等離子熔覆耐磨處理技術(shù)2012

1、等離子熔覆耐磨處理技術(shù)青島海納等離子科技有限公司一、等離子熔覆技術(shù)簡(jiǎn)介等離子金屬表面熔覆處理技術(shù)（等離子束金屬表面原位冶金技術(shù)）是我公司在堆焊以及激光熔覆的基礎(chǔ)上自主研發(fā)的提高金屬表面性能的一項(xiàng)新技術(shù)，利用該技術(shù)可在金屬零部件的表面獲得一層具有特殊性能的合金熔覆層，以提高金屬零部件的耐磨損、耐沖擊和耐腐蝕性能，熔覆層與基體為冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高。該項(xiàng)技術(shù)獲得了多項(xiàng)國(guó)家專利，并且在2008年榮獲“國(guó)家級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)”，以及“中國(guó)煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)”和“中國(guó)機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)”等多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)。等離子熔覆技術(shù)的基本原理是在柔性高溫等離子束流作用下，將合金粉末與基體表面迅速加熱并一起熔化、

2、混合、擴(kuò)散、反應(yīng)、凝固，等離子束離開(kāi)后自激冷卻，從而實(shí)現(xiàn)表面的強(qiáng)化與硬化。2002年12月份通過(guò)了對(duì)負(fù)壓等離子束熔覆金屬陶瓷涂層技術(shù)和數(shù)控等離子熔覆強(qiáng)化機(jī)床的鑒定，鑒定結(jié)論認(rèn)為該項(xiàng)技術(shù)與設(shè)備是等離子表面冶金領(lǐng)域的一項(xiàng)重大創(chuàng)新，填補(bǔ)了一項(xiàng)空白，總體技術(shù)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。等離子熔覆已在抗沖擊耐磨損防腐蝕方面顯示其很大的優(yōu)越性和強(qiáng)大的生命力。等離子熔覆的特點(diǎn)是：（1）等離子束能量密度高，熔覆耐磨層與基體為冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，不脫落。（2）無(wú)需噴砂等前處理過(guò)程，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。（3）整個(gè)熔覆過(guò)程在數(shù)控系統(tǒng)控制下實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)化程度高，適合進(jìn)行批量工業(yè)化生產(chǎn)。（4）對(duì)使用環(huán)

3、境要求低，無(wú)需設(shè)備降溫、除塵等輔助要求，操作簡(jiǎn)單，設(shè)備維修維護(hù)容易。（5）電熱轉(zhuǎn)換效率高，能效比高。（6）熔覆過(guò)程稀釋率低，熔覆層性能容易控制。（7）粉末適用范圍廣，可使用鐵基、鎳基、鈷基等粉末熔覆。（8）根據(jù)使用要求不同，熔覆層單層厚度可調(diào)（0.5mm6.0mm）。二、等離子熔覆耐磨處理系列設(shè)備DRF-2型數(shù)控等離子熔覆耐磨處理設(shè)備1、可對(duì)中部槽的中板進(jìn)行耐磨處理。2、可對(duì)平面零部件進(jìn)行耐磨處理。3、采用先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)，根據(jù)需要編好程序后自動(dòng)完成熔覆過(guò)程，自動(dòng)化程度高。4、熔覆層平整度高，材質(zhì)均勻，稀釋率低。5、程序控制自動(dòng)送粉，送粉速度可調(diào)。DRF-5B型數(shù)控等離子熔覆耐磨處理設(shè)備1、不僅

