞杆线速 度 12m/min ?18 m/min，径向进给量 0· 005mm/dst ?0· 015m m/dst。
[0027] 下面结合实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
[0028] 实施例1 首先利用本发明所述方法对6. 3米液压支架推移油缸的活塞杆磨损表面进行修复，其 中活塞杆材质为42CrMo的中碳调质钢，化学成分为：碳0. 42% ，硅0. 30%，锰0. 65%，铬 1. 13%，钥0· 15%?0· 25%，镍彡0· 30%，铜彡0· 30%，磷彡0· 035%，硫彡0· 035%，铁余量，热处 理硬度HBS193?215,杆径，长1100mm，外圆电镀硬铬0. 05mm，表面粗糙度RaO. 15 μ m。此活 塞杆表面严重磨损和拉伤，最大磨损深度约为1. 8_，镀层几乎脱落，表面锈蚀，已近报废， 重新订购不仅价格高且周期长，耽误生产。作为优选实施例采用本发明所述方法对此活塞 杆损伤进行修复再制造，其步骤如下： (1) 喷涂粉末原料的配制，即配制下列重量比的粉末状金属原料：碳〇. 8%，铬17%，硼 4%，硅 4. 5%,铁 5%，钥 4%，铜 2. 5%，钇 0. 5%，镍 61. 7% ; (2) 喷涂粉末混合物制作方法：首先，将15公斤的步骤（1)中获得的喷涂粉末混合物放 入三维运动混合机内混合，磨料为铬钥合金钢丸，混合时间设定为25分钟，转速从低到高 试运转，运转平稳，无较大振动及异常噪音，使喷涂粉末混合均匀；最后，将制得的喷涂粉末 利用240目?300目的筛子进行筛分，得到的筛下物即为喷涂用喷涂粉末。
[0029] (3)活塞杆表面预处理：首先，对活塞杆表面进行车削加工，清除工件表面的电 镀层、损伤层和表面软化层，修正不均匀的磨损表面和预留喷涂层厚度2mm，外圆加工尺寸 Φ 146%.i，再在修正后的表面采用90°的V形刀具车削螺纹进行表面预粗化处理，螺距为 0· 8mm，螺纹深度为0· 8mm ;其次，用丙酮浸泡擦拭机加工后的活塞杆表面进行有机溶剂脱 脂处理，去除表面和渗入其中的油脂；最后，净化后的表面进行喷砂粗化处理，介质为60目 白刚玉，喷砂压力为0. 6MPa，使活塞杆表面粗糙度Ra达到4. 0 μ m左右，表面更加活化，以提 高喷涂层与基材的结合强度。
[0030] (4)对活塞杆表面进行预热：首先，将高频感应加热设备的感应线圈穿过步骤（3) 中得到的活塞杆外表面并固定在熔覆机床的固定架上，感应线圈为直径单匝圆形铜管，感 应线圈与活塞杆间隙2mm，然后，调节熔覆机床转速和移动速度，使活塞杆以245r/min的速 度转动着在感应线圈内沿轴向以17mm/s的速度移动加热预热，以除去活塞杆表面的水分 和提高活塞杆表面的温度，增强喷涂层与基材的结合强度。预热时，高频感应加热设备输出 电压3kV，预热温度在170°C?175°C。
[0031] (5)超音速火焰粉末喷涂：待活塞杆预热均匀后，卸下高频感应加热设备，将超音 速火焰喷枪夹装在熔覆机床的可沿轴向移动的行走小车上，使喷枪依次可通过活塞杆两 端。采用以丙烷为燃料，以氧气为助燃剂，以氩气为送粉气的超音速火焰粉末喷涂工艺在 活塞杆表面均匀的喷涂上述步骤（2)中得到的喷涂用喷涂粉末，超音速火焰粉末喷涂具体 工艺参数为：丙烷压力为〇.6MPa，氧气压力为1. IMPa，氩气压力为1.2MPa，丙烷流量90? 100L/min，氧气流量350?380L/min，氦气流量180?190L/min，喷涂距离180mm?190mm, 行走小车移动速度12mm/s，活塞杆转速260r/min，喷涂过程中，采取逐层加厚间歇停滞喷 粉的方法进行喷涂，每次喷涂的厚度不超过〇. 2mm，层间温度不超过300°C，喷涂厚度3mm ; 最后，对喷涂部位采取石棉布保温缓冷措施，防止因骤冷开裂。
