CN107630662A - 一种耐磨耐高温旋挖齿及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐磨耐高温旋挖齿及其制备方法，该旋挖齿自上至下依次包括耐磨头、一体成型的齿体和齿柄，耐磨头的下端镶嵌在齿体顶端的耐磨头槽内，齿体的锥形面上开设有多个填充有激光熔覆耐磨层的环形槽，激光熔覆耐磨层由以下重量百分比的组分组成的合金粉末经激光熔覆形成：Fe：6.3～6.9％；Cr：8.5～9.1％；C：2.2～2.7％；Si：2.1～2.8％；B：1.4～1.9％；W：32～34％；Co：1.5～1.6％；其余为Ni。制备方法包括：原料锻造‑车外圆台阶‑车环形槽‑钻耐磨头槽‑铜焊耐磨头‑热处理‑抛丸‑卡簧‑防锈‑激光熔覆耐磨层。该旋挖齿具有兼具齿体锥形面耐磨性与基体韧性的优点。

Description

一种耐磨耐高温旋挖齿及其制备方法

技术领域

本发明属于旋挖齿及其制备技术领域，具体涉及一种耐磨耐高温旋挖齿及其制备方法。

背景技术

旋挖钻机在基础设施建设中有着举足轻重的作用，在灌注桩、连续墙、基础加固等多种地基基础施工中得到广泛运用。而钻头则是旋挖钻机的关键组件之一，钻头依靠安装在其上的旋挖齿对所接触的土层岩石等进行旋挖作业。因此，旋挖齿的使用寿命和性能好坏直接影响了施工进度和成本投入。

目前，市面上销售的旋挖齿种类繁多，基本能满足使用要求。大多数旋挖齿齿体基材常用42CrMo、35CrMnSi等，但此类材料的耐高温性能差，连续作业时间较长后，齿体温度急剧升高，综合性能下降严重，从而产生耐磨性能降低，韧性降低，导致齿体的快速磨损和断裂等。此外，现有旋挖齿耐磨层往往采用直接在产品锥形面表面熔覆耐磨层的方式，将耐磨层铺满整个锥形面。此方法虽然能够极大提高旋挖齿工作面的耐磨性，但在熔覆过程中也带来了大量的热输入，降低了此区域齿体基材的韧性，造成应力集中，旋挖齿在作业过程中会容易产生崩断，开裂，耐磨层剥落等一系列问题。因此需要设计一种新型旋挖齿及耐磨层制备工艺，使旋挖齿获得良好的耐高温性能，同时在工作面兼具耐磨性和韧性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种兼具齿体锥形面耐磨性与韧性、耐磨耐高温的旋挖齿及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种耐磨耐高温旋挖齿，自上至下依次包括耐磨头、齿体和齿柄，所述齿体和齿柄一体成型，所述耐磨头的下端镶嵌在齿体顶端的耐磨头槽内，所述齿体的锥形面上开设有多个环形槽，所述多个环形槽内均填充有激光熔覆耐磨层；所述激光熔覆耐磨层由合金粉末经激光熔覆形成，所述合金粉末由以下重量百分比的组分组成：Fe：6.3％～6.9％；Cr：8.5％～9.1％；C：2.2％～2.7％；Si：2.1％～2.8％；B：1.4％～1.9％；W：32％～34％；Co：1.5％～1.6％；其余为Ni。

优选地，所述多个环形槽沿齿体锥形面均匀分布，相邻环形槽之间的间隔≥单个环形槽的槽宽。

优选地，所述激光熔覆耐磨层的厚度大于环形槽的槽深1.5mm以上。

优选地，所述齿体的材质为H13K、321、309、310S、314、6Mo、15CrMo、42CrMo、35CrMnSi、12Cr1MoV、12CrMoWVTiB、10Cr2Mo1、25Cr2Mo1V、20Cr3MoWv、1Cr11MoV、1Cr12WmoV或2Cr12WMoNbVB。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的耐磨耐高温旋挖齿的制备方法，包括以下步骤：(1)原料锻造；(2)齿体车外圆台阶；(3)齿体锥形面上车多个环形槽；(4)齿体顶端钻耐磨头槽；(5)铜焊耐磨头；(6)热处理；(7)抛丸；(8)卡簧；(9)防锈处理；(10)在多个环形槽中激光熔覆耐磨层。

