钢铝复合液压支柱及其制造方法和制造设备的制造方法
【专利说明】钢铝复合液压支柱及其制造方法和制造设备
[0001]
技术领域
[0002]本发明属于液压支柱技术领域，具体涉及钢铝复合液压支柱及其制造方法和制造设备。
【背景技术】
[0003]液压支柱用于煤矿井下安全支护，它已成为现代煤矿工业综采配件必不可少的一项产品，并随着普通化采煤逐渐向安全化、机械化采煤的方向发展，单体液压支柱的需求量会日益加大。
[0004]然而，由于液压支柱工况恶劣，腐蚀严重、加之各种磨损(腐蚀磨损、磨粒磨损、疲劳磨损)，使其寿命短，在一些水质差的矿井中一般寿命仅几个月。目前，液压支柱采用热轧无缝钢管，常用材质为27SiMn钢，再经过精加工等组装而成。为了减轻由于工作环境恶劣所造成的表面腐蚀严重，常采用涂镀方式进行表面涂层处理，但其表面的耐磨损性能及抗冲击性能差，对环境污染严重；近期发展起来的激光表面熔敷技术，能在一定程度上解决液压支柱表层的耐磨、抗冲击性能，但由于工艺复杂、生产效率低、成本高，难以形成大规模的生产；此外，还有采用镶不锈钢套的方法，期望在提高液压支柱耐蚀、耐磨和抗冲击性能的同时也能降低生产成本，但由于采用这种简单的机械加工方法很难实现液压支柱芯坯与不锈钢套之间的冶金结合，使用过程中易出现表层脱离，使用寿命短。
【发明内容】
[0005]发明目的:本发明的目的在于提供钢铝复合液压支柱，使其既保持铝合金的低密度、低膨胀、高导热、高比强等特性，又可以获得不锈钢表面的高强、高硬、耐磨耐蚀的特性，具有整体密度低、比强度高、抗冲击以及良好耐磨耐蚀等优异性能。本发明还提供了该钢铝复合液压支柱的制备设备；本发明的另一目的是提供了该钢铝复合液压支柱的制造方法。
[0006]技术方案:为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案:
钢铝复合液压支柱的制造方法，包括如下步骤:
1)熔炼喷射层材料
采用奥氏体不锈钢钢锭作为喷射层材料，将奥氏体不锈钢钢锭放入中频感应炉中进行熔炼，获得不锈钢熔体，在熔体温度约为1550?1580 °C时，对不锈钢熔体进行脱氧、除渣精炼后，调整功率为中频炉额定功率，使得不锈钢熔体温度升至为1600?1650°C，备用；
2)芯坯表面预处理
在铝合金支柱芯坯的表面进行喷砂处理，形成粗糙的带有微凸点的表面，然后置于沉积室中，备用；
3)喷射沉积
将步骤2)预处理过的铝合金支柱芯坯置于夹具中，开启旋转驱动滚轮，铝合金支柱芯坯沿轴向旋转；向雾化器中通入氮气，开启导液管上端的塞盖，不锈钢熔体流经导液管进入雾化器中，熔体在氮气雾化下形成喷射液流，喷射在旋转的铝合金芯坯表面，形成不锈钢沉积层；待不锈钢沉积层厚度到达5_后，开启顶出装置，通过顶杆使铝合金芯坯沿径向向左移动，喷射液流相对从左到右扫描，扫描速度为10mm/s ；
4)得到试样
将铝合金支柱芯坯表面全部扫描完成后，盖上导液管上端塞盖，关闭氮气输送阀，关停铝合金芯坯的旋转和顶出驱动装置，取出试样。
[0007]步骤3)中，所述的不锈钢熔体的钢液液流直径为5-8mm，雾化角度为15_25°，雾化气压1.2-1.6MPa，雾化气流为8_10 L/min，喷射高度为200_300mm。
[0008]步骤3)中，所述的铝合金支柱芯坯轴向转速为30-60r/min。
[0009]所述的铝合金支柱芯坯为7075高强铝合金材质挤压铸造的铝合金支柱芯坯，其挤压铸造工艺为:加压开始时间3-7s、保压时间40-60s、压铸比压120-180MPa、浇注温度680-710 °C、模具预热温度 200-250 °C。
