Kuna söekaevandamise tingimused muutuvad üha karmimaks, laserkatte tehnoloogia suurepärase jõudlusega kasutatakse laialdaselt hüdrauliliste tugisilindrite taastamisel. Turul on aga palju erinevaid kattepulbreid ning keemiline koostis ja ettevalmistusprotsess on ilmselgelt erinevad, mis põhjustab laserkattekihtide jõudluses ilmseid kõikumisi. Tooraineks valiti neli kaubanduslikult saadaolevat rauapõhist kattepulbrit ja rauapõhised kattekihid valmistati 27SiMn hüdrosilindrite välisseinale laserkattetehnoloogia abil. Analüüsiti kattepulbrite koostist, mikrostruktuuri ja kattekihtide korrosioonikindlust. Tulemused näitavad, et kaubanduslikult saadaolevad kattepulbrid on valmistatud peamiselt vee ja gaasi pihustamisega ning koostise erinevused on peamiselt Mo ja Nb elementide osas; neli laserkatted Kihid koosnevad peamiselt martensiitist, vähesel määral jääkausteniidist ja süsinikust/boriidist. Samal ajal muutub kattekihi mikrostruktuur paksuse suunas oluliselt, alates tasapinnalisest kristallitsoonist ja sammasdendriiditsoonist sulamisjoone kohal kuni ekviateljelise dendriiditsoonini kattekihi ülemisel osal, ning samuti leevendub koostise segregatsioon. Korrosioonikindluse katse näitas, et kattekihi korrosioonikindlust mõjutavad keemiline koostis ja töötlemistehnoloogia: esiteks muutuvad töötlemisdefektid nõrkadeks korrosioonipiirkondadeks; teiseks paraneb Mo-elemendi sisalduse suurenemisega kattekihi korrosioonikindlus.

Hüdrauliline tugi on söekaevandusseadmete oluline osa ja on pikka aega olnud kasutusel söövitavas kaevanduskeskkonnas, nagu Cl- ja H2S. Söekaevandamise käigus koormatakse ja tühjendatakse hüdraulilist tuge korduvalt, mille tulemuseks on hüdrosilindri pikaajaline korrosiooni-kulumiskahjustus, millest saab peamine komponent, mis mõjutab hüdraulilise toe tööohutust. Hüdraulilise silindri kahjustuste korral on taastamine tõhus viis selle funktsiooni taastamiseks, eriti laserkatte tehnoloogia on muutunud esimeseks valikuks rikkis hüdrosilindrite remondiks ja taastamiseks. Hüdrauliliste silindrite laserkatte taastamise puhul on katte kihi toimivust mõjutavad peamised tegurid katte seadmed, protsess ja pulber. Eriti valitud seadmete tingimustes saab sobivast katte kihi toimivust määravaks teguriks sobiv katte pulber. Hüdrauliliste silindrite laserkatte taastamise tehnoloogia arendusaeg on aga lühike ning on palju probleeme, nagu ebapiisav tehniline kogunemine ja ebajärjekindel katte pulbri süsteem, mis on põhjustanud katte kihi toimivuses ilmseid kõikumisi. Seetõttu on oluline uurida erinevate kattepulbrite erinevusi ja analüüsida nende mõju kattekihi mikrostruktuurile ja jõudlusele, et parandada hüdrosilindrite tööohutust. Seda silmas pidades valib käesolev artikkel neli tavaliselt kasutatavat hüdrosilindri rauapõhist kattepulbrit toorainena, et analüüsida nende keemilise koostise erinevusi ja mõju jõudlusele. Seejärel valmistati 27SiMn hüdrosilindri välisseinale laserkattetehnoloogia abil rauapõhine kattekiht, et uurida materjalisüsteemi mõju kattekihi mikrostruktuurile ja korrosioonikindlusele ning uurida materjali koostise ja selle jõudluse vahelist evolutsioonilist seost, et saada suurepärase tööomadusega rauapõhine sulamist kattekiht.