优选地，所述步骤(10)具体过程为：

(10.1)将激光器的激光头对准所述多个环形槽中的其中一个；

(10.2)向激光头对准的环形槽内均匀送入合金粉末；

(10.3)所述激光头发出激光，按预定轨迹连续熔化所述合金粉末，熔化产生的反应物填充所述环形槽，空冷，形成熔覆层。

(10.4)将所述激光头对准下一个环形槽，重复步骤(10.2)和(10.3)；

(10.5)重复步骤(10.4)，直至所有环形槽均完成熔覆。

优选地，所述步骤(10.3)中，激光熔覆工艺参数为：功率1500～2800W，扫描速度2～5mm/s，离焦量-25～+45mm，合金粉末的供给速度10g/min～30g/min，保护气流量10～30L/min。

优选地，激光光斑为圆形光斑或方形光斑，环形槽的槽宽≤圆形光斑的直径，或环形槽的槽宽≤方形光斑的对角线长度。

优选地，所述步骤(10.1)之前还包括：对多个环形槽进行除油、除锈处理。

优选地，所述步骤(6)具体过程为：

(6.1)整体淬火，淬火温度800～1000℃，保温时间1～1.5小时，空冷；

(6.2)齿柄低温回火，低温回火温度150～250℃，低温回火时间1～1.5小时，炉冷；

(6.3)齿体高温回火，高温回火温度500～650℃，回火时间1～1.5小时，炉冷。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明通过在旋挖齿齿体锥形面加工多个等间距环形槽，再在环形槽内熔覆耐磨层，较之直接在产品锥形面表面熔覆耐磨层的方式，本发明形成熔覆耐磨层过程中齿体基材的韧性下降小，即本发明可获得高硬度耐磨层与高韧性基材的相间配合，在保证旋挖齿耐磨性的同时，能有效防止热应力失效。

2、分段热处理工艺可获得硬度与韧性的过渡变化，使锥形面有较高的硬度和耐磨性，而根部则保持较高的韧性；

3、总体来说，本发明的旋挖齿基材具有良好的综合力学性能，同时具有较好的耐高温性能。

附图说明

图1为本发明的耐磨耐高温旋挖齿的结构示意图。

图2为图1的局部放大图。

具体实施方式

以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

一种耐磨耐高温旋挖齿，如图1和图2所示，自上至下依次包括耐磨头1、齿体2和齿柄3，齿体2和齿柄3一体成型，材质为H13K(4Cr5MoSiV1)。耐磨头2的下端镶嵌在齿体2顶端的耐磨头槽内，齿体2的锥形面上开设有多个环形槽21，多个环形槽21沿齿体锥形面均匀分布，相邻环形槽21之间的间隔D≥单个环形槽21的槽宽d。多个环形槽21内均填充有激光熔覆耐磨层4；激光熔覆耐磨层4的厚度H大于环形槽21的槽深h1.5mm以上。激光熔覆耐磨层4由合金粉末经激光熔覆形成，该合金粉末由以下重量百分比的组分组成：Fe：6.5％；Cr：8.8％；C：2.5％；Si：2.5％；B：1.6％；W：33％；Co：1.5％；其余为Ni。该合金粉末的粒度介于80～325目之间。

