在煤礦液壓支架油缸檢修和升級改造過程中，立柱、千斤頂的工作可靠性和使用壽命是煤礦機電管理高度關注的一個點。提高維修產品服務質量及使用壽命，降低使用過程中的故障率，能夠有力促進煤礦安全化、少人化生產。

一 、煤礦液壓支架油缸維修再制造主要工藝

煤機油缸維修再制造工藝應用較多的主要為電鍍鉻工藝、冷弧焊工藝及激光熔覆工藝。

（1）電鍍鉻工藝   

是指將金屬鉻離子以電鍍方式沉積在已經過預處理的基材金屬表面形成功能層的表面工程行為。電鍍鉻是液壓支架立柱、千斤頂制造和維修的傳統工藝，主要用于強化油缸外圓工作面，鍍層厚度一般為0.05~0.07mm。

（2）冷弧焊工藝    

實質是非熔化極惰性氣體保護焊（氬弧焊），國內廠家又稱合金熔覆或熱絲冷弧焊，近幾年，市場上出現用冷弧焊不銹鋼維修煤機油缸外圓，用冷弧焊銅合金新制造或維修煤機油缸內孔?；谟透拙S修對熱變形的敏感及對生產效率的高要求，使用廠家將冷弧焊的作業參數和送絲方式進行改進，降低稀釋率以減少基體的變形量，預加熱焊絲以提高焊接生產效率。

（3）激光熔覆工藝   

是指將預先設計成份的合金材料粉末，用大功率激光束加熱熔化，涂覆在經過預處理的金屬基材表面，獲得與基體形成冶金結合的具有耐磨耐蝕等特殊性能的功能層。最近幾年，光纖技術和激光器技術快速發展，激光熔覆鐵基不銹鋼工藝廣泛應用于煤機油缸外圓的新制造與維修再制造，同時在煤機油缸內壁的新制造和維修再制造中迅速推廣。

二、維修再制造工藝性能對比分析課題組

分別采用三種工藝制作樣塊，進行組織與性能對比分析。

（1）樣塊基材選擇   

液壓支架油缸基材一般為27SiMn、30CrMnSi，活塞桿采用40Cr，熱處理狀態為調質處理，其中，27SiMn使用的相對較多。課題組選擇27SiMn 作為工藝對比試驗的基體材料，調質處理后硬度為240-280HB。

（2）工藝參數選擇

1）電鍍鉻工藝：鍍硬鉻，鍍層厚度0.05~0.07mm 。

2）冷弧焊工藝：使用日本松下焊機，具體參數：電弧電壓22~28V，焊接電流220~310A，送絲速度7~12m/min，保留厚度0.5mm ，分別焊S215鋁鐵青銅（熔銅樣塊）、316L不銹鋼（內孔合金樣塊） ，自制的ER806L馬氏體不銹鋼（外圓合金樣塊）。

3）激光熔覆工藝：使用德國laserline激光器，功率3000W，光斑直徑4*4mm，速度1800~2400mm/min，搭接率50%，保留厚度0.5mm，熔覆材料為自制的105C粉（外圓激光熔覆樣塊）和101粉（內孔激光熔覆樣塊）。

焊絲及粉末主要化學成分見表1：

（3）組織分析   

利用電子顯微鏡觀察外圓合金樣塊及外圓激光熔覆樣塊的顯微組織形貌。

圖1  外圓合金樣塊截面20倍組織形貌

圖2  外圓激光熔覆樣塊截面20倍組織形貌

從組織形貌圖中可以看出，外圓合金樣塊（冷弧焊）和外圓激光熔覆樣塊，其結合均為冶金結合。但是冷弧焊的熱影響區的組織發生了改變，晶粒有燒損和粗大的傾向，稀釋區較大，這些組織的改變會使基材的整體強度有一定降低。

圖3  熔銅樣塊截面20倍組織形貌

圖4  熔銅樣塊截面50倍組織形貌

圖5  內孔合金樣塊截面20倍組織形貌

圖6  內孔合金樣塊截面50倍組織形貌

圖7  內孔激光熔覆樣塊截面20倍組織形貌

圖8  內孔激光熔覆樣塊截面50倍組織形貌

 從組織形貌圖中可以看出，內孔激光熔覆和內孔合金（冷弧焊）均為冶金結合，內孔熔銅為半冶金結合。這是因為在20~300℃時，銅合金的線膨脹系數為a=20.9×10-6/℃，碳鋼的線膨脹系數為a=（12.1-13.5）×10-6/℃，在熱脹冷縮過程中，銅合金的變形量大于碳鋼，銅合金熔點一般在900~1050℃，一般鋼材的熔點在1400~1500℃，銅合金的熱導率比普通碳鋼大7～11倍，熔焊時大量的熱從基材上散失，焊接區難以達到熔化溫度，造成假焊其中，內孔熔銅樣塊金相組織中的分界面明顯，說明熔銅工藝結合力略低。同樣，激光熔覆的熱影響區明顯要小于其他兩種工藝，說明相比之下，激光熔覆技術對基材的影響最小。再對冷弧焊樣塊和激光熔覆樣件的晶粒尺寸、微觀組織性能進行數據分析。

