掘进机密封套的激光熔覆
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摘要：掘进机的工作环境特殊，为了保证机器的正常运转，提高生产率，内喷雾水密封的密封套表面应具有较高硬度及耐磨性。激光熔覆的密封套熔覆层组织细密、与密封套基体呈现原子冶金结合，使得密封套表面硬度高，耐磨性强，从而提高了旋转格莱密封圈的密封性能，防止了油水混合的发生，减少了维修费用，延长了整机使用寿命。
关键词：掘进机；密封套；感应淬火
中图分类号：TD263.3+2 文献标识码：A
1 概述
掘进机是集切割、装运和行走于一体的综合掘进设备。掘进机在切割、装载、转运过程中会产生粉尘，工作面通风、切割头旋转以及煤岩下落形成的风流作用也会产生粉尘，它呈悬浮状态并随着工作面风流扩散。粉尘不仅危害工人的身体健康，而且对掘进机各个部件都会造成一定的危害，同时煤巷中的大量粉尘会引起爆炸。研究表明，95 %左右的呼吸性粉尘由切割工序产生，因此在掘进机切割头上采用内喷雾是行之有效的方法，而内喷雾效果的好坏主要取决于内喷雾水路的结构是否合理以及内喷雾水密封的可靠性。
现有悬臂式纵轴掘进机中内喷雾水路的结构基本相同，都是采用水路从切割臂中穿过，经过切割主轴通向切割头，从而由切割头上的喷嘴喷出降低切割时产生的粉尘。切割电机通过减速器带动切割主轴使切割头旋转，切割主轴上安装有滚动轴承，轴承需要，因此在切割臂的空腔中有油，这就要求内喷雾水路要有可靠的水密封。切割臂内部的水密封是依靠套装到密封套外表面的旋转格莱密封圈将喷雾水与油分隔开的，旋转格莱密封圈与密封套在相对运动中表层材料不断损伤产生磨损，因此需要密封套表面应具有有较高的硬度及耐磨性，防止水密封失效。一旦旋转密封件失效，一方面内喷雾系统无法正常工作，另一方面高压水进入截割臂的内部，与轴承的油混合到一起，使油乳化，对轴承造成影响。
大功率掘进机密封套目前多采用GCr15表面高频感应淬火使之硬度达到规定的HRC58-62。即将密封套放在感应器中，当感应器中通过交变电流时，在感应器周围产生与电流频率相同的交变磁场，在工件中相应地产生了感应电动势，在工件表面形成感应电流，即涡流。这种涡流在密封套的电阻的作用下，电能转化为热能，使密封套表面温度达到淬火加热温度，从而实现表面淬火。由于密封套壁厚较薄且有台间，高频感应淬火后时有硬度不足、有软点或端部出现软带、淬火裂纹、畸变现象发生。掘进机工作一段时间后旋转格莱密封圈的密封性能下降，内喷雾失效。研究一种使密封套表面经处理后具有极高的硬度及耐磨性且缺陷少的工艺方法势在必行。
3 掘进机密封套的激光熔覆
3.1激光熔覆的用途
激光熔覆是一种新型的涂层技术，是涉及到光、机、电、材料、检测与控制等多学科的高新技术，可以解决传统制造方法不能完成的难题，是国家重点支持和推动的一项高新技术。世界上各工业先进国家对激光熔覆技术的研究及应用都非常重视。目前，激光熔覆技术已成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一，已广泛应用于航空、石油、汽车、机械制造、船舶制造、模具制造等行业。
3.2 激光熔覆的原理
激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、 抗氧化及电器特性等的工艺方法。
3.3激光熔覆的特点
（1）冷却速度快（高达106K/s），属于快速凝固过程，容易得到细晶组织或产生平衡态所无法得到的新相，如非稳相、非晶态等。
（2）涂层稀释率低（一般小于5%），与基体呈牢固的冶金结合或界面扩散结合，通过对激光工艺参数的调整，可以获得低稀释率的良好涂层，并且涂层成分和稀释度可控。
（3）热输入和畸变较小，尤其是采用高功率密度快速熔覆时，变形可降低到零件的装配公差内。
（4）粉末选择几乎没有任何限制，特别是在低熔点金属表面熔敷高熔点合金。
（5）熔覆层的厚度范围大，单道送粉一次涂覆厚度在0.2-2.0mm。
（6）能进行选区熔敷，材料消耗少，具有卓越的性能价格比。
（7）光束瞄准可以使难以接近的区域熔敷。
（8）工艺过程易于实现自动化。
3.4 掘进机密封套激光熔覆的实施方式
将已加工好的材料为40Cr的密封套固定在数控二维五轴联动加工工作台上，Ni基自熔性合金粉末（由Cr、B、Si、C、Fe、Ni组成）放置在送粉器里，送粉机构中的载流气体将Ni基自熔性合金粉末输送至密封套表面，同时利用CO2激光器产生的高能量密度激光束将Ni基自熔性合金快速熔化，直接堆积形成非常致密的熔覆层。熔覆工艺参数为：激光功率p=3000～4000W，扫描速度v=7～12mm/s，光斑尺寸≈5mm。每道搭接量为激光光斑直径的35～50%，在数控回转工作台上进行多道扫描。熔覆层与密封套基体呈现原子冶金结合，从而使密封套表面获得高的硬度及耐磨性。密封套基体材料采用40Cr，它是一种常用的调质钢，具有较高的强、韧、塑性配合，经常用来制造在重载荷和冲击下工作的耐磨件；Ni基自熔性合金粉末（由Cr、B、Si、C、Fe、Ni组成）耐磨性、耐蚀性、抗滑动磨损性好。由于激光功率高，扫描作用时间短，熔覆层和基体表层加热后熔化速度快，急速冷却时过冷度大，一方面熔池中的合金元素能迅速形成多种化合物而增加非自发晶核的数量，使形核率大为提高，形成细小均匀的显微组织，而40Cr钢基材组织较粗大，从而产生细晶强化。组织细密可提高晶界结合力，增强材料强度和韧性，为获得高硬度提供了保证，另一方面，熔覆层内存在的Cr23C6、Ni3B、Ni3Si等硬质相使得熔覆层硬度增加。颗粒相的弥散强化、合金元素的固溶强化和马氏体相变强化对熔覆层显微硬度的提高也有一定作用。随着密封套表面的硬度的大幅提高，在磨损过程中原子不易发生转移，而硬度较低的心部为表层提供了相对较好的韧塑性，在表层受力时能够在一定范围内以弹性变形的方式减少表层破坏的几率，宏观上表现为耐磨性的提高。在激光熔覆后，Ni基自熔性合金粉末中存在的大量合金元素大量溶入枝晶产生固溶强化，形成大量共晶化合物产生第二相强化，使得耐磨性增强。
结语
采用激光熔覆的密封套，密封套熔覆层组织细密、性能优异、热应力小、变形小，与密封套基体呈现原子冶金结合，使得密封套表面硬度高，耐磨性强。激光束的功率、位置和形状等能够精确控制，所以无软带、软点现象，能极大地提高旋转格莱密封圈的密封能力，解决掘进机内喷雾失效问题，减少维修费用，延长整机使用寿命。
参考文献
[1]邱星武.NI基大面积激光熔覆涂层制备工艺及组织性能研究.论文天下，2008.
[2]唐英，杨杰. 激光熔覆镍基粉末涂层的研究，热加工工艺，2004.
[3]高承兴，史成建.掘进机内喷雾水路结构的改进，煤矿机械，2008.