CN111360232B - 一种复合截齿的制造方法及复合截齿 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合截齿的制造方法，包括如下步骤：熔炼螺纹钢和42CrMo两种金属材料的金属液；向模具中浇注螺纹钢金属液，再冷却使螺纹钢凝固；向模具中浇注42CrMo金属液，然后冷却使两种金属完成复合；在复合后铸件的凹槽中放置一块铜片，再置入待焊接的合金头，对整体加热，使铜片充分融化，将合金头与铸件焊接一体；将焊接后的整体进行后续热处理。本发明充分考虑了各种金属的热膨胀系数、凝固收缩率和线收缩率相近，且考虑了后续热处理温度对不同材料的影响，所制造截齿的综合性能满足掘进机、采煤机等机械设备的作业强度要求。
Description
技术领域
本发明涉及合金铸造成型技术领域，特别涉及一种复合截齿的制造方法及复合截齿。
背景技术
掘进机、采煤机等机械设备在作业时，需要在设备的工作部加装截齿。截齿是采掘机械切割煤和岩石的重要部件，根据不同的使用工况，截齿分为煤截齿、掘进机截齿、旋挖机截齿等，根据截齿的不同形状截齿又分为扁截齿、锥形截齿、径向截齿、切向截齿等。截齿在作业时，其工作表面与岩石、矿石等坚硬物料直接接触，将承受高的压应力、剪切应力和冲击负荷，磨损十分严重，是消耗量很大的零部件，其经常性的失效和需要更换导致挖掘、采矿等的作业效率和生产成本受到影响。
通常，截齿的工作表面与岩石、矿石等坚硬物料直接接触，宜采用耐磨的材料。而耐磨材料一般硬度较高，随之而来的是高的脆性，导致截齿在受到较大冲击载荷时容易断裂。另外，截齿是需要和机械设备的工作部连接安装的，其根部、即安装位置也需要进行机械加工，因此整体采用高脆性材料是难以实现的。总的来说，现有的单一材料难以同时兼顾高耐磨性和一定韧性的要求，因此制造的截齿也难以满足生产实际需求，而通过多种材料复合制造的截齿则可以对截齿综合性能进行改善。
发明内容
本发明的目的是为了通过多种材料复合的方式，使制造的截齿产品兼具高耐磨性和一定的韧性，满足掘进机、采煤机等机械设备的作业强度要求。
为了达到上述目的，本发明提供了一种复合截齿的制造方法，包括如下步骤：
S1、熔炼螺纹钢和42CrMo两种金属材料的金属液；
S2、向模具中浇注螺纹钢金属液，再冷却使螺纹钢凝固；
S3、向模具中浇注42CrMo金属液，然后冷却使两种金属完成复合；
S4、在复合后铸件的凹槽中放置一块铜片，再置入待焊接的合金头，对整体加热，使铜片充分融化，将合金头与铸件焊接一体；
S5、将焊接后的整体进行后续热处理。
其中，螺纹钢的浇注温度范围为1400℃~1480℃，42CrMo的浇注温度范围为1500℃~1580℃。
其中，螺纹钢和42CrMo的熔炼分别在中频的感应炉内进行，同时金属液在出炉时温度高于对应的浇注温度8~10℃，在完成螺纹钢金属液浇注3分钟后再浇注42CrMo金属液。
其中，S2完成后，将螺纹钢铸件的表面覆盖硼砂添加剂，硼砂添加剂成分重量百分比为50wt.%硼砂+50wt.%石墨粉。
其中，S3完成后，将双金属铸件的表面覆盖硼砂添加剂，硼砂添加剂成分重量百分比为55wt.%硼砂+45wt.%石墨粉。
其中，S4中将整体经过高频电阻炉加热，加热时间为3分钟，加热温度为860°。
其中，S5具体包括：
