一种激光熔覆焊丝在液压支架立柱中的应用

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种激光熔覆焊丝在液压支架立柱中的应用。

背景技术

目前液压支架油缸常用表面处理工艺分为电镀和激光熔覆。针对矿井环境中地质条件，电镀工艺具有良好的适应性，但环境污染较大，且镀层质量、性能及大修周期、维修费用等存在许多劣势。而激光熔覆工艺属于先进环保的增材制造技术，能更好的满足煤矿综采支架长寿命的使用要求。

液压支架立柱的激光熔覆常采用粉末作为耗材，利用率低、成本高，缺乏竞争力。而丝材激光熔覆技术在煤矿液压支架立柱上进行应用，想获得满足服役要求的丝材熔覆层，需要熔覆层有足够的耐蚀性能抵抗煤矿采掘面复杂的工作环境。除了腐蚀，液压支架立柱在使用中发生磨损失效也非常普遍，因此丝材熔覆层也应保持较高的硬度抵抗磨损。

在制备熔覆层时，丝材激光熔覆在与粉末激光熔覆不同，需考虑渣和飞溅对熔覆的影响，含渣量高和飞溅较大的材料将形成夹渣直接影响熔覆层的多次搭接和二次熔覆，造成缺陷率较高，进而影响制备出的熔覆层。因此，在进行丝材激光熔覆时，丝材在激光热源作用下是否能稳定获得高硬度、耐腐蚀、少缺陷的熔覆层，是推进丝材激光熔覆技术大规模应用的重点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种一种激光熔覆焊丝在液压支架立柱中的应用，以解决现有技术中液压支架立柱需要稳定获得高硬度、耐腐蚀、少缺陷熔覆层的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种激光熔覆焊丝在液压支架立柱中的应用，所述激光熔覆焊丝中含有FeTi30-A；

所述激光熔覆焊丝通过丝材激光熔覆技术采用激光功率3000w，熔覆速度22mm/s，送丝速度60mm/s在液压支架立柱的表面制备熔覆层；以质量分数计，所述熔覆层成分含量为：C：0.20-0.35％；Si：0.30-0.50％；Mn：0.60-1.20％；Cr：18.80-20.60％；Ni：1.40-2.40％；Mo：0.20-0.80％；Al：0.35-0.58％；Ti：1.10-2.00％；B：0.20％-0.70％，余量为Fe；所述激光熔覆层中含有TiC。

本发明的进一步改进在于：

优选的，所述激光熔覆焊丝的制备过程为：将混合金属置于焊皮中，翻转焊皮，使得焊皮包裹混合金属粉末；将包裹有混合金属粉末的焊皮拉拔至目标直径后，制得焊丝。

优选的，所述药芯为混合金属粉末；所述药芯的成分随着焊皮材质变化进行改变；

优选的，当焊皮为430不锈钢钢带时，以质量分数计，药芯的组成为：C：0.70-1.20％；Si：0.5-0.9％；B：1.50-2.80％；Mn：2.00-4.00％；Cr：26.00-31.00％；Ni：5.00-8.00％；Mo：1.00-3.00％；FeTi30-A：20-30％；余量为Fe。

优选的，当焊皮为410不锈钢钢带时，以质量分数计，药芯的组成为：C：0.70-1.20％；Si：0.36-0.76％；B：1.50-2.80％；Mn：2.00-4.00％；Cr：36.50-41.50％；Ni：4.80-7.70％；Mo：1.00-3.00％；FeTi30-A：20-30％；余量为Fe。

