CN107630663A - 一种兼具耐磨性和韧性的旋挖齿及其制备方法 - Google Patents

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段韧
徐陈
成中庚
赵树森
陈�峰
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Abstract

本发明公开了一种兼具耐磨性和韧性的旋挖齿,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,所述齿体表面设有合金强化微区域,所述合金强化微区域由激光熔化齿体基材形成的微熔池在随后的快速冷却凝固过程中包裹微熔池中的增强相颗粒所形成。制备方法包括:(1)原料锻造;(2)齿体车外圆台阶;(3)齿体顶端钻耐磨头槽;(4)铜焊耐磨头;(5)热处理;(6)抛丸;(7)卡簧;(8)防锈处理;(9)在齿体表面形成合金强化微区域。本发明的旋挖齿具有表面高耐磨性的同时,还保持了旋挖齿基材的整体韧性。

Description

一种兼具耐磨性和韧性的旋挖齿及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于旋挖齿及其制备技术领域,具体涉及一种兼具耐磨性和韧性的旋挖齿 及其制备方法。
背景技术
[0002] 旋挖齿是旋挖钻机钻头部件的关键作业部分,其根部与钻头连接,锥形面和硬质 合金头作为旋挖作业面。由于作业过程中,旋挖齿与被旋挖物的强烈相互作用。使得旋挖齿 锥形面易被磨损,最终失效。
[0003] 目前提高旋挖齿锥形面耐磨的常用方法是,在锥形面表面熔覆耐磨层,提高其耐 磨性。但此类方法的缺点是,熔覆过程带来的大量热输入导致基材内部的热应力积累,基材 靭性降低,因此旋挖齿在作业过程中易产生脆断,熔覆层也容易剥落。
发明内容
[0004] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种兼具耐磨性和軔性的 旋挖齿及其制备方法。
[0005] 为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:
[0006] 一种兼具耐磨性和韧性的旋挖齿,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,所述齿体表面设有 合金强化微区域,所述合金强化微区域由激光熔化齿体基材形成的微熔池在随后的快速冷 却凝固过程中包裹微熔池中的增强相颗粒所形成。
[0007]优选地,所述合金强化微区域为点状、环状、螺旋状中的一种或多种。
[0008]优选地,点状的合金强化微区域弥散分布于齿体表面;单个点状分布的合金强化 微区域的直径为1〇〇〜sooown;点状分布的合金强化微区域由脉冲激光束形成。
[0009]优选地,环状合金强化微区域沿齿体高度方向等间隔分布于齿体表面,单个环状 合金强化微区域的熔宽为2〜5mm;环状分布的合金强化微区域由连续激光束形成。
[0010]优选地,螺旋状合金强化微区域沿齿体尚度方向呈螺旋状分布于齿体表面,螺旋 状合金强化微区域的熔宽为2〜5mm;螺旋状合金强化微区域由连续激光束形成。
[0011]优选地,所述齿体的材质为H13K、321、309、310S、314、6Mo、15CrMo、42CrMo、 35CrMnSi、12CrlMoV、12CrMoWVTiB、10Cr2Mol、25Cr2MolV、20Cr3MoWv、lCrllMoV、 lCrl2WmoV 或 2Crl2tooNbVB;所述增强相颗粒为 SiC、B4C、TiC、ZrC、VC、WC、Mo2C、ZrB2、TiB2 粉末中的一种或多种。
[0012]作为一个总的发明构思,本发明还提供一种上述的兼具耐磨性和_性的旋挖齿的 制备方法,包括以下步骤:(1)原料锻造;(2)齿体车外圆台阶;(3)齿体顶端钻耐磨头槽;(4) 铜焊耐磨头;(5)热处理;(6)抛丸;(7)卡簧;(8)防锈处理;(9)在齿体表面形成合金强化微 区域。
[0013]优选地,所述步骤⑼的具体过程为:
[0014] (9.1)将步骤(8)的旋挖齿经表面处理后,装卡在激光加工机床的卡盘中,并将增 强相粉末装入送粉装置中;
