等离子熔覆耐磨处理技术.docx

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等离子熔覆耐磨处理技术

等离子熔覆耐磨处理技术

青岛海纳等离子科技有限公司

一、等离子熔覆技术简介

等离子金属表面熔覆处理技术（等离子束金属表面原位冶金技术）是我公司在堆焊以及激光熔覆的基础上自主研发的提高金属表面性能的一项新技术，利用该技术可在金属零部件的表面获得一层具有特殊性能的合金熔覆层，以提高金属零部件的耐磨损、耐冲击和耐腐蚀性能，熔覆层与基体为冶金结合，结合强度高。

该项技术获得了多项国家专利，并且在2008年荣获“国家级科技进步奖二等奖”，以及“中国煤炭工业科学技术奖二等奖”和“中国机械工业科学技术奖二等奖”等多项奖励。

等离子熔覆技术的基本原理是在柔性高温等离子束流作用下，将合金粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、反应、凝固，等离子束离开后自激冷却，从而实现表面的强化与硬化。

2002年12月份通过了对负压等离子束熔覆金属陶瓷涂层技术和数控等离子熔覆强化机床的鉴定，鉴定结论认为该项技术与设备是等离子表面冶金领域的一项重大创新，填补了一项空白，总体技术达到了国际领先水平。

等离子熔覆已在抗冲击耐磨损防腐蚀方面显示其很大的优越性和强大的生命力。

等离子熔覆的特点是：

（1）等离子束能量密度高，熔覆耐磨层与基体为冶金结合，结合强度高，不脱落。

（2）无需喷砂等前处理过程，生产工艺简单，降低了生产成本，提高了生产效率。

（3）整个熔覆过程在数控系统控制下实现，自动化程度高，适合进行批量工业化生产。

（4）对使用环境要求低，无需设备降温、除尘等辅助要求，操作简单，设备维修维护容易。

（5）电热转换效率高，能效比高。

（6）熔覆过程稀释率低，熔覆层性能容易控制。

（7）粉末适用范围广，可使用铁基、镍基、钴基等粉末熔覆。

（8）根据使用要求不同，熔覆层单层厚度可调（0.5mm～6.0mm）。

二、等离子熔覆耐磨处理系列设备

DRF-2型数控等离子熔覆耐磨处理设备

1、可对中部槽的中板进行耐磨处理。

2、可对平面零部件进行耐磨处理。

3、采用先进的数控技术，根据需要编好程序后自动完成熔覆过程，自动化程度高。

4、熔覆层平整度高，材质均匀，稀释率低。

5、程序控制自动送粉，送粉速度可调。

DRF-5B型数控等离子熔覆耐磨处理设备

1、不仅可对中部槽的中板进行耐磨处理，而且可对中部槽的封底板进行自动熔覆处理。

2、可对平面零部件进行耐磨处理。

3、可对管道内壁进行熔覆耐磨处理。

4、采用先进的数控技术，根据需要编号程序后自动完成熔覆过程，自动化程度高。

5、熔覆层平整度高，材质均匀，稀释率低。

6、程序控制自动送粉，送粉速度可调。

DRF-S型等离子熔覆耐磨处理设备

1、采用手持操作，不需编程，灵活性高。

2、一键操作，操作简单。

3、可对形状不规则的零部件（如链轮等）进行耐磨处理。

4、可对空间狭小的位置（中部槽槽帮两端）进行耐磨处理。

截齿耐磨处理设备

可以在截齿的头部合金头周围熔覆一层高耐磨合金层，提高截齿头部的耐磨性能，保护合金头不过早脱落，提高截齿的使用寿命，同时熔覆合金层与夹矸或顶底板等岩石碰撞时不产生火花，提高了机械化采煤的安全性能。

等离子耐磨复合板生产设备

1、采用数控系统进行控制，自动化程度高，熔覆质量稳定。

2、熔覆层与基板呈冶金结合，耐冲击，不脱落。

3、表面平整度高，外观美观。

4、生产效率高，适合工业规模化生产。

三、等离子熔覆耐磨“无火花”截齿

（一）截齿的失效形式

采煤机或掘进机在煤矿井下的使用条件非常恶劣，在使用过程中负荷非常大，滚筒或掘进头上的截齿在高冲击、高应力、高摩擦的作用下，同时截齿还受到强大的弯曲应力和剪切应力，一般工作寿命都比较短。

