具有改性表面的采煤机传动轴及加工方法

技术领域

本发明涉及一种具有改性表面的采煤机传动轴及加工方法，属于机械零件制造技术领域。

背景技术

采煤机是实现煤矿生产机械化和现代化的重要设备之一。在采煤工作过程中，采煤机的工作机构把煤从煤体上破落下来（破煤）并装入工作面输送机（装煤），采煤机按调定的牵引速度行走（牵引），使破煤和装煤工序能够连续不断地进行。采煤机可以减轻采煤过程中工人的体力劳动、提高工作安全性，达到高产量、高效率、低消耗的目的。采煤机是一个集机械、电气和液压为一体的大型复杂系统，工作环境恶劣（环境湿度大、有多种腐蚀介质以及粉尘严重），如果传动轴等关键零件出现故障，将会导致整个采煤工作的中断，造成巨大的经济损失，对生产人员的人身安全也会造成极大的安全隐患。因此对采煤机传动轴等关键零件的设计和使用要求极其严格。

由于采煤机工况条件极其恶劣，采煤机传动轴的主要失效方式是磨粒磨损和腐蚀磨损，为提高采煤机传动轴的表面综合性能，通常采用降低传动轴单位面积应力和提高传动轴单位面积强度的途径以提高传动轴的抗磨损能力和可靠性。但是，通过增大传动轴尺寸来降低传动轴表面应力会增加采煤机整体生产线的体积和重量，对于整机结构和大小要求严格的采煤机来说不是很经济和可行；而目前采用最为广泛的表面处理方法是表面镀铬，以提高传动轴等零件表面的耐磨性能和耐腐蚀性能，但是目前该方法制备的镀烙层与基体结合性能较差，使用过程中容易出现起皮和鼓包，使用寿命和耐磨性仍无法满足正常使用需求，其有效使用寿命只有1-2年。因此，开发新的制备工艺或方法对延长采煤机的使用寿命具有重要的意义。

由于碳化物陶瓷具备高硬度、耐腐蚀和耐磨损等优异特性，因此有望通过在零件表面制备碳化物陶瓷涂层来提高零件的表面性能和使用效果。

发明内容

针对现有技术存在的各种问题，本发明提出了一种具有改性表面的采煤机传动轴及加工方法，能够显著提高采煤机传动轴的表面性能，改善传动轴零件的耐磨性能和耐腐蚀性能，有效提高采煤机传动轴的使用寿命，延长整机的保养周期和使用寿命，降低采煤机的使用和维护成本。

为达到上述目的，本发明所述的具有改性表面的采煤机传动轴，其特征在于：包括轴体，采用激光熔覆方法在所述轴体表面制备Cr/C/Fe粘结层，采用激光熔覆方法在所述Cr/C/Fe粘结层表面制备CrC/Cr工作层，形成Cr/C/Fe粘结层中各组成成分的质量比为25-30%C、35-40%Cr、30-40%Fe，形成CrC/Cr工作层中各组成成分的质量比为20-30%Cr、70-80%CrC。

进一步地，所述Cr/C/Fe粘结层的熔覆方法是：对轴体表面进行复合粉末激光熔覆，所使用的是C、Cr和Fe复合粉末，通过同步送粉器将复合粉末送入激光熔池，激光功率1000-1500W、扫描速度200-220mm/min、激光的光斑直径1.5-2.5mm、搭接率40-45%、熔覆厚度0.3-0.5mm，扫描过程中通氩气保护熔池，氩气流量为10～12L/min。

进一步地，所述CrC/Cr工作层的熔覆方法是：对Cr/C/Fe粘结层表面进行复合粉末激光熔覆，所使用的是Cr和CrC复合粉末，通过同步送粉器将复合粉末送入激光熔池，激光功率2000-2500W、扫描速度300-350mm/min、激光的光斑直径3-3.5mm、搭接率20-35%、熔覆厚度2-3mm，扫描过程中通氩气保护熔池，氩气流量为18～20L/min。

