CN108977631A - 一种高性能截齿及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高性能截齿及其制造方法，包括齿尖、齿体。齿体为高强、高韧、高耐磨钢，化学成分按重量百分比wt％为，C：0.30～0.40、Si：2.30～2.50、Mn：2.20～2.60、Cr：0.80～1.50、Mo：0.35～0.45、Re：0.01～0.1、Nb：0.02～0.04、S＜0.01、P＜0.01，其余为Fe。原料经过精炼后浇铸得到钢锭或连铸得到连铸坯，轧制成圆钢后进行切割及退火处理，最后冷锻成截齿齿体。齿尖由硬质合金制成并通过中频感应加热焊接在所述齿体上，降温处理后进行等温淬火处理，最后出炉空冷至室温。最后得到的齿体抗拉强度σb：1700～2000MPa、屈服强度σs：1100～1520MPa、延伸率δ16～35％、断面收缩率

Description

一种高性能截齿及其制造方法
技术领域
本发明涉及采煤用零部件制造领域，具体涉及一种高性能截齿及其制造方法。
背景技术
截齿是煤炭行业综采机组上直接切割煤岩的关键零部件，截齿直接截割煤岩，不仅要破碎煤和软岩，而且还要在中等硬度的半煤岩中掘进，因而磨损严重。截齿失效形式表现为截齿体头部磨损后硬质合金齿尖脱落、齿尖破碎、齿体弯曲或折断，其中截齿体头部磨损造成齿尖脱落失效约占所有失效形式的85％。脱落原因在于，现有的矿用截齿是将硬质合金齿尖镶嵌在合金钢截齿体头部的凹孔内，并通过钎焊固定连接。在采掘过程中，整个截齿伸入煤矿层中，其中硬质合金齿尖直接切割煤岩，镶嵌硬质合金齿尖的齿体前端受到矿岩层的强力摩擦。虽然硬质合金齿尖硬度高、耐磨性能好，但由于截齿体一般采用中碳高强度合金钢经调质处理加工而成，其硬度和强度远低于头部镶嵌的硬质合金齿尖，从而使截齿体极不耐磨，甚至折断，使硬质合金齿尖过早地脱落，导致整个截齿提前损毁失效。传统上采用对截齿柄表面堆焊一层耐磨焊条增加耐磨性，以达到保护截齿体头部的目的，但效果不明显且增加成本。
频繁地更换截齿导致大量的截齿消耗，不仅增加了开采成本，而且降低生产效率。为了提高截齿的使用寿命，首先要保证截齿体表面要有足够的耐磨、耐腐蚀、抗冲击性能。特别是在金刚石复合截齿头的出现，它的高耐磨性高寿命要求截齿体具有更高的抗拉强度、冲击韧性和硬度。并且随着煤矿采掘机机械化程度的提高，采煤机、掘进机的截割功率不断加大，由此带来的是与之配套的矿用截齿消耗量的加大。故而，研制一种工艺先进，技术稳定，并能显著提高截齿体耐磨、耐腐蚀、抗冲击性能，进而延长截齿使用寿命的高强高韧耐磨钢截齿体和热处理技术具有非常重要的意义。
中国发明专利CN95112052.2公开了一种采煤机截齿中频焊接淬火一次完成复合工艺，将截齿齿体放入中频感应加热设备的铜线圈中进行中频加热焊接硬质合金刀头，后直接将焊接好带硬质合金刀头的齿体放入260-290℃的硝盐槽中淬火冷却，即可一次完成焊接淬火复合工艺。
又如中国发明专利CN201210425945.9公开了一种采煤机截齿的生产方法，通过感应加热的将截齿与齿头焊接在一起，(1)将齿体齿孔与齿头配合；(2)将配合好的截齿逐次进入感应器的加热区；(3)截齿进入感应器的焊接区时，首先向合金齿头上补撒硼砂，待铜融化后轻摇合金，使铜液充满焊缝周围；(4)等温热处理，等温槽温度控制在230℃～270℃，将焊接好的截齿浸入等温槽盐液中，温度达到265℃时开始送水降温，且保证加水之后等温槽的温度不小于230℃；(5)截齿在等温槽内变化不超过20℃的恒定温度状态下停留的时间不小于30分钟；(6)达到等温时间后将截齿提出液面，淋盐后迅速清洗冷却得到产品。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种高性能截齿及其制造方法，提高截齿的硬度以及强度、耐磨、耐腐蚀、抗冲击性能。
