CN202215247U - 一种微纳陶瓷粒子激光强化的截齿 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种微纳陶瓷粒子激光强化的截齿，属于激光加工技术领域。包括硬质合金头、固定销、强化层、齿座及齿杆，齿座带有与硬质合金头相配合的齿槽，圆柱锥体的硬质合金头镶嵌在齿槽内，硬质合金头的底端外圆面加工有环形凹槽，齿座通过固定销插入环形凹槽内与固定硬质合金头，强化层位于齿座锥体外表面，强化层与齿座之间为冶金结合，强化层将固定销焊合在齿座内，齿座与齿杆为整体结构。本实用新型提高了采煤机截齿的使用寿命，克服钎焊层的失效问题、高性能涂层制备过程中的裂纹问题以及粉末颗粒分布不均或团聚的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种截齿，尤其涉及一种微纳陶瓷粒子激光强化的截齿，属于激光加工技术领域。
背景技术
截齿是煤炭行业采煤过程的关键零件，该零件是一镶嵌硬质合金齿头的锥面体。在采煤的过程中，该零件同时受到煤层或煤矸石的磨损和冲击，因此受到剧烈的磨粒磨损，其失效形式多为齿座的磨损而导致硬质合金头脱落，其使用寿命取决于齿座的磨损速率，才采煤行业截齿的消耗量和需求量特别大。从实际存在的问题可以看出，硬质合金头与齿座的关系如同牙齿与牙龈的关系，因此提高齿座的耐磨性能，通过保护硬质合金不致磨损脱落，可延长整个截齿的使用寿命。
激光加工是一种非接触式加工手段，为先进的材料加工方法，激光加工有许多常规加工手段无法比拟的优越性，应用范围也相当广泛。激光熔覆是利用可控的高能激光束辐照，通过迅速熔化、扩展和凝固，在基材表面熔覆一层具有特殊物理、化学或力学性能的材料，构成一种新的复合材料，以弥补基体所缺少的高性能。可根据工件的要求，熔覆各种成分的金属或非金属，制备耐热、耐蚀、耐磨、抗氧化等特性的表面覆层，使材料具有常规处理所不具有的组织与性能。
目前截齿的强化手段多为等离子堆焊、等离子喷涂、电镀以及近期出现的激光强化等方法，所采用的材料为镍基合金、铁基合金、碳化钨、金刚石等。目前，在生产制造激光强化截齿的过程中出现影响产品质量的问题：第一，硬 质合金头通常采用感应加热的方式钎焊在齿座上，在施加涂层的过程中钎焊层易被破坏而在使用过程中硬质合金头出现脱落现象；第二，材料性能越高(特别是硬度)强化层的裂纹倾向是增加的，裂纹的出现意味着使用过程中涂层易于剥落；第三，选用的粉末材料粒度不合适，强化相颗粒大(60-120um)易出现分布不均且裂纹倾向提高，强化相颗粒小(如纳米颗粒小于100nm)而容易出现团聚，激光熔覆时送粉困难。
实用新型内容
为了充分提高采煤机截齿的使用寿命，克服钎焊层的失效问题、高性能涂层制备过程中的裂纹问题以及粉末颗粒分布不均或团聚的问题，从截齿本身进行结构改进并从先进摩擦学的角度考虑进行材料设计，本实用新型提供一种微纳陶瓷粒子激光强化的截齿。该截齿在施加涂层过程中对硬质合金头实现加固，解决了硬质合金头脱落问题，另外涂层材料采用硬度仅次于金刚石而价格便宜很多的立方氮化硼(cBN)、碳化钨(WC)等强化粒子与铁基、镍基合金材料复合而成，利用激光高能束的可控性，形成的涂层既有cBN、WC等耐磨粒子，又生成一定的六方氮化硼(hBN)减摩相；另外采用的陶瓷粒子粒度范围在100nm-20um之间，铁基、镍基合金粉末的粒度20-120um，实现粒子的弥散分布，大大降低裂纹倾向，粉末输送时并保持良好的流动性。
一种微纳陶瓷粒子激光强化的截齿，它包括硬质合金头(1)、固定销(4)、强化层(5)、齿座(6)及齿杆(7)，齿座(6)带有与硬质合金头(1)相配合的齿槽(2)，圆柱锥体的硬质合金头(1)镶嵌在齿槽(2)内，硬质合金头(1)的底端外圆面加工有环形凹槽(3)，齿座(6)通过固定销(4)插入环形凹槽(3)内与硬质合金头(1)固定连接在一起，强化层(5)位于齿座(3)锥体外表面，强化层(5)与齿座(6)之间为冶金结合，强化层(5)将固定销(4) 焊合在齿座(6)内，齿座(6)与齿杆(7)为整体结构。
上述一种微纳陶瓷粒子激光强化的截齿，固定销(4)的数量为4-8个，在圆周方向均匀分布。
由粒度为100nm-20um的cBN和WC强化粒子粉末与粒度为20-120um的Fe基、Ni基合金复合而成且强化粒子的质量百分比为20-60％呈弥散分布的强化层(5)的厚度为0.2-1.5mm，强化粒子弥散分布且有显著的耐磨、减摩的复合作用。
实施强化层(5)复合的技术手段为激光熔覆或激光合金化，激光功率为3-6KW，激光扫描的带宽为2-10mm，扫描速度0.3-1.2m/min。
