含金刚石的高耐磨截齿及其制备方法与流程

1.本发明专利涉及开采工具技术领域，具体是一种含金刚石的高耐磨截齿及其制备方法。


背景技术：

2.截齿是一种采掘工具，可与采煤机、掘进机等配套使用，由于其工作环境复杂恶劣，成为采煤机、掘进机实际作业中更换量最大的易损件，目前广泛应用的截齿主要由合金钢齿体和钎焊的硬质合金截齿头组成，截齿头焊接于齿体的一端。截割煤岩及掘进巷道时，复杂的工况条件使截齿容易发生硬质合金截齿头和齿体的磨损失效、硬质合金截齿头脱落、崩刃和齿体断裂等，致使每万吨煤消耗的截齿数量居高不下，加大了生产成本，直接影响了采煤机和掘进机的生产效率。其中截齿体不耐磨，也会导致固定在截齿柄端部的硬质合金截齿头过早的脱落。通过几个煤矿的统计结果可知，磨损失效是截齿最主要的失效形式，占失效形式75%~90%。目前主要通过堆焊技术改善齿体的耐磨性能，堆焊焊丝一般为cr
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mo
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w
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ti系或者cr
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mo
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w
‑
v系合金，形成的堆焊层一般为马氏体加碳化物，或者采用ni60合金熔覆wc颗粒制备堆焊耐磨层，但是耐磨防护层的硬度整体仍偏低，基本在52~64hrc之间，对截齿耐磨性能的提升不明显。因此采用简单的处理方式，进一步提高截齿的耐磨性能，对节省成本、提升生产效率（更换截齿会造成生产效率下降），乃至提高经济效益具有十分重要的意义。
3.金刚石是自然界中最硬的材料，立方氮化硼cbn是仅次于金刚石的超硬材料，将金刚石、cbn等材料用于截齿的耐磨防护有助于截齿耐磨性能的大幅提升。中国发明专利cn200810230597.3公开了一种金刚石孕镶截齿及其制备工艺，截齿由齿体、齿头和位于齿头上的翼片构成，齿头由金刚石混料和碳化钨中的一种或者两种材料制成；翼片由金刚石混料、立方氮化硼、碳化钨或硬质合金材料中的一种制成，将翼片和齿头整体热压成型，与齿体进行连接，再进行修正、后处理，整个制备过程较为复杂，需要额外制作模具。
4.中国发明专利cn200920062976.6公开了一种截齿它包括截齿柄以及连接于截齿柄端部的截齿头，所述截齿柄与截齿头连接端的外表面上设有一个以上保径齿。截齿头由硬质合金和复合于其上的聚晶金刚石层组成，二者之间还存在过渡层，过渡层为金刚石
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钴梯度过渡层、或金刚石
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立方氮化硼梯度过渡层、或金刚石
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碳化钨
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钴梯度过渡层。保径齿为金刚石
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硬质合金复合球齿、或金刚石
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硬质合金平头齿、或硬质合金齿、或上述各齿的组合。该新型截齿同样存在制备过程复杂的问题，另外保径齿如何连于截齿头上，并未给出技术方案。
5.中国发明专利cn200810030935.9 公开了一种金刚石复合截齿头的制造方法及金刚石复合截齿头，该截齿整体采用硬质合金，在齿头部分采用六面顶压机高温压制金刚石与金属的混料形成一层聚晶金刚石来提高耐磨性，需要专门的设备、模具和后处理，截齿的成本提高太多，另外硬质合金作为齿体，其抗冲击性能较差，无法满足煤矿开采或掘进的工况要求，高温压制过程也会降低硬质合金和压入金刚石的性能。
6.总体而言，现在的方法通过增加齿体中硬质合金的含量及在截齿头上制备金刚石耐磨层来提升截齿的耐磨性，但是这两种材料含量多会大幅提升截齿的成本，降低截齿的抗冲击性能，另外，制作过程都较为复杂。因此本发明专利拟采用简单的处理方式，将金刚石、cbn等材料用于截齿的耐磨防护，进一步提高截齿的耐磨性能、节省成本、提升生产效率。