退火处理，采取阶梯加热方式，以小于40℃/h的速度缓慢加热到650℃，保温2小时，确保铸件的两层温度达到一致，避免温度差导致内部出现微裂纹；进一步加热至1100℃，随炉缓慢冷却至室温；进行淬火处理，淬火加热过程采用阶梯加热，加热到980℃后保温一段时间，将产品从热处理炉中取出，然后空冷；进行高温回火处理，回火温度为550℃，消除淬火时产生的内应力。
本发明还提供了复合截齿的另一种制造方法，包括如下步骤：
S1、熔炼42CrMo金属材料的金属液；
S2、对螺纹钢固体芯材预热，然后置入模具的型腔中固定；
S3、向模具中浇注42CrMo金属液，然后冷却使两种金属完成复合；
S4、在复合后铸件的凹槽中放置一块铜片，再置入待焊接的合金头，对整体加热，使铜片充分融化，将合金头与铸件焊接一体；
S5、将焊接后的整体进行后续热处理。
本发明还提供了一种通过上述方法制造的复合截齿，包括与机械设备连接的根部和设置工作面的基体，所述基体主要由呈锥形的头部以及一端与所述根部一体连接的、呈圆柱形的轴部组成，所述头部的工作面成型有一凹槽，所述凹槽内设置有一合金头，所述合金头通过焊接的方式与所述凹槽内壁连接；所述根部的材质为螺纹钢，所述基体的材质为42CrMo，所述合金头的材质为30CrMnSi，所述根部与所述基体通过铸造方式连为一体。
本发明还提供了另一种通过上述方法制造的复合截齿，包括位于内层的芯体和位于外层的基体，所述芯体设置呈圆柱形，所述基体主要由呈锥形的头部以及呈圆柱形的轴部组成，且所述头部与所述轴部一体设置，所述芯体共轴地设置在所述基体内部。所述头部的工作面成型有一凹槽，所述凹槽内设置有一合金头，所述合金头通过焊接的方式与所述凹槽内壁连接；所述芯体的材质为螺纹钢，所述基体的材质为42CrMo，所述合金头的材质为30CrMnSi，所述芯体与所述基体通过铸造方式连为一体。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明采用多金属复合的方式制造截齿，通过螺纹钢和42CrMo材质的浇注复合，以及硬质合金与42CrMo的焊接形成，充分考虑了各种金属的热膨胀系数、凝固收缩率和线收缩率相近，且考虑了后续热处理温度对不同材料的影响，所制造截齿的工作部具有较高的硬度和耐磨性，过渡部分具有一定耐磨性的同时能保持较好的塑性和韧性，安装根部的塑性高，易于加工与装配，综合性能满足掘进机、采煤机等机械设备的作业强度要求。
附图说明
图1为本发明的一种复合截齿示意图；
图2为本发明的另一种复合截齿示意图；
图3为本发明使用的一种模具；
图4为本发明使用的另一种模具。
【附图标记说明】
1-芯体；2-基体；21-头部；22-轴部；23-凹槽；3-合金头；4-根部；5-内浇包；6-外浇包。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1：
本发明的实施例1提供了一种复合截齿的制造方法。
选择螺纹钢、42CrMo为制备双金属复合截齿的材料成分，其中螺纹钢的规格为HRB400，通过双液复合铸造的方式。首先熔炼两种材料的金属液，将螺纹钢和42CrMo分别在中频的感应炉内进行，同时监测、控制熔炼温度以及出炉浇注温度，保证金属液在出炉时温度高于浇注温度8~10℃。
其中，浇注温度是分别根据螺纹钢和42CrMo的液相线选择的，螺纹钢的浇注温度范围为1400℃~1480℃，42CrMo的浇注温度范围为1500℃~1580℃，在本实施例中分别选择1450℃以及1550℃，浇注模具如图3所示，先向内浇包5中浇注螺纹钢，再向外浇包6中浇注42CrMo，先后浇注两种金属液复合成双金属铸件。