4、可對(duì)中部槽的中板進(jìn)行耐磨處理，而且可對(duì)中部槽的封底板進(jìn)行自動(dòng)熔覆處理。2、可對(duì)平面零部件進(jìn)行耐磨處理。3、可對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行熔覆耐磨處理。4、采用先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)，根據(jù)需要編號(hào)程序后自動(dòng)完成熔覆過(guò)程，自動(dòng)化程度高。5、熔覆層平整度高，材質(zhì)均勻，稀釋率低。6、程序控制自動(dòng)送粉，送粉速度可調(diào)。DRF-S型等離子熔覆耐磨處理設(shè)備1、采用手持操作，不需編程，靈活性高。2、一鍵操作，操作簡(jiǎn)單。3、可對(duì)形狀不規(guī)則的零部件（如鏈輪等）進(jìn)行耐磨處理。4、可對(duì)空間狹小的位置（中部槽槽幫兩端）進(jìn)行耐磨處理。截齒耐磨處理設(shè)備可以在截齒的頭部合金頭周圍熔覆一層高耐磨合金層，提高截齒頭部的耐磨性能，保護(hù)合金頭不過(guò)早脫落，提

5、高截齒的使用壽命，同時(shí)熔覆合金層與夾矸或頂?shù)装宓葞r石碰撞時(shí)不產(chǎn)生火花，提高了機(jī)械化采煤的安全性能。等離子耐磨復(fù)合板生產(chǎn)設(shè)備1、采用數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，自動(dòng)化程度高，熔覆質(zhì)量穩(wěn)定。2、熔覆層與基板呈冶金結(jié)合，耐沖擊，不脫落。3、表面平整度高，外觀美觀。4、生產(chǎn)效率高，適合工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)。三、等離子熔覆耐磨“無(wú)火花”截齒（一）截齒的失效形式采煤機(jī)或掘進(jìn)機(jī)在煤礦井下的使用條件非常惡劣，在使用過(guò)程中負(fù)荷非常大，滾筒或掘進(jìn)頭上的截齒在高沖擊、高應(yīng)力、高摩擦的作用下，同時(shí)截齒還受到強(qiáng)大的彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力，一般工作壽命都比較短。其主要失效形式表現(xiàn)為：1、在使用過(guò)程中因磨損合金頭逐漸變小直至消失。此種情況為正

6、常失效，合金頭與齒體同步均勻磨損，并且能夠?qū)崿F(xiàn)自銳性，保持齒尖的鋒利，使用壽命較長(zhǎng)，否則會(huì)出現(xiàn)單面磨損。2、截齒頭部齒體磨損過(guò)快導(dǎo)致合金頭脫落。由于包裹合金頭的齒體耐磨性遠(yuǎn)低于合金頭，在使用過(guò)程中快速磨損，致使合金頭失去夾持力而脫落，僅靠齒體工作，迅速磨損，并且阻力增大，影響工作效率。3、合金頭在使用過(guò)程中碎裂。由于合金頭質(zhì)量較差或在生產(chǎn)過(guò)程中熱處理工藝不合理，導(dǎo)致合金頭在熱處理時(shí)多次受到激冷而產(chǎn)生內(nèi)部微裂紋，當(dāng)受到較大外力時(shí)會(huì)發(fā)生碎裂而使截齒失效。4、齒身的彎曲或折斷。由于截齒的結(jié)構(gòu)尺寸、剛度、布置方式不合理等原因，在受到很大的外力時(shí)發(fā)生齒身的彎曲或斷裂。（二）等離子熔覆耐磨無(wú)火花截齒等離子

7、熔覆技術(shù)的出現(xiàn)為截齒性能的提高開(kāi)辟了新的途徑，利用等離子熔覆技術(shù)在截齒的頭部熔覆一定厚度的合金涂層，并且應(yīng)用全新的熱處理等生產(chǎn)工藝，使截齒的整體性能指標(biāo)得到質(zhì)的改善。傳統(tǒng)的生產(chǎn)工藝是在釬焊硬質(zhì)合金后再進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理或鹽浴等溫淬火，該生產(chǎn)工藝由于硬質(zhì)合金受到多次激冷，容易使內(nèi)部組織受到破壞，并且由于合金頭周圍的齒體在熱處理時(shí)發(fā)生退火，硬度大大降低。針對(duì)以上破壞特點(diǎn)及截齒的使用狀態(tài)，公司研發(fā)出了等離子熔覆強(qiáng)化“無(wú)火花”截齒。該種截齒具有以下特點(diǎn)：1、使用過(guò)程中“不產(chǎn)生火花”。普通截齒在使用過(guò)程中特別是割巖石過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的火花，給煤礦生產(chǎn)帶來(lái)了極大的安全隱患。我公司生產(chǎn)的等離子熔覆強(qiáng)力“無(wú)火花”