[0032] (6)高频感应预热：将高频感应加热设备的感应线圈穿过步骤（5)中得到的活塞 杆外表面，感应线圈为直径8mm单匝圆形铜管，感应线圈与活塞杆间隙2mm，然后，调节熔覆 机床转速和移动速度，使活塞杆以225r/min的速度转动着在感应线圈内沿轴向以18mm/ s的速度移动加热预热，通过预热调整活塞杆温度梯度，避免重熔时喷涂层产生龟裂剥落。 预热时，高频感应加热设备的电源控制柜13输出电压4. 5kV，预热时间220s，预热温度在 285°C?290°C之间。
[0033] (7)高频感应重熔、冷却：调整工艺参数为：熔覆机床移动速度8mm/s，活塞杆转速 160r/min，感应线圈与活塞杆间隙2mm，继续利用高频感应加热设备对步骤（6)中得到的活 塞杆表面感应加热进行二次重熔，使活塞杆表面的合金喷涂层熔融，形成连续致密的熔覆 层。重熔时，高频感应加热设备的电源控制柜13输出电压10kV，加热时间2350s，重熔温度 在1050°C?1060°C，即喷涂层出现镜面反光现象。重熔后，调节熔覆机床带动活塞杆的转 速60r/min，使活塞杆在转动下冷却，待温度下降到约380°C时，用石棉布包覆缓慢冷却。
[0034] (8)熔覆层的磨削加工：将步骤（7)中得到的活塞杆在100#的软的立方氮化硼 砂轮外圆磨床上进行磨削加工，外圆磨床具体工艺参数为：砂轮转速30m/s，轴向进给量 1. Om/min，活塞杆线速度15m/min，径向进给量0. 05mm/dst，使活塞杆表面粗糙度Ra值达到 0.1?0·3μπι，外圆尺寸达到Φ150°_α(ι4。
[0035] 本实施例对42CrMo调质中碳钢活塞杆采用自制的喷涂粉末进行超音速火焰粉 末喷涂与高频感应重熔修复处理，修复后活塞杆外观平滑，粗糙度低，硬度高，显微硬度达 HV760?HV810,经装配后性能检测：HRC63?HV65. 2,耐磨性提高80%，滑动摩擦提高了 120%，经lOOMPa油压试验后，熔覆层各项指标均正常，无泄漏，使用寿命提高了三倍。
[0036] 实施例2 对4米液压支架护帮油缸的活塞杆进行修改再制造，活塞杆材质为27SiMn的中碳 调质钢，化学成分：碳〇. 27%，硅1. 20%，锰1. 35%，铬< 0. 30%，钥< 0. 15%，镍< 0. 30%，铜 彡0. 30%，磷彡0. 035%，硫彡0. 035%，铁余量，热处理硬度HBS175?203,杆径，长800mm，夕卜 圆电镀硬铬〇. 〇5mm，表面粗糙度RaO. 15 μ m。此活塞杆表面磨损和拉伤，最大磨损深度约为 0. 9mm，镀层部分脱落，需修复，作为优选实施例采用本发明所述方法对此活塞杆损伤进行 修复再制造，其步骤如下： (1) 喷涂粉末原料配制，按下列重量比配置粉末状金属原料：碳〇. 8%，铬19%，硼3%，硅 3%,铁 4. 5%，钥 3. 5%，铜 2%，钇 0· 8%，镍 63. 4% ; (2) 喷涂粉末混合物制作方法：首先，将10公斤的步骤（1)中获得的喷涂粉末混合物放 入三维运动混合机内混合，磨料为铬钥合金钢丸，混合时间设定为30分钟，转速从低到高 试运转，运转平稳，无较大振动及异常噪音，使喷涂粉末混合均匀；最后，将制得的喷涂粉末 利用240目的筛子进行筛分，得到的筛下物即为喷涂用喷涂粉末。
[0037] (3)活塞杆表面预处理：首先，对活塞杆表面进行车削加工，清除工件表面的 电镀层、损伤层和表面软化层，修正不均匀的磨损表面和预留喷涂层厚度1mm，外圆尺寸 Φ78°_ αι，再在修正后的表面采用90°的V形刀具车削螺纹进行表面预粗化处理，螺距为 1. 0mm，螺纹深度为0. 6mm ;其次，用丙酮浸泡擦拭机加工后的表面进行有机溶剂脱脂处理， 去除表面和渗入其中的油脂；最后，净化后的表面进行喷砂粗化处理，介质为40目白刚玉， 喷砂压力为〇. 6MPa，使活塞杆表面粗糙度Ra达到6. 3 μ m左右，表面更加活化，以提高喷涂 层与基材的结合强度。
