煤矿机械应用激光熔覆技术的研究与实践

韩文静，　宋进朝，　刘学功,3，　于　威



煤矿机械应用激光熔覆技术的研究与实践

韩文静1，宋进朝2，刘学功1,3，于威1

(1.永城职业学院 矿业工程系，河南 永城476600；2.永城职业学院 建筑工程系，河南 永城476600；3.河南能源化工集团永煤公司，河南 永城476600)

摘要：结合现代采煤机械对耐磨、耐蚀性能的技术要求，对采用激光熔覆技术改善工件表面性能的实践进行了总结，重点介绍了激光熔覆技术在截齿、采煤机高速轴、液压支架及掘进机密封套上的应用，对煤矿机械激光熔覆材料的选择也进行了讨论。

关键词:煤矿机械； 激光熔覆； 材料； 应用

引　言

处在水汽、矿尘以及一些有害气体中的煤矿机械设备工况条件苛刻，许多机械还要承受着重载、高速、振动及摩擦等高强度工作；大部分机械设备不分昼夜，长年累月连续作业，运行时间较长。煤矿机械的腐蚀和磨损问题严重，激光熔覆技术对于减缓煤矿机械的腐蚀磨损失效具有十分重要的意义[1]。

激光熔覆技术可以有效提高基体材料表面的耐磨、耐蚀性能。它采用激光热源应用不同的添料方式，激光照射基体上已选好的涂层材料会同时熔化涂层材料和基体表面薄层，在快速凝固后形成稀释度极低的呈现冶金结合表面涂层。与电镀、气相沉积和堆焊相比较，激光熔覆具有组织致密、结合度好、熔覆材料多等优点[2-5]。激光熔覆能在基体表面形成均匀致密的金属涂层，而电镀镀层容易出现孔隙和裂纹。电镀镀层与基体之间为物理结合，而激光熔覆层与基体冶金结合。激光熔覆加工前只需对加工件表面进行除油、除锈处理，工序更简化。电镀容易对环境产生废水，激光熔覆作为一种环保、高效的修复技术，不会产生废气、废液。总之激光熔覆后的设备的抗蚀性和结合力更强，效率更高，具有较好的环保性。

本文较为系统地总结了激光熔覆在不同煤矿机械上的应用情况，探讨激光熔覆材料选择方法，并对其在煤矿机械上的应用进行了展望。

1　激光熔覆在煤矿机械上的应用

1.1在采掘机械上的应用1.1.1截齿上的应用

采掘机上的截齿用来割煤，也用于截割硬度较高的岩石。其寿命长短决定着采掘机使用的经济性，直接反映采掘机械截割性能和可靠性。截齿表面处理应用激光熔覆技术，能提高截齿的耐磨性，延长使用寿命。

朱培星等[6]对掘进机截齿进行激光熔覆处理，截齿材料在激光加工过程中出现表面微熔。在安徽省丁集煤矿的EBZ200H型硬岩掘进机进行了激光熔覆，采用铁、钴和镍元素为主的熔覆材料，对三种截齿进行现场熔覆试验。通过试验发现，铁和钴元素为主的熔覆涂层截齿耐磨性能更好。

杨庆东[7]采用大功率激光表面熔覆技术，选用特种耐磨自熔性合金粉末对截齿端部锥面及刮板机易磨损部位进行激光强化，制备出冶金结合、硬质点和高韧性金属材料复合的涂层，机械使用寿命提高2～4倍。孙咸[8]首先采用TIG堆焊焊材法将Ni60+WC材料堆在截齿刀头防护部位，然后用高频感应法熔覆Ni60+WC涂层，涂层硬度可达60～63HRC。

胡明福对截齿合金头部分采用预置粉末方式进行激光熔覆处理，熔覆材料以铁元素为主和钴元素为主的ZGMn13-4。发现以钴元素为主的熔覆粉末效果更好，熔覆后涂层硬度均可达HRC41～45，并用ANSYS软件对截齿进行动力学和疲劳分析。研究发现，熔覆层能有效提高截齿的使用寿命[9]。

赵文强等[10]采用HGL-5000二氧化碳横流激光器成套设备，采用SIEMENS-802S/C数控系统(德国)，实现功能联动控制。激光熔覆粉末材料选用358镍基自熔性粉末，对采煤机截齿端部涂覆合金耐磨层。最终形成的耐磨层δ为1.5～2.0mm，经检测截齿平均显微硬度为HV800。洛氏硬度为HRC65。兖矿集团有限公司机电设备制造厂胡振南等[11]研究激光熔覆截齿，发现洛氏硬度为HRC70左右，平均显微硬度为HV800。现场试验发现，激光熔覆截齿与煤层接触时无火花，使用寿命为普通截齿的6～7倍，其抗剪性、抗疲劳强度及耐磨性均获得大幅提高。

