本发明涉及一种矿山机械液压缸外圆表面再制造的方法。
背景技术：
：根据调研及企业反馈的相关信息，由于煤矿井中的工作环境非常恶劣，存在有大量的SO2、H2S、Cl-、SO42-等腐蚀介质，环境相对湿度一般在75％左右，而且，煤矿井下强制通风，氧含量充足，极易导致液压缸外圆表面腐蚀及磨损。另外，煤矿井下煤层结构复杂，液压支架偏载受力、周期受载、炮采或断层等恶劣工况时有发生，这也会给液压缸带来破坏性影响，最终导致液压支架失效。失效液压缸若直接废弃将造成严重的材料浪费，利用再制造技术可将失效的液压缸转废为宝，再制造后的液压缸的性能能够达到甚至超过新液压缸的性能，实现了材料的绿色利用。常见的再制造技术有热喷涂和熔覆等，采用热喷涂技术对受损的液压缸外圆表面进行再制造，其结合强度一般较低。由于矿井内常有煤屑飞溅等对液压缸外表面进行冲击，喷涂层很容易在此环境下剥落，严重影响着再制造液压缸的寿命及工矿生产安全。现有技术一般采用激光熔覆的方法对受损的液压缸外圆表面进行再制造，该工艺方法能够获得较厚的熔覆层，界面结合可靠，但却存在着以下明显的不足：1)材料消耗与浪费较大。在技术标准上一般要求基体上要有0.2mm左右的表面强化层即可满足工作要求，现有的激光熔覆采用边送粉边熔覆的方法，其熔覆层平度差大，致使熔覆层必须有较大的厚度以保证车削及磨削后工作层的厚度，一般熔覆层需预留2mm左右的加工余量，造成很大的材料消 耗与浪费量；2)现有激光熔覆方法效率低。由于熔覆层需预留较大厚度，导致熔覆时间较长；由于熔覆时间较长，零件不可避免地会存在热应力与少量变形，影响后续车削及磨削加工；3)加工余量大。一方面由于现有激光熔覆方法制备的熔覆层较厚；另一方面由于熔覆效率低，造成工件受热时间长，热应力较大，特别是强度较低、结构较为复杂、厚度较薄的零件会产生变形，这样还必须要求熔覆层有较大的厚度来抵消变形。所以面对厚度较大的熔覆层，在后处理时必须采用车削加工，不仅延长了修复时间，还导致难以选择硬度较高的材料，限制了熔覆材料范围。因此，目前亟需找到一种能够克服上述现有技术的缺陷且能够具有快速、高效、节约材料的新的再制造矿山机械液压缸外圆表面的方法。技术实现要素：本发明的目的是克服现有技术激光熔覆一步法制备涂层的缺陷，提供一种能够具有快速、高效、节约材料的新的矿山机械液压缸外圆表面再制造的方法。为了实现上述目的，本发明提供一种矿山机械液压缸外圆表面再制造的方法，该方法包括：(1)采用喷砂装置对废旧矿山机械液压缸外圆表面进行粗化处理；(2)采用超音速等离子喷涂在粗化后的废旧矿山机械液压缸外圆表面制备涂层，所述涂层的厚度为0.3-1.5mm；(3)采用激光熔覆对所述涂层进行熔覆，形成熔覆层；(4)对所述熔覆层表面进行磨削，使得所得到的矿山机械液压缸外圆表面满足设计尺寸。本发明的上述方法能够克服现有技术激光熔覆一步法制备涂层的缺陷，且既节约材料、节省时间、减小变形、减少加工余量、降低成本、增大 涂层材料范围；与热喷涂一步法制备涂层比较，还能将机械结合的涂层变为冶金结合，进一步提高涂层的结合强度，解决热喷涂无法再制造液压缸外圆的不足。进一步地，本发明不但提供了一种矿山机械液压缸外圆表面的再制造方法，再制造产品达到，甚至优于新品性能，而且能够克服现有表面强化技术的缺陷，具有快速、高效和节约材料的优点。具体地，相对于现有技术的工艺，本发明的方法还具有以下优点：1)覆层性能好。材料可选范围大，优选情况下，通过在覆层材料中特别地添加陶瓷相，可提高覆层硬度、耐磨性和耐腐蚀性，提高再制造产品的可靠性和寿命，使得再制造产品达到，甚至优于新品性能；2)节约材料。采用超音速等离子喷涂工艺制备的涂层均匀致密，制备0.2mm的涂层只需预留0.4mm左右的加工余量即可，与现有技术的激光熔覆预留2mm的加工余量相比节省了材料；3)熔覆时间短。