本发明还提供一种上述的具有改性表面的采煤机传动轴的加工方法，其特征在于：具体包括如下步骤：

S1，传动轴轴体机械加工：传动轴零件基体毛坯淬火→高温回火→粗加工；

S2，传动轴轴体表面预处理：去除工件表面油污以及氧化膜，漂洗烘干；

S3，熔覆Cr/C/Fe粘结层：对轴体表面进行复合粉末激光熔覆，所使用的是C、Cr和Fe复合粉末，通过同步送粉器将复合粉末送入激光熔池，激光功率1000-1500W、扫描速度200-220mm/min、激光的光斑直径1.5-2.5mm、搭接率40-45%、熔覆厚度0.3-0.5mm，扫描过程中通氩气保护熔池，氩气流量为10～12L/min；

S4，熔覆CrC/Cr工作层：对Cr/C/Fe粘结层表面进行复合粉末激光熔覆，所使用的是Cr和CrC复合粉末，通过同步送粉器将复合粉末送入激光熔池，激光功率2000-2500W、扫描速度300-350mm/min、激光的光斑直径3-3.5mm、搭接率20-35%、熔覆厚度2-3mm，扫描过程中通氩气保护熔池，氩气流量为18～20L/min；

S5，后处理：待工件冷却后，进行去应力回火→半精加工→精加工。

进一步地，所述传动轴零件基体毛坯材料为40CrMn合金钢或35CrMo中碳合金钢。

进一步地，所述步骤S3中熔覆粘结层所使用的是C、Cr和Fe复合粉末，粉末颗粒直径为10-30nm。

进一步地，所述步骤S3中熔覆粘结层所使用的Cr/C/Fe粉末经球磨机研磨混合时间为120-140min。

进一步地，所述步骤S4中熔覆工作层所使用的是Cr和CrC复合粉末，所述的CrC粉末颗粒直径为40-60nm，C粉末颗粒直径为10-30nm。

进一步地，所述步骤S4中熔覆工作层所使用的Cr和CrC复合粉末经球磨机研磨混合时间为150-200min。

传动轴零件基体经过淬火、高温回火、粗加工后，采用激光熔覆方法在零件表面制备Cr/C/Fe粘结层和CrC/Cr工作层，然后再进行去应力回火、半精加工和精加工。所制得的采煤机传动轴零件具有以下结构：零件基体表面由内向外依次具为Cr/C/Fe熔覆粘结层、CrC/Cr熔覆工作层。

本发明通过激光熔覆方法进行采煤机传动轴的表面改性方法，将碳化物陶瓷、金属与激光熔覆制备技术相结合，在工件表面通过激光熔覆方法制备一个Cr/C/Fe金属复合粘结层，可以减缓后续工作层与传动轴零件基体材料之间的性能差异，改善两者之间的结构和性能上的匹配性能，增大激光熔覆层/基体材料之间的结合性能和工作层的耐冲击性能。熔覆的CrC/Cr工作层中，CrC碳化物熔覆层具有极高的硬度，优异的耐腐蚀性、化学稳定性和抗摩擦磨损性能，能够提高零件表面的耐磨性能和耐腐蚀性能；而Cr元素的加入起到固溶强化作用，改善了表面熔覆层的摩擦磨损性能和耐冲击性能，同时能够阻止激光熔覆过程中的裂纹产生和扩展，提高激光熔覆层的实际使用性能和效果。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

具有改性表面的采煤机传动轴及加工方法，能够显著提高采煤机传动轴的表面性能，改善传动轴零件的耐磨性能和耐腐蚀性能，有效提高采煤机传动轴的使用寿命，延长整机的保养周期和使用寿命，降低采煤机的使用和维护成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为实施例1制备的采煤机传动轴零件的表面结构示意图。

图中：1、轴体，2、Cr/C/Fe粘结层，3、CrC/Cr工作层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

以下通过具体实施例对本发明作进一步说明，但不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例一：本发明所述的具有改性表面的采煤机传动轴的加工方法，采煤机传动轴基体材料为40CrMn中碳合金钢。传动轴零件基体经过淬火、高温回火、粗加工后，采用激光熔覆方法在零件表面制备Cr/C/Fe粘结层和CrC/Cr工作层，然后再进行去应力回火、半精加工和精加工。

具体包括如下步骤：

(1) 传动轴机械加工：传动轴零件基体毛坯→淬火(810～920℃，水冷)→高温回火(550～600℃，水冷)→粗加工(表面粗糙度Ra25μm，加工尺寸至公差下限)；

