CN115075817A - 兼具耐磨性和韧性的大齿头双金属复合截齿及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明专利涉及截齿领域，具体涉及一种兼具耐磨性和韧性的大齿头双金属复合截齿及其制备方法。本发明的截齿包括齿柄和齿头，齿头下部嵌入齿柄上的凹槽中，齿头和齿柄的结合方式为通过连接粉末的冶金结合；所述齿头的材料为高硬度耐磨材料，所述齿柄的材料为中碳合金钢。采用将特定成分的高硬度耐磨材料齿头与中碳合金钢齿柄通过连接粉末进行冶金结合的方式，制成一种兼具耐磨性和韧性的大齿头双金属复合截齿。制备方法简便，制备温度相对较低，降低了生产成本。制备成的截齿的齿头与齿柄结合良好，齿柄韧性强，不易出现提前失效，因而截齿的齿头可以采用更大的尺寸，增加了截齿的使用寿命。
Description
技术领域
本发明专利涉及截齿领域，具体涉及一种兼具耐磨性和韧性的大齿头双金属复合截齿及其制备方法。
背景技术
我国是能源产量大国，截止2017年煤炭占中国能源的68.6％，故而对煤炭开采依赖的机械设备和开采效率就有了越来越高的要求。截齿作为煤炭开采的刀具就尤为重要，截齿的好坏，直接影响采煤的成本和效率，同时也是消耗量最大的零件之一。截齿的失效形式主要为截齿磨损失效、齿头硬质合金脱落失效、齿头硬质合金碎裂失效、截齿齿体折断失效、截齿齿体弯曲失效和截齿丢失。
目前截齿的制备办法有两种，第一种使用钨钴烧结而成的硬质合金作为截齿齿头，齿体为低合金钢锻造成型，最后使用钎焊和堆焊工艺将齿头和齿柄结合起来，进而制成采煤机截齿。但是这种方法有两个弊端，一方面钨钴烧结而成的硬质合金成本较高，另一方面硬质合金的可焊性差，在焊接加热时易出现裂纹，并且硬质合金与低合金钢齿体在以钎焊方法结合时，当外表堆焊部位磨掉后，易出现钨钴硬质合金脱落造成截齿提前失效，而钨钴硬质合金还有很多未被磨损的部分而造成浪费；另一种方法采用砂型铸造工艺，其中齿头为耐磨铸铁，将齿头固定在砂型磨具中，将低合金金属液通过浇铸，将齿柄与齿头连接，其连接方式为部分或全部冶金结合，虽然其使用寿命得到提高，但是铸造的齿柄晶粒粗大或有缺陷，在使用过程中易折断；另外传统截齿齿头尺寸在15～35mm，齿头的长短也直接影响截齿的使用寿命。所以研发出一种兼具耐磨性和韧性且大齿头的双金属复合截齿尤为重要。
发明内容
为应对截齿在使用过程中易断，齿头易脱落等各种问题，提高截齿使用寿命，本发明提供一种兼具耐磨性和韧性的大齿头双金属复合截齿及其制备方法。
所述兼具耐磨性和韧性的大齿头双金属复合截齿包括齿柄和齿头，其中齿头采用高硬度耐磨材料，具体来说，齿头采用的高硬度耐磨材料的成分(如无特殊说明，本说明书中所有成分均为质量百分比)为：C:1～6％、Si:0.1～1.0％、Cr:4～21％、Mo:0～10％、Mn:0～20％、WC：0～60％，TiC：0～70.0％，CrC：0～70.0％，Ti:0～20％、Ni:0～20％、V:0～10％、Nb:0～3％、W:0～20％、P:0～0.02％、S:0～0.01％，余量为Fe，其硬度需满足65～75HRC。
齿柄采用韧性材料，优选中碳合金钢，可以是H13钢、20Cr钢、40Cr钢、40CrMo钢、42CrMoV钢、40钢、45钢中的一种，齿柄材料硬度优选为40～50HRC，具体来说，齿柄材料的成分可以为：C:0.3～0.5％、Si:0.1～1.0％、Cr:1～5％、Mo:0～3％、Mn:1％、Ti:1％、Ni:1％、V:1％、Nb:0～3％1、P:0～0.02％、S:0～0.01％，余量为Fe。
齿头上部为圆锥形用于挖掘，齿柄上设置凹槽，齿头下部嵌入齿柄上的凹槽中，或者说齿柄通过凹槽包裹住齿头下部。
齿头和齿柄之间通过低熔点的连接粉末实现冶金结合。具体来说，低熔点的连接粉末的成分可以为：C:0.1～20％、B:0.1～4％、Si:0～4.50％、Cr:0～21％、Mo:0～4.0％、Ni:0～70.0％、余量为Fe粉。这种连接粉末的熔点为1100～1300℃。