本实施例的耐磨耐高温旋挖齿由以下工艺制得：

(1)原料(材质为H13K(4Cr5MoSiV1))锻造；

(2)齿体车外圆台阶；

(3)齿体锥形面上车多个等间距环形槽，每个环形槽的槽宽和槽深相等，并且相邻环形槽之间的间隔大于单个环形槽的槽宽；

(4)齿体顶端钻耐磨头槽；

(5)铜焊耐磨头；

(6)热处理，具体过程为：

(6.1)整体淬火，淬火温度800℃，保温时间1.5小时，空冷；

(6.2)齿柄低温回火，低温回火温度150℃，低温回火时间1.5小时，炉冷；

(6.3)齿体高温回火，高温回火温度550℃，回火时间1.5小时，炉冷；

(7)抛丸；(8)卡簧；

(9)防锈处理；

(10)对旋挖齿齿体锥形表面及环形槽内进行除油、除锈处理，除油处理为酒精清洗+超声清洗，除锈处理为火焰清洁；再在多个环形槽中激光熔覆耐磨层，具体过程为：

(10.1)将激光器的激光头对准旋挖齿齿体锥形面最下端的环形槽；

(10.2)向激光头对准的环形槽内均匀送入合金粉末；该合金粉末由以下重量百分比的组分组成：Fe：6.5％；Cr：8.8％；C：2.5％；Si：2.5％；B：1.6％；W：33％；Co：1.5％；其余为Ni。该合金粉末的粒度介于80～325目之间。

(10.3)所述激光头发出激光，激光光斑为圆形光斑，该圆形光斑的直径等于环形槽的槽宽，按预定轨迹连续熔化所述合金粉末，熔化产生的反应物填充所述环形槽；激光具体预设轨迹为S型运动轨迹，即：从环形槽顶端的中心向底端的中心运动，再移至左端离底端中心最近的运动点，再从该运动点直线运动到左端离顶端中心最近的运动点，按此规律运动，直至完成环形槽左端熔覆；接着激光头移至右端离顶端中心点最近的运动点，按S型运动轨迹完成环形槽右端熔覆。熔覆完成后空冷，形成熔覆层，熔覆层充满整个环形槽，熔覆层的的厚度大于环形槽的槽深2mm。激光熔覆工艺参数为：功率2000W，扫描速度3mm/s，离焦量15mm，保护气流量20L/min。

(10.4)将所述激光头对准下一个环形槽，重复步骤(10.2)和(10.3)；

(10.5)重复步骤(10.4)，直至所有环形槽均完成熔覆。

实施例2：

一种耐磨耐高温旋挖齿，与实施例1基本相同，其不同点仅在于：一体成型的齿体和齿柄材质为42CrMo，形成激光熔覆耐磨层的合金粉末由以下重量百分比的组分组成：Fe：6.4％；Cr：9.0％；C：2.5％；Si：2.6％；B：1.5％；W：32％；Co：1.6％；其余为Ni。

本实施例的耐磨耐高温旋挖齿制备方法与实施例1基本相同，其不同点仅在于：

步骤(6)中，整体淬火温度为1000℃，齿柄低温回火温度为250℃，齿体高温回火温度为650℃。

步骤(10)中，合金粉末的供给速度15g/min；激光熔覆工艺参数为：功率2500W，扫描速度3mm/s，离焦量20mm，保护气流量15L/min。

实施例3：

一种耐磨耐高温旋挖齿，与实施例1基本相同，其不同点仅在于：一体成型的齿体和齿柄材质为25Cr2Mo1V，形成激光熔覆耐磨层的合金粉末由以下重量百分比的组分组成：Fe：6.8％；Cr：8.8％；C：2.5％；Si：2.4％；B：1.5％；W：32％；Co：1.6％；其余为Ni。

本实施例的耐磨耐高温旋挖齿制备方法与实施例1基本相同，其不同点仅在于：

步骤(6)中，整体淬火温度为900℃，齿柄低温回火温度为200℃，齿体高温回火温度为600℃。

步骤(10)中，合金粉末的供给速度30g/min；激光熔覆工艺参数为：功率2700W，扫描速度4mm/s，离焦量-10mm，保护气流量15L/min。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (10)