1 Katsematerjalid ja -meetodid

1.1 Katsematerjalid

Toormaterjalideks valiti neli kaubanduslikult saadaolevat hüdraulilise tugikatte pulbrit (vastavalt X1, X2, X3 ja X4) ning nelja pulbri keemilist koostist analüüsiti röntgenfluorestsentsspektromeetri ja elementanalüsaatori abil, nagu on näidatud tabelis 1. Tulemused näitavad, et kõik neli rauapõhist pulbrit kasutavad peamise legeerelemendina kroomi, millele lisanduvad erinevad Ni, Mo, Nb, Si, B ja muude elementide sisaldused. Koos kirjanduse analüüsiga muutub roostevaba terase punktkorrosioonipotentsiaal negatiivsest positiivseks, kui kroomi sisaldus ulatub umbes 12 massiprotsendini. Kui kroomi sisaldus jätkuvalt suureneb, liigub punktkorrosioonipotentsiaal jätkuvalt positiivselt. See on tingitud asjaolust, et kroom moodustab terase pinnale stabiilse ja tiheda kaitsekile ning tekkiv passiivefekt võib takistada terase edasist korrosiooni. Ni on suurepärane korrosioonikindel element ja asendamatu element supermartensiitses roostevabas terases. See on element, mis moodustab terases austeniiti [14]. Korrosiivses keskkonnas võib Mo soodustada Cr passivatsiooni, parandada kroomnikkel-roostevaba terase korrosioonikindlust väävelhappes, vesinikkloriidhappes ja fosforhappes ning tõhusalt pärssida kloriidioonide kalduvust punktkorrosioonile. Tugeva karbiidimoodustajana suudab Nb kõrgetel temperatuuridel moodustada stabiilseid ja peeneid karbiide ja nitriide, mis pärsib oluliselt terade kasvu, peenendab teri ja kinnitab terade piire. Lisaks pärsib Nb lisamine ka teradevaheliste kroomkarbiidide moodustumist ja parandab teradevahelist korrosioonikindlust. Lõpuks parandavad sellised elemendid nagu Si ja B peamiselt materjali mehaanilisi omadusi.

1.2 Kattekihi ettevalmistamine

Alusmaterjaliks valiti 27SiMn hüdrosilinder (GB/T 700-2006). Esmalt lihviti ja puhastati 27SiMn hüdrosilindri välispind ooterežiimiks. Seejärel valmistati ette kattekiht, kasutades JGRFJ-10000 masinat. laserkatte seadmedLaser oli 10 kW. pooljuhtkiudühendusega laserja laserlaik oli ristkülikukujuline laik mõõtmetega 30 mm × 2 mm. Spetsiifiline plakeerimisprotsess oli: laseri võimsus 9500 W, skaneerimiskiirus 8 mm/s, kattuvusmäär 45% ja pulbri etteandekiirus 60 g/min.

1.3 Kattekihi iseloomustus

Pärast laserkattega proovi lihvimist ja poleerimist puhastati see ultraheliga ja kuivatati ooterežiimis külma õhupuhuriga.
Faasikoostise analüüsiks kasutati XRD-7000 röntgendifraktomeetrit (XRD). Mõõtmisparameetrid olid: sihtmärgiks olev Cu-Ka kiir, skaneerimispinge 40 kV, skaneerimisvool 40 mA, sammu pikkus 0.02°, skaneerimiskiirus 5°/min ja difraktsiooninurk 20°～90°. Kattekihi pikilõike mikrostruktuuri morfoloogiat uuriti Olympus GX53 inverteeritud optilise metallograafilise mikroskoobi (OM) ja JSM-6390A skaneeriva elektronmikroskoobi (SEM) abil ning koostist analüüsiti energiadispersioonispektromeetri (EDS) abil koos skaneeriva elektronmikroskoobiga.
Kattekihi elektrokeemilist jõudlust testiti Wuhan Kosteri elektrokeemilise tööjaama abil. Elektrokeemilised parameetrid olid: 3.5 massiprotsendiline NaCl lahus, proovivõtu sagedus 10 Hz, skaneerimiskiirus 0.3 mV/s, proov oli tööelektrood, küllastunud kalomelelektrood (SCE) oli võrdluselektrood ja plaatinaleht oli abielektrood. Materjali kõvadust mõõdeti TMHVS-1000-XYZ mikrokõvaduse testeriga. Kattekihi hõõrdetegur ja kulumiskiirus 3.5 massiprotsendilise NaCl keskkonnas mõõdeti MRT-R4000 hõõrde- ja kulumistesteriga. Katsetingimused olid: hõõrdepaar GCr15 teraskuul (kvaasi 6 mm, 63 HRC), kulumisjälje pikkus 10 mm, koormus 30 N, sagedus 2 Hz, aeg 60 minutit.