所述混合金属粉末混合后，进行真空干燥处理。

所述药芯焊丝中药粉填充率为30wt.％-33wt.％。

所述药芯焊丝的直径为1.0-1.2mm。

所述熔覆层的硬度为53-55HRC，耐中性盐雾腐蚀时间大于300小时。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种激光熔覆焊丝在液压支架立柱中的应用，该应用过程中在焊丝中添加了FeTi30，且FeTi30的添加量与碳粉相关，使得C粉将与FeTi30原位生成TiC增强相，避免非金属氧化过多的带入形成飞溅。通过优化添加Si和B元素的含量，Si和B为造渣的主要元素，在保持熔池流动性的前提下，降低其含量减少渣量。优化本发明的药芯焊丝内部为粉状混合物，其成分可控，能够根据熔覆层的需求进行成分的调整与控制，同时因为粉状，使得激光熔覆过程中粉状能够快速融化，激光熔覆过程中形成的熔池流动性好，进而形成的熔覆层组织均匀性好，熔覆过程飞溅少、烟尘少，产生的渣量少。本发明焊丝最终生成的熔覆层，其中的TiC增强体通过原位自生技术生成，与传统的外加法相比，避免了颗粒烧损、增强相熔化分解等问题，所制备的熔覆层中的增强体尺寸细小、表面无污染、界面结合强度高，同时，伴随部分TiC的析出，避免了过多碳化铬沿奥氏体晶界析出，从而有效防止晶间腐蚀现象，从而使熔覆层的总体性能得到大幅提高。

进一步的，该药芯焊丝的设计以马氏体组织为激光熔覆层基体组织，通过添加Ti、Nb合金元素内生(Nb,Ti)C硬质相，实现高硬耐磨高性能丝材激光熔覆层的制备，满足液压支架继续服役的要求；本发明选择的增强相，与基体的润湿性好，避免了增强相在熔覆过程中导致开裂的问题。

进一步的，该熔覆层本质为Fe基熔覆层，主要通过在液压支架立柱(材料为碳钢)表面进行激光熔覆形成，两者的主要元素都为Fe，因此两者的热膨胀系数相似，最终形成的熔覆层的抗开裂和剥落能力强。

进一步的，该药芯焊丝，用于激光熔覆制备耐蚀、高硬度激光熔覆层，药粉配方均易获取，丝材生产效率高、成本低，应用前景广阔。本发明通过采用药芯焊丝制备技术，制得的药芯焊丝最终成分，通过钢带和药粉一起实现，与传统的实心焊丝生产需要熔炼钢材相比，周期短、见效快，成本低。本发明药芯焊丝合金元素种类能够根据需求快速进行调整，焊丝拉拔工序简单。所开发的焊丝，丝径1.0-1.2mm，还可以用于MIG和TIG焊接工艺，应用范围广泛。

进一步的，本发明提供的药粉配方，配合430不锈钢钢带或410不锈钢钢带，添加C和FeTi30粉末，在激光熔覆过程中用作脱氧剂、除气剂，实现原位反应生成TiC增强相，实现熔覆层的高硬度指标、抗腐蚀性和稳定性。配合一定的Ni含量，保证高硬度熔覆层的不开裂。

进一步的，通过该方法制备出的熔覆层，最终形成熔覆层具有较高耐腐蚀性和较高硬度的熔覆层作为涂层，该涂层为马氏体不锈钢类型材料。这种丝材用于丝材激光熔覆制备的功能涂层的表面硬度可以达到53-55HRC(平均值≥54HRC)，且材料具有优异的耐中性环境腐蚀性能，在《GBT10125人造气氛腐蚀试验盐雾试验》条件下，中性盐雾腐蚀试验测试时，材料经过300小时腐蚀后表面的腐蚀评级按照《GBT6461金属基体上金属和其它无机覆盖层经腐蚀试验后的试样和试件的评级》，能够达到最高级9级以上，不容易发生腐蚀。对于降低液压支架油缸的修复成本、推动绿色激光表面改性技术在煤矿行业的应用具有重要的工程实际价值。

附图说明

图1为本发明实施例2制备的药芯焊丝进行激光熔覆后熔覆层的显微组织。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细描述：

本发明的实施例之一为公开了一种激光熔覆焊丝在液压支架立柱中的应用，该应用过程包括两个步骤：

步骤1，制备药芯焊丝；该药芯焊丝是一种高硬度少渣少飞溅内生陶瓷增强相激光熔覆药芯焊丝，包括药芯和焊皮，药芯设置在焊皮中，药芯被焊皮包裹，焊皮为不锈钢钢带。

其中的不锈钢带能够根据实际情况进行调整，如使用430不锈钢钢带或410不锈钢钢带，为了生成目标的熔覆层含量，随着不锈钢带类型的调整，药芯成分在对应的调整。药芯焊丝药粉填充率为30wt.％-33wt.％。