8、截齒因?yàn)樵诮佚X頭部熔覆一層高硬度的金屬陶瓷層，該陶瓷層在與煤層或巖石碰撞的過(guò)程中基本不再產(chǎn)生火，極大的提高了煤炭開(kāi)采的安全性，解決了一直困擾煤礦安全生產(chǎn)的國(guó)際性難題。普通截齒在打磨過(guò)程中產(chǎn)生呈發(fā)散的長(zhǎng)度約為100cm的明亮火花，如圖1所示：而等離子熔覆強(qiáng)化截齒在打磨的過(guò)程中基本不產(chǎn)生火花只是有極少較暗的火花出現(xiàn)，并且火花長(zhǎng)度只有10-20cm，如圖2所示： 圖1 圖22、截齒的耐磨性能顯著提高。使用先進(jìn)的等離子熔覆強(qiáng)化技術(shù)在截齒頭部熔覆一層高硬度金屬陶瓷層，該金屬陶瓷層與齒體為冶金結(jié)合，抗沖擊強(qiáng)度高，不脫落。金屬陶瓷層的硬度和耐磨性不受熱處理影響，熱處理前后的硬度都在55HRC以上，因此極好的

9、保證了截齒的耐磨性能。另外由于采用的特殊的生產(chǎn)工藝，齒體表面的熔覆層不明顯增加截齒頭部的尺寸，保證了截齒的鋒利程度。因此金屬陶瓷層與硬質(zhì)合金齒尖耐磨性能相匹配，基本達(dá)到同步磨損，既防止齒尖過(guò)早脫落，又能保持自銳性；3、采用了全新的釬焊工藝，并且整個(gè)釬焊過(guò)程采用數(shù)控自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制，使截齒硬質(zhì)合金頭與齒體間的焊料充填率達(dá)到了90以上，保證了足夠的剪切強(qiáng)度，同時(shí)由于熔覆合金層的存在，使齒體與合金頭基本達(dá)到同步磨損，消除了合金頭脫落的現(xiàn)象。4、根據(jù)無(wú)火花截齒生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，以及傳統(tǒng)熱處理生產(chǎn)工藝的弊端，研制出了全新的熱處理工藝，并且整個(gè)熱處理過(guò)程采用數(shù)字自動(dòng)化控制，熱處理質(zhì)量可以在任何氣候環(huán)境下

10、都能達(dá)到理想狀態(tài)。5、針對(duì)在釬焊和熱處理過(guò)程中合金頭容易因受到反復(fù)的激冷激熱而在合金頭的內(nèi)部產(chǎn)生肉眼無(wú)法看到的微裂紋，我公司創(chuàng)制了合金頭保護(hù)裝置，避免了合金頭在熱處理過(guò)程中受到傷害，從而降低了在使用過(guò)程中合金頭碎裂的現(xiàn)象。由上所述，等離子熔覆金屬陶瓷強(qiáng)化技術(shù)的出現(xiàn)為我國(guó)截齒性能的提高找到了一條新的途徑，突出解決了截齒既保持齒體強(qiáng)韌性，又大幅度提高截齒頭部耐磨性，同時(shí)又使硬質(zhì)合金刀頭和釬焊焊縫不受激熱激冷的問(wèn)題，最重要的是解決了截齒在使用中產(chǎn)生火花對(duì)煤礦安全生產(chǎn)造成極大威脅的國(guó)際性難題。經(jīng)過(guò)該工藝生產(chǎn)的無(wú)火花截齒經(jīng)過(guò)在臨沂礦業(yè)集團(tuán)、新汶礦業(yè)集團(tuán)、寧煤集團(tuán)、沈煤集團(tuán)、西山煤電、皖北煤電、大同煤電等

