液压支架油缸缸筒内壁宽带激光熔覆复合涂层的研究

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目前,尽管新能源的发展如火如荼,传统能源煤炭的使用量依旧数不胜数。受到矿井下硫、氯水汽的影响,液压支架油缸作为矿井下煤炭开采的主要承载部件,其内壁不可避免会出现不同形式的缺陷,表面磨损表面腐蚀情况较多。本文利用匀化宽带激光头在液压支架油缸用27SiMn钢基体上制备了纯Fe316L熔覆层、纯Rockit401熔覆层及硬质相WC质量分数为10%、20%、30%的WC-Fe316L和WC-Rockit401复合熔覆层。研究了八个熔覆试样的宏观形貌、元素分布、物相组成、显微组织、显微硬度、耐磨性能以及磨损表面的磨损机制和表面粗糙度。同时,探究了 WC质量分数为30%的WC-Fe316L和WC-Rockit401复合合金油缸缸筒内壁熔覆层在醋酸加速盐雾试验下的腐蚀形貌并比较二者的耐腐蚀性能。具体研究内容及主要结论如下:(1)设计一种用于液压支架油缸缸筒内壁熔覆的宽带匀化积分镜,能将从激光准直镜出射出来的圆形高斯光斑变换为宽带匀化光斑,能提高内壁熔覆层表面平整度以及熔覆效率,所设计理论宽带光斑大小为15mm×3mm,并用ZEMAX仿真软件验证了光斑的正确性。(2)液压支架油缸用27SiMn钢基体上分别使用Fe316L及Rockit401合金粉末制备了纯合金熔覆层。结果表明:纯Fe316L和纯Rockit401熔覆层均与基体形成良好冶金结合,熔覆层表面无裂纹缺陷,成型较好。纯Fe316L熔覆层的主要物相为 γ-[Fe,Cr,Ni]、CrC、Cr23C6、Cr7C3 等,纯 Rockit401 熔覆层的主要物相为 α-Fe、Cr23C6、Cr7C3、CrC等。二者熔覆层中Fe、Cr元素含量最多且分布最为广泛,而C元素多在晶间网状共晶组织中偏析形成各种高硬度高强度的金属合金碳化物。纯Fe316L熔覆层及纯Rockit401熔覆层平均显微硬度相比27SiMn钢基体分别提升了 1.4、2.6 倍分别提升至 331.2HV0.5、627.2HV0.5,同时纯 Fe316L 及纯 Rockit401熔覆层磨损率较基体分别减少了 30.8%和91.7%。纯Fe316L熔覆层表面磨损机制以黏着磨损和磨粒磨损为主,而纯Rockit401熔覆层表面磨损机制以轻微的黏着磨损以及氧化磨损为主,纯Rockit401熔覆层磨损表面粗糙度较纯Fe316L熔覆层更低,其相比纯Fe316L熔覆层具备更好的耐磨性能。(3)在Fe316L和Rockit401合金粉末基础上分别添加了 10%、20%和30%质量分数的纯WC颗粒,在液压支架油缸用27SiMn钢基体上分别制备了 WC-Fe316L和WC-Rockit401合金熔覆层。结果表明:随着硬质相WC含量的增加,WC-Fe316L熔覆层中CrC、Cr23C6、Cr7C3硬质相的含量得到提高且出现了 Fe3W3C、Fe6W6C等新的碳化物硬质相,而WC-Rockit401熔覆层中马氏体α-Fe及碳化物Cr23C6的含量得到提高且出现了 W2C新的碳化物硬质相。WC颗粒质量分数为10%、20%和30%的WC-Fe316L熔覆层显微硬度比27SiMn钢基体分别提高了 1.6、1.7和2.0倍提高至 369.9HV0.5、408.6HV0.5 及 481.6HV0.5,同时各 WC-Fe316L 复合熔覆层磨损率较基体分别减少了 45.8%、66.0%及82.3%。WC颗粒质量分数为10%、20%和30%的WC-Rockit401熔覆层显微硬度比27SiMn钢基体分别提高了 3.0、3.4和4.0 倍提高至 718.9HV0.5、810.7HV0.5 及 944.4HV0.5,同时各 WC-Rockit401 复合熔覆层磨损率较基体分别减少了 92.6%、97.1%及98.1%。添加了 WC颗粒的WC-Fe316L和WC-Rockit401熔覆层表面磨损机制均为磨粒磨损,随着WC含量增加,Fe316L熔覆层磨损表面的黏着磨损程度降低而转变为氧化磨损,而随着WC含量增加至30%时,Rockit401熔覆层表面几乎不发生磨损。八种熔覆层试样中,有着最高铬碳含量、硬度最高的30wt.%WC-Rockit401熔覆层有着最好的耐磨性能。(4)在27SiMn钢液压支架油缸缸筒内壁制备WC质量分数为30%的WC-Fe316L及WC-Rockit401熔覆层,并对比二者的耐腐蚀性能。结果表明:30 wt.%WC-Fe316L熔覆层在醋酸加速盐雾试验96h后出现了点腐蚀,而30 wt.%WC-Rockit401熔覆层在醋酸加速盐雾试验24h后出现了线腐蚀。该结果与醋酸加速盐雾腐蚀WC铁基复合熔覆层机理相符,即有着更低Cr、C含量更高Ni含量的30 wt.%WC-Fe316L熔覆层拥有更高的耐盐雾腐蚀性。
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