上述有关齿头、齿柄材料和连接粉末的所有成分百分比，都是指质量百分比。
在使用过程中，齿头主要承担截齿挖掘过程中耐磨性能，包裹齿头的齿柄承担冲击性。由于传统截齿通过堆焊的方式将齿头固定到齿柄上，其结构不够牢靠，在使用过程中齿头容易脱落，造成截齿整体失效且昂贵的齿头也被浪费，所以传统齿头的长度较短为15～35mm。增加截齿齿头的尺寸和耐磨性可以明显提高截齿的使用寿命，由于本发明采用高硬度且加长型齿头通过治金结合的方式与具有一定的韧性齿柄相连接，使其整体具备韧性、耐磨性和增加有效长度的特点，因而本发明的截齿使用寿命更长。
具体来说，本发明的截齿的齿头长度可以为35～75mm。
本发明还提出了一种所述兼具耐磨性和韧性的大齿头双金属复合截齿的制备方法，具体包括以下步骤：
S1：齿头制备：通过浇铸或粉末热烧结制备齿头。浇铸或粉末热烧结的具体方法如下：
浇铸：按照齿头形状准备好型腔，按比例称量齿头材料各成分粉体，加入到熔炼炉中，加热至液相，浇铸成型，其中型腔可为Al2O3砂型或者水玻璃砂型。
粉末热烧结：按照齿头形状制备好模具，按比例称量齿头材料各成分粉体，通过混粉机混粉，通过气氛炉进行热烧结，烧结时加热至液相温区，烧结时间为30～40min。
S2：齿柄加工：将中碳合金钢加工成截齿齿柄的大致形状，在中碳合金钢齿柄中间通过车削加工等方式，加工出容纳齿头下部的齿柄凹槽，齿柄凹槽的尺寸需大于齿头下部，以留出空隙供连接粉末填入。具体可采用以下方案：齿头下部嵌入齿柄凹槽的部分和齿柄凹槽均为圆柱形，齿柄凹槽圆柱的直径比齿头下部大2～8mm，齿柄凹槽的深度比齿头下部嵌入齿柄凹槽的部分的高度大15～40mm，设置该高度差是因为填充的连接粉末在结合成固体过程中会有体积收缩。可以在凹槽的底部中心部位添加一个圆锥倒角用以定位，使截齿的齿头能在正中心位置。
进一步地，所述步骤S1中齿头制备完成后，将齿头表面加工成粗糙度Ra为200～400μm，所述步骤S2中，将齿柄凹槽内表面加工成粗糙度Ra为200～400μm，以便后续通过连接粉末进行冶金结合。
S3：连接齿头与齿柄：通过以下两种方式中的一种连接齿头与齿柄凹槽：
S3.1、气氛炉烧结：
将齿头放入凹槽内，在齿头和齿柄凹槽间隙处填满连接粉末。具体来说，可以采用在齿柄凹槽添加一部分连接粉末，将齿头放入凹槽内后在空隙中填满连接粉末的方式。粉末的添加量能够确保在粉末熔化后填满齿头与齿柄凹槽之间的空隙，可通过简单试验，使连接粉末添加量能够使粉末熔化后恰好填满空隙。
将加好连接粉末的齿头和齿柄整体放入到气体保护炉中，抽真空，通氩气，加热至800～900℃(排气温度)保温，进行排气，之后再加热至连接粉末的液相温区进行保温，后随炉冷却。优选地，加热至排气温度的升温速度为6～10℃/min，在排气温度的保温时间为30～60min，之后加热至连接粉末的液相温区的升温速度为7～8℃/min，在连接粉末的液相温区的保温时间为30～40min。
S3.2、通过线圈加热生产：
将齿头放入凹槽内，在齿头和齿柄凹槽间隙处填满连接粉末。具体来说，可以采用在齿柄凹槽添加一部分连接粉末，将齿头放入凹槽内后在空隙中填满连接粉末的方式。粉末的添加量与S3.1中气氛炉烧结方法一致。在加好连接粉末的齿头和齿柄整体上放置线圈，将线圈通电，观察连接粉末完全熔化后关闭线圈电源。
线圈加热生产的优势为容易实现连续生产，在上一组加好连接粉末的齿头和齿柄加热连接完成后，可直接将线圈放到下一组待加热的加好连接粉末的齿头和齿柄上。
S4：热处理：将连接好的齿头和齿柄放入退火炉，加热至奥氏体温区保温，之后用冷风机快速冷却。
具体地，加热至奥氏体温区的升温速度为6～10℃/min，保温时间为2～3h，用冷风机冷却的速度为30～50℃/min。
S5：加工成型：将热处理后的连接好的齿头和齿柄通过车削加工等方式加工成标准形状的截齿。
本发明的有益效果在于：