11、單位的井下實(shí)際應(yīng)用表明，截齒消耗量明顯減少，超過(guò)了國(guó)產(chǎn)同類截齒的質(zhì)量水平，并且可以在低成本的情況下替代進(jìn)口截齒，同時(shí)在使用過(guò)程中不產(chǎn)生火花，提高了煤礦生產(chǎn)的安全性。三、刮板輸送機(jī)等離子熔覆耐磨處理煤炭生產(chǎn)的特點(diǎn)，決定了煤礦機(jī)械對(duì)許多零部件的表面耐沖擊磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損性能要求很高，生產(chǎn)過(guò)程中往往由于這些部件的過(guò)早失效而導(dǎo)致整個(gè)裝備的停產(chǎn)維修，對(duì)煤炭生產(chǎn)成本的降低和產(chǎn)煤量的提升帶來(lái)了諸多不利影響。刮板運(yùn)輸機(jī)是煤炭生產(chǎn)的必備設(shè)備，由于煤礦井下刮板輸送機(jī)的工作環(huán)境十分惡劣，對(duì)其表面耐沖擊磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損等性能要求很高，往往由于中部槽過(guò)早磨損報(bào)廢而導(dǎo)致整個(gè)刮板機(jī)癱瘓，增加了應(yīng)用成本，制約

12、了生產(chǎn)效率的提高。煤礦每年都報(bào)廢相當(dāng)數(shù)量的中部槽，這些報(bào)廢的中部槽有些整體性還比較好，只是因?yàn)槟承┎课坏哪p程度較大而不能完成下一個(gè)工作面的采煤任務(wù)，如果就此報(bào)廢十分可惜，如果下井服役也會(huì)因?yàn)橹型靖鼡Q中部槽而影響生產(chǎn)，造成更大的浪費(fèi)。如果將這些中部槽重新修復(fù)，不僅會(huì)給礦方節(jié)省大量采購(gòu)費(fèi)用，而且會(huì)為國(guó)家節(jié)省大量寶貴的鋼鐵資源，降低能耗，減少碳排放?，F(xiàn)在我公司可以利用等離子熔覆技術(shù)對(duì)刮板輸送機(jī)的機(jī)頭架、機(jī)尾架、刮板、中部槽和過(guò)渡槽的中板、封底板、滑靴道和槽幫等部位等進(jìn)行全面的耐磨處理，使刮板輸送機(jī)的整體耐磨壽命得到明顯的提高，修復(fù)后的舊中部槽使用壽命可以達(dá)到甚至超過(guò)新購(gòu)進(jìn)的中部槽的使用壽命。200

13、5年10月份，我們公司對(duì)淮南礦物局張集煤礦舊SGZ800/1050板輸送機(jī)中部槽進(jìn)行了熔覆耐磨處理，熔覆層的熔覆密度約為8%，2006年3月份下井，到2006年11月工作面回采結(jié)束，共使用7個(gè)月，過(guò)煤量達(dá)到310萬(wàn)噸。升井后中部槽中板基本沒(méi)有受到明顯磨損，厚度沒(méi)有明顯減小，說(shuō)明等離子熔覆層很好的保護(hù)了中部槽中板，延長(zhǎng)了中板的壽命。2007年5月份下井前又對(duì)其升井的這批中部槽進(jìn)行了熔覆強(qiáng)化。這樣周而復(fù)始，每采一至兩個(gè)工作面，熔覆強(qiáng)化一次，可以大大延長(zhǎng)其使用壽命，預(yù)計(jì)其整體過(guò)煤量可達(dá)到一千萬(wàn)噸以上。通過(guò)這種方式為該礦節(jié)省了大量的采購(gòu)資金。對(duì)淮南礦業(yè)集團(tuán)張集礦上井舊中部槽進(jìn)行了熔覆處理下井前和過(guò)煤量