其主要失效形式表现为：

1、在使用过程中因磨损合金头逐渐变小直至消失。

此种情况为正常失效，合金头与齿体同步均匀磨损，并且能够实现自锐性，保持齿尖的锋利，使用寿命较长，否则会出现单面磨损。

2、截齿头部齿体磨损过快导致合金头脱落。

由于包裹合金头的齿体耐磨性远低于合金头，在使用过程中快速磨损，致使合金头失去夹持力而脱落，仅靠齿体工作，迅速磨损，并且阻力增大，影响工作效率。

3、合金头在使用过程中碎裂。

由于合金头质量较差或在生产过程中热处理工艺不合理，导致合金头在热处理时多次受到激冷而产生内部微裂纹，当受到较大外力时会发生碎裂而使截齿失效。

4、齿身的弯曲或折断。

由于截齿的结构尺寸、刚度、布置方式不合理等原因，在受到很大的外力时发生齿身的弯曲或断裂。

（二）等离子熔覆耐磨无火花截齿

等离子熔覆技术的出现为截齿性能的提高开辟了新的途径，利用等离子熔覆技术在截齿的头部熔覆一定厚度的合金涂层，并且应用全新的热处理等生产工艺，使截齿的整体性能指标得到质的改善。

传统的生产工艺是在钎焊硬质合金后再进行调质热处理或盐浴等温淬火，该生产工艺由于硬质合金受到多次激冷，容易使内部组织受到破坏，并且由于合金头周围的齿体在热处理时发生退火，硬度大大降低。

针对以上破坏特点及截齿的使用状态，公司研发出了等离子熔覆强化“无火花”截齿。

该种截齿具有以下特点：

1、使用过程中“不产生火花”。

普通截齿在使用过程中特别是割岩石过程中会产生大量的火花，给煤矿生产带来了极大的安全隐患。

我公司生产的等离子熔覆强力“无火花”截齿因为在截齿头部熔覆一层高硬度的金属陶瓷层，该陶瓷层在与煤层或岩石碰撞的过程中基本不再产生火，极大的提高了煤炭开采的安全性，解决了一直困扰煤矿安全生产的国际性难题。

普通截齿在打磨过程中产生呈发散的长度约为100cm的明亮火花，如图1所示：

而等离子熔覆强化截齿在打磨的过程中基本不产生火花只是有极少较暗的火花出现，并且火花长度只有10-20cm，如图2所示：

图1图2

2、截齿的耐磨性能显著提高。

使用先进的等离子熔覆强化技术在截齿头部熔覆一层高硬度金属陶瓷层，该金属陶瓷层与齿体为冶金结合，抗冲击强度高，不脱落。

金属陶瓷层的硬度和耐磨性不受热处理影响，热处理前后的硬度都在55HRC以上，因此极好的保证了截齿的耐磨性能。

另外由于采用的特殊的生产工艺，齿体表面的熔覆层不明显增加截齿头部的尺寸，保证了截齿的锋利程度。

因此金属陶瓷层与硬质合金齿尖耐磨性能相匹配，基本达到同步磨损，既防止齿尖过早脱落，又能保持自锐性；

3、采用了全新的钎焊工艺，并且整个钎焊过程采用数控自动化技术进行自动控制，使截齿硬质合金头与齿体间的焊料充填率达到了90％以上，保证了足够的剪切强度，同时由于熔覆合金层的存在，使齿体与合金头基本达到同步磨损，消除了合金头脱落的现象。

4、根据无火花截齿生产工艺特点，以及传统热处理生产工艺的弊端，研制出了全新的热处理工艺，并且整个热处理过程采用数字自动化控制，热处理质量可以在任何气候环境下都能达到理想状态。

5、针对在钎焊和热处理过程中合金头容易因受到反复的激冷激热而在合金头的内部产生肉眼无法看到的微裂纹，我公司创制了合金头保护装置，避免了合金头在热处理过程中受到伤害，从而降低了在使用过程中合金头碎裂的现象。

由上所述，等离子熔覆金属陶瓷强化技术的出现为我国截齿性能的提高找到了一条新的途径，突出解决了截齿既保持齿体强韧性，又大幅度提高截齿头部耐磨性，同时又使硬质合金刀头和钎焊焊缝不受激热激冷的问题，最重要的是解决了截齿在使用中产生火花对煤矿安全生产造成极大威胁的国际性难题。

经过该工艺生产的无火花截齿经过在临沂矿业集团、新汶矿业集团、宁煤集团、沈煤集团、西山煤电、皖北煤电、大同煤电等单位的井下实际应用表明，截齿消耗量明显减少，超过了国产同类截齿的质量水平，并且可以在低成本的情况下替代进口截齿，同时在使用过程中不产生火花，提高了煤矿生产的安全性。

三、刮板输送机等离子熔覆耐磨处理

煤炭生产的特点，决定了煤矿机械对许多零部件的表面耐冲击磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损性能要求很高，生产过程中往往由于这些部件的过早失效而导致整个装备的停产维修，对煤炭生产成本的降低和产煤量的提升带来了诸多不利影响。

刮板运输机是煤炭生产的必备设备，由于煤矿井下刮板输送机的工作环境十分恶劣，对其表面耐冲击磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损等性能要求很高，往往由于中部槽过早磨损报废而导致整个刮板机瘫痪，增加了应用成本，制约了生产效率的提高。