具体的，当焊皮为430不锈钢钢带时，其中药粉由混合金属粉末组成，混合金属粉末按质量百分比由以下原料组分组成：C：0.70-1.20％；Si：0.50-0.90％；B：1.50-2.80％；Mn：2.00-4.00％；Cr：26.00-31.00％；Ni：5.00-8.00％；Mo：1.00-3.00％；FeTi30-A：20-30％；余量为Fe。

具体的，当焊皮为410不锈钢钢带时，其中药粉由混合金属粉末组成，混合金属粉末按质量百分比由以下原料组分组成：C：0.70-1.20％；Si：0.36-0.76％；B：1.50-2.80％；Mn：2.00-4.00％；Cr：36.50-41.50％；Ni：4.80-7.70％；Mo：1.00-3.00％；FeTi30-A：20-30％；余量为Fe。

具体的，在制备药芯时，按照目标药芯组成称量各个金属粉末，将称量好的金属粉末通过混料机或其他的混合方式混合后，在真空炉中进行烘干，得到混合烘干的金属粉末，将烘干的金属粉末置于展开的焊皮中，使用焊皮将金属粉末包裹后，通过拉拔形成焊丝，焊丝的直径为φ1.0-1.2mm。

步骤2，通过激光熔覆，在液压支架的表面将焊丝融化后，在液压支架表面形成激光熔覆层，激光熔覆过程的参数为激光功率3000w，熔覆速度22mm/s，送丝速度60mm/s。该熔覆层为一种涂层，具有耐腐蚀和高硬度性能，制成的涂层属于马氏体不锈钢类型材料，通过添加提高强韧性的合金元素和优化Si和B等造渣元素，使得丝材在熔覆过程工艺性能较好，烟尘少、渣少、飞溅少，熔覆层在具有良好耐腐蚀性的同时，具有较高的硬度和塑韧性，通过采用药芯焊丝的制备技术从而可以通过拉拔的方式制备成金属丝材。

具体的，以质量分数计，熔覆层的组成为C：0.20-0.35％；Si：0.30-0.50％；Mn：0.60-1.20％；Cr：18.80-20.60％；Ni：1.40-2.40％；Mo：0.20-0.80％；Al：0.35-0.58％；Ti：1.10-2.00％；B：0.30％-0.70％。

本发明通过元素的合理调配保证了熔覆层兼具高硬度、耐腐蚀，工艺性能达到少渣和少飞溅减少熔覆过程夹渣缺陷的发生，具体的本发明所述金属丝材材料配方成分中主要合金元素的作用如下：

铬(Cr)：Cr基于固溶强化作用，可以提高α-Fe的强度。这里，添加Cr的作用主要是借助其优异的耐蚀性能，保证熔覆层耐中性盐雾腐蚀(NSS)达到300小时以上。本发明中配合430不锈钢钢带和30-33wt.％的填充率，在药粉中添加了26.00-30.00％的Cr元素。配合410不锈钢钢带和30-33wt.％的填充率，在药粉中添加了36.50-41.50％的Cr元素。

钼(Mo)：Mo和Cr一样，都有固溶强化和提高耐蚀性能的作用。但是Mo的固溶强化作用强于Cr，耐蚀性方面的作用又低于Cr。本发明中，熔覆层的强度主要靠内生硬质相来保证，因此为了避免熔覆层的开裂，降低Mo这个具有显著提高熔覆层强度的元素。此外，Mo的降低也可以降低材料的生产成本。本发明中配合430不锈钢钢带或410不锈钢钢带和30-33wt.％的填充率，在药粉中添加了1.00-3.00％的Mo元素。

FeTi30：FeTi30属于钛铁，其在熔覆过程中作为脱氧剂、除气剂使用。FeTi30中钛元素的脱氧能力大大高于硅、锰，并可减少熔覆层偏析，提高熔覆层的强度、抗腐蚀性和稳定性.同时FeTi30中钛元素与C反应将原位生成TiC脆性相。TiC脆性相硬度高，若FeTi30添加量大，将导致生成大量的TiC相，熔覆层易开裂。此外，TiC的生成与添加的C粉含量应该协调一致，所以综合考虑，本发明中配合430不锈钢钢带或410不锈钢钢带和30-33wt.％的填充率，在药粉中添加了20.0-30.0％的FeTi30粉末。