由于双液铸造中影响界面结合质量的主要因素是不同金属液的浇注时间以及时间间隔，当后浇注的金属液正好使刚凝固的前浇注金属表面局部微熔，产生冶金结合时铸造质量较佳。温度太低或时间间隔太长会导致“冷隔”，即界面未结合在一起，温度过高或时间间隔过短则会导致“混冲”现象。当然还存在其他影响因素。经过综合考虑及测试，设定浇注时间间隔为3分钟。
优选地，采用前期慢速、中期快速和后期慢速的浇注方式，前期保证气体在浇注系统中通畅，中期加快浇注速度提高效率，后期降低速度进行补缩，同时确保浇注速度稳定均匀不发生断流。
优选地，当浇注完第一层的螺纹钢金属液后，将表面覆盖硼砂添加剂，硼砂添加剂成分重量百分比为50wt.%硼砂+50wt.%石墨粉。其中，硼砂是常用的铸件表面清洁剂，也能作为金属熔体表面的清洁剂和覆盖剂，主要起清洁保护作用，而石墨粉主要起保温作用，防止螺纹钢冷却过快，避免出现“冷隔”现象。
在完成螺纹钢与42CrMo两种金属的浇注并冷却复合后，对截齿工作面上的合金头进行焊接。首先加入硼砂添加剂，使双金属铸件表面覆盖有硼砂添加剂，此处硼砂添加剂成分重量百分比为55wt.%硼砂+45wt.%石墨粉，然后在铸件的凹槽中的硼砂添加剂上层放置一块0.5mm厚的铜片，其直径小于凹槽尺寸，然后再置入待焊接的合金头，将整体经过高频电阻炉加热，加热时间为3分钟，加热温度为860°，使铜片充分融化，保证合金头与双金属铸件焊接一体。在本实施例中合金头的材质为30CrMnSi。
由于铸造环境的影响，上述铸件在铸造及焊接完成后铸态组织和元素分布难以达成一致，同时由于铸件凹槽位置的形状较为复杂，复合后容易产生较大的残余应力，因此必须通过后续热处理工艺使组织均匀化，消除残余应力。因此还设置后续热处理步骤，将截齿在高温热处理炉中进行，具体为：
先进行退火处理，采取阶梯加热方式，以小于40℃/h的速度缓慢加热到650℃，保温2小时左右，确保铸件的两层温度达到一致，避免温度差导致内部出现微裂纹；然后进一步加热至1100℃，随炉缓慢冷却至室温；再进行淬火处理，淬火加热过程同样采用阶梯加热，并进一步延长加热时间，加热到980℃后保温一段时间，将产品从热处理炉中取出，然后空冷；最后进行高温回火处理，回火温度为550℃，消除淬火时产生的内应力。
实施例2：
本发明的实施例2提供了另一种复合截齿的制造方法，和实施例1的主要区别是采用了固液复合铸造的方式。
选择螺纹钢、42CrMo为制备双金属复合截齿的材料成分，螺纹钢的规格为HRB400，作为固液复合铸造的芯材，先进行预热，并在表面覆盖硼砂添加剂，硼砂添加剂成分重量百分比为50wt.%硼砂+50wt.%石墨粉，然后将芯材放置在如图4所示的模具中，在本实施例中固、液的体积比为1:8.5左右，利于界面有效的冶金结合。
将42CrMo在中频的感应炉内熔炼，同时监测、控制熔炼温度以及出炉浇注温度，保证金属液在出炉时温度高于浇注温度8~10℃。
浇注温度根据42CrMo的液相线选择1580℃，直接将42CrMo浇注液注入模具，同样控制前期慢速、中期快速和后期慢速的浇注方式，直至完成全部浇注并补缩。
在42CrMo与螺纹钢冷却复合后，对截齿工作面上的合金头进行焊接。首先加入硼砂添加剂，使双金属铸件表面覆盖有硼砂添加剂，此处硼砂添加剂成分重量百分比为55wt.%硼砂+45wt.%石墨粉，然后在铸件的凹槽中的硼砂添加剂上层放置一块0.5mm厚的铜片，其直径小于凹槽尺寸，然后再置入待焊接的合金头，将整体经过高频电阻炉加热，加热时间为3分钟，加热温度为860°，使铜片充分融化，保证合金头与双金属铸件焊接一体。在本实施例中合金头的材质为30CrMnSi。