本发明采用将特定成分的高硬度耐磨材料齿头与中碳合金钢齿柄通过连接粉末进行冶金结合的方式，制成一种兼具耐磨性和韧性的大齿头双金属复合截齿。制备方法简便，制备温度相对较低，降低了生产成本。制备成的截齿的齿头与齿柄结合良好，齿柄韧性强，不易出现提前失效，因而截齿的齿头可以采用更大的尺寸，增加了截齿的使用寿命。
附图说明
图1为实施例1齿头的尺寸和形状。
图2为实施例1齿柄加工后的尺寸和形状。
图3为实施例1齿头和齿柄连接过程的温度曲线。
图4为实施例1车床加工后的截齿形状。
图5为实施例4的齿头齿柄界面处冶金结合的SEM图。
图6为实施例4的齿头、齿柄及二者间的冶金结合处显微硬度变化曲线。
其中：1-齿柄，2-齿头，3-连接粉末烧结层。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的方案和效果进行说明，不作为对于发明方案的限定：
实施例1
制备一种大齿头双金属复合截齿：
S1：齿头采用高硬度耐磨材料，其各元素成分为C:4％、Cr:20％、Mo:4％、W:15％、Ti:1％、Si:1％、V:0.6％、Nb:0.5％。余量为Fe及不可避免的杂质。在熔炼炉中将上述成分的混合粉末加热至液相，准备好砂型型腔进行浇铸，浇铸后通过线切割、车削加工的方法将其表面加工成粗糙度Ra为200～400μm，获得形状和尺寸如图1所示，齿头长度为60mm、齿头下部高度49mm的截齿齿头。
S2：齿柄加工：齿柄材料为42CrMoV钢，将42CrMoV钢通过车削加工的方法将其加工成表面粗糙度Ra为200～400μm，形状和尺寸如图2所示的齿柄，齿柄中间有用于容纳齿头下部的凹槽。
S3：连接齿头与齿柄：
采用的连接粉末中，各元素成分为：C 1.70％、B 2.70％、Si 4％、Cr 17.0％、Mo3.0％、Ni 45.0％，余量为Fe及不可避免杂质。
将齿头和齿柄摆放好位置，齿头和齿柄凹槽间的侧面间隔为2mm，将连接粉末添加到齿头和齿柄凹槽的间隙中，具体采用先填入部分粉末，待齿头位置摆好后再填入剩余粉末的方法。将加好连接粉末的齿头和齿柄整体放入到氩气保护炉中，利用真空泵抽真空，再向炉中通入氩气，反复三次。
以升温速率8℃/min加热至850℃,在850℃保温30min进行排气，再以升温速率7℃/min加热至1210℃(连接粉末转为液相),在1220℃保温30min，随炉冷却，图3为这一过程的升温曲线。
S4：热处理：将连接好的齿头和齿柄进行粗加工，之后放入退火炉，加热至奥氏体温区升温速度为6～10℃min，保温2h，之后用冷风机冷却,冷却速度为30～50℃/min。
S5：将热处理后的连接好的齿头和齿柄通过车床加工成标准尺寸的截齿，如图4所示。
实施例2
与实施例1基本相同，区别在于，步骤S3中，采用以下方法完成齿头和齿柄凹槽的连接：在加好连接粉末的齿头和齿柄整体上放置线圈，将线圈通电，观察连接粉末完全熔化后关闭线圈电源。
实施例3
与实施例1基本相同，区别在于，步骤S1中，采用以下方法制备齿头：按照齿头形状制备好模具，按比例称量齿头材料各成分粉体，通过混粉机混粉1小时，通过氩气气氛炉进行烧结，烧结时加热至液相区，烧结时间为35min。
实施例4
制备一种大齿头双金属复合截齿：
S1：齿头采用高硬度耐磨材料，其各元素为C:6％、Cr:20％、Mo:4％、W:10％、Ti:1％、Si:1％、V:0.6％、Nb:0.5％余量为Fe及不可避免的杂质，在熔炼炉中将上述成分的混合粉末升温至1440℃，准备好砂型型腔进行浇铸，浇铸后通过线切割、车削加工的方法将其表面加工成粗糙度Ra为200～400μm，获得齿头长度为55mm的截齿齿头。
S2：齿柄加工：齿柄材料为42CrMo钢，将42CrMo钢通过车削加工的方法将其加工成表面粗糙度Ra为200～400μm的齿柄，齿柄中间有用于容纳齿头下部的凹槽。
S3：连接齿头与齿柄：
采用的连接粉末中，各元素成分为粉体成份为：C 2.70％、B 2.70％、Si 4％、Cr12.0％、Mo 3.0％、Ni 25.0％，余量为Fe及不可避免杂质。