[0038] (4)对活塞杆表面预热、超音速火焰粉末喷涂：首先，将高频感应加热设备的感应 线圈穿过步骤（3)中得到的活塞杆外表面，感应线圈为直径8_单匝圆形铜管，感应线圈与 活塞杆间隙2mm，然后，调节熔覆机床转速和移动速度，使活塞杆以275r/min的速度转动着 在感应线圈内沿轴向以20mm/s的速度移动加热预热，以除去活塞杆表面的水分和提高活 塞杆表面的温度，增强喷涂层与基材的结合强度。预热时，高频感应加热设备的输出电压 3kV，预热温度在140°C?145°C。其次，待活塞杆预热均匀后，卸下高频感应加热设备，将超 音速火焰喷枪夹装在熔覆机床的可沿轴向移动的行走小车上，使喷枪依次可通过活塞杆两 端。采用以丙烷为燃料，以氧气为助燃剂，以氩气为送粉气的超音速火焰粉末喷涂工艺在 活塞杆表面均匀的喷涂上述步骤（2)中得到的喷涂用喷涂粉末，超音速火焰粉末喷涂具体 工艺参数为：丙烷压力为〇.6MPa，氧气压力为1. IMPa，氩气压力为1.2MPa，丙烷流量80? 90L/min，氧气流量300?320L/min，氦气流量150?160L/min，喷涂距离160mm?170mm，行 走小车移动速度13mm/s，机床转速280r/min，喷涂过程中，采取逐层加厚间歇停滞喷粉的 方法进行喷涂，，每次喷涂的厚度不超过〇. 2_，层间温度不超过300°C，喷涂厚度1. 8_ ; 最后，对喷涂部位采取石棉布保温缓冷措施，防止因骤冷开裂。
[0039] (5)高频感应预热：将高频感应加热设备的感应线圈穿过步骤（4)中得到的活塞 杆外表面并固定在熔覆机床的固定架上，感应线圈为直径8mm单匝圆形铜管，感应线圈与 活塞杆间隙2mm，然后，调节熔覆机床转速和移动速度，使活塞杆以255r/min的速度转动着 在感应线圈内沿轴向以20mm/s的速度移动加热预热，通过预热调整活塞杆温度梯度，避免 重熔时喷涂层产生龟裂剥落。预热时，高频感应加热设备的电源控制柜13输出电压3kV，预 热时间150s，预热温度在280°C?285°C之间。
[0040] (6)高频感应重熔、冷却：调整工艺参数为：熔覆机床移动速度10mm/S，活塞杆转 速180r/min，感应线圈与活塞杆间隙2mm，继续利用上述高频感应加热设备对步骤（5)中得 到的活塞杆表面感应加热进行二次重熔，使活塞杆表面的合金喷涂层熔融，形成连续致密 的熔覆层。重熔时，高频感应加热设备的电源控制柜13输出电压8kV，加热时间1200s，重 熔温度在l〇80°C?1090°C，即喷涂层出现镜面反光现象。重熔后，调节机床转速60r/min， 使活塞杆在转动下冷却，待温度下降到约350°C时，用石棉布包覆缓慢冷却。
[0041] (7)熔覆层的磨削加工：将步骤（6)中得到的活塞杆在100#的软的立方氮化硼 砂轮外圆磨床上进行磨削加工，外圆磨床具体工艺参数为：砂轮转速33m/s，轴向进给量 1. 5m/min，活塞杆线速度18m/min，径向进给量0. 012mm/dst，使活塞杆表面粗糙度Ra值达 到0· 1?0·3μπι，外圆尺寸达到Φ80°_α(ι4。
[0042] 本实施例对27SiMn调质中碳钢活塞杆采用自制的喷涂粉末进行超音速火焰粉 末喷涂与高频感应重熔修复处理，修复后活塞杆外观平滑，粗糙度低，硬度高，显微硬度达 到HV840?HV930,经装配后性能检测：HRC65?HV67,耐磨性提高120%，滑动摩擦提高了 150%，经lOOMPa油压试验后，熔覆层各项指标均正常，无泄漏，使用寿命提高了三倍。
[0043] 对比例1 采用传统电镀刷修复技术在27SiMn调质中碳钢活塞杆外表面上电镀0. 4mm的铜锡合 金。
[0044] 对比例2 采用常规的氧一乙炔热喷涂修复技术在27SiMn调质中碳钢活塞杆外表面上喷涂1mm 的镍基喷涂粉末。
[0045] 对比例3 采用常规的电弧热喷涂修复技术在27SiMn调质中碳钢活塞杆上外表面上喷涂1. 5mm 的镍铬合金电弧喷涂丝。
[0046] 将上述实施例1-2与对比例3-5修复后的调质中碳钢活塞杆的修复层进行综合性 能检测和分析，结果见下表1 : 表1调质中碳钢活塞杆修复层的检验结果
【权利要求】