2 Tulemused ja arutelu

2.1 Raudpõhise kattekihi mikrostruktuur

Laserkatmistehnoloogia abil valmistati neli rauapõhist kattekihti ja kattekihtide faasikoostist analüüsiti röntgendifraktsiooni abil, nagu on näidatud joonisel 1. On näha, et neli rauapõhist kattekihti koosnevad α' martensiidi faasist ja jääk-austeniidi faasist, mis näitab, et nelja kattekihi kattestruktuur on martensiidi/austeniidi komposiitstruktuur. Teiseks, keemilise koostise seisukohast, kuigi nelja pulbri X1, X2, X3 ja X4 süsinikusisaldus Wc on alla 0.2 massiprotsendi, on sulami elementide suure sisalduse (22–25 massiprotsenti) ja laserkatmismeetodi äärmiselt kiire jahutuskiiruse tõttu rauapõhise pulbri sulamise järel tekkinud austeniidil kõrge temperatuurikindlus ja see on madalatel temperatuuridel kergesti martensiidiks muundatav. Austeniidi martensiidiks muundumise protsessi faasimuundumise pinge ja termilise pinge tõttu on martensiidi faasimuundumisel teatav pärssiv toime, mille tulemusel osa austeniidist ei suuda martensiidiks muunduda ja jääb kattekihis jääk-austeniidina alles. Teiseks, katmisprotsessi käigus sulab sulamipulber, moodustades mitmekomponendilise süsteemi, näiteks Fe-C-Cr-Ni-B, ning elementide vahel toimub füüsikaline ja keemiline metallurgia. Lisaks rauapõhise üleküllastunud tahke lahuse (α' faasi) moodustumisele moodustavad mõned C-, Cr- ja B-elemendid sulami süsiniku/boriidi faase.
Joonis 2 on nelja rauapõhise kattekihi ristlõike metallograafiline struktuuridiagramm. Sellelt on näha, et nelja kattekihi paksus pärast töötlemist on vastavalt 385, 630, 520 ja 470 μm. Kristallide kasvumorfoloogia kohaselt on kõigil neljal kattekihil selgelt väljendunud sammaskristallstruktuur ja X4 omadused on veelgi ilmsemad. Kattekihti läbib pikk dendriitstruktuur, mis põhjustab komponentide segregatsiooni ja kattekihi mehaaniliste omaduste suunatust. Lisaks näitavad kõik neli kattekihti, välja arvatud sulamisjoon, et need koosnevad peamiselt martensiidist, ülemine osa aga martensiidist ja jääk-austeniidist. Tulemused näitavad, et martensiidi ja jääk-austeniidi koosesinemine põhjustab kattekihis mikroskoopilist galvaanilist korrosiooni, mis viib kattekihi korrosioonikindluse halvenemiseni.
Erinevate kattekihtide punktkoostist analüüsiti EDS-i abil, nagu on näidatud tabelis 2. Tulemused näitavad, et kroomi sisaldus sulamisjoone, näiteks kattekihi X1-2, X1-3, X2-2 ja X2-3 ümber on oluliselt erinev. Kattekihi pinna suhtes sügavuse suunas leiti, et kroomi elementide segregatsioon kattekihi positsioonides X1-6, X1-7, X2-6 ja X2-7 aeglustus oluliselt, mis on kasulik komponentide segregatsioonist tingitud korrosiooni vähendamiseks.