石秋芳等[12]分析了半导体激光器在激光熔覆应用中的优势，重点分析了激光输出功率等参数对激光熔覆质量的影响，为开展截齿可靠性研究及其推广应用提供了理论依据。杨盼等[13-14]在截齿表面激光熔覆高耐磨的镍基钴包碳化钨(WC-Co)涂层。以42CrMo钢为基体，Ni60B商用粉末为粘结相，纳米WC-Co为增强相，激光熔覆获得WC-Co陶瓷颗粒增强Ni基复合涂层。结果表明，激光熔覆涂层可提高截齿的耐磨性能，磨损后熔覆层中的细小析出相起到了弥散强化作用，熔覆层的表面显微硬度提高了10%。相同磨损条件下，干磨损涂层硬度高于水磨损硬度。

1.1.2采煤机高速轴上的应用

目前国内采煤机电机输出端高速轴一般采用骨架油封与轴套的接触式密封，但在特殊工况下轴套常常使用不久就因表面磨损失效。在设备的日常维护检修过程中，如未及时发现轴套失效而产生了漏油现象，泄漏的油液容易流入电机，致使电机损坏，造成了更大损失。

三一重型装备有限公司采用激光熔覆技术，对采煤机电机高速轴轴套表面涂覆一层合金耐磨层，并与之前使用镀硬铬的轴套进行了对比试验，熔覆硬化层深度(0.5～1.0mm)大于镀硬铬硬化层深度(0.02～0.04mm)；熔覆后表面硬度≥65HRC；而镀硬铬的表面硬度≥600HV。在鄂尔多斯忽沙图矿进行现场使用，未发生漏油现象。说明激光熔覆耐磨轴套效果较好[15]。

1.1.3掘进机密封套上的应用

掘进机内喷雾水密封的密封套表面要求具有较高硬度及耐磨性。孙晓鸣等[16]将40Cr的密封套试样固定在数控二维五轴联动加工工作台上，载流气体将Ni基自熔性合金粉末输送至表面，利用CO2激光器形成致密的熔覆层。提高了密封性能，防止油水混合，延长了整机使用寿命。

1.2在液压支护设备上的应用

液压支护设备在井下恶劣环境条件下承受冲击和腐蚀，容易造成塑性变形、疲劳和失效。油缸、活塞杆和立柱等作为液压支护设备实现支撑和承载的主要部件，其抗腐蚀能力直接影响液压支护设备的使用[17]。

解文正等[18]以液压支架用27SiMn钢试样为基体，采用Nd:YAG固体脉冲激光器激光熔覆Ni60合金粉末，对熔覆层分析研究。综合结果表明，试样表面光滑，熔覆层内部组织比较均匀致密。形成的熔覆层质量优良，具有很高的显微硬度和较强的耐腐蚀性能，达到实用要求。

赵文强等[19]采用HGL-5000二氧化碳横流激光器成套设备对液压支柱进行表面熔覆。采用SIEMENS-802S/C数控系统(德国)，选用材料3580镍基自熔性粉末，大大提高表面的耐腐蚀性、耐磨损性以及使用寿命，强化层表面硬度为HV410。

韩文静等[20]以27SiMn单体液压支柱缸体用钢为基体，激光熔覆Ni60A+20%WC合金粉末制备熔覆层，发现熔覆层耐磨性比基体材料有较大提高，显微硬度和耐腐蚀性能较好。高锋等[21]分析传统工艺制造下液压立柱的失效形式，采用TFL型激光设备熔覆液压支架立柱，并进行了实践应用考察。

任怀伟[22]对液压支架关键元部件材料进行性能分析，通过TMCP(Thermo-Mechanical Control Process)技术提升材料质量稳定性，采用激光熔覆和不锈钢包覆技术提高立柱表面耐腐蚀性。材料性能及加工工艺的升级有效地提升了产品品质和市场竞争力。

许兴波等[23]对比分析用激光熔覆技术和等离子熔覆技术工艺处理的液压支架。对熔覆过程中立柱表面的温度测定，发现激光熔覆立柱表面的温度(100～150℃)远远低于等离子熔覆中的立柱表面温度(250～350℃)，表明激光熔覆技术具有热输入量小的特点。激光熔覆层在涂层致密均匀性、耐磨性及耐腐蚀性能方面均比等离子熔覆层好。

