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
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
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。
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，基材韧性降低，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
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韧性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。
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。
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100～5000μm；点状分布的合金强化微区域由脉冲激光束形成。
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。
优选地，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。
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；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。
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韧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。
优选地，所述步骤(9)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。
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。
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。
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。
优选地，所述步骤(5)具体过程为：
(5.1)整体淬火，淬火温度800～1000℃，保温时间1～1.5小时，空冷；
(5.2)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；
(5.3)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韧性。
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
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
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1000μm。
本实施例的兼具耐磨性和韧性的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)齿体顶端钻耐磨头槽；
(4)铜焊耐磨头；
(5)热处理，具体过程为：
(5.1)整体淬火，淬火温度800℃，保温时间1.5小时，空冷；
(5.2)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；
(5.3)齿体高温回火，高温回火温度550℃，回火时间1.5小时，炉冷；
(6)抛丸；
(7)卡簧；
(8)防锈处理；
(9)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：
(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50～100μm之间；
(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105W/mm2，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1000μm。
实施例2：
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42CrMo，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。
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：
步骤(5)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(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。
实施例3：
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25Cr2Mo1V，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1000μm。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。
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：
步骤(5)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(9)中齿体表面形成合金强化微区域的具体过程为：
(2)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50～100μm之间；
(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；
(4)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/mm2，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1000μm。
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韧性下降小；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韧性。
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100～5000μm；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、12Cr1MoV、12CrMoWVTiB、10Cr2Mo1、25Cr2Mo1V、20Cr3MoWv、1Cr11MoV、1Cr12WmoV或2Cr12WmoNbVB；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。
7.一种如权利要求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；(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。
8.根据权利要求7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，所述步骤(9)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。
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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