2.2 Raudpõhise kattekihi kõvadus ja korrosioonikindlus

2.2.1 Kõvadus

Kattekihi kõvadus on seotud kattekihi mikrostruktuuriga. Joonis 3 on nelja kattekihi X1, X2, X3 ja X4 ning 27SiMn terasaluspinna kõvaduskõver. On näha, et nelja kattekihi kõvadus varieerub sügavuse suunas oluliselt. X4 kattekihi pinnakõvadus on kõrgeim ning X2 ja X3 kõvadus on konstantne. Samal ajal on näha, et X4 kõvadus väheneb kiiresti, samas kui X3 kõvadus väheneb kiiresti. See tähendab, et kattekihi paksuse ja kuumustsooni sügavuse erinevused mõjutavad kattekihi korrosioonikindlust ja kulumiskindlust.

2.2.2 Elektrokeemilise korrosiooni käitumine

Isekorrosioonipinge on indikaator materjali korrosioonikalduvuse hindamiseks. Mida suurem on isekorrosioonipotentsiaal, seda väiksem on korrosioonikalduvus. Joonis 4 ja tabel 3 on erinevate rauapõhiste kattekihtide polarisatsiooni- ja impedantskõvera tulemused. Nagu on näidatud joonisel 4 (a) polarisatsioonikõveral ja tabelis 3, on X2 kattekihi isekorrosioonipotentsiaal suurim, X1 kattekihi isekorrosioonipotentsiaal on lähedane X4 kattekihi omale ja X3 oma on väikseim. Isekorrosioonipotentsiaali suurenemine näitab, et kolme kattekihi korrosioonikalduvus on nõrgenenud. Teiseks on isekorrosioonivool indikaator materjalide korrosioonikiiruse hindamiseks. Mida väiksem on isekorrosioonivool, seda väiksem on korrosioonikiirus. Nagu on näidatud tabelis 3, on X2 kattekihi isekorrosioonivool väikseim, X4 kattekihi isekorrosioonivool on veidi väiksem kui X1 kattekihil ja X3 oma on suurim. On näha, et X2 kattekihil on madalam korrosioonikiirus. Seega, arvestades polarisatsioonikõvera isekorrosioonipinge ja isekorrosioonivoolu tulemusi, on näha, et X2 kattekihil on parem korrosioonikindlus. Lisaks on impedants samuti üks näitajaid, mis iseloomustab materjalide korrosioonikindlust. Mida suurem on impedantsi väärtus (impedantskaare raadius), seda tugevam on materjali võime korrosiivsele keskkonnale vastu pidada. Joonisel 4 (b) olevalt impedantsi kõveralt on näha, et X2 kattekihi impedantsi väärtus on suurim, millele järgnevad X1 ja X4 kattekihtide impedantsi väärtused ning X3 kattekihi impedantsi väärtus on väikseim, mis näitab, et nelja kattekihi korrosioonikindlus on oluliselt erinev.

2.2.3 Soolapihusti korrosioonikindlus

Joonis 5 kujutab nelja kattekihi makroskoopilist morfoloogiat 1000 tunni jooksul neutraalse soolalahuse pihustustingimustes. On näha, et X3 kattekihil on suhteliselt tihedad pruunid korrosioonipunktid; X1 ja X4 kattekihil on pinnal suhteliselt vähe pruune korrosioonipunkte; X2 kattekihil on sile pind ja ainult väike arv korrosioonipunkte. Kokkuvõttes on X2 kattekihil parim korrosioonikindlus, mis on kooskõlas elektrokeemiliste katsete tulemustega.