杨庆东等[24]对比检测了激光熔覆再制造立柱和电镀修复立柱的密封、耐久及强度等性能。激光熔覆再制造的立柱性能比电镀修复立柱的性能优越，涂层与基体结合牢固、组织致密。

重庆大江工业公司自2011年起着手研究液压支架油缸激光熔覆技术的可靠性和工艺性，经过实验、验证及现场试验，所采用的激光熔覆技术制造的产品性能优于新制镀铬油缸，其保护层均匀致密，结合强度及韧性好，抗腐性能优异，局部修复速度快，对环境无影响，使用寿命比普通立柱提高5～6倍，符合国家工信部关于清洁生产、绿色环保及安全可靠等方面要求。经中科院沈阳金属腐蚀研究所CASS检测，激光熔覆后的试样均达到8～9级标准[25]。

山东能源枣矿集团鲁南装备公司再制造了50架ZF7000液压支架立柱，在使用寿命方面比普通处理立柱提高3倍以上。激光再制造与传统的电镀铬相比不产生污染物的排放，节材在70%以上，节能达60%，经济和社会效益更好。

1.3在煤矿其他机械上的应用

张爱东等[26]采用激光熔覆修复刮板输送机，激光熔覆层整体均匀，针对母材特点配备金属粉末，可以根据需要形成冶金结合。硬度达到HB550，激光熔覆后使用寿命提高2～3倍。

费可等[27]选用HANSGS-TEL-6000激光熔覆成套设备，采用五轴数控机床修复泵站输入轴和电机转子轴的轴承。五轴数控机床使操作过程数控化、焊接过程自动化，提升了焊接质量。经无损探伤后发现没有焊接缺陷，熔覆层δ为0.25mm，硬度较高。

冯仕焱[28]对45钢表面激光熔覆Ni60+15%WC复合粉末，利用ANSYS软件的“生死单元”技术仿真分析温度场。发现在熔覆过程中基体各点以固定的温度伴随着热源前移，形成准稳态温度场。

结合我国煤矿机械上激光熔覆技术的应用情况，可以发现激光熔覆在采掘机械、液压支护设备上的应用较多。采掘机械中多用在截齿的端部处理，有效提高了截齿的抗疲劳强度及耐磨性。液压支护设备的研究集中在立柱的表面处理上，其耐磨性尤其是耐腐蚀性能得到有效改善。而液压支架油缸激光熔覆技术的应用，可以提高油缸的使用寿命，减少泄漏，对于煤矿清洁生产、绿色环保有着重要的意义。

2　煤矿机械激光熔覆材料选择

煤矿机械所堆焊的合金材料包括自熔合金以及复合粉末材料。自熔性合金材料按基体不同可分为镍基合金、钴基合金和铁基合金。铁基合金适用于局部耐磨损且容易变形的零件，涂层的基材采用铸铁和低碳钢；镍基合金适合于局部耐磨、耐热腐蚀的零件，所需要的激光功率密度比熔覆铁基合金高；钴基合金涂层适合于耐磨耐腐蚀和抗疲劳的零件。在滑动、冲击磨损和磨粒磨损严重的条件下，单纯的镍基、钴基或铁基自熔性合金已不能胜任使用的要求，此时可在自熔性合金粉末中加入各种高熔点的碳化物、氮化物、硼化物和陶瓷颗粒，制成复合涂层。而作为激光熔覆技术发展的热点材料氧化物陶瓷粉末，在煤矿机械中的应用还很少。

1)自熔性合金粉末。自熔性合金粉末对基材有较大的适应性，包括各类合金钢、碳钢、不锈钢和铸铁。但是对于含硫的钢材，在基材与熔覆层交界面处形成一种低熔点的脆性物质，易使熔覆层剥落。

朱培星等[6]对掘进机截齿熔覆分为以铁元素、钴元素和镍元素为主。熔覆层以铁元素和钴元素为主的激光熔覆截齿磨损性更好，与母材的熔合性也更好。杨庆东[7]选用特种耐磨自熔性合金粉末对截齿端部锥面及刮板机易磨损部位进行激光强化，胡明福[9]对截齿合金头部分进行激光熔覆处理，熔覆材料以铁元素和钴元素为主的ZGMn13-4，其抗冲击、耐磨损的性能较好。以钴元素为主的熔覆粉末效果更好。赵文强等[10]激光熔覆材料选用358镍基自熔性粉末，对采煤机截齿端部涂覆合金耐磨层，提高了表面的耐磨性。孙晓鸣[16]采用Ni基自熔性合金粉末激光熔覆40Cr的密封套，由于耐磨性的提高形成了更好地密封性能。解文正等[18]采用Ni60合金粉末激光熔覆27SiMn钢液压支架试样，熔覆层质量较好。