14、在310萬(wàn)噸后的效果圖對(duì)于新購(gòu)進(jìn)的中部槽利用等離子熔覆技術(shù)進(jìn)行耐磨處理效果更好，在下井前根據(jù)所服役的工作面的地質(zhì)條件、工作面儲(chǔ)量等因素，確定熔覆的密度、熔覆圖案等熔覆參數(shù)，對(duì)中部槽的中板、封底板、槽幫、滑靴道等易磨損部位進(jìn)行處理，工作完一個(gè)工作面后中部槽的原基體基本不磨損，只磨損熔覆耐磨層，在用到下一個(gè)工作面前同樣進(jìn)行一次熔覆耐磨處理，可以使中部槽周而復(fù)始使用，數(shù)倍延長(zhǎng)中部槽的使用壽命。（一）中部槽耐磨處理方案和所用設(shè)備等離子熔覆耐磨處理技術(shù)不改變?cè)兄胁坎刍蚬伟遢斔蜋C(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸和裝配工藝，只是在原有刮板輸送機(jī)或中部槽的易磨損部位熔覆一定厚度的合金耐磨層。對(duì)于刮板輸送機(jī)的機(jī)頭架、機(jī)尾架、中部槽

15、、過(guò)渡槽等部件的易磨損部位，可以利用我們公司研制的DRF-5B型設(shè)備和DRF-S型設(shè)備進(jìn)行耐磨處理，處理的部位不僅有中板，而且對(duì)于封底板、滑靴道和槽幫鋼同樣可進(jìn)行耐磨處理。在處理前需根據(jù)中部槽的磨損情況以及下個(gè)工作面的生產(chǎn)任務(wù)和使用的地質(zhì)條件對(duì)各項(xiàng)熔覆參數(shù)包括熔覆材料、熔覆密度和熔覆圖案進(jìn)行設(shè)計(jì)，使中部槽的耐磨處理達(dá)到最優(yōu)。DRF-5型數(shù)控等離子熔覆耐磨處理設(shè)備DRF-S型等離子熔覆耐磨處理設(shè)備利用DRF-5B數(shù)控等離子熔覆設(shè)備和DF-S等離子熔覆設(shè)備可以對(duì)刮板輸送機(jī)的其他部位，如鏈輪、壓鏈塊、刮板、槽幫等進(jìn)行耐磨處理。1、中板處理方案中板為運(yùn)輸煤炭的主要通道，同時(shí)受到刮板、鏈條和煤炭的三重磨

16、損，磨損速度比較快，為此中板為中部槽的主要熔覆處理部位，中板的處理方式主要有兩種：八字形圖案熔覆和菱形圖案熔覆。八字形熔覆密度小，并且在中間鏈道部位耐磨強(qiáng)化不夠，適用于小型邊雙鏈中部槽的耐磨處理。菱形熔覆耐磨處理方式，使整個(gè)中板分布比較平均，熔覆密度大，并且刮板的磨損也比較均勻，不會(huì)影響刮板的使用，因此對(duì)于大型中雙鏈中部槽比較適合采用該種熔覆耐磨處理方式（如下圖）。同時(shí)為了降低中板兩端的磨損，在中板鏈道的兩端熔覆尺寸為60×60mm的耐磨塊。如果中板因?yàn)殒湕l的磨損而出現(xiàn)鏈道溝，影響了中板的強(qiáng)度，可以將中部槽中板的兩端割下進(jìn)行更換，更換的尺寸根據(jù)磨損的程度確定。2、底板處理方案底板不承

