在煤矿液压支架油缸检修和升级改造过程中，立柱、千斤顶的工作可靠性和使用寿命是煤矿机电管理高度关注的一个点。提高维修产品服务质量及使用寿命，降低使用过程中的故障率，能够有力促进煤矿安全化、少人化生产。

一 、煤矿液压支架油缸维修再制造主要工艺

煤机油缸维修再制造工艺应用较多的主要为电镀铬工艺、冷弧焊工艺及激光熔覆工艺。

（1）电镀铬工艺   

是指将金属铬离子以电镀方式沉积在已经过预处理的基材金属表面形成功能层的表面工程行为。电镀铬是液压支架立柱、千斤顶制造和维修的传统工艺，主要用于强化油缸外圆工作面，镀层厚度一般为0.05~0.07mm。

（2）冷弧焊工艺    

实质是非熔化极惰性气体保护焊（氩弧焊），国内厂家又称合金熔覆或热丝冷弧焊，近几年，市场上出现用冷弧焊不锈钢维修煤机油缸外圆，用冷弧焊铜合金新制造或维修煤机油缸内孔。基于油缸维修对热变形的敏感及对生产效率的高要求，使用厂家将冷弧焊的作业参数和送丝方式进行改进，降低稀释率以减少基体的变形量，预加热焊丝以提高焊接生产效率。

（3）激光熔覆工艺   

是指将预先设计成份的合金材料粉末，用大功率激光束加热熔化，涂覆在经过预处理的金属基材表面，获得与基体形成冶金结合的具有耐磨耐蚀等特殊性能的功能层。最近几年，光纤技术和激光器技术快速发展，激光熔覆铁基不锈钢工艺广泛应用于煤机油缸外圆的新制造与维修再制造，同时在煤机油缸内壁的新制造和维修再制造中迅速推广。

二、维修再制造工艺性能对比分析课题组

分别采用三种工艺制作样块，进行组织与性能对比分析。

（1）样块基材选择   

液压支架油缸基材一般为27SiMn、30CrMnSi，活塞杆采用40Cr，热处理状态为调质处理，其中，27SiMn使用的相对较多。课题组选择27SiMn 作为工艺对比试验的基体材料，调质处理后硬度为240-280HB。

（2）工艺参数选择

1）电镀铬工艺：镀硬铬，镀层厚度0.05~0.07mm 。

2）冷弧焊工艺：使用日本松下焊机，具体参数：电弧电压22~28V，焊接电流220~310A，送丝速度7~12m/min，保留厚度0.5mm ，分别焊S215铝铁青铜（熔铜样块）、316L不锈钢（内孔合金样块） ，自制的ER806L马氏体不锈钢（外圆合金样块）。

3）激光熔覆工艺：使用德国laserline激光器，功率3000W，光斑直径4*4mm，速度1800~2400mm/min，搭接率50%，保留厚度0.5mm，熔覆材料为自制的105C粉（外圆激光熔覆样块）和101粉（内孔激光熔覆样块）。

焊丝及粉末主要化学成分见表1：

（3）组织分析   

利用电子显微镜观察外圆合金样块及外圆激光熔覆样块的显微组织形貌。

图1  外圆合金样块截面20倍组织形貌

图2  外圆激光熔覆样块截面20倍组织形貌

从组织形貌图中可以看出，外圆合金样块（冷弧焊）和外圆激光熔覆样块，其结合均为冶金结合。但是冷弧焊的热影响区的组织发生了改变，晶粒有烧损和粗大的倾向，稀释区较大，这些组织的改变会使基材的整体强度有一定降低。

图3  熔铜样块截面20倍组织形貌

图4  熔铜样块截面50倍组织形貌

图5  内孔合金样块截面20倍组织形貌

图6  内孔合金样块截面50倍组织形貌

图7  内孔激光熔覆样块截面20倍组织形貌

图8  内孔激光熔覆样块截面50倍组织形貌

 从组织形貌图中可以看出，内孔激光熔覆和内孔合金（冷弧焊）均为冶金结合，内孔熔铜为半冶金结合。这是因为在20~300℃时，铜合金的线膨胀系数为a=20.9×10-6/℃，碳钢的线膨胀系数为a=（12.1-13.5）×10-6/℃，在热胀冷缩过程中，铜合金的变形量大于碳钢，铜合金熔点一般在900~1050℃，一般钢材的熔点在1400~1500℃，铜合金的热导率比普通碳钢大7～11倍，熔焊时大量的热从基材上散失，焊接区难以达到熔化温度，造成假焊其中，内孔熔铜样块金相组织中的分界面明显，说明熔铜工艺结合力略低。同样，激光熔覆的热影响区明显要小于其他两种工艺，说明相比之下，激光熔覆技术对基材的影响最小。再对冷弧焊样块和激光熔覆样件的晶粒尺寸、微观组织性能进行数据分析。