[0010]钢铝复合液压支柱的制造设备，该制造设备包括中频感应炉，在所述的中频感应炉的下方设有沉积室，在中频感应炉的底部设有用于连通沉积室的导液管，导液管设置在雾化器内，雾化器设置在中频感应炉和沉积室之间；在所述的沉积室内贯穿设置铝合金支柱芯坯，在铝合金支柱芯坯的轴向设有用于驱动的旋转驱动滚轮，铝合金支柱芯坯通过旋转驱动滚轮的驱动沿轴向旋转；铝合金支柱芯坯的一端通过夹具夹持在顶杆的一端，顶杆的另一端与顶出装置相接触，顶杆通过顶出装置驱动进行横向移动。
[0011]在所述的沉积室的底部设有排气口。
[0012]所述的雾化器为环缝式双流雾化器。
[0013]由钢铝复合液压支柱制造设备制造的钢铝复合液压支柱，其包括铝合金支柱芯坯和沉积在铝合金支柱芯坯表层的不锈钢沉积层。
[0014]发明原理:为解决镶不锈钢套的支柱芯坯与不锈钢套之间的冶金结合以及整体液压支柱的轻量化问题，采用挤压铸造技术、结合合金成分设计制备出高性能铝合金液压支柱芯坯，以代替目前普遍使用的钢铁材料，以起到明显的减重节能效果，同时可减轻污染，提高液压系统运行的平稳灵活性和安全性；采用喷射沉积不锈钢进行表层复合，基于喷射高温液滴重熔铝合金表面，实现冶金结合，获得钢铝复合液压支柱(芯部为铝合金，约占总重量的95% ;表层为不锈钢，约占总重量的5%)。在制备过程中，铝合金支柱芯坯挤压铸造，在适合的浇注温度和预热温度下，延长模壁处的铝业凝壳时间，以便溶解气体充分排出，液态金属在压力下不断结晶凝固，并形成固液两相区，在连续的模锻过程中完全凝固。采用应用广泛的18-8奥氏体不锈钢钢作为喷射层材料，中频感应炉进行熔炼，熔融不锈钢液体在高压惰性气体雾化下形成喷射液流，喷射液流直接沉积在所述铝合金支柱芯坯表面并凝固形成沉积层，获得不锈钢包覆层。本发明的钢铝复合液压支柱因为表面覆盖了一层不锈钢，而不锈钢的硬度、耐腐蚀等性能指标都十分清楚(就是通常304不锈钢指标)，比现有的普通钢的性能好尚很多。
[0015]有益效果:与现有技术相比，本发明的钢铝复合液压支柱采用喷射沉积工艺沉积层具有快速凝固组织，所形成的包覆层在保持沉积层组织致密、晶粒细小、力学性能优异的同时，使得包覆沉积层界面冶金结合良好，结合层抗拉强度提高，既保持铝合金的低密度、低膨胀、高导热、高比强等特性，又可以获得不锈钢表面的高强、高硬、耐磨耐蚀的特性，具有整体密度低、比强度高、抗冲击以及良好耐磨耐蚀等优异性能。该钢铝复合液压支柱的制备设备结构简单，易于推广使用，该钢铝复合液压支柱的制造方法，工艺过程简单，且沉积层成分和厚度可控。
【附图说明】
[0016]图1是钢铝复合液压支柱制造设备的结构示意图。
具体实施例
[0017]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步的说明。
[0018]实施例1钢铝复合液压支柱的制造设备
如图1所示，钢铝复合液压支柱的制造设备，包括中频感应炉1、导液管3、雾化器4、沉积室6、夹具7、顶杆8、顶出装置9、排气口 10、旋转驱动滚轮11、铝合金支柱芯坯12和不锈钢沉积层13。不锈钢料在中频感应炉I中熔融形成不锈钢熔体2，不锈钢熔体2通过导液管3导入至雾化器4中，高压氮气通过雾化器4雾化不锈钢熔体，形成喷射液流5。
[0019]在中频感应炉I的下方设有沉积室6，在中频感应炉I的底部设有用于连通沉积室6的导液管3，导液管3设置在雾化器4内，雾化器4设置在中频感应炉I和沉积室6之间。
[0020]在沉积室6内贯穿设置铝合金支柱芯坯12，在铝合金支柱芯坯12的轴向设有用于驱动的旋转驱动滚轮11，铝合金支柱芯坯12通过旋转驱动滚轮11的驱动沿轴向旋转；铝合金支柱芯坯12的一端通过夹具7夹持在顶杆8的一端，顶杆8的另一端与顶出装置9相接触，通过顶出装置9驱动进行横向移动。
[0021]在沉积室6的底部设有排气口 10。
[0022]工作过程:铝合金支柱芯坯12通过夹具7夹持在顶杆8上，顶杆8在顶出装置9的作用下横向移动，同时芯坯12在旋转驱动滚轮11的作用沿