镍(Ni)：Ni元素在耐蚀和固溶强化方面也有作用。本发明中添加Ni的作用主要是为了提高其塑韧性，避免熔覆层开裂。本发明中配合430不锈钢钢带和30-33wt.％的填充率，在药粉中添加了5.00-8.00％的Ni元素。配合410不锈钢钢带和30-33wt.％的填充率，在药粉中添加了4.80-7.70％的Ni元素。

硅(Si)和锰(Mn)：Si和Mn在本发明中的作用主要是联合脱氧的作用，减少熔覆层中的氧含量，防止气孔的产生。Mn在提高熔覆层强度方面也有一定的作用。本发明中配合430不锈钢钢带和30-33wt.％的填充率，在药粉中添加了1.00-1.50％的Si元素和2.00-4.00％的Mn元素。本发明中配合410不锈钢钢带和30-33wt.％的填充率，在药粉中添加了0.36-0.76％的Si元素和2.00-4.00％的Mn元素。

碳(C)：对于形成马氏体组织，C是必不可的元素。本发明中，C元素主要由430不锈钢钢带和所添加的C粉提供，C粉将与FeTi

优选的，金属药芯焊丝为直径为φ1.0mm-φ1.2mm的马氏体不锈钢金属丝材材料。

本发明所述的一种高硬度少渣少飞溅内生陶瓷增强相激光熔覆药芯焊丝的用途，所述激光熔覆丝材用于进行液压支架立柱表面的激光熔覆处理。

进一步的根据本发明所述一种高硬度少渣少飞溅内生陶瓷增强相激光熔覆药芯焊丝的用途用于对液压支架中相关零部件表面进行激光熔覆处理后，表面激光熔覆涂层的硬度达到53-55HRC(平均值≥54HRC)，表面激光熔覆涂层的耐中性盐雾腐蚀(NSS)达到300小时以上。

下面结合具体的实施例进一步的说明：

实施例1

步骤1，以质量分数计，按照以下成分称量金属粉末：C，0.7％；Si，0.73％；Mn，4.0％；Cr，26％；Ni，5.0％；Mo，30％；FeTi30，20％；B，1.5％；余量为铁，将称量好的混合金属粉末至于430不锈钢带中，通过430不锈钢带包裹混合金属粉末，药粉的填充率为30wt.％，拉拔制备出药芯焊丝。

步骤2，将步骤1制备出的药芯焊丝通过激光熔覆在液压支架立柱表面制备多层熔覆层(不低于5层)，经测量该材料不同部分的洛氏硬度(HRC)分别为53.2、54.9、55.2、55.4和54.3，平均值为54.56；制备出的熔覆层成分为：C，0.21％；Si，0.43％；Mn，1.2％；Cr，18.8％；Ni，1.4％；Mo，0.8％；B，0.31％；Ti，1.1％，Al，0.35％，余量为Fe。按照《焊接防飞溅剂检验方法》，熔覆过程的飞溅残余率为0.84％。

实施例2：

步骤1，以质量分数计，按照以下成分称量金属粉末：C，1.2％；Si，0.9％；Mn，3.0％；Cr，31％；Ni，8.0％；Mo，2％；FeTi30，30％；B，2.8％；余量为铁，将称量好的混合金属粉末至于430不锈钢带中，通过430不锈钢带包裹混合金属粉末，药粉的填充率为33wt.％，拉拔制备出药芯焊丝。

步骤2，将步骤1制备出的药芯焊丝通过激光熔覆在液压支架立柱表面制备多层熔覆层(不低于5层)，经测量该材料不同部分的洛氏硬度(HRC)分别为55.2、54.9、54.8、55.0和53.7，平均值为54.7；制备出的熔覆层成分为：C，0.35％；Si，0.5％；Mn，0.84％；Cr，20.57％；Ni，2.38％；Mo，0.52％；B，0.7；Ti，2.0％，Al，0.58％，余量为Fe。按照《焊接防飞溅剂检验方法》，熔覆过程的飞溅残余率为0.89％。