第一步采用超音速等离子喷涂制备的涂层较薄，且均匀、致密，第二步激光熔覆时可采用更低的功率和更高的线速度实现涂层的重熔，使得工件热影响小，变形小；4)加工余量小。由于喷涂过程中预留的厚度较小，在后处理时无需采用车削加工，直接进行磨削加工即可，不仅节省了时间，还可选择更硬的材料以提高涂层耐磨性；5)从喷涂角度讲，提高了喷涂层的结合强度，令喷涂层可应用于恶劣的矿井环境；从激光熔覆角度讲，即节省了再制造时间，又降低成本；6)喷涂材料价格低廉。本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。具体实施方式以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。本发明提供了一种矿山机械液压缸外圆表面再制造的方法，该方法包括：(1)采用喷砂装置对废旧矿山机械液压缸外圆表面进行粗化处理；(2)采用超音速等离子喷涂在粗化后的废旧矿山机械液压缸外圆表面制备涂层，所述涂层的厚度为0.3-1.5mm；(3)采用激光熔覆对所述涂层进行熔覆，形成熔覆层；(4)对所述熔覆层表面进行磨削，使得所得到的矿山机械液压缸外圆表面满足设计尺寸。在本发明中，所述废旧矿山机械液压缸即为表面有损坏而需要且能够进行再制造的矿山机械液压缸，所述废旧仅是为了区分矿山机械液压缸在再制造前和再制造后的状态，实际上均指同一矿山机械液压缸。在本发明中，需要进行再制造的矿山机械液压缸在依次完成超音速等离子喷涂和激光熔覆之后即为再制造后的矿山机械液压缸，而在完成超音速等离子喷涂和激光熔覆之前均为废旧矿山机械液压缸。本领域技术人员不应理解为对本发明的限制。在本发明的方法中，所述激光熔覆的具体操作工艺为本领域技术人员所熟知，本发明在此不再赘述。本发明的上述方法具有节约材料、节省时间、减小变形、减少加工余量、降低成本、增大涂层材料范围的优点，还能将机械结合的涂层变为冶金结合，进一步提高了涂层的结合强度。根据本发明所述的方法，本发明的发明人发现，当所述涂层的厚度为0.4-0.8mm时，通过本发明的方法获得的再制造后的矿山机械液压缸的使用性能等均达到最优。本发明的发明人发现，采用将超音速等离子喷涂与激光熔覆相结合的方法能够完美地克服单一地采用超音速等离子喷涂时所获得的再制造后的矿 山机械液压缸在环境恶劣的煤矿井下效果不佳的缺陷，将机械结合的涂层变为冶金结合，进一步提高了涂层的结合强度，延长了涂层使用寿命；克服单一地采用激光熔覆再制造时耗时、耗材、变形大、加工余量大等缺陷，且增大了覆层材料范围，提高了覆层的性能及使用寿命。根据本发明所述的矿山机械液压缸外圆表面再制造的方法，其中，所述喷涂的线速度可以为40-60m/min。根据本发明所述的矿山机械液压缸外圆表面再制造的方法，其中，所述激光熔覆的线速度可以为0.1-0.3m/s；优选地，所述激光熔覆的线速度为0.12-0.25m/s。根据本发明所述的矿山机械液压缸外圆表面再制造的方法，其中，所述激光熔覆的熔覆步距可以为7-11mm；优选地，所述激光熔覆的熔覆步距为9.5-10.5mm。在本发明所述的矿山机械液压缸外圆表面再制造的方法中，对所述涂层的种类没有特别的限定，本发明的方法可以用于各种种类的涂层，然而，为了使得涂层与废旧矿山机械液压缸外圆表面的结合强度更强，本发明优选所述涂层为自熔合金涂层或自熔合金与陶瓷的复合涂层。本发明的发明人发现，当所述涂层中含有铁基合金粉和镍基合金粉中的至少一种以及含有Al2O3、TiO2和碳化钨(WC)中的至少一种时，由该涂层形成的熔覆层耐蚀性和耐磨性更高，从而提高了熔覆层的使用寿命。进一步地，当所述铁基合金粉中含有12-15重量％的Cr、0.3-0.7重量％的Mn、0.5-1.1重量％的B、1-1.5重量％的Si、1.5-1.9重量％的Mo、3.5-4重量％的Ni、0.1-0.15重量％的C以及余量的Fe时，能够使得形成的熔覆层的使用寿命更长。