1.一种耐磨耐高温旋挖齿，自上至下依次包括耐磨头、齿体和齿柄，所述齿体和齿柄一体成型，所述耐磨头的下端镶嵌在齿体顶端的耐磨头槽内，其特征在于，所述齿体的锥形面上开设有多个环形槽，所述多个环形槽内均填充有激光熔覆耐磨层；所述激光熔覆耐磨层由合金粉末经激光熔覆形成，所述合金粉末由以下重量百分比的组分组成：Fe：6.3％～6.9％；Cr：8.5％～9.1％；C：2.2％～2.7％；Si：2.1％～2.8％；B：1.4％～1.9％；W：32％～34％；Co：1.5％～1.6％；其余为Ni。

2.根据权利要求1所述的耐磨耐高温旋挖齿，其特征在于，所述多个环形槽沿齿体锥形面均匀分布，相邻环形槽之间的间隔≥单个环形槽的槽宽。

3.根据权利要求1所述的耐磨耐高温旋挖齿，其特征在于，所述激光熔覆耐磨层的厚度大于环形槽的槽深1.5mm以上。

4.根据权利要求1所述的耐磨耐高温旋挖齿，其特征在于，所述齿体的材质为H13K、321、309、310S、314、6Mo、15CrMo、42CrMo、35CrMnSi、12Cr1MoV、12CrMoWVTiB、10Cr2Mo1、25Cr2Mo1V、20Cr3MoWv、1Cr11MoV、1Cr12WmoV或2Cr12WMoNbVB。

5.一种如权利要求1～4任一项所述的耐磨耐高温旋挖齿的制备方法，包括以下步骤：(1)原料锻造；(2)齿体车外圆台阶；(3)齿体锥形面上车多个环形槽；(4)齿体顶端钻耐磨头槽；(5)铜焊耐磨头；(6)热处理；(7)抛丸；(8)卡簧；(9)防锈处理；(10)在多个环形槽中激光熔覆耐磨层。

6.根据权利要求5所述的耐磨耐高温旋挖齿的制备方法，其特征在于，所述步骤(10)具体过程为：

(10.1)将激光器的激光头对准所述多个环形槽中的其中一个；

(10.2)向激光头对准的环形槽内均匀送入合金粉末；

(10.3)所述激光头发出激光，按预定轨迹连续熔化所述合金粉末，熔化产生的反应物填充所述环形槽，空冷，形成熔覆层。

(10.4)将所述激光头对准下一个环形槽，重复步骤(10.2)和(10.3)；

(10.5)重复步骤(10.4)，直至所有环形槽均完成熔覆。

7.根据权利要求6所述的耐磨耐高温旋挖齿的制备方法，其特征在于，所述步骤(10.3)中，激光熔覆工艺参数为：功率1500～2800W，扫描速度2～5mm/s，离焦量-25～+45mm，合金粉末的供给速度10g/min～30g/min，保护气流量10～30L/min。

8.根据权利要求7所述的耐磨耐高温旋挖齿的制备方法，其特征在于，激光光斑为圆形光斑或方形光斑，环形槽的槽宽≤圆形光斑的直径，或环形槽的槽宽≤方形光斑的对角线长度。

9.根据权利要求8所述的耐磨耐高温旋挖齿的制备方法，其特征在于，所述步骤(9.1)之前还包括：对多个环形槽进行除油、除锈处理。

10.根据权利要求5～9任一项所述的耐磨耐高温旋挖齿的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)具体过程为：

(6.1)整体淬火，淬火温度800～1000℃，保温时间1～1.5小时，空冷；

(6.2)齿柄低温回火，低温回火温度150～250℃，低温回火时间1～1.5小时，炉冷；

(6.3)齿体高温回火，高温回火温度500～650℃，回火时间1～1.5小时，炉冷。