图9  冷弧焊工艺样块微观组织及数据

冷弧焊工艺：

由图9a（相组成图）可知，涂层主要由Fe(FCC)相组成，而基体则是由Fe(BCC)相组成，且基体与涂层存在互扩散现象，即存在过渡区域。由图9b（反极图）与图9d（取向差角分布图）可知涂层的晶粒尺寸为17.0 ± 20.0 μm，且无明显的择优取向。由图9c（微区平均几何差）可知，涂层的KAM值为0.31°而涂层的KAM值为1.64°，他们反映了表面修复后各自积累的残余应变大小。通常，残余应变越大，抵抗塑性变形能力越强。

图10  激光熔覆工艺样块微观组织及数据

激光熔覆工艺：

由图10a（相组成图）可知，涂层主要由Fe(FCC)相组成，而基体则是由Fe(BCC)相组成，且基体与涂层存在互扩散现象，即存在过渡区域。

由图10b（反极图）与图d（取向差角分布图）可知涂层的晶粒尺寸为10.3 ± 13.7 μm，且无明显的择优取向。激光熔覆后的晶粒尺寸更细，有利于细晶强化。

由图10c（微区平均几何差）可知，涂层的KAM值为0.66°而涂层的KAM值为1.72°，他们反映了表面修复后各自积累的残余应变大小。激光熔覆后的KAM值更高，有利于抵抗塑性变形，提高耐磨性与硬度。

通过详细的晶粒尺寸和微观组织性能分析，激光熔覆后的晶粒尺寸更细，有利于细晶强化。激光熔覆后的残余压应力值更高，有利于抵抗塑性变形，提高耐磨性与硬度。

从组织形貌图中可以看出，内孔激光熔覆和内孔冷弧焊均为冶金结合，内孔熔铜为半冶金结合。其中，内孔熔铜的分界面明显，说明熔铜与其他两种工艺相比，结合力略低。同样，激光熔覆的热影响区明显要小于其他两种工艺，说明相比之下，激光熔覆技术对基材的影响最小。

（4）极化曲线分析   

利用腐蚀试验机，在3.5%NaCl溶液中，测试的不同样块的极化曲线。极化曲线分析方法如图11所示。

图11  极化曲线分析方法示意图

在腐蚀热力学上，自腐蚀电位表征腐蚀的难易程度，自腐蚀电位越高，抗腐蚀性越好。自腐蚀电流，表征腐蚀的速率，自腐蚀电流越低，抗腐蚀性越好。

通过极化曲线分析图12可以看出，激光熔覆的自腐蚀电位高于冷弧焊（外圆合金），冷弧焊的腐蚀电位高于电镀铬。激光熔覆的自腐蚀电流低于冷弧焊，冷弧焊的自腐蚀电位流低于电镀铬。说明激光熔覆的耐蚀性好于冷弧焊，冷弧焊的耐蚀性好于电镀铬。

图12  外圆不同修复工艺样块在3.5%NaCl溶液中的极化曲线

从图13极化曲线可以看出，激光熔覆的自腐蚀电位高于内孔合金，内孔合金的腐蚀电位高于熔铜。激光熔覆的自腐蚀电流低于内孔合金，内孔合金的自腐蚀电位流低于熔铜。说明激光熔覆的耐蚀性好于合金熔覆，合金熔覆的耐蚀性好于熔铜，且耐蚀性差异较大。总体看来，激光熔覆样块的耐蚀性要优于冷弧焊样块。

图13  内孔不同修复工艺样块在3.5%NaCl溶液中的极化曲线

（5）盐雾试验耐蚀性对比   

很多权威资料显示，一般中性盐雾试验24h相当于自然环境一年。一般的铁基材料，盐雾试验评价应采用中性盐雾试验（NSS）进行评价，不能采用铜加速乙酸盐雾试验（CASS）进行评价。铜加速乙酸盐雾试验适用于铜+镍+铬或镍+装饰性镀层，也适用于铝的阳极氧化膜——源自国家标准《GB/T 10125—2012 人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》。采用中性盐雾试验（NSS）进行模拟件评价，如图14所示，96h后，冷弧焊模拟件开始出现腐蚀，激光熔覆模拟未见腐蚀。

图14  96h中性盐雾试验模拟件情况

1）耐磨性分析。利用HY-32超声波硬度计冷弧焊与激光熔覆样块的硬度进行了测量，结果如下：

表2  外圆冷弧焊与激光熔覆外圆样块超声波硬度对比    单位：HRC

表3  冷弧焊与激光熔覆内孔样块超声波硬度对比    单位：HBS

说明激光熔覆的实际硬度要好于冷弧焊。利用磨损试验机，在相同摩擦磨损试验条件下测试，冷弧焊样块的磨损率为- 4.8 × 10-4 mm3 N-1 m-1，激光熔覆样块磨损率为– 1.2 × 10-4 mm3 N-1 m-1光，激光熔覆试样的磨损质量损失仅为内孔熔覆铜合金试样磨损质量损失的25%。

图15  试样磨损形貌图   (a)冷弧焊   (b)激光熔覆

三、结论综上分析，对煤矿液压支架油缸几种维修再制造工艺性能，可做如下概括，见表4、表5。

表4  油缸维修工艺性能综合分析

表5  油缸维修工艺性能评价表

结论非常明确：煤机油缸维修再制造，对比分析电镀、冷弧焊、激光熔覆三种工艺手段，激光熔覆工艺的性能更好，性价比更高。