硬质合金头与齿座之间传统的连接方式为钎焊，钎焊过程将影响齿座的热处理状态，另外钎焊层在后续的实施强化层的过程中容易被破坏。通过改进结构，固定销固定并被强化层焊合，起到了显著加固作用。通过选择微纳尺度的强化粒子与微米尺度的镍基、铁基合金粉末复合，使得混合的粉末在输送过程中仍然有较好的流动性。强化层中弥散分布的微纳尺度强化粒子具有优异的摩擦学性能，并能一定程度上解决大尺度强化颗粒造成的应力集中问题，涂层开裂倾向大大降低。
附图说明
图1是激光强化后截齿的示意图
1-硬质合金头，2-齿槽，3-环形凹槽，4-固定销，5-强化层，6-齿座，7-齿杆
具体实施方式
实施例1
一种微纳陶瓷粒子激光强化的截齿，包括硬质合金头(1)、固定销(4)、 强化层(5)、齿座(6)及齿杆(7)，齿座(6)带有与硬质合金头(1)相配合的齿槽(2)，圆柱锥体的硬质合金头(1)镶嵌在齿槽(2)内，硬质合金头(1)的底端外圆面加工有环形凹槽(3)，齿座(6)通过固定销(4)插入环形凹槽(3)内与硬质合金头(1)固定连接在一起，强化层(5)位于齿座(3)锥体外表面，强化层(5)与齿座(6)之间为冶金结合，强化层(5)将固定销(4)焊合在齿座(6)内，齿座(6)与齿杆(7)为整体结构。固定销(4)的数量为4-8个，在圆周方向均匀分布。强化层(5)由粒度为100nm-20um的cBN和WC强化粒子粉末与粒度为20-120um的Fe基、Ni基合金复合而成，强化粒子的质量百分比为20-60％，强化粒子弥散分布且有显著的耐磨、减摩的复合作用，强化层厚度为0.2-1.5mm。
制备方法包括以下步骤：
(1)粉末材料准备：将粒度为100nm-20um的cBN、WC等强化粒子粉末与粒度为20-120um的Fe基、Ni基合金进行配比，其中强化粒子粉末质量百分比为30％，然后放置于混粉机中混合4小时，最后再放置于干燥箱中烘干2h，温度100℃；
(2)机械加工带有齿槽(2)的齿座(6)及齿杆(7)，其材质为42CrMo(调制处理)，将带有环形凹槽的硬质合金头(1)插入齿槽(2)中，硬质合金头(1)与齿槽(2)为过盈配合，固定销(4)插入环形凹槽(3)中；
(3)将待强化表面进行除油、除锈处理后的截齿安装于带有旋转工作台的四轴联动机床上，旋转工作台的装卡位置为截齿的圆柱形的齿杆(7)部分，另外齿座(6)小端直径30mm、大端50mm，长度40mm。
(4)激光熔覆过程采用高功率半导体激光器，波长为800-900nm，采用同步 送粉方式。设定C轴的旋转角速度1146°/min(根据激光相对扫描速度400mm/min以及截齿零件锥面的平均直径如40mm进行换算)、X轴的速度9.5mm/min(根据激光扫描带宽3mm以及熔覆搭接率50％进行换算)、Z轴的速度(2.4mm/min)以及激光熔覆参数(激光功率3KW、保护气氩气的流量为6L/min)，使得在齿座(6)表面形成螺旋形式的激光强化层(5)，强化层(5)无裂纹，并且激光熔覆时形成的强化层(5)将固定销(4)与齿座(6)焊合在一起，起到了对固定销(4)的加固和保护齿座(6)的双重作用。
(5)将强化处理的截齿与未强化的截齿进行使用性能比较，微纳陶瓷粒子强化的截齿使用寿命提高3倍以上，并且通过结构改进解决了传统制造条件下的硬质合金头脱落的问题。
Claims (2)
1.一种微纳陶瓷粒子激光强化的截齿，其特征在于，它包括硬质合金头(1)、固定销(4)、强化层(5)、齿座(6)及齿杆(7)，齿座(6)带有与硬质合金头(1)相配合的齿槽(2)，圆柱锥体的硬质合金头(1)镶嵌在齿槽(2)内，硬质合金头(1)的底端外圆面加工有环形凹槽(3)，齿座(6)通过固定销(4)插入环形凹槽(3)内与硬质合金头(1)固定连接在一起，强化层(5)位于齿座(3)锥体外表面，强化层(5)与齿座(6)之间为冶金结合，强化层(5)将固定销(4)焊合在齿座(6)内，齿座(6)与齿杆(7)为整体结构。
2.按照权利要求1所述的截齿，其特征在于，固定销(4)的数量为4-8个，在圆周方向均匀分布。
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| CN 201120186558 CN202215247U (zh) | 2011-06-03 | 2011-06-03 | 一种微纳陶瓷粒子激光强化的截齿 |
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| CN107587876A (zh) * | 2017-09-28 | 2018-01-16 | 浙江华莎驰机械有限公司 | 一种矿用截齿 |
| CN107630663A (zh) * | 2017-08-11 | 2018-01-26 | 江苏中科大港激光科技有限公司 | 一种兼具耐磨性和韧性的旋挖齿及其制备方法 |
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