为解决上述问题，本发明采取如下技术方案，一种高性能截齿，包括齿尖、齿体，所述齿尖通过中频感应加热焊接在所述齿体上，所述齿尖由硬质合金制成，所述齿体由高强、高韧、耐磨钢制成，其特征在于：所述齿体的化学成分按质量百分比wt％为，C：0.30～0.40、Si：2.30～2.50、Mn：2.20～2.60、Cr：0.80～1.50、Mo：0.35～0.45、Re：0.01～0.1、Nb：0.02～0.04、S＜0.01、P＜0.01，其余为Fe。
进一步的，所述齿体的抗拉强度σb：1700～2000MPa、屈服强度σs：1100～1520MPa、延伸率δ：16～35％、断面收缩率冲击功AkU：55～90J、硬度HRC：53～62、强塑积：32～51GPa·％。
进一步的，所述齿体的显微组织为无碳化物贝氏体-马氏体复相组织，亚结构板条厚度为10～50nm。
一种用于制造上述齿体用的高强、高韧、高耐磨钢的方法，包括冶炼、轧制、精锻，所述冶炼包括以下步骤，
步骤一：将原料通过电弧炉或中频感应炉冶炼得到钢液；
步骤二：将钢液依次进行LF、VD精炼，出钢温度1550℃±20℃；
步骤三：将精炼后的钢液浇入钢锭模得到钢锭，或浇入连铸结晶器得到连铸坯；
所述轧制包括以下步骤，
步骤一：将钢锭或连铸坯轧制成圆钢，开轧温度1200℃±50℃，终轧温度930℃±50℃；
步骤二：将轧制后得到的圆钢切割成长度为6-12米；
步骤三：切割后的圆钢进行球化退火处理，球化退火工艺为加热至730℃±10℃、保温5h后，冷却到700℃±10℃、保温5h，再炉冷。
所述精轧包括以下步骤，
步骤一：将退火后的圆钢切割成截齿体相应的尺寸，再冷锻成截齿齿体。
进一步的，所述方法制得的高强、高韧、高耐磨钢的抗拉强度σb：1700～2000MPa、屈服强度σs：1100～1520MPa、延伸率δ16～35％、断面收缩率冲击功AkU：55～90、硬度HRC：53～62、强塑积32～51GPa·％。
进一步的，所述高强、高韧、高耐磨钢的显微组织为无碳化物贝氏体-马氏体复相组织，亚结构板条厚度为10～50nm。
一种用于制造上述高性能截齿的方法，该方法包括以下步骤，
步骤一：采用中频感应热处理焊接一体机通过中频感应焊接工艺将所述齿尖焊接在所述齿体上；
步骤二：对中频感应焊接得到的截齿进行降温处理；
步骤三：对降温后的截齿进行等温淬火处理；
步骤四：将热处理后的截齿出炉空冷至室温。
进一步的，所述中频感应焊接将齿体与铜粉加热到910℃～950℃，感应加热时间为2min～10min。
进一步的，所述降温处理采用风冷将焊接后的截齿冷却至320℃～400℃，控制冷却速度≥20℃/min。
进一步的，所述热处理为采用网带式热处理炉或者盐浴进行等温淬火，所述等温淬火的等温温度为280℃～320℃，等温时间为2h-6h。
与现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下优点：
(1)优化了齿体的化学成分，得到的截齿体的显微组织为无碳化物贝氏体-马氏体复相组织，并且控制其亚结构板条厚度为10～50nm，提高了齿体的硬度、强度、韧性、耐磨性能，避免了齿体过早失效而频繁更换齿尖，延长了齿体的使用寿命进而延长了截齿的使用寿命，节省开采成本，提高了开采的工作效率；
(2)齿体的抗拉强度σb：1700～2000MPa、屈服强度σs：1100～1520MPa、延伸率δ16～35％、断面收缩率冲击功Aku：55～90J、硬度HRC：53～62、强塑积≥51GPa·％，与现有齿体相比，本发明所提供的齿体的各项性能大幅度提高，能够适应大功率掘进机的采掘要求；