技术实现要素：

7.本发明的目的是为解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种含金刚石的高耐磨截齿及其制备方法。
8.本发明是通过如下技术方案实现的：一种含金刚石的高耐磨截齿，包括齿体和硬质合金头；齿体包括由下而上一体成型的齿柄、齿根和齿头，硬质合金头焊接固定在齿头顶端的中心处，硬质合金头、齿头、齿根和齿柄位于同一轴线上；齿头的表面自上而下均布开设有若干条竖向设置的护齿槽，护齿槽内镶嵌固定有含有金刚石或立方氮化硼的护齿条；齿头的表面除开护齿条的位置自上而下熔合覆盖有含有金刚石颗粒或金刚石颗粒及立方氮化硼颗粒的硬质冶金层，护齿槽的长度与硬质冶金层的高度一致。
9.优选的，硬质冶金层的覆盖高度是从齿头的顶部自上而下三分之一至五分之四的区域。
10.优选的，护齿槽的数量不少于2条且均匀分布，护齿槽的宽度为1
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3 mm、深度为0.3
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1.5 mm；护齿条的宽度小于护齿槽的宽度0.05
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0.15 mm，护齿条的厚度为0.5
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2.5 mm。
11.优选的，同一条开槽内固定有多根护齿条，护齿条的长度为3
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10 mm，相邻护齿条之间的间隔为0.5
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2 mm。
12.优选的，护齿条采用金刚石条或立方氮化硼条。
13.进一步的，本发明还提供了上述含金刚石的高耐磨截齿的制备方法，包括如下步骤：1）齿体下料经锻造后机械加工出外形轮廓，在齿头表面均布开设护齿槽，将齿体毛坯表面除油、喷砂处理；2）在齿头表面包括护齿槽内刷涂有机粘结剂，然后在护齿槽内单独喷洒金属合金粉末，并将护齿条粘附在护齿槽内，之后在涂有有机粘结剂的齿头表面依次均匀喷洒超硬材料粗粉、超硬材料细粉和金属合金粉末；3）待有机粘结剂固化后，将齿体置于真空加热设备中分段升温加热，使护齿条、超硬材料粗粉、超硬材料细粉、金属合金粉末与齿头熔合，并在齿头上覆盖形成硬质冶金层；4）随炉冷却后，在齿头顶部中心处开盲孔，并在盲孔中依次填充焊剂、放置硬质合金头，通过快速加热使硬质合金头与齿头钎焊在一起，之后将截齿置于淬火液中，利用焊接余热淬火，最后将截齿回火去除应力，最终制得含金刚石的高耐磨截齿。
14.优选的，步骤2）中，超硬材料粗粉和超硬材料细粉均为金刚石颗粒或金刚石颗粒与立方氮化硼颗粒的混合颗粒，超硬材料粗粉的粒度为0.5
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3.0 mm，超硬材料细粉的粒度为0.1
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0.5 mm；金属合金粉末为ni基合金粉末或cu基合金粉末；超硬材料粗粉和超硬材料细粉的总量与金属合金粉末的体积比为2:1
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1:10。
15.优选的，步骤3）中，熔合温度为800
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1100℃，熔合时间为3
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30 min。
16.优选的，步骤3）中，当金属合金粉末为ni基合金粉末时，熔合温度为950
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1050 ℃，熔合时间为3
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15 min。
17.步骤4）中，硬质合金头与齿头的钎焊温度为860
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950 ℃。
18.本发明的有益效果如下：1）本发明通过在齿头自上而下三分之一至五分之四部分设置由超硬材料（金刚石或立方氮化硼）制成的护齿条以及熔覆由金刚石颗粒或金刚石颗粒与立方氮化硼颗粒的混合颗粒制成的硬质冶金层，来改善采煤截齿的耐磨性能，该耐磨层能够为截齿的齿头提供有效的保护，同时改善由于齿头耐磨性不足导致的硬质合金头掉落的现象，技术方案简单易行，截齿成本增加较少，使用寿命可提升5倍以上。
19.2）现有截齿的齿体焊接硬质合金后就需要进行后续热处理，而本发明则充分利用了该过程，先利用焊后进行淬火，再进行回火处理，既能够充分保证齿体的性能，同时整个技术方案又科学合理，简单又节省成本。将硬质合金头的焊接步骤位于高温熔合步骤的后面，可有效降低高温处理对硬质合金的影响。
20.3）金刚石、立方氮化硼等超硬颗粒在高温熔融后离散的分布于ni