(2) 零件表面预处理：去除零件表面油污以及氧化膜，烘干；

(3) 配置 Cr/C/Fe复合粉末：采用C、Cr和Fe的复合粉末，颗粒直径为10-30nm，其重量百分比分别是：30%、40%和30%，经球磨机研磨混合时间为120min。

(4) 配置CrC/Cr复合粉末：采用Cr和CrC的复合粉末，CrC颗粒直径为40-60nm，碳化铬为现成商用成熟粉末产品，是灰黑色粉末，常见分子式有CrC或Cr

(5) 熔覆Cr/C/Fe粘结层：通氩气保护气体，流量为10L/min- 10.5L/min；激光熔覆Cr/C/Fe粘结层，熔覆工艺参数为：激光功率1180W、扫描速度200mm/min、搭接率40-45%、激光的光斑直径1.5mm、熔覆厚度0.3mm；

(6) 熔覆CrC/Cr工作层：通氩气保护气体，流量为18L/min- 19L/min；激光熔覆CrC/Cr工作层，熔覆工艺参数为：激光功率2450-2500W、扫描速度330-340mm/min、激光的光斑直径3.5mm、搭接率25%、熔覆厚度3.0mm；

(7) 后处理：待工件冷却后，进行去应力回火(440～470℃，空冷)→车床进行半精加工(表面粗糙度Ra3.2μm，加工尺寸至公差下限)→磨床进行精加工(表面粗糙度Ra0.8μm，加工尺寸至公差上限)。

如图1，本实施例制得的采煤机传动轴零件具有以下结构：在零件基体1表面由向外依次具有Cr/C/Fe粘结层2、CrC/Cr工作层3。

本实施例制得的激光熔覆CrC/Cr层，表面显微硬度达到HV1450-1510，是传统热处理（淬火+低温回火）工艺的表面硬度(HV500-550)的将近3倍，是传统镀铬层硬度（HV670-750）的2倍；熔覆层与零件基体的结合强度达到120-135N，是传统镀铬层/基体结合力（45-55 N）的约2.5倍。在相同的摩擦实验条件下(球盘摩擦磨损试验机，往复直线运动，对磨球为表面硬度为15GPa的WC球，加载载荷80N，对摩速度6mm/s，对磨时间20min)，本发明制备的激光熔覆CrC/Cr层的磨损率只有1.24-1.37×10

实施例二：本发明所述的具有改性表面的采煤机传动轴的加工方法，采煤机传动轴基体材料为35CrMo中碳合金钢。传动轴零件基体经过淬火、高温回火、粗加工后，采用激光熔覆的方法在零件表面制备Cr/C/Fe粘结层和CrC/Cr工作层，然后再进行去应力回火、半精加工和精加工。

具体包括如下步骤：

(1) 传动轴机械加工：传动轴零件基体毛坯→淬火(830-860℃，水冷)→高温回火(505-550℃，油冷)→粗加工(表面粗糙度Ra12.5μm，加工尺寸：公差下限)；

(2) 零件表面预处理：去除零件表面油污以及氧化膜，烘干；

(3) 配置 Cr/C/Fe复合粉末：采用C、Cr和Fe的复合粉末，颗粒直径为10-30nm，其重量百分比分别是：25%、35%和40%，经球磨机研磨混合时间为120min。

(4) 配置CrC/Cr复合粉末：采用Cr和CrC的复合粉末，CrC颗粒直径为40-60nm，Cr和CrC的重量百分比分别是：30%、70%，经球磨机研磨混合时间为140min。

(5) 熔覆Cr/C/Fe粘结层：通氩气保护气体，流量为11L/min- 12L/min；激光熔覆Cr/C/Fe粘结层，熔覆工艺参数为：激光功率1200-1250W、扫描速度215mm/min、激光的光斑直径1.5mm、搭接率40%、熔覆厚度0.4mm；

(6) 熔覆CrC/Cr工作层：通氩气保护气体，流量为19L/min- 20L/min；激光熔覆CrC/Cr工作层，熔覆工艺参数为：激光功率2100-2200W、扫描速度300-320mm/min、激光的光斑直径3.0mm、搭接率30%、熔覆厚度2.5mm；