(3)本发明在对钢的成分设计的基础上，测定等温和连续转变曲线，初步确定热处理工艺。等温淬火工艺：将试样奥氏体化加热以后，从加热炉内取出，在空气中冷却，当冷却至温度值超过Ms点20～40℃时，放入盐浴炉中保温，盐浴温度低于Ms点30～10℃。保温设定时间后取出空冷。连续冷却曲线的应用是冷却速度大于珠光体转变速度，从而避免了珠光体的形成。根据等温转变时不同的盐浴温度和等温时间与性能的关系，选择了最佳的等温淬火温度与时间。连续冷却回火温度与性能有着对应关系，选择最佳的回火温度与回火时间。并且控制体系在Ms点附近转变，得到纳米贝氏体组织。
经淬火、回火热处理工艺后，用EBSD技术分析了马氏体、贝氏体和残余奥氏体的体积分数，利用高分辨率透射电镜测定了贝氏体、马氏体和奥氏体的板条厚度，并测定了热处理后式样的拉伸性能、冲击韧性和硬度值，最终确定了热处理工艺。
(4)本发明提供的淬火、回火通过预马氏体形成处理工艺，促进了贝氏体转变速度，转变速度可提高四分之一；
克服了等温转变工艺时间长，效率低的弊端，适宜工业化生产，进而克服了等温淬火工艺在工业化生产中的不可操作性；
(5)通过中频感应热处理焊接一体机将硬质合金齿尖焊接在齿体上，焊接的同时完成齿体的奥氏体化过程，实现了热处理过程和焊接过程的一体化。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面对本发明内容做进一步详细说明，实施例只是用于说明本发明，而不是用于对别本发明进行限制。本发明中材料的力学性能测试均根据相应的国家标准进行测试。
本发明提供了一种高性能截齿，包括齿尖、齿体，所述齿尖由硬质合金制成并通过中频感应加热焊接在所述齿体上，所述齿体由高强、高韧、耐磨钢制成。所述齿体的化学成分按质量百分比wt％为，C：0.30～0.40、Si：2.30～2.50、Mn：2.20～2.60、Cr：0.80～1.50、Mo：0.35～0.45、Re：0.01～0.1、Nb：0.02～0.04、S＜0.01、P＜0.01，其余为Fe。体系中的Si元素达到一定含量后会抑制碳化物析出，Mn元素能够增加增加淬透性，在转变时不易形成珠光体。各实施例以中齿体的化学成分(按质量百分比wt％)如下表1所示。
表1.齿体化学成分
C Si Mn Cr Mo Re Nb
实施例1 0.30 2.5 2.2 0.8 0.4 0.01 0.04
实施例2 0.4 2.4 2.2 1.5 0.45 0.05 0.04
实施例3 0.4 2.5 2.2 1.5 0.45 0.01 0.02
实施例4 0.35 2.3 2 1.1 0.4 0.02 0.03
实施例5 0.32 2.35 2.3 1.2 0.35 0.04 0.04
实施例6 0.38 2.45 2.5 1.4 0.42 0.07 0.04
原料通过冶炼、轧制、精锻过程得到截齿体，其中所述冶炼工艺包括的步骤如下：
步骤一：将原料通过电弧炉或中频感应炉冶炼得到钢液；
步骤二：将钢液依次进行LF、VD精炼，出钢温度1550℃±20℃；
步骤三：将精炼后的钢液浇入钢锭模得到钢锭，或浇入连铸结晶器得到连铸坯；
所述轧制工艺包括的步骤如下：
步骤一：将钢锭轧制呈圆钢，开轧温度1200℃±50℃，终轧温度930℃±50℃；
步骤二：将轧制后的圆钢切割成长度为6-12米；
步骤三：切割后的圆钢进行球化退火处理，球化退火工艺为加热至730℃±10℃、保温5h后，冷却到700℃±10℃、保温5h，再炉冷。
所述精轧工艺包括的步骤如下：
步骤一：将退火后的圆钢切割成截齿体相应的尺寸，再冷锻成截齿齿体。
各实施例进行冶炼、轧制、精轧时的工艺参数即：VD精炼后的出钢温度，轧制时的开轧温度、终轧温度，球化退火处理时加热温度、冷却温度如下表2所示，表中所列各温度的单位为摄氏度
表2.冶炼、轧制、球化退火时的工艺参数
出钢温度 开轧温度 终轧温度 加热温度 冷却温度
实施例1 1550 1250 1000 740 690
实施例2 1560 1250 950 720 680
实施例3 1560 1200 950 720 680