最后进行热处理步骤，先进行退火处理，采取阶梯加热方式，以小于40℃/h的速度缓慢加热到650℃，保温2小时左右，确保铸件的两层温度达到一致，避免温度差导致内部出现微裂纹；然后进一步加热至1100℃，随炉缓慢冷却至室温；再进行淬火处理，淬火加热过程同样采用阶梯加热，并进一步延长加热时间，加热到980℃后保温一段时间，将产品从热处理炉中取出，然后空冷；最后进行高温回火处理，回火温度为550℃，消除淬火时产生的内应力。
相对于实施例1的双液复合铸造，采用固液复合铸造的方式不需要控制两次浇注过程，因此具有工艺简单，能适应形状复杂的铸件，生产效率高、成本低的优势。然而，固液铸造的结合区域容易出现气孔、杂质等，同时预热后的螺纹钢芯体在出炉并搬运至模具的过程中表面容易发生氧化现象，即便涂覆硼砂添加剂也不能完全避免，结合后较容易产生微裂纹，相对于双液复合铸造的方式其复合质量偏低。同时，本发明的截齿设置有一安装合金头的凹槽，主要通过42CrMo浇注冷却形成，而作为芯体的螺纹钢形状简单，因此难以利用固液复合铸造的优势。由上分析，实施例1为本发明较佳的实施方式，实施例2为可选择的实施方式。
实施例3：
本发明的实施例3提供了一种复合截齿，如图1所示，包括位于内层的芯体1和位于外层的基体2。芯体1呈圆柱形，基体2包括锥形的头部21和圆柱形的轴部22，且头部21与轴部22一体设置，芯体1共轴地设置在基体2内部。基体2头部22的工作面成型有一凹槽23，凹槽23内设置有一合金头3，通过焊接的方式与凹槽23内壁连接。
其中，芯体1的材质为螺纹钢，基体2的材质为42CrMo，合金头3的材质为30CrMnSi。30CrMnSi为硬质合金，具有较高的硬度和耐磨性，42CrMo热处理后组织为马氏体组织，具有一定耐磨性的同时能保持较好的塑性和韧性，而螺纹钢韧性偏高，与42CrMo材质的轴部22共同组成作为安装轴的、易于加工的截齿根底。
其中，芯体1与基体2通过铸造方式连为一体，合金头3与基体2头部21通过焊接的方式连为一体，从而形成截齿整体结构。
其中，基体2头部21的底端还成型有一段柱形的台阶，以提高强度。
实施例4：
本发明的实施例4提供了一种复合截齿，如图2所示，包括与机械设备连接的根部4和设置工作面的基体2。在本实施例中基体2主要由锥形的头部21以及一端与圆柱形根部4一体连接的、呈圆柱形的轴部22组成，同时头部21的工作面成型有一凹槽23，凹槽23内设置有一合金头3，通过焊接的方式与凹槽23内壁连接。
其中，根部4的材质为螺纹钢，基体2的材质为42CrMo，合金头3的材质为30CrMnSi，30CrMnSi为硬质合金，具有较高的硬度和耐磨性，42CrMo热处理后组织为马氏体组织，具有一定耐磨性的同时能保持较好的塑性和韧性，而螺纹钢韧性偏高，作为与设备连接的、易于加工的截齿根底。
其中，根部4与基体2轴部22通过铸造方式连为一体，合金头3与基体2头部21通过焊接的方式连为一体，形成截齿整体结构。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种复合截齿的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、熔炼螺纹钢和42CrMo两种金属材料的金属液；
S2、向模具中浇注螺纹钢金属液，再冷却使螺纹钢凝固；