X1 kattekihi keskmine kroomisisaldus on suhteliselt kõrge, kuid dendriitide vahele moodustunud kroomkarbiid põhjustab kristallisisese kroomisisalduse keskmisest oluliselt madalamaks muutumist, vähendades seeläbi kattekihi korrosioonikindlust. X4 kattekihi keskmine kroomisisaldus on sarnane ja see sisaldab rohkem Ni elementi, mis parandab korrosioonikindlust. X3 kattekihi korrosioonikindlus on aga komponentide segregatsiooni tõttu veidi nõrgem. Teiseks on X2 kattekihi molübdeenisisaldus suhteliselt kõrge ja molübdeenil on terade piiri puhastamise funktsioon, moodustades korrosiooniprotsessi ajal stabiilse ja tiheda passiivkihi, parandades seeläbi kattekihi korrosioonikindlust.

Vastavalt standardile „GBT 6461-2002 Metallist ja muudest anorgaanilistest katetest metallpindadel tehtud proovide ja näidiste hindamine pärast korrosioonikatseid“ viidi läbi neutraalse soolapihustusega korrosiooniproovide hindamine. Tulemused näitavad, et pärast 1000-tunnist neutraalset soolapihustusega korrosiooni on X2 kattekihi korrosioonikindlus ilmne, samas kui X3 kattekihi korrosioonikindlus on halb ning X1 ja X4 korrosioonikindlus on lähedane. Seega on materjali keemilisel koostisel ja faasikoostisel oluline mõju kattekihi korrosioonikindlusele. Samal ajal näitavad võrdlustulemused ka seda, et kattekihi kaitseomaduste parandamise võti on kattekihi protsessi optimeerimine ja vähemate defektidega kattekihi saamine.

Kokkuvõttes on samades katmisprotsessi tingimustes materjali mikrostruktuuril ja keemilisel koostisel suur mõju katmiskihi korrosioonikindlusele. Seega saab koos faasi- ja keemilise koostise analüüsiga teha järgmised järeldused: (1) Kattekiht peaks minimeerima jääk-austeniidi hulka, eriti vältima δ-ferriidi teket ja vähendama teradevahelise korrosiooni kalduvust;
(2) Kattekihi keemiline koostis peaks sisaldama teatud koguses Mo-elementi, et vähendada sensibiliseerimisest tingitud kroomi kadu ja parandada veelgi kattekihi korrosioonikindlust;
(3) katteprotsess tuleb veelgi optimeerida, et kõrvaldada kattekihis defektid, näiteks praod ja poorid, et tagada nõrkade kohtade puudumine.

3i kokkuvõte

Neli kaubanduslikult saadaval olevat rauapõhised fassaadipulbrid kasutati toorainena. rauapõhine kattekiht valmistati 27SiMn hüdrosilindri välisseinale laserkatte tehnoloogiaAnalüüsiti erinevate fassaadipulbrite koostist, fassaadikihi mikrostruktuuri ja korrosioonikindlust. Saavutati järgmised peamised järeldused:
(1) Kaubanduslikult saadaolevad fassaadipulbrid valmistatakse peamiselt vee ja gaasi pihustamisega. Koostise erinevus seisneb peamiselt Mo ja Nb elementides.
(2) Neli laserkattekihid koosnevad peamiselt martensiitidest, väheses koguses jääkausteniidist ja karbiidist. Samal ajal muutub kattekihi mikrostruktuur paksuse suunas oluliselt, alates tasapinnalisest kristallitsoonist ja sammasdendriiditsoonist kattekihi sulamisjoone kohal kuni ekviateljelise dendriiditsoonini kattekihi ülemisel osal, ning koostise segregatsioon leevendub.
(3) Kattekihi korrosioonikindlust mõjutavad töötlemisdefektid ja keemilised elemendid ning seda saab muuta kahel viisil. Esiteks, kattega seotud defektide vähendamise protsessi täiustamise teel; teiseks, punktkorrosiooni domineerivate katekihtide puhul saab pulbri koostist reguleerida, et muuta katekiht martensiitsemaks, ja punktkorrosioonikindlate elementide sisaldust saab vastavalt suurendada.