[0015] (9.2)以旋挖齿齿体高度方向为激光器的激光头的进给方向,激光头发出激光,送 粉装置同步送粉,激光头进给速度与卡盘带动旋挖齿转动速度配合,根据预设的运动轨迹 在旋挖齿齿体表面形成微熔池,微熔池在随后的快速冷却凝固过程中将增强相颗粒包裹, 形成合金强化微区域。
[0016] 优选地,点状分布的合金强化微区域成型工艺为:脉冲激光功率密度为103〜108W/ mm2,激光输出波长为177nm〜15000nm;扫描速度2〜5mm/s,送粉速度10〜30g/min,保护气 体速度10〜30L/min。
[0017]优选地,环状分布的合金强化微区域或螺旋状合金强化微区域的成型工艺为:连 续激光功率为1500〜3000W,扫描速度2〜5mm/s,送粉速度10〜30g/min,保护气体速度10〜 30L/min〇
[0018] 优选地,所述步骤(9.1)中,表面处理具体为:对旋挖齿齿体表面进行除油除锈处 理。
[0019] 优选地,所述步骤⑸具体过程为:
[0020] (5.1)整体淬火,淬火温度800〜100(TC,保温时间1〜1.5小时,空冷;
[0021] (5 • 2)齿柄低温回火,低温回火温度150〜250°C,低温回火时间1〜1.5小时,炉冷;
[0022] (5 • 3)齿体高温回火,高温回火温度500〜650°C,回火时间1〜1 • 5小时,炉冷。
[0023]与现有技术相比,本发明的优点在于:
[0024] 1、本发明的旋挖齿齿体表面具有由激光熔化齿体基材形成的微熔池在随后的快 速冷却凝固过程中包裹微熔池中的增强相颗粒形成的合金强化微区域,该合金化微区域呈 点状、环状和/或螺旋状弥散分布于韧性良好的齿体基材中,也即拥有良好韧性的基材与拥 有高硬度和耐磨性的合金化微区域相间分布,既保证了锥形齿体表面的整体耐磨性,同时 还保持了旋挖齿基材的整体軔性。
[0025] 2、本发明利用高能量密度激光束,在旋挖齿齿体表面形成微熔池,并用同步送粉 装置将增强相粉末送入微熔池内,微熔池在随后的快速冷却凝固过程中将增强相颗粒包 裹,形成合金强化微区域。该合金强化微区域在形貌上为微凸起结构,相比齿体基材具有更 高的硬度与耐磨性。且激光合金化操作简单,无后续处理,节能环保,在尽可能减少加工成 本的前提下能保证旋挖齿的综合性能。
附图说明
[0026]图1为本发明实施例1的兼具耐磨性和韧性的旋挖齿的结构示意图。
具体实施方式
[0027]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。
[0028] 实施例1:
[0029] —种兼具耐磨性和韧性的旋挖齿,如图1所示,自上至下依次包括耐磨头〖、齿体2 和齿柄3,齿体2和齿柄3—体成型,材质为H13K(4Cr5MoSiVl),耐磨头1的下端镶嵌在齿体2 顶端的耐磨头槽21内,齿体2表面设有点状弥散合金强化微区域4,该合金强化微区域4由脉 冲激光熔化齿体基材形成的微熔池在随后的快速冷却凝固过程中包裹微熔池中的WC增强 相颗粒所形成,单个合金强化微区域4的直径为lOOOum。
[0030] 本实施例的兼具耐磨性和韧性的旋挖齿由以下工艺制得:
[0031] (1)原料(材质为H13K (4Cr5MoSiVl))锻造;
[0032] (2)齿体车外圆台阶;
[0033] (3)齿体顶端钻耐磨头槽;
[0034] ⑷铜焊耐磨头;
[0035] (5)热处理,具体过程为:
[0036] (5.1)整体淬火,淬火温度800°C,保温时间1.5小时,空冷;
[0037] (5.2)齿柄低温回火,低温回火温度150°C,低温回火时间1.5小时,炉冷;
[0038] (5.3)齿体高温回火,高温回火温度550°C,回火时间1.5小时,炉冷;
[0039] ⑹抛丸;
[0040] ⑺卡簧;
[0041] ⑻防锈处理;
[0042] ⑼对旋挖齿齿体表面进行除油、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;再在齿体表面形成合金强化微区域,具体过程为:
[0043] (9.1)将经表面处理后的旋挖齿半成品装卡在激光加工机床的卡盘中,并将WC增 强相粉末装入送粉装置中,WC粉末粒度50〜lOOwn之间;