1. 一种活塞杆的表面修复方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一、按下述重量比配置喷涂粉末混合物：碳0. 7?1%，铬15%?20%，硼2. 5%? 4. 5%，硅 3. 0% ?5%，铁 0. 1-5%，钥 3% ?5%，铜 2. 0% ?3. 5%，钇 0. 3% ?1. 0%，镍余量，并将 喷涂粉末混合物的粒径加工至60 μ m以下； 步骤二、对待修复的活塞杆表面进行清理和粗化处理； 步骤三、对活塞杆进行表面预热处理，控制预热温度在120°C?180°C ; 步骤四、对步骤三预热后的活塞杆表面进行超音速火焰粉末喷涂，通过超音速火焰粉 末喷涂系统以丙烷为燃料、氧气为助燃剂、氩气为送粉气，将步骤一配置的喷涂粉末混合物 均匀喷涂在活塞杆表面上，喷涂过程的工艺参数控制为：丙烷压力〇. 4MPa?0. 65MPa、氧气 压力1. IMPa、氩气压力1. IMPa?1. 3MPa、丙烷流量80?120L/min、氧气流量300?400L/ min、氦气流量150?200L/min、喷涂距离150mm?200mm、活塞杆转速250?300r/min且 活塞杆相对于喷枪的水平移动速度10?15mm/s、活塞杆层间温度不超过300°C，同时米取 逐层加厚间歇喷涂方式形成较厚喷涂层，且每次喷涂厚度不超过0. 2mm ;当活塞杆表面喷 涂完成后，对喷涂部位进行保温缓冷； 步骤五、对步骤四喷涂后的活塞杆表面进行高频感应预热，控制预热温度在280°C? 300°C之间； 步骤六、对步骤五预热后的活塞杆表面进行高频感应重熔处理，控制重熔温度在 1050°C?1100°C之间，将活塞杆表面的喷涂层转换成连续致密的熔覆层，并对重熔处理后 的活塞杆进行保温缓冷； 步骤七、对步骤六处理后的活塞杆进行磨削加工，使活塞杆表面的粗糙度Ra值达到 0. 1?0. 3 μ m，活塞杆外圆尺寸满足使用要求，完成对活塞杆的修复再制造。
2. 根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，其中步骤一具体包括： (1) 按照所述重量比配置各喷涂粉末原料，然后将一定量的所述喷涂粉末原料放入三 维运动混合机内进行混合，并采用01. 6mm?02. 4mm的铬钥合金钢丸进行磨料，混合磨料时 间为25?30分钟，混合机转速从低到高平稳运转，使各喷涂粉末原料充分混合均匀，形成 喷涂粉末混合物； (2) 将所述喷涂粉末混合物倒入240目?300目的筛子进行筛分，提取筛下物备用。
3. 根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，其中步骤二具体包括： (1) 、对待修复活塞杆表面进行车削加工，清除活塞杆表面的各种损伤和表面软化层， 修正不均勻的磨损表面，将其加工至最大磨损量以下0. 1mm?0. 2mm，并预留不大于5mm的 喷涂层厚度； (2) 、通过车削螺纹对活塞杆表面进行预粗化处理，螺距控制为0. 6mm?1. 0mm，螺纹深 度控制为0. 5mm?0. 8mm ; (3) 、对预粗化处理后的活塞杆表面进行脱脂净化处理，采用酒精、丙酮、工业汽油、三 氯乙烯或四氯化碳溶剂去除活塞杆表面和渗入内部的油脂； (4) 、对净化处理后的活塞杆表面进行喷砂粗化处理，采用40?60目的白刚玉在 0. 4MPa?0. 6MPa的喷砂压力下进行表面喷砂粗化处理，使活塞杆表面的粗糙度Ra处于 3. 2 μ m ?6. 3 μ m 间。
4. 根据权利要求1所述的修复方法，其中步骤四中所述的超音速火焰粉末喷涂系统 包括电源柜（1)、丙烷罐（2)、氧气罐（3)、气体控制箱（4)、送粉器（5)、氩气罐（6)、夹装工 装（7)、行走小车（8)、喷枪（10)、熔覆机床（11)和冷却水源（12)，所述丙烷罐（2)和氧气罐 (3)同时连接于所述气体控制箱（4)，通过所述气体控制箱（4)控制丙烷罐（2)和氧气罐（3) 的输出气压和流量，所述电源柜（1)连接于所述气体控制箱（4)，所述气体控制箱（4)通过 两根独立的管路将丙烷和氧气提供给喷枪（10)，所述氩气罐（6)连接于所述送粉器（5)，所 述送粉器（5)内存储有所述喷涂粉末混合物，并通过管路在氩气送粉气的作用下将所述喷 涂粉末混合物提供给所述喷枪（10)，所述喷枪（10)安装于所述行走小车（8)上，所述夹装 工装（7)设置于所述熔覆机床（11)上，所述活塞杆（9)安装于所述夹装工装（7)上，并能够 在夹装工装（7)的带动下进行轴向转动，所述行走小车（8)能够沿活塞杆（9)的轴向在所述 熔覆机床（11)上进行水平移动，所述熔覆机床（11)自带移动轨道或滚轮，通过所述冷却水 源（12)对喷枪（10)的喷嘴进行冷却并对喷涂火焰进行聚束。