优选情况下，以所述镍基合金粉的总量计，当所述镍基合金粉中含有70-98重量％的Ni45和2-30重量％的碳化钨(WC)时，能够使得形成的熔 覆层的使用寿命更长。根据本发明所述的矿山机械液压缸外圆表面再制造的方法，该方法还包括：在进行所述粗化处理之前，采用车削或磨削方法去除废旧矿山机械液压缸外圆表面的损伤层、疲劳层和强化层中的至少一种。根据本发明的一种优选的具体实施方式，本发明所述的矿山机械液压缸外圆表面再制造的方法包括：(1)采用车削或磨削方法去除废旧矿山机械液压缸外圆表面的损伤层、疲劳层和强化层中的至少一种；(2)采用喷砂装置对废旧矿山机械液压缸外圆表面进行粗化处理；(3)采用超音速等离子喷涂在粗化后的废旧矿山机械液压缸外圆表面制备涂层，所述涂层的厚度为0.3-1.5mm；(4)采用激光熔覆对所述涂层进行熔覆，形成熔覆层；(5)对所述熔覆层表面进行磨削，使矿山机械液压缸外圆表面满足设计尺寸。在本发明所述的矿山机械液压缸外圆表面再制造的方法中，优选去除废旧矿山机械液压缸外圆表面的损伤层、疲劳层和强化层中的至少一种，使得得到的废旧矿山机械液压缸外圆的半径比标准液压缸外圆的半径小0.2-1.5mm。在本发明的方法中，还可以包括校直所述废旧矿山机械液压缸中可能存在的微量的变形。在本发明中，还可以使用酒精和/或丙酮对废旧矿山机械液压缸外圆表面进行清洗，去除废旧矿山机械液压缸外圆表面的残留污渍。本发明的上述方法既节约材料、节省时间、减小变形、减少加工余量、降低成本、增大涂层材料范围，还能将机械结合的涂层变为冶金结合，进一步提高了涂层的结合强度，从而延长了涂层的使用寿命。具体地，本发明的上述方法具有以下优点：1)覆层性能好。材料可选范围大，通过在覆层材料中添加陶瓷相，可提高覆层硬度、耐磨性和耐腐蚀性，从而提高再制造产品的可靠性和寿命，使得再制造产品达到，甚至优于新品性能；2)节约材料。采用超音速等离子喷涂工艺制备的涂层均匀致密，例如制备0.2mm的涂层时，只需预留0.4mm左右的加工余量即可，与现有技术的激光熔覆预留2mm的加工余量相比节省了材料；3)熔覆时间短。第一步采用超音速等离子喷涂制备的涂层较薄，且均匀、致密，第二步激光熔覆时可采用更低的功率和更高的线速度实现涂层的重熔，使得工件热影响小，变形小；4)加工余量小。由于喷涂过程中预留的厚度较小，在后处理时无需采用车削加工，直接进行磨削加工即可，不仅节省了时间，还可选择更硬的材料以提高涂层耐磨性；5)从喷涂角度讲，提高了喷涂层的结合强度，令喷涂层可应用于恶劣的矿井环境；从激光熔覆角度讲，即节省了再制造时间，又降低成本。6)喷涂材料价格低廉。以下将通过实施例对本发明进行详细描述。在以下实施例中，所使用的各种材料和仪器均来自商购。以下实施例中使用的废旧液压缸外圆表面的磨损程度相当。实施例1本实施例用于说明本发明的矿山机械液压缸外圆表面再制造的方法，具体地，本实施例的步骤如下：1)去除废旧矿山机械液压缸外圆表面的疲劳层，使得得到的废旧矿山机械液压缸外圆的半径比标准矿山机械液压缸外圆的半径小0.5mm；2)采用喷砂装置(购自北京天宁信诚机械有限公司，型号为TNS-900，下同)对经过步骤1)后得到的废旧矿山机械液压缸外圆表面进行粗化处理；3)采用超音速等离子喷涂经过步骤2)后得到的废旧矿山机械液压缸外圆表面制备涂层，所述涂层的厚度为0.7mm，所述涂层的化学组成如表1所示，所述超音速等离子喷涂的操作参数如表2所示；4)采用激光熔覆对经过步骤3)后得到的矿山机械液压缸外圆表面的所述涂层进行熔覆，形成熔覆层，其中，所述激光熔覆的线速度为0.23m/s，熔覆步距为10mm；5)对所述熔覆层表面进行磨削，使得所得到的矿山机械液压缸外圆表面满足设计尺寸(使得通过本发明的再制造的方法后得到的矿山机械液压缸外圆表面的尺寸与标准矿山机械液压缸外圆表面的尺寸相同，下同)。