[0044] (9.2)以旋挖齿齿体高度方向为激光器的激光头的进给方向,激光头发出脉冲激 光,送粉装置同步送粉,脉冲激光功率密度为l〇5W/mm2,激光输出波长为5000mn;扫描速度 5mm/s,送粉速度30g/min,保护气体速度30L/min。激光头进给速度与卡盘带动旋挖齿转动 速度配合,根据预设的运动轨迹在旋挖齿齿体表面形成点状微熔池,点状微熔池在随后的 快速冷却凝固过程中将WC增强相颗粒包裹,形成点状弥散分布于齿体表面的合金强化微区 域,单个点状合金强化微区域的直径为1000M1。
[0045] 实施例2:
[0046] —种兼具耐磨性和韧性的旋挖齿,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42Crtfo,齿体表面设有沿旋挖齿齿体高度方向呈螺旋状的合金强化 微区域,该合金强化微区域由连续激光熔化齿体基材形成的螺旋状微熔池在随后的快速冷 却凝固过程中包裹螺旋状微熔池中的WC增强相颗粒所形成,螺旋状合金强化微区域的熔宽 为3mm。
[0047] 本实施例的兼具耐磨性和韧性的旋挖齿制备方法与实施例1基本相同,其不同点 仅在于:
[0048] 步骤⑸中,整体淬火温度为1000°C,齿柄低温回火温度为25〇°C,齿体高温回火温 度为650°C。
[0049] 步骤(9 • 2)具体工艺过程为:以旋挖齿齿体高度方向为激光器的激光头的进给方 向,激光头发出连续激光,送粉装置同步送粉,连续激光功率为2500W,扫描速度3mm/s,送粉 速度25g/min,保护气体速度25L/min。激光头进给速度与卡盘带动旋挖齿转动速度配合,根 据预设的运动轨迹在旋挖齿齿体表面形成沿旋挖齿齿体高度方向呈螺旋状的微恪池,螺旋 状微熔池在随后的快速冷却凝固过程中将WC增强相颗粒包裹,形成螺旋状分布于齿体表面 的合金强化微区域,螺旋状合金强化微区域的熔宽为3rnm。
[0050] 实施例3:
[0051] 一种兼具耐磨性和韧性的旋挖齿,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25Cr2M〇lV,齿体表面设有点状弥散合金强化微区域和沿旋挖齿齿 体高度方向呈螺旋状的合金强化微区域。点状弥散合金强化微区域由脉冲激光熔化齿体基 材形成的微熔池在随后的快速冷却凝固过程中包裹微熔池中的WC增强相颗粒所形成,单个 点状弥散合金强化微区域的直径为lOOOwii。螺旋状合金强化微区域由连续激光熔化齿体基 材形成的螺旋状微熔池在随后的快速冷却凝固过程中包裹螺旋状微熔池中的WC增强相颗 粒所形成,螺旋状合金强化微区域的熔宽为3mm。
[0052] 本实施例的兼具耐磨性和韧性的旋挖齿制备方法与实施例1基本相同,其不同点 仅在于:
[0053] 步骤(5)中,整体淬火温度为900°C,齿柄低温回火温度为200°C,齿体高温回火温 度为600°C。
[0054]步骤⑼中齿体表面形成合金强化微区域的具体过程为:
[0055] ⑵将经表面处理后的旋挖齿装卡在激光加工机床的卡盘中,并将WC增强相粉末 装入送粉装置中,WC粉末粒度50〜100M1之间;
[0056] (3)以旋挖齿齿体高度方向为激光器的激光头的进给方向,激光头发出连续激光, 送粉装置同步送粉,连续激光功率为2500W,扫描速度3mm/s,送粉速度25g/min,保护气体速 度25L/min。激光头进给速度与卡盘带动旋挖齿转动速度配合,根据预设的运动轨迹在旋挖 齿齿体表面形成螺旋状微熔池,螺旋状微熔池在随后的快速冷却凝固过程中将WC增强相颗 粒包裹,形成螺旋状分布于齿体表面的合金强化微区域,螺旋状合金强化微区域的熔宽为 3mm;
[0057] ⑷换脉冲激光头,预设的运动轨迹与与螺旋状合金强化微区域错开。以旋挖齿齿 体高度方向为激光器的激光头的进给方向,激光头发出脉冲激光,送粉装置同步送粉,脉冲 激光功率密度为105W/mra2,激光输出波长为5000nm;扫描速度5mm/s,送粉速度30g/min,保护 气体速度30L/min。激光头进给速度与卡盘带动旋挖齿转动速度配合,根据预设的运动轨迹 在旋挖齿齿体表面形成点状微熔池,点状微熔池在随后的快速冷却凝固过程中将WC增强相 颗粒包裹,形成点状弥散分布于齿体表面的合金强化微区域,单个点状合金强化微区域的 直径为lOOOwn。