圖9  冷弧焊工藝樣塊微觀組織及數據

冷弧焊工藝：

由圖9a（相組成圖）可知，涂層主要由Fe(FCC)相組成，而基體則是由Fe(BCC)相組成，且基體與涂層存在互擴散現象，即存在過渡區域。由圖9b（反極圖）與圖9d（取向差角分布圖）可知涂層的晶粒尺寸為17.0 ± 20.0 μm，且無明顯的擇優取向。由圖9c（微區平均幾何差）可知，涂層的KAM值為0.31°而涂層的KAM值為1.64°，他們反映了表面修復后各自積累的殘余應變大小。通常，殘余應變越大，抵抗塑性變形能力越強。

圖10  激光熔覆工藝樣塊微觀組織及數據

激光熔覆工藝：

由圖10a（相組成圖）可知，涂層主要由Fe(FCC)相組成，而基體則是由Fe(BCC)相組成，且基體與涂層存在互擴散現象，即存在過渡區域。

由圖10b（反極圖）與圖d（取向差角分布圖）可知涂層的晶粒尺寸為10.3 ± 13.7 μm，且無明顯的擇優取向。激光熔覆后的晶粒尺寸更細，有利于細晶強化。

由圖10c（微區平均幾何差）可知，涂層的KAM值為0.66°而涂層的KAM值為1.72°，他們反映了表面修復后各自積累的殘余應變大小。激光熔覆后的KAM值更高，有利于抵抗塑性變形，提高耐磨性與硬度。

通過詳細的晶粒尺寸和微觀組織性能分析，激光熔覆后的晶粒尺寸更細，有利于細晶強化。激光熔覆后的殘余壓應力值更高，有利于抵抗塑性變形，提高耐磨性與硬度。

從組織形貌圖中可以看出，內孔激光熔覆和內孔冷弧焊均為冶金結合，內孔熔銅為半冶金結合。其中，內孔熔銅的分界面明顯，說明熔銅與其他兩種工藝相比，結合力略低。同樣，激光熔覆的熱影響區明顯要小于其他兩種工藝，說明相比之下，激光熔覆技術對基材的影響最小。

（4）極化曲線分析   

利用腐蝕試驗機，在3.5%NaCl溶液中，測試的不同樣塊的極化曲線。極化曲線分析方法如圖11所示。

圖11  極化曲線分析方法示意圖

在腐蝕熱力學上，自腐蝕電位表征腐蝕的難易程度，自腐蝕電位越高，抗腐蝕性越好。自腐蝕電流，表征腐蝕的速率，自腐蝕電流越低，抗腐蝕性越好。

通過極化曲線分析圖12可以看出，激光熔覆的自腐蝕電位高于冷弧焊（外圓合金），冷弧焊的腐蝕電位高于電鍍鉻。激光熔覆的自腐蝕電流低于冷弧焊，冷弧焊的自腐蝕電位流低于電鍍鉻。說明激光熔覆的耐蝕性好于冷弧焊，冷弧焊的耐蝕性好于電鍍鉻。

圖12  外圓不同修復工藝樣塊在3.5%NaCl溶液中的極化曲線

從圖13極化曲線可以看出，激光熔覆的自腐蝕電位高于內孔合金，內孔合金的腐蝕電位高于熔銅。激光熔覆的自腐蝕電流低于內孔合金，內孔合金的自腐蝕電位流低于熔銅。說明激光熔覆的耐蝕性好于合金熔覆，合金熔覆的耐蝕性好于熔銅，且耐蝕性差異較大?？傮w看來，激光熔覆樣塊的耐蝕性要優于冷弧焊樣塊。

圖13  內孔不同修復工藝樣塊在3.5%NaCl溶液中的極化曲線

（5）鹽霧試驗耐蝕性對比   

很多權威資料顯示，一般中性鹽霧試驗24h相當于自然環境一年。一般的鐵基材料，鹽霧試驗評價應采用中性鹽霧試驗（NSS）進行評價，不能采用銅加速乙酸鹽霧試驗（CASS）進行評價。銅加速乙酸鹽霧試驗適用于銅+鎳+鉻或鎳+裝飾性鍍層，也適用于鋁的陽極氧化膜——源自國家標準《GB/T 10125—2012 人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》。采用中性鹽霧試驗（NSS）進行模擬件評價，如圖14所示，96h后，冷弧焊模擬件開始出現腐蝕，激光熔覆模擬未見腐蝕。

圖14  96h中性鹽霧試驗模擬件情況

1）耐磨性分析。利用HY-32超聲波硬度計冷弧焊與激光熔覆樣塊的硬度進行了測量，結果如下：

表2  外圓冷弧焊與激光熔覆外圓樣塊超聲波硬度對比    單位：HRC

表3  冷弧焊與激光熔覆內孔樣塊超聲波硬度對比    單位：HBS

說明激光熔覆的實際硬度要好于冷弧焊。利用磨損試驗機，在相同摩擦磨損試驗條件下測試，冷弧焊樣塊的磨損率為- 4.8 × 10-4 mm3 N-1 m-1，激光熔覆樣塊磨損率為– 1.2 × 10-4 mm3 N-1 m-1光，激光熔覆試樣的磨損質量損失僅為內孔熔覆銅合金試樣磨損質量損失的25%。

圖15  試樣磨損形貌圖   (a)冷弧焊   (b)激光熔覆

三、結論綜上分析，對煤礦液壓支架油缸幾種維修再制造工藝性能，可做如下概括，見表4、表5。

表4  油缸維修工藝性能綜合分析

表5  油缸維修工藝性能評價表

結論非常明確：煤機油缸維修再制造，對比分析電鍍、冷弧焊、激光熔覆三種工藝手段，激光熔覆工藝的性能更好，性價比更高。