表1种类CrMnBSiMoNiCFe含量(重量％)130.50.81.21.73.50.15余量表2氩气流量/L/min电压/V电流/A送粉率/g/min120150380180对上述经过再制造而得到的矿山机械液压缸进行切割，对其切割后试样的各项性能进行检测，并与原液压缸材料及纯喷涂层的各项性能进行对比，结果发现，上述经过再制造后得到的熔覆层的洛氏硬度为48HRC，而原液压缸新品覆层洛氏硬度也为48HRC，熔覆层的组织及致密度与原液压缸材料近似，孔隙率小于纯喷涂层；熔覆层结合强度可达200MPa，与原液压缸材料近似，未经重熔处理的喷涂层仅有48Mpa；采用CETR公司的UMT-3试验机进行摩擦磨损实验，摩擦参数为频率10Hz，磨痕长度3mm，摩擦时间20min，油润滑，测得两种熔覆层磨损体积相当，均为4×10-3mm3左右。 总体而言，再制造得到的液压缸各项性能与新品覆层相近，此外“两步法”制备覆层较薄、熔覆时间较短、粉末浪费较少、无需车削工艺，整体提高了效率、节约了成本、经济性较好。实施例2本实施例用于说明本发明的矿山机械液压缸外圆表面再制造的方法，具体地，本实施例的步骤如下：1)去除废旧矿山机械液压缸外圆表面的疲劳层，使得得到的废旧矿山机械液压缸外圆的半径比标准矿山机械液压缸外圆的半径小0.4mm；2)采用喷砂装置对经过步骤1)后得到的废旧矿山机械液压缸外圆表面进行粗化处理；3)采用超音速等离子喷涂经过步骤2)后得到的废旧矿山机械液压缸外圆表面制备涂层，所述涂层的厚度为0.6mm，所述涂层的化学组成如表3所示，所述超音速等离子喷涂的操作参数如表4所示；4)采用激光熔覆对经过步骤3)后得到的矿山机械液压缸外圆表面的所述涂层进行熔覆，形成熔覆层，其中，所述激光熔覆的线速度为0.25m/s，熔覆步距为10.5mm；5)对所述熔覆层表面进行磨削，使得所得到的矿山机械液压缸外圆表面满足设计尺寸。表3种类CrMnBSiMoNiCFe含量(重量％)140.30.81.51.93.90.1余量表4氩气流量/L/min电压/V电流/A送粉率/g/min100150380180对上述经过再制造而得到的矿山机械液压缸进行切割，对其切割后试样的各项性能进行检测，并与原液压缸材料及纯喷涂层的各项性能进行对比，结果发现，上述经过再制造后得到的熔覆层的洛氏硬度为49HRC；熔覆层的组织及致密度与原液压缸材料近似；熔覆层结合强度可达190MPa；采用CETR公司的UMT-3试验机进行摩擦磨损实验，摩擦参数为频率10Hz，磨痕长度3mm，摩擦时间20min，油润滑，测得覆层磨损体积为4×10-3mm3左右。总体而言，上述经过再制造而得到的矿山机械液压缸各项性能与实施例1中再制造所得的液压缸相近。实施例3本实施例用于说明本发明的矿山机械液压缸外圆表面再制造的方法，具体地，本实施例的步骤如下：1)去除废旧矿山机械液压缸外圆表面的疲劳层，使得得到的废旧矿山机械液压缸外圆的半径比标准矿山机械液压缸外圆的半径小0.6mm；2)采用喷砂装置对经过步骤1)后得到的废旧矿山机械液压缸外圆表面进行粗化处理；3)采用超音速等离子喷涂经过步骤2)后得到的废旧矿山机械液压缸外圆表面制备涂层，所述涂层的厚度为0.8mm，所述涂层为金属陶瓷涂层，其化学组成如表5所示，所述超音速等离子喷涂的操作参数如表6所示；4)采用激光熔覆对经过步骤3)后得到的矿山机械液压缸外圆表面的所述涂层进行熔覆，形成熔覆层，其中，所述激光熔覆的线速度为0.22m/s，熔覆步距为9.5mm；5)对所述熔覆层表面进行磨削，使得所得到的矿山机械液压缸外圆表面满足设计尺寸。