(7) 后处理：待工件冷却后，进行去应力回火(505～540℃，空冷)→车床进行半精加工(表面粗糙度Ra1.6μm，加工尺寸至公差下限)→磨床进行精加工(表面粗糙度Ra0.8μm，加工尺寸至公差下限) →表面研磨(表面粗糙度Ra0.4μm，加工尺寸至公差上限)。

本实施例制备的CrC/Cr激光熔覆层表面显微硬度达到HV1410-1470，表面显微硬度比传统热处理（淬火+低温回火）工艺的表面硬度(HV470-494)增加了约2倍，比传统镀铬层硬度（HV670-740）增加了1倍多；熔覆层与零件基体的结合强度达到128-145N，比传统镀铬层/基体结合力（45-55 N）提高了1.5倍。熔覆层在重载条件下连续摩擦工作3h（加载载荷80N，对摩速度6mm/s）仍能保持良好工作状态，而传统镀铬零件相同条件下对摩1h已经完全磨掉。

实施例三：本发明所述的具有改性表面的采煤机传动轴的加工方法，采煤机传动轴基体材料为35CrMo中碳合金钢。传动轴零件基体经过淬火、高温回火、粗加工后，采用激光熔覆的方法在零件表面制备Cr/C/Fe粘结层和CrC/Cr工作层，然后再进行去应力回火、半精加工和精加工。

具体包括如下步骤：

(1) 传动轴机械加工：传动轴零件基体毛坯→淬火(850-890℃，水冷)→高温回火(525-560℃，油冷)→粗加工(表面粗糙度Ra6.3μm，加工尺寸：公差下限)；

(2) 零件表面预处理：去除零件表面油污以及氧化膜，烘干；

(3) 配置 Cr/C/Fe复合粉末：采用C、Cr和Fe的复合粉末，颗粒直径为10-30nm，其重量百分比分别是：28%、38%和34%，经球磨机研磨混合时间为120min。

(4) 配置CrC/Cr复合粉末：采用Cr和CrC的复合粉末，CrC颗粒直径为40-60nm，Cr和CrC的重量百分比分别是：25%、75%，经球磨机研磨混合时间为130min。

(5) 熔覆Cr/C/Fe粘结层：通氩气保护气体，流量为11L/min- 11.5L/min；激光熔覆Cr/C/Fe粘结层，熔覆工艺参数为：激光功率1300-1400W、扫描速度210mm/min、激光的光斑直径2.0mm、搭接率42%、熔覆厚度0.35mm；

(6) 熔覆CrC/Cr工作层：通氩气保护气体，流量为18L/min- 19L/min；激光熔覆CrC/Cr工作层，熔覆工艺参数为：激光功率2300-2400W、扫描速度320-330mm/min、激光的光斑直径3.3mm、搭接率32%、熔覆厚度2.4mm；

(7) 后处理：待工件冷却后，进行去应力回火(530～560℃，空冷)→车床进行半精加工(表面粗糙度Ra3.2μm，加工尺寸至公差下限)→磨床进行精加工(表面粗糙度Ra1.6μm，加工尺寸至公差下限) →表面研磨(表面粗糙度Ra0.8μm，加工尺寸至公差上限)。

本实施例制备的CrC/Cr激光熔覆层表面显微硬度达到HV1490-1550，表面显微硬度比传统热处理（淬火+低温回火）工艺的表面硬度(HV470-494)增加了约2倍，比传统镀铬层硬度（HV670-740）增加了1倍多；熔覆层与零件基体的结合强度达到130-150N，比传统镀铬层/基体结合力（45-55 N）提高了1.5倍。熔覆层在重载条件下连续摩擦工作3h（加载载荷80N，对摩速度6mm/s）仍能保持良好工作状态，而传统镀铬零件相同条件下对摩1h已经完全磨掉。

综上，本表面改性方法可增强激光熔覆层与基体的附着性能，相比传统镀铬层/基体结合力（45-55 N）提高了1倍以上。零件表面硬度达到HV1400以上，比传统热处理（淬火+低温回火）硬度（HV500-550）提高了1.5-2倍，比传统镀铬层硬度（HV670-750）提高了1-1.5倍，零件的耐磨性和耐腐蚀性提高3倍以上，减小工作过程中的摩擦磨损和表面粘结1倍以上，延长采煤机传动轴的使用寿命3-4倍，降低传动轴的维护和保养成本70％以上。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。