[OO58]经测试,较之齿体表面熔覆耐磨层的方式,实施例1〜3制备的旋挖齿齿体在作业 过程不易产生崩断,开裂,说明本发明形成合金强化微区域过程中齿体基材的靭性下降小; 并且增强相不易剥落,说明齿体基材与增强相结合更牢固,以上测试结果表明本发明的旋 挖齿具有表面高耐磨性的同时,还保持了旋挖齿基材的整体軔性。
[0059]以上所述,仅是本申请的较佳实施例,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)

1.一种兼具耐磨性和韧性的旋挖齿,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 表面设有合金强化微区域,所述合金强化微区域由激光熔化齿体基材形成的微熔池在随后 的快速冷却凝固过程中包裹微熔池中的增强相颗粒所形成。
2. 根据权利要求1所述的兼具耐磨性和韧性的旋挖齿,其特征在于,所述合金强化微区 域为点状、环状、螺旋状中的一种或多种。
3. 根据权利要求2所述的兼具耐磨性和韧性的旋挖齿,其特征在于,点状的合金强化微 区域弥散分布于齿体表面;单个点状分布的合金强化微区域的直径为100〜5000M1;点状分 布的合金强化微区域由脉冲激光束形成。
4. 根据权利要求2所述的兼具耐磨性和韧性的旋挖齿,其特征在于,环状合金强化微区 域沿齿体高度方向等间隔分布于齿体表面,单个环状合金强化微区域的熔宽为2〜5mm;环 状分布的合金强化微区域由连续激光束形成。
5. 根据权利要求2所述的兼具耐磨性和韧性的旋挖齿,其特征在于,螺旋状合金强化微 区域沿齿体高度方向呈螺旋状分布于齿体表面,螺旋状合金强化微区域的熔宽为2〜5mm; 螺旋状合金强化微区域由连续激光束形成。
6. 根据权利要求1〜5任一项所述的兼具耐磨性和韧性的旋挖齿,其特征在于,所述齿 体的材质为 H13K、321、309、310S、314、6Mo、15CrMo、42CrMo、35CrMnSi、12CrlMoV、 12CrMoWVTiB、10Cr2Mol、25Cr2MolV、20Cr3MoWv、lCrllMoV、lCrl2WmoV或2Crl2WmoNbVB;所 述增强相颗粒为31(:』4(:、11(:、2扣、¥(:、1(:、1«〇2(:、2池2、1^2粉末中的一种或多种。
7. —种如权利要求1〜6任一项所述的兼具耐磨性和韧性的旋挖齿的制备方法,包括以 下步骤:(1)原料锻造;⑵齿体车外圆台阶;(3)齿体顶端钻耐磨头槽;⑷铜焊耐磨头;(5) 热处理;(6)抛丸;(7)卡簧;⑻防锈处理;(9)在齿体表面形成合金强化微区域。
8. 根据权利要求7所述的兼具耐磨性和軔性的旋挖齿的制备方法,其特征在于,所述步 骤⑼的具体过程为: (9.1) 将步骤(8)的旋挖齿经表面处理后,装卡在激光加工机床的卡盘中,并将增强相 粉末装入送粉装置中; (9.2) 以旋挖齿齿体高度方向为激光器的激光头的进给方向,激光头发出激光,送粉装 置同步送粉,激光头进给速度与卡盘带动旋挖齿转动速度配合,根据预设的运动轨迹在旋 挖齿齿体表面形成微熔池,微熔池在随后的快速冷却凝固过程中将增强相颗粒包裹,形成 合金强化微区域。
9. 根据权利要求8所述的兼具耐磨性和韧性的旋挖齿的制备方法,其特征在于,点状分 布的合金强化微区域成型工艺为:脉冲激光功率密度为1〇3〜l〇8W/mm2,激光输出波长为 177nm〜15000nm;扫描速度2〜5mm/s,送粉速度10〜30g/min,保护气体速度10〜30L/min。
10. 根据权利要求8所述的兼具耐磨性和韧性的旋挖齿的制备方法,其特征在于,环状 分布的合金强化微区域或螺旋状合金强化微区域的成型工艺为:连续激光功率为1500〜 3000W,扫描速度2〜5mm/s,送粉速度10〜30g/min,保护气体速度10〜30L/min。
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Application publication date: 20180126