通过实施例2制备的激光熔覆层，其组织如图1所示：熔覆层组织为马氏体组织为主，晶粒细小且均匀，碳化物均匀分布，未见裂纹、气孔等缺陷。

实施例3：

步骤1，以质量分数计，按照以下成分称量金属粉末：C，1.0％；Si，0.5％；Mn，2.0％；Cr，28.5％；Ni，7.0％；Mo，1％；FeTi30，25％；B，2.1％；余量为铁，将称量好的混合金属粉末至于430不锈钢带中，通过430不锈钢带包裹混合金属粉末，药粉的填充率为31wt.％，拉拔制备出药芯焊丝。

步骤2，将步骤1制备出的药芯焊丝通过激光熔覆在液压支架立柱表面制备多层熔覆层(不低于5层)，经测量该材料不同部分的洛氏硬度(HRC)分别为53.4、57.1、56.9、55.1和55.1，平均值为55.5；制备出的熔覆层成分为：C，0.28％；Si，0.3％；Mn，06％；Cr，19.3％；Ni，2.4％；Mo，0.2％；B，0.52；Ti，1.8％，Al，0.46％，余量为Fe。按照《焊接防飞溅剂检验方法》，熔覆过程的飞溅残余率为0.78％。

实施例4：

步骤1，以质量分数计，按照以下成分称量金属粉末：C，0.7％；Si，0.36％；Mn，2.0％；Cr，38.4％；Ni，4.8％；Mo，1％；FeTi30，20％；B，2.8％；余量为铁，将称量好的混合金属粉末至于430不锈钢带中，通过430不锈钢带包裹混合金属粉末，药粉的填充率为30wt.％，拉拔制备出药芯焊丝。

步骤2，将步骤1制备出的药芯焊丝通过激光熔覆在液压支架立柱表面制备多层熔覆层(不低于5层)，经测量该材料不同部分的洛氏硬度(HRC)分别为52.8、56.4、55.3、55.7和54.5，平均值为54.95；制备出的熔覆层成分为：C，0.2％；Si，0.30％；Mn，0.6％；Cr，19.5％；Ni，1.43％；Mo，0.24％；B，0.7％，Ti，1.1％，Al，0.35％，余量为Fe。按照《焊接防飞溅剂检验方法》，熔覆过程的飞溅残余率为0.91％。

实施例5：

步骤1，以质量分数计，按照以下成分称量金属粉末：C，1.2％；Si，0.58％；Mn，4.0％；Cr，36.5％；Ni，7.7％；Mo，3％；FeTi30，20％；B，2.1％；余量为铁，将称量好的混合金属粉末至于430不锈钢带中，通过430不锈钢带包裹混合金属粉末，药粉的填充率为33wt.％，拉拔制备出药芯焊丝。

步骤2，将步骤1制备出的药芯焊丝通过激光熔覆在液压支架立柱表面制备多层熔覆层(不低于5层)，经测量该材料不同部分的洛氏硬度(HRC)分别为54.9、55.7、55.1、56.3和54.5，平均值为55.3；制备出的熔覆层成分为：C，0.35％；Si，0.43％；Mn，1.2％；Cr，18.9％；Ni，2.4％；Mo，0.78％；B，0.48％；Ti，2.0％，Al，0.58％，余量为Fe。按照《焊接防飞溅剂检验方法》，熔覆过程的飞溅残余率为0.83％。

实施例6：

步骤1，以质量分数计，按照以下成分称量金属粉末：C，0.86％；Si，0.76％；Mn，3.2％；Cr，41.5％；Ni，5.8％；Mo，2.1％；FeTi30，26％；B，1.5％；余量为铁，将称量好的混合金属粉末至于430不锈钢带中，通过430不锈钢带包裹混合金属粉末，药粉的填充率为31wt.％，拉拔制备出药芯焊丝。

步骤2，将步骤1制备出的药芯焊丝通过激光熔覆在液压支架立柱表面制备多层熔覆层(不低于5层)，经测量该材料不同部分的洛氏硬度(HRC)分别为54.8、53.3、54.1、55.3和54.5，平均值为54.6；制备出的熔覆层成分为：C，0.29％；Si，0.5％；Mn，0.93％；Cr，20.6％；Ni，1.92％；Mo，0.56％；B，0.30％；Ti，1.86％，Al，0.48％，余量为Fe。按照《焊接防飞溅剂检验方法》，熔覆过程的飞溅残余率为0.86％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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。