17、擔(dān)煤炭運(yùn)輸任務(wù)，一般只受到鏈條和刮板的磨損，與中板相比磨損較輕，為了降低底板的磨損速度，避免因磨損降低底板的強(qiáng)度而影響中部槽整體強(qiáng)度，因此也采用菱形熔覆處理方式。3、滑靴道處理方案滑靴道為采煤機(jī)行走的軌道，因大型中部槽配套的采煤機(jī)重量較大，并且摩擦方式為滑動(dòng)摩擦，磨損速度較快，為了降低磨損速度，對(duì)于滑靴道采用全長(zhǎng)度“之”字形熔覆耐磨處理。4、槽幫鋼處理方案當(dāng)?shù)装宀黄交蛞屏飼r(shí)，刮板輸送機(jī)會(huì)發(fā)生彎曲，中部槽連接處會(huì)形成折線，加大了中部槽兩端的磨損速度，為此可利用DRF-S型熔覆設(shè)備在槽幫鋼的兩端一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)熔覆耐磨層。（二）利用等離子熔覆耐磨復(fù)合板生產(chǎn)中部槽因?yàn)槭艿矫?、刮板、鏈條等的磨損，中部槽

18、的中板和封底板磨損比較快，大型中部槽生產(chǎn)一般使用軋制耐磨板作為中部槽的中板和封底板的材料，提高中部槽的使用壽命。隨著刮板輸送機(jī)功率的加大，軋制耐磨板已經(jīng)不能滿足需求。我們利用等離子熔覆技術(shù)在使用整體耐磨板生產(chǎn)的中部槽中板和封底板表面按照菱形圖案熔覆一層合金耐磨層（熔覆密度約為8-15%）后，中部槽的壽命已經(jīng)成倍延長(zhǎng)。如果使用等離子耐磨復(fù)合鋼板替代軋制耐磨板用作中部槽的生產(chǎn)，中部槽的使用壽命將會(huì)大大提高，過(guò)煤量可超過(guò)1000萬(wàn)噸。刮板輸送機(jī)及中部槽使用報(bào)告四 等離子熔覆耐磨復(fù)合鋼板等離子耐磨復(fù)合鋼板是利用等離子熔覆技術(shù)使用普通鋼板作為基板，在基板表面熔覆一層高硬度高耐磨的合金熔覆層，提高普通鋼板

19、的耐磨性能，達(dá)到或超過(guò)耐磨鋼板的耐磨性能。合金熔覆層主要化學(xué)成分是C、Cr、W、B等。復(fù)合板表面平整美觀，耐磨層與基板為真正的冶金結(jié)合，不脫落，并且耐磨性能優(yōu)異，加工性能好，性價(jià)比高。耐磨復(fù)合板主要由韌性的奧氏體組織基體相復(fù)合原位自生高強(qiáng)度高硬度合金碳化物的復(fù)相組織而形成，宏觀硬度可達(dá)HRC65左右，碳化物Cr7C3的顯微硬度高達(dá)HV1300-1800。在同等磨損實(shí)驗(yàn)條件下，我公司生產(chǎn)的復(fù)合板磨損量為國(guó)外某廠家產(chǎn)品的65%，僅為中碳鋼的5%，磨損性能優(yōu)異。復(fù)合板 Cr7C3典型顯微形貌-縱截面 Cr7C3典型顯微形貌-橫截面（一）復(fù)合板硬度測(cè)試材料的硬度值與強(qiáng)度值之間具有近似的相應(yīng)關(guān)系。硬度值是由起始塑性變形抗力和繼續(xù)塑性變形抗力決定的，材料的強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。宏觀硬度測(cè)試方法壓痕面積大，測(cè)到的是壓痕區(qū)域的硬度平均值。顯微硬度能真實(shí)體現(xiàn)耐磨層中碳化物顆粒的高硬度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：耐磨復(fù)合板宏觀硬度為HRC58-67；顯微硬度分布均勻，平均顯微硬度能達(dá)到1150HV左右，最高顯微硬度達(dá)1650HV以上；結(jié)合區(qū)附近硬度下降平緩，改善了復(fù)合板的使用性能。界面HV-1000顯微硬度計(jì) 洛氏硬度計(jì)HR-150A（二）復(fù)合板磨損測(cè)試 機(jī)件