将齿头和齿柄摆放好位置，齿头和齿柄凹槽间的侧面间隔为4mm，将连接粉末添加到齿头和齿柄凹槽的间隙中，具体采用先填入部分粉末，待齿头位置摆好后再填入剩余粉末的方法。将加好连接粉末的齿头和齿柄整体放入到氩气保护炉中，利用真空泵抽真空，再向炉中通入氩气，反复三次。
以升温速率8℃/min加热至850℃,在850℃保温30min进行放气，再以升温速率7℃/min加热至1240℃(连接粉末转为液相),在1240℃保温30min，随炉冷却。
S4：热处理：将连接好的齿头和齿柄进行粗加工，之后放入退火炉，升温速度为6～10℃min,保温3h，之后用冷风机冷却,冷却速度为45℃/min。
S5：将热处理后的连接好的齿头和齿柄通过车床加工成标准尺寸的截齿。
图5为实施例4的截齿齿头、齿柄的界面处SEM照片，可以看出齿头和齿柄材料之间形成了牢固的冶金结合层。图6为实施例4中截齿齿头、齿柄及二者间冶金结合部分的显微硬度变化曲线，可以看出硬度较低的齿柄和硬度较高的齿头之间，通过冶金结合部分实现了从低硬度到高硬度的平稳过度，这种截齿在使用过程中很难出现提前失效。
实施例5
S1：齿头采用高硬度耐磨材料，其各元素为C:2.1％、Cr:15％、Mo:4％、W:1％、TiC:50％、Si:1％、V:0.6％、Nb:0.5％余量为Fe及不可避免的杂质，按比例称量原材料粉末，原材料粉末包括200目的高铬铸铁、钼、600目的石墨粉及100目的铁粉等，通过星摇式混粉机混粉1小时，其中正转30min，反转30min，将混好的粉体加入到特质坩埚中，气氛炉加热至1500℃进行烧结，烧结持续40min。
烧结后通过线切割、车削加工的方法将其表面加工成粗糙度Ra为200～400μm，获得齿头长度为70mm的截齿齿头。
S2：齿柄加工：齿柄材料为H13钢，将H13钢通过车削加工的方法将其加工成表面粗糙度Ra为200～400μm的齿柄，齿柄中间有用于容纳齿头下部的凹槽。
S3：连接齿头与齿柄：
采用的连接粉末中，各元素成分为：C 10％、B 2.70％、Si 4％、Cr 12.0％、Mo3.0％、余量为Fe及不可避免杂质。
将齿头和齿柄摆放好位置，齿头和齿柄凹槽间的侧面间隔为3mm，将连接粉末添加到齿头和齿柄凹槽的间隙中，具体采用先填入部分粉末，待齿头位置摆好后再填入剩余粉末的方法。将加好连接粉末的齿头和齿柄整体放入到氩气保护炉中，利用真空泵抽真空，再向炉中通入氩气，反复三次。
以升温速率6℃/min加热至850℃,在850℃保温60min进行放气，再以升温速率8℃/min加热至1240℃(连接粉末转为液相)，在1240℃保温40min随炉冷却。
S4：热处理：将连接好的齿头和齿柄进行粗加工，之后放入退火炉，升温速度为6～10℃min,保温2h，之后用冷风机冷却,冷却速度为40℃/min。
S5：将热处理后的连接好的齿头和齿柄通过车床加工成标准尺寸的截齿。
实施例6
与实施例5基本相同，区别在于，齿头的高硬度耐磨材料的成分为：C:6％、Si:1.0％、Cr:19％、Mo:4％、Mn:5％、WC：7％，CrC：10％、Ni:3％、V:2％、Nb:0.5％、P:0.02％、S:0.01％，步骤S1的气氛炉烧结温度为1400℃。
实施例7
与实施例5基本相同，区别在于，齿头的高硬度耐磨材料的成分为：C:5％、Cr:11％、Mo:4％、Mn:10％、WC：15％、Ni:2％、V:3％、Nb:3％、W:11％、P:0.02％、S:0.01％，步骤S1的热烧结温度为1340℃
实施例8
与实施例5基本相同，区别在于，连接粉末中，各元素成分为：C 2.70％、B 2.70％、Si 4％、Cr 12.0％、Mo 3.0％、Ni 25.0％，余量为Fe及不可避免杂质。步骤S3中连接粉末转为液相的温度为1180℃。
Claims (10)
1.一种兼具耐磨性和韧性的大齿头双金属复合截齿，其特征在于，包括齿柄和齿头，齿头下部嵌入齿柄上的凹槽中，齿头和齿柄的结合方式为通过连接粉末的冶金结合；所述齿头的材料为高硬度耐磨材料，所述齿柄的材料为中碳合金钢。