煤矿每年都报废相当数量的中部槽，这些报废的中部槽有些整体性还比较好，只是因为某些部位的磨损程度较大而不能完成下一个工作面的采煤任务，如果就此报废十分可惜，如果下井服役也会因为中途更换中部槽而影响生产，造成更大的浪费。

如果将这些中部槽重新修复，不仅会给矿方节省大量采购费用，而且会为国家节省大量宝贵的钢铁资源，降低能耗，减少碳排放。

现在我公司可以利用等离子熔覆技术对刮板输送机的机头架、机尾架、刮板、中部槽和过渡槽的中板、封底板、滑靴道和槽帮等部位等进行全面的耐磨处理，使刮板输送机的整体耐磨寿命得到明显的提高，修复后的旧中部槽使用寿命可以达到甚至超过新购进的中部槽的使用寿命。

2005年10月份，我们公司对淮南矿物局张集煤矿旧SGZ800/1050板输送机中部槽进行了熔覆耐磨处理，熔覆层的熔覆密度约为8%，2006年3月份下井，到2006年11月工作面回采结束，共使用7个月，过煤量达到310万吨。

升井后中部槽中板基本没有受到明显磨损，厚度没有明显减小，说明等离子熔覆层很好的保护了中部槽中板，延长了中板的寿命。

2007年5月份下井前又对其升井的这批中部槽进行了熔覆强化。

这样周而复始，每采一至两个工作面，熔覆强化一次，可以大大延长其使用寿命，预计其整体过煤量可达到一千万吨以上。

通过这种方式为该矿节省了大量的采购资金。

对淮南矿业集团张集矿上井旧中部槽进行了熔覆处理

下井前和过煤量在310万吨后的效果图

对于新购进的中部槽利用等离子熔覆技术进行耐磨处理效果更好，在下井前根据所服役的工作面的地质条件、工作面储量等因素，确定熔覆的密度、熔覆图案等熔覆参数，对中部槽的中板、封底板、槽帮、滑靴道等易磨损部位进行处理，工作完一个工作面后中部槽的原基体基本不磨损，只磨损熔覆耐磨层，在用到下一个工作面前同样进行一次熔覆耐磨处理，可以使中部槽周而复始使用，数倍延长中部槽的使用寿命。

（一）中部槽耐磨处理方案和所用设备

等离子熔覆耐磨处理技术不改变原有中部槽或刮板输送机的结构尺寸和装配工艺，只是在原有刮板输送机或中部槽的易磨损部位熔覆一定厚度的合金耐磨层。

对于刮板输送机的机头架、机尾架、中部槽、过渡槽等部件的易磨损部位，可以利用我们公司研制的DRF-5B型设备和DRF-S型设备进行耐磨处理，处理的部位不仅有中板，而且对于封底板、滑靴道和槽帮钢同样可进行耐磨处理。

在处理前需根据中部槽的磨损情况以及下个工作面的生产任务和使用的地质条件对各项熔覆参数包括熔覆材料、熔覆密度和熔覆图案进行设计，使中部槽的耐磨处理达到最优。

DRF-5型数控等离子熔覆耐磨处理设备

DRF-S型等离子熔覆耐磨处理设备

利用DRF-5B数控等离子熔覆设备和DF-S等离子熔覆设备可以对刮板输送机的其他部位，如链轮、压链块、刮板、槽帮等进行耐磨处理。

1、中板处理方案

中板为运输煤炭的主要通道，同时受到刮板、链条和煤炭的三重磨损，磨损速度比较快，为此中板为中部槽的主要熔覆处理部位，中板的处理方式主要有两种：

八字形图案熔覆和菱形图案熔覆。

八字形熔覆密度小，并且在中间链道部位耐磨强化不够，适用于小型边双链中部槽的耐磨处理。

菱形熔覆耐磨处理方式，使整个中板分布比较平均，熔覆密度大，并且刮板的磨损也比较均匀，不会影响刮板的使用，因此对于大型中双链中部槽比较适合采用该种熔覆耐磨处理方式（如下图）。

同时为了降低中板两端的磨损，在中板链道的两端熔覆尺寸为60×60mm的耐磨块。

如果中板因为链条的磨损而出现链道沟，影响了中板的强度，可以将中部槽中板的两端割下进行更换，更换的尺寸根据磨损的程度确定。

2、底板处理方案

底板不承担煤炭运输任务，一般只受到链条和刮板的磨损，与中板相比磨损较轻，为了降低底板的磨损速度，避免因磨损降低底板的强度而影响中部槽整体强度，因此也采用菱形熔覆处理方式。