5. 根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，其中步骤三和步骤五中，通过高频感 应加热设备对活塞杆表面进行预热处理，所述高频感应加热设备包括电源控制柜（13 )和感 应线圈（14)，所述电源控制柜（13)的振荡频率为200?250kHz，所述感应线圈为直径大于 活塞杆外径的单匝圆形铜管，通过感应线圈（14)穿过活塞杆表面并与活塞杆做相对移动 来进行感应预热，且在预热过程中控制：感应线圈（14)与活塞杆的相对移动速度为15? 20mm/s、活塞杆自身转速为220?280r/min、感应线圈与活塞杆表面间的间隙约2mm且电源 控制柜（13)的输出电压为3kV?5kV。
6. 根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，其中步骤六中，通过高频感应加热设 备对活塞杆表面进行高频感应重熔处理，所述高频感应加热设备包括电源控制柜（13)和感 应线圈（14)，所述电源控制柜（13)的振荡频率为200?250kHz，所述感应线圈为直径大于 活塞杆外径的单匝圆形铜管，通过感应线圈（14)穿过活塞杆表面并与活塞杆做相对移动来 进行感应重熔，且在高频感应重熔过程中控制：感应线圈（14)与活塞杆的相对移动速度为 5?10mm/s、活塞杆自身转速为150?200r/min、感应线圈与活塞杆表面间的间隙约2mm且 电源控制柜（13)的输出电压为8kV?12kV，并且当活塞杆表面的喷涂层出现镜面反光现象 时停止重熔处理并采取保温缓冷。
7. 根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，其中步骤七具体包括：将活塞杆放于 外圆磨床上进行磨削加工，砂轮选用粒度为100#?150#的软立方氮化硼砂轮，并控制外圆 磨床的磨削加工工艺参数为：砂轮转速28m/s?33m/s、轴向进给量0. 8m/min?1. 5m/min、 活塞杆线速度12m/min?18m/min、径向进给量0. 005mm/dst?0. 015mm/dst。
8. 根据权利要求1-7任一项所述的修复方法，其特征在于，通过所述方法修复后的活 塞杆表面硬度HRC大于60,且活塞杆基体与熔覆层间的结合强度大于300MPa。
9. 根据权利要求1-7任一项所述的修复方法，其特征在于，所述活塞杆材质为27SiMn 的中碳调质钢，化学成分：碳0. 27%，硅1. 20%，锰1. 35%，铬< 0. 30%，钥< 0. 15%，镍 彡0. 30%，铜彡0. 30%，磷彡0. 035%，硫彡0. 035%，铁余量，热处理硬度HBS175?203。
10. 根据权利要求1-7任一项所述的修复方法，其特征在于，所述活塞杆材质为42CrMo 的中碳调质钢，化学成分为：碳0. 42%，硅0. 30%，锰0. 65%，铬1. 13%，钥0. 15%?0. 25%，镍 彡0. 30%，铜彡0. 30%，磷彡0. 035%，硫彡0. 035%，铁余量，热处理硬度HBS193?215。
【文档编号】C23C4/06GK104233162SQ201410383281
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2014年8月6日
【发明者】王春昌, 张亚飞, 刘鹏洲, 杜超飞, 刘鸣 申请人:陕西天元智能再制造有限公司