S3、向模具中浇注42CrMo金属液，然后冷却使两种金属完成复合；
S4、在复合后铸件的凹槽中放置一块铜片，再置入待焊接的合金头，对整体加热，使铜片充分融化，将合金头与铸件焊接一体；
S5、将焊接后的整体进行后续热处理；
S2完成后，将螺纹钢铸件的表面覆盖硼砂添加剂，硼砂添加剂成分重量百分比为50wt.%硼砂+50wt.%石墨粉；
S3完成后，将双金属铸件的表面覆盖硼砂添加剂，硼砂添加剂成分重量百分比为55wt.%硼砂+45wt.%石墨粉；
S4中将整体经过高频电阻炉加热，加热时间为3分钟，加热温度为860°；
S5具体包括：退火处理，采取阶梯加热方式，以小于40℃/h的速度缓慢加热到650℃，保温2小时，确保铸件的两层温度达到一致，避免温度差导致内部出现微裂纹；进一步加热至1100℃，随炉缓慢冷却至室温；进行淬火处理，淬火加热过程采用阶梯加热，加热到980℃后保温一段时间，将产品从热处理炉中取出，然后空冷；进行高温回火处理，回火温度为550℃，消除淬火时产生的内应力。
2.根据权利要求1所述的复合截齿的制造方法，其特征在于，螺纹钢的浇注温度范围为1400℃~1480℃，42CrMo的浇注温度范围为1500℃~1580℃。
3.根据权利要求2所述的复合截齿的制造方法，其特征在于，螺纹钢和42CrMo的熔炼分别在中频的感应炉内进行，同时金属液在出炉时温度高于对应的浇注温度8~10℃；同时在完成螺纹钢金属液浇注3分钟后再浇注42CrMo金属液。
4.一种复合截齿的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、熔炼42CrMo金属材料的金属液；
S2、对螺纹钢固体芯材预热，然后置入模具的型腔中固定；
S3、向模具中浇注42CrMo金属液，然后冷却使两种金属完成复合；
S4、在复合后铸件的凹槽中放置一块铜片，再置入待焊接的合金头，对整体加热，使铜片充分融化，将合金头与铸件焊接一体；
S5、将焊接后的整体进行后续热处理；具体包括：退火处理，采取阶梯加热方式，以小于40℃/h的速度缓慢加热到650℃，保温2小时，确保铸件的两层温度达到一致，避免温度差导致内部出现微裂纹；进一步加热至1100℃，随炉缓慢冷却至室温；进行淬火处理，淬火加热过程采用阶梯加热，加热到980℃后保温一段时间，将产品从热处理炉中取出，然后空冷；进行高温回火处理，回火温度为550℃，消除淬火时产生的内应力；
所制造的复合截齿包括位于内层的芯体和位于外层的基体，所述芯体设置呈圆柱形，所述基体主要由呈锥形的头部以及呈圆柱形的轴部组成，且所述头部与所述轴部一体设置，所述芯体共轴地设置在所述基体内部，所述头部的工作面成型有一凹槽，所述凹槽内设置有一合金头，所述合金头通过焊接的方式与所述凹槽内壁连接；所述芯体的材质为螺纹钢，所述基体的材质为42CrMo，所述合金头的材质为30CrMnSi。
5.一种采用如权利要求1-3任一项所述的方法制造的复合截齿，其特征在于，包括与机械设备连接的根部和设置工作面的基体，所述基体主要由呈锥形的头部以及一端与所述根部一体连接的、呈圆柱形的轴部组成，所述头部的工作面成型有一凹槽，所述凹槽内设置有一合金头，所述合金头通过焊接的方式与所述凹槽内壁连接；所述根部的材质为螺纹钢，所述基体的材质为42CrMo，所述合金头的材质为30CrMnSi，所述根部与所述基体通过铸造方式连为一体。
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