3、滑靴道处理方案

滑靴道为采煤机行走的轨道，因大型中部槽配套的采煤机重量较大，并且摩擦方式为滑动摩擦，磨损速度较快，为了降低磨损速度，对于滑靴道采用全长度“之”字形熔覆耐磨处理。

4、槽帮钢处理方案

当底板不平或移溜时，刮板输送机会发生弯曲，中部槽连接处会形成折线，加大了中部槽两端的磨损速度，为此可利用DRF-S型熔覆设备在槽帮钢的两端一定长度范围内熔覆耐磨层。

（二）利用等离子熔覆耐磨复合板生产中部槽

因为受到煤、刮板、链条等的磨损，中部槽的中板和封底板磨损比较快，大型中部槽生产一般使用轧制耐磨板作为中部槽的中板和封底板的材料，提高中部槽的使用寿命。

随着刮板输送机功率的加大，轧制耐磨板已经不能满足需求。

我们利用等离子熔覆技术在使用整体耐磨板生产的中部槽中板和封底板表面按照菱形图案熔覆一层合金耐磨层（熔覆密度约为8-15%）后，中部槽的寿命已经成倍延长。

如果使用等离子耐磨复合钢板替代轧制耐磨板用作中部槽的生产，中部槽的使用寿命将会大大提高，过煤量可超过1000万吨。

刮板输送机及中部槽使用报告

四等离子熔覆耐磨复合钢板

等离子耐磨复合钢板是利用等离子熔覆技术使用普通钢板作为基板，在基板表面熔覆一层高硬度高耐磨的合金熔覆层，提高普通钢板的耐磨性能，达到或超过耐磨钢板的耐磨性能。

合金熔覆层主要化学成分是C、Cr、W、B等。

复合板表面平整美观，耐磨层与基板为真正的冶金结合，不脱落，并且耐磨性能优异，加工性能好，性价比高。

耐磨复合板主要由韧性的奥氏体组织基体相复合原位自生高强度高硬度合金碳化物的复相组织而形成，宏观硬度可达HRC65左右，碳化物Cr7C3的显微硬度高达HV1300-1800。

在同等磨损实验条件下，我公司生产的复合板磨损量为国外某厂家产品的65%，仅为中碳钢的5%，磨损性能优异。

复合板

Cr7C3典型显微形貌-纵截面Cr7C3典型显微形貌-横截面

（一）复合板硬度测试

材料的硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。

硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料的强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也就越高。

宏观硬度测试方法压痕面积大，测到的是压痕区域的硬度平均值。

显微硬度能真实体现耐磨层中碳化物颗粒的高硬度。

实验数据表明：

耐磨复合板宏观硬度为HRC58-67；显微硬度分布均匀，平均显微硬度能达到1150HV左右，最高显微硬度达1650HV以上；结合区附近硬度下降平缓，改善了复合板的使用性能。

界面

HV-1000显微硬度计

洛氏硬度计HR-150A

（二）复合板磨损测试

机件表面相接触并做相对运动时，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐损失，造成表面损伤的现象即为磨损。

当摩擦运转条件固定之后，材料的磨损特性取决于材料本身的物相及组织结构。

采用干滑动摩擦方式进行磨损测试，用磨损量表示试样的耐磨损性能，磨损量越小，耐磨性越高。

载荷/N

250

磨损时间/min

30

实验条件：

实验结果：

我公司生产的耐磨复合板与德国、台湾某厂家目前生产的耐磨复合板进行比较，在同等实验条件下，我公司生产的复合板磨损量为这两个厂家产品的65%，仅为中碳钢的5%，磨损性能好。

（三）等离子耐磨复合板的应用

等离子熔覆耐磨复合钢板除可用作中部槽的中板外还可在水泥、矿山、电力、钢铁等行业得到很好的应用。

1、水泥工业：

磨机内衬，冲击盘，管道，振动筛，破碎机零件，泵壳，出渣槽。

2、采矿工业：

输料槽内衬，耐磨棒和耐磨板，破碎机部件，卡车货槽衬板，料斗内衬。

3、煤处理业：

破碎机零件和衬板，输料槽，输煤管道，弯头，泵体，料斗。

4、电力工业：

燃烧器管线，破碎机部件，风机叶片，磨煤机部件，机输料槽和料斗内衬。

5、钢铁工业：

进料器及底座，翻斗车，料斗，料斗内衬，格栅，管道，泵壳，出渣槽，破碎机部件，振动筛。

5、造纸工业：

旋流器内衬，螺旋输送机，输料槽及漏斗，风机叶片，转换导管，过渡弯头。

水泥厂立磨衬板

工程机械耐磨条

刮板输送机舌板

采煤机滚筒耐磨复合板衬板

掘进机铲板衬板

推土机铲斗衬板

水泥厂立磨轴承罩

耐磨管道

五、等离子熔覆技术其他应用

破碎机耐磨处理

破碎机耐磨处理

耐磨辊铲齿

工程机械耐磨条钢厂导板