2.根据权利要求1所述的大齿头双金属复合截齿，其特征在于，所述齿柄材料中碳合金钢为H13钢、20Cr钢、40Cr钢、40CrMo钢、42CrMoV钢、40钢、45钢中的一种。
3.根据权利要求1所述的大齿头双金属复合截齿，其特征在于，所述齿头的材料为高硬度耐磨材料的成分为：C:1～6％、Si:0.1～1.0％、Cr:4～21％、Mo:0～10％、Mn:0～20％、WC：0～60％，TiC：0～70.0％，CrC：0～70.0％，Ti:0～20％、Ni:0～20％、V:0～10％、Nb:0～3％、W:0～20％、P:0～0.02％、S:0～0.01％，余量为Fe，高硬度耐磨材料的硬度为65～75HRC；所述连接粉末成分为：C:0.1～20％、B:0.1～4％、Si:0～4.50％、Cr:0～21％、Mo:0～4.0％、Ni:0～70.0％、余量为Fe。
4.根据权利要求1所述的大齿头双金属复合截齿，其特征在于，所述齿头长度为35～75mm。
5.权利要求1所述的大齿头双金属复合截齿的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：齿头制备：通过浇铸或粉末热烧结制备齿头；
S2：齿柄加工：在中碳合金钢制成的齿柄中间加工出容纳齿头下部的齿柄凹槽；
S3：连接齿头与齿柄：通过以下两种方式中的一种连接齿头与齿柄凹槽：
S3.1、气氛炉烧结：
将齿头放入凹槽内，在齿头和齿柄凹槽间隙处填满连接粉末，将加好连接粉末的齿头和齿柄整体放入到气体保护炉中，抽真空，通氩气，加热至排气温度保温排气，之后再加热至连接粉末的液相温区进行保温，后随炉冷却；
S3.2、通过线圈加热生产：
将齿头放入凹槽内，在齿头和齿柄凹槽间隙处填满连接粉末，在加好连接粉末的齿头和齿柄整体上放置线圈，将线圈通电，观察连接粉末完全熔化后关闭线圈电源；
S4：热处理：将连接好的齿头和齿柄放入退火炉，加热至奥氏体温区保温，之后用冷风机冷却；
S5：加工成型：将热处理后的连接好的齿头和齿柄加工成标准形状的截齿。
6.根据权利要求5所述的大齿头双金属复合截齿的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过浇铸或粉末热烧结制备齿头的具体方法为：
浇铸：按照齿头形状准备好型腔，按比例称量齿头材料各成分粉体，加入到熔炼炉中，加热至液相，浇铸成型；
粉末热烧结：按照齿头形状制备好模具，按比例称量齿头材料各成分粉体，通过混粉机混粉，通过气氛炉进行热烧结，烧结时加热至液相区，烧结时间为30～40min。
7.根据权利要求5所述的大齿头双金属复合截齿的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中齿头制备完成后，将齿头表面加工成粗糙度Ra为200～400μm，所述步骤S2中，将齿柄凹槽内表面加工成粗糙度Ra为200～400μm。
8.根据权利要求5所述的大齿头双金属复合截齿的制备方法，其特征在于，齿头下部嵌入齿柄凹槽的部分和齿柄凹槽均为圆柱形，齿柄凹槽的直径比齿头下部大2～8mm，齿柄凹槽的深度比齿头下部嵌入齿柄凹槽的部分的高度大15～40mm。
9.根据权利要求5所述的大齿头双金属复合截齿的制备方法，其特征在于，所述步骤S3.1中，排气温度为800～900℃，加热至排气温度的升温速度为6～10℃/min，在排气温度的保温时间为30～60min，之后加热至连接粉末的液相温区的升温速度为6～10℃/min，在连接粉末的液相温区的保温时间为30～40min。
10.根据权利要求5所述的大齿头双金属复合截齿的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，加热至奥氏体温区的升温速度为6～10℃/min，保温时间为2～3h，用冷风机冷却的速度为30～50℃/min。
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