表5表6氩气流量/L/min电压/V电流/A送粉率/g/min125150380180对上述经过再制造而得到的矿山机械液压缸进行切割，对其切割后试样的各项性能进行检测，并与原液压缸材料及纯喷涂层的各项性能进行对比，结果发现，上述经过再制造后得到的熔覆层的洛氏硬度为50HRC；熔覆层的组织及致密度与原液压缸材料近似；熔覆层结合强度可达180MPa；采用CETR公司的UMT-3试验机进行摩擦磨损实验，摩擦参数为频率10Hz，磨痕长度3mm，摩擦时间20min，油润滑，测得覆层磨损体积为3×10-3mm3左右。总体而言，上述经过再制造而得到的矿山机械液压缸各项性能与实施例1中再制造所得的液压缸相当，而且具有硬度较大、耐磨性较好的优点。实施例4本实施例用于说明本发明的矿山机械液压缸外圆表面再制造的方法，具体地，本实施例的方法与实施例1的方法相似，不同的是，本实施例的涂层的厚度为1mm。对上述经过再制造而得到的矿山机械液压缸进行切割，对其切割后试样的各项性能进行检测，并与原液压缸材料及纯喷涂层的各项性能进行对比，结果发现，上述经过再制造后得到的熔覆层的洛氏硬度为45HRC；熔覆层的组织及致密度与原液压缸材料近似；熔覆层结合强度可达150MPa；采用CETR公司的UMT-3试验机进行摩擦磨损实验，摩擦参数为频率10Hz，磨 痕长度3mm，摩擦时间20min，油润滑，测得覆层磨损体积为4×10-3mm3左右。实施例5本实施例用于说明本发明的矿山机械液压缸外圆表面再制造的方法，具体地，本实施例的方法与实施例2的方法相似，不同的是，本实施例去除废旧矿山机械液压缸外圆表面的疲劳层，使得得到的废旧矿山机械液压缸外圆的半径比标准矿山机械液压缸外圆的半径小0.8mm。对上述经过再制造而得到的矿山机械液压缸进行切割，对其切割后试样的各项性能进行检测，并与原液压缸材料及纯喷涂层的各项性能进行对比，结果发现，上述经过再制造后得到的熔覆层的洛氏硬度为45HRC；熔覆层的组织及致密度与原液压缸材料近似；熔覆层结合强度可达170MPa；采用CETR公司的UMT-3试验机进行摩擦磨损实验，摩擦参数为频率10Hz，磨痕长度3mm，摩擦时间20min，油润滑，测得覆层磨损体积为4×10-3mm3左右。实施例6本实施例用于说明本发明的矿山机械液压缸外圆表面再制造的方法，具体地，本实施例的方法与实施例3的方法相似，不同的是，本实施例的激光熔覆的线速度为0.1m/s。对上述经过再制造而得到的矿山机械液压缸进行切割，对其切割后试样的各项性能进行检测，并与原液压缸材料及纯喷涂层的各项性能进行对比，结果发现，上述经过再制造后得到的熔覆层的洛氏硬度为45HRC；熔覆层的组织及致密度与原液压缸材料近似；熔覆层结合强度可达150MPa；采用CETR公司的UMT-3试验机进行摩擦磨损实验，摩擦参数为频率10Hz，磨 痕长度3mm，摩擦时间20min，油润滑，测得覆层磨损体积为3×10-3mm3左右。实施例7本实施例用于说明本发明的矿山机械液压缸外圆表面再制造的方法，具体地，本实施例的方法与实施例6的方法相似，不同的是，本实施例的激光熔覆的熔覆步距为11mm。对上述经过再制造而得到的矿山机械液压缸进行切割，对其切割后试样的各项性能进行检测，并与原液压缸材料及纯喷涂层的各项性能进行对比，结果发现，上述经过再制造后得到的熔覆层的洛氏硬度为45HRC；熔覆层的组织及致密度与原液压缸材料近似；熔覆层结合强度可达130MPa；采用CETR公司的UMT-3试验机进行摩擦磨损实验，摩擦参数为频率10Hz，磨痕长度3mm，摩擦时间20min，油润滑，测得覆层磨损体积为3×10-3mm3左右。以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。当前第1页1 2 3