实施例4 1560 1260 1000 740 690
实施例5 1550 1260 1000 720 690
实施例6 1550 1250 1000 730 700
按照上述工艺得到齿体后，通过中频感应热处理焊接一体机将硬质合金齿尖焊接在齿体上，焊接的同时完成齿体的奥氏体化过程，实现了焊接过程和热处理过程的一体化，随后对焊接后的截齿进行等温淬火处理，并最终完成对齿体的热处理过程，具体步骤如下：
步骤一：通过中频感应热处理焊接一体机将齿尖焊接在齿体上，将齿体与铜粉加热到910℃～950℃，感应加热时间为2～10min；
步骤二：将中频感应焊接得到的截齿降温处理至320℃～400℃，控制冷却速度≥20℃/min，控制冷却速度大于20℃/min，可以保证不形成珠光体组织。将齿体直接冷却到320℃～400℃，避免齿体在较高温度进行贝氏体转变，使组织粗大。
步骤三：对冷却后的截齿进行热处理，热处理方式采用网带式热处理炉或者盐浴进行等温淬火，所述等温淬火的等温温度为280℃～320℃，等温时间为2h～6h；处理时使体系在Ms点附近转变，得到纳米贝氏体组织。
步骤四：将热处理后的截齿出炉空冷至室温。
上述热处理工艺具体确定流程是在对钢的成分设计的基础上，测定等温和连续转变曲线后，初步确定热处理工艺，连续冷却曲线的应用是为了保证冷却速度大于珠光体转变速度，从而避免了珠光体的形成。
热处理的初步确定过程如下：
(1)将试样奥氏体化加热以后，从加热炉内取出，在空气中冷却，当冷却至温度值超过Ms点20～40℃时，放入盐浴炉中保温，盐浴温度低于Ms点30～10℃，保温设定时间后取出空冷。
(2)根据等温转变时不同的盐浴温度和等温时间与性能的关系，选择了最佳的等温淬火温度与时间。
(3)连续冷却回火温度与性能有着对应关系，选择最佳的回火温度与回火时间。并且控制体系在Ms点附近转变，得到纳米贝氏体组织。
通过上述初步确定的淬火、回火热处理工艺对制得的试样进行热处理后，测定试样性能并确定最终的热处理工艺，具体过程如下：
(1)用EBSD技术分析了马氏体、贝氏体和残余奥氏体的体积分数；
(2)利用高分辨率透射电镜测定了贝氏体、马氏体和奥氏体的板条厚度；
(3)测定热处理后试样的拉伸性能、冲击韧性和硬度值；
(4)通过分析马氏体、贝氏体和残余奥氏体的体积分数及对应的板条厚度，结合试样的拉伸性能、冲击韧性和硬度值，分析最佳热处理工艺。
本发明提供的淬火、回火通过预马氏体形成处理工艺，促进贝氏体转变速度，转变速度可提高四分之一。并且还克服了等温转变工艺时间长，效率低的弊端，适宜工业化生产，进而克服了等温淬火工艺在工业化生产中的不可操作性。
各实施例焊接及热处理工艺参数如下表3所示。即：感应焊接的加热温度、时间，焊接后降温处理的冷却温度、冷却速度，等温淬火的方式、温度、时间。表中温度的单位为摄氏度(℃)，时间单位为小时(h)，降温速度的单位为(℃/min)，网带即指网带式热处理炉。
表3.焊接处理及热处理工艺参数
将硬质合金齿尖通过中频感应热处理焊接一体机焊接在齿体上，并经过热处理后截齿体内部可获得无碳化物贝氏体-马氏体复相组织，亚结构板条厚度为10～50nm。板条厚度尺寸越小，材料的强度、硬度、延伸率、冲击功等性能越高。截齿体的抗拉强度σb：1700～2000MPa、屈服强度σs：1100～1520MPa、延伸率δ16～35％、断面收缩率冲击功AkU：55～90J、硬度HRC：53～62、强塑积32～51GPa·％。各实施例中截齿体内部亚结构板条厚度及力学性能见表4：
表4.截齿体亚结构板条厚度、力学性能
采用上述成分、齿体锻造工艺、焊接热处理工艺制得的齿体具有更高的抗拉强度、冲击韧性和硬度，在使用过程中具有足够的耐磨、耐腐蚀、抗冲击性能，能够适应大功率条件下工作，并且不会因齿体性能过差导致齿尖过早脱落，因此也提高题截齿的使用寿命。