为了提高煤矿机械的耐磨性及耐蚀性，激光熔覆涂层材料多采用Ni基、Co基和Fe基自熔合金。这些自熔性合金能获得与基体结合优良的致密涂层，其中Ni基自熔合金应用较多，耐磨性能更佳，效果更好。

2)复合粉末。复合粉末包括自黏性复合粉末和碳化物粉末。按照结构可分为包覆型和非完全包覆型，区别在于芯核粉末是否被包覆粉末包住。包覆型粉末由于芯核粉末未受到包覆粉末的保护，可以避免在高温时发生部分元素的氧化烧损及挥发等现象。按照功能可分为硬质耐磨复合粉末(如Co/WC，Ni/WC)、耐高温复合粉末、耐腐蚀氧化复合粉末及减磨润滑复合合金粉末等。

孙咸[8]首先采用TIG堆焊焊材方法将Ni60+WC材料堆焊在截齿刀头防护部位，然后用高频感应法熔覆Ni60+WC涂层，硬度可达60～63HRC。杨盼等[13]在截齿表面激光熔覆高耐磨的镍基钴包碳化钨(WC-Co)涂层，以Ni60B商用粉末为粘结相，纳米WC-Co为增强相，截齿表面硬度提高了10%，耐磨性也获得了提高。韩文静等[20]以Ni60A+20%WC合金粉末激光熔覆27SiMn单体液压支柱缸体用钢制备熔覆层，耐磨性、显微硬度和耐腐蚀性能均较好。冯仕焱[28]采用Ni60+15%WC复合粉末对45钢表面进行激光熔覆，基体与熔覆层呈冶金结合。

综合煤矿机械激光熔覆所选用自熔合金以及复合粉末材料应用情况，激光熔覆涂层材料选用单纯的Co基、Ni基或Fe基自熔性合金粉末已不能满足煤矿机械耐磨损和耐腐蚀的要求，可考虑在其中添加高熔点的陶瓷颗粒[29-31]。由于WC颗粒具有高硬度、高熔点及良好的稳定性的特点，且易于获得，目前应用较多。设计激光熔覆涂层要考虑多种影响因素，要综合考虑使用要求和基体的情况来选择熔覆材料。设计时除了追求涂层材料的使用性能，也要考虑涂层材料的涂覆工艺性，特别是与基体在热物理性质，如热膨胀系数、熔点及湿润性等是否存在着较好的匹配关系。特定工作环境与基体存在着最佳涂层合金[32-33]。

3　结　语

激光熔覆技术在提高采煤机械表面硬度、耐磨性及耐腐蚀性等性能方面有了一定的应用，取得了显著的效果，但还需进一步优化熔覆材料的选择和完善熔覆工艺参数。可将基体材料的良好的工艺性、强韧性与陶瓷材料抗氧化、优异的耐蚀、耐磨和耐高温特性有机结合起来。根据现场情况适当组合激光熔覆技术和其他的表面技术，使之得到良好的结合，进而获得较好的应用效果。

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doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.08.005

收稿日期：2016-03-01修回日期： 2016-04-04

中图分类号：TG174.44

文献标识码：A

Research and Practice of Laser Cladding Technology Applied on Coal Mining Machinery in China

HAN Wenjing1， SONG Jinchao2， LIU Xuegong1,3， YU Wei1

(1.Department of Mining Engineering,Yongcheng Vocational College,Yongcheng 476600,China； 2.Department of Architectural Engineering,Yongcheng Vocational College,Yongcheng 476600,China;3.He'nan Energy and Chemical Industry Group,Yongchen Coal Company;Yongcheng 476600,China)

Abstract:According to the anti-wearing and anti-corrosion technical requirements of coal mining machinery,the practices of adopting laser cladding technology for improving the surface performance of coal mining machinery parts were summarized.The applications of the laser cladding technology on the cutting teeth,high-speed shaft of coal winning machine,hydraulic support and sealing gland of excavator were mainly introduced;the choice of laser cladding materials for coal mining machinery was also discussed.

Keyword:coal mining machinery; laser cladding; material; application