上述内容对实施例做了详细的说明，但本发明不受上述实施方式和实施例的限制，在不脱离本发明宗旨的前提下，在本领域技术人员所具备的知识范围内还可以对其进行各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明要保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种高性能截齿，包括齿尖、齿体，所述齿尖通过中频感应加热焊接在所述齿体上，所述齿尖由硬质合金制成，所述齿体由高强、高韧、耐磨钢制成，其特征在于：所述齿体的化学成分按质量百分比wt％为，C：0.30～0.40、Si：2.30～2.50、Mn：2.20～2.60、Cr：0.80～1.50、Mo：0.35～0.45、Re：0.01～0.1、Nb：0.02～0.04、S＜0.01、P＜0.01，其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的高性能截齿，其特征在于：所述齿体的抗拉强度σb：1700～2000MPa、屈服强度σs：1100～1520MPa、延伸率δ：16～35％、断面收缩率冲击功AkU：55～90J、硬度HRC：53～62、强塑积：32～51GPa·％。
3.根据权利要求2所述的高性能截齿，其特征在于：所述齿体的显微组织为无碳化物贝氏体-马氏体复相组织，亚结构板条厚度为10～50nm。
4.一种用于制造权利要求3所述齿体用的高强、高韧、高耐磨钢的方法，包括冶炼、轧制、精锻，其特征在于：
所述冶炼包括以下步骤，
步骤一：将原料通过电弧炉或中频感应炉冶炼得到钢液；
步骤二：将钢液依次进行LF、VD精炼，出钢温度1550℃±20℃；
步骤三：将精炼后的钢液浇入钢锭模得到钢锭，或浇入连铸结晶器得到连铸坯；
所述轧制包括以下步骤，
步骤一：将钢锭或连铸坯轧制成圆钢，开轧温度1200℃±50℃，终轧温度930℃±50℃；
步骤二：将轧制后得到的圆钢切割；
步骤三：切割后的圆钢进行球化退火处理，球化退火工艺为加热至730℃±10℃、保温5h后，冷却到700℃±10℃、保温5h，再炉冷。
所述精轧包括以下步骤，
步骤一：将退火后的圆钢切割成截齿体相应的尺寸，再冷锻成截齿齿体。
5.根据权利要求4所述的制造高强、高韧、高耐磨钢的方法，其特征在于：所述方法制得的高强、高韧、高耐磨钢的抗拉强度σb：1700～2000MPa、屈服强度σs：1100～1520MPa、延伸率δ16～35％、断面收缩率冲击功AkU：55～90J、硬度HRC：53～62、强塑积32～51GPa·％。
6.根据权利要求4所述的制造高强、高韧、高耐磨钢的方法，其特征在于：所述高强、高韧、高耐磨钢的显微组织为无碳化物贝氏体-马氏体复相组织，亚结构板条厚度为10～50nm。
7.一种用于制造权利要求1中所述高性能截齿的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，
步骤一：采用中频感应热处理焊接一体机通过中频感应焊接工艺将所述齿尖焊接在所述齿体上；
步骤二：对中频感应焊接得到的截齿进行降温处理；
步骤三：对降温后的截齿进行等温淬火处理；
步骤四：将热处理后的截齿出炉空冷至室温。
8.根据权利要求7所述的制造高性能截齿的方法，其特征在于：所述中频感应焊接将齿体与铜粉加热到910℃～950℃，感应加热时间为2min～10min。
9.根据权利要求7所述的制造高性能截齿的方法，其特征在于：所述降温处理采用风冷将焊接后的截齿冷却至320℃～400℃，控制冷却速度≥20℃/min。
10.根据权利要求7所述的制造高性能截齿的方法，其特征在于：所述热处理为采用网带式热处理炉或者盐浴进行等温淬火，所述等温淬火的等温温度为280℃～320℃，等温时间为2h-6h。
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