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cr硬质冶金层中，硬质冶金层可有效抵抗采煤过程中的冲击力，达到比聚晶金刚石更好的效果，另外金刚石耐磨颗粒在表层露出，可增加截齿的锋利度，提高截齿的采煤效率。
21.4）可通过调整超硬材料（金刚石颗粒、立方氮化硼颗粒）的粒径以及超硬材料与金属合金粉末的比值，来调控截齿的综合性能，以适应具体的工况需求。
22.5）护齿条采用间断式的多根短条状超硬材料（金刚石条、立方氮化硼条），而非单根条，是因为长条与基体会因材料差异在冷却过程中引入较大的应力，在使用过程中一旦受到较大冲击载荷，可能会掉落失效，采用多根短条可以有效降低熔合冷却过程中的应力，保证在较大的冲击载荷下也不会掉落，另外，靠近齿头顶部的短条因为磨损失效或掉落失效后，其下方的第二根短条也会在后续的生产过程中起到护齿作用，提供多重保护。
23.本发明截齿设计科学、结构合理，制备方法的技术方案简单易行，截齿成本增加较少，使用寿命可提升5倍以上。
附图说明
24.此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
25.图1为本发明截齿的三维结构示意图。
26.图2为本发明截齿的纵向剖视图。
27.图3为本发明截齿的制备过程示意图。
28.图中：1
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硬质合金头、2
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齿柄、3
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齿根、4
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齿头、5
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硬质冶金层、6
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金刚石颗粒、7
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护齿槽、8
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护齿条、9
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立方氮化硼颗粒。
具体实施方式
29.为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及
实施例中的特征可以相互组合。
30.实施例1一种含金刚石的高耐磨截齿，包括齿体和硬质合金头1；齿体采用35crmosi棒材加工而成，其包括由下而上一体成型的齿柄2、齿根和齿头4，齿柄2和齿根3为圆柱型，齿头4为圆台型，齿根3的直径大于齿柄2的直径以及齿头4大圆面的直径，齿头4的大圆面端与齿根3连接且二者之间采用圆弧过度；硬质合金头1焊接固定在齿头4顶端的中心处，硬质合金头1、齿头4、齿根3和齿柄2均位于同一轴线上；齿头4的表面自上而下对称开设有两条竖向设置的护齿槽7，护齿槽7的长度为齿头4自顶端向下三分之一的高度，护齿槽7的宽度为3 mm、深度为1 mm；一条护齿槽7内镶嵌固定有多条护齿条8，护齿条8的长度为3 mm、宽度为2.85 mm、厚度为2 mm，相邻两根护齿条8之间的间距为1 mm；齿头4的表面除开护齿条8的位置自上而下熔合覆盖有含有金刚石的硬质冶金层5，硬质冶金层5的覆盖高度为齿头4自顶端向下三分之一的高度。
31.上述含金刚石的高耐磨截齿的制备方法，包括如下步骤：1）取煤矿截齿用的35crmosi棒材，加热锻造呈截齿毛坯形状，再经机械加工出外形轮廓，在齿头4表面对称开设两条护齿槽7，将齿体毛坯表面除油、喷砂处理后，如图3中的a、b、c。
32.2）在齿头4表面包括护齿槽7内刷涂有机粘结剂，然后在护齿槽7内单独喷洒金属合金粉末，并将护齿条8粘附在护齿槽7内，之后在涂有有机粘结剂的齿头4表面依次均匀喷洒超硬材料粗粉、超硬材料细粉和金属合金粉末；其中，护齿条8采用金刚石条；超硬材料粗粉和超硬材料细粉均采用金刚石颗粒6，超硬材料粗粉的粒度为1 mm，超硬材料细粉的粒度为0.5 mm；金属合金粉末采用ni基合金粉末，其粒度为1mm；第二次喷洒超硬材料粗粉、超硬材料细粉和金属合金粉末时，超硬材料粗粉和超硬材料细粉的总量与金属合金粉末的体积比为2:1，如图3中的d。
33.3）待有机粘结剂固化后，将齿体置于真空加热设备中分段升温加热，使护齿条8、超硬材料粗粉、超硬材料细粉、金属合金粉末与齿头4熔合，并在齿头4上覆盖形成硬质冶金层5，金刚石颗粒6外露于硬质冶金层5表面且与护齿条8超出护齿槽7的高度相当；真空加热熔合时，熔合温度为950 ℃，熔合时间为15 min，如图3中的e。
34.4）随炉冷却后，在齿头4顶部中心处开盲孔，并在盲孔中依次填充cu基焊剂、放置硬质合金头1，通过快速加热使硬质合金头1与齿头4钎焊在一起，钎焊温度为950 ℃，之后将截齿置于淬火液中，利用焊接余热淬火，最后将截齿回火去除应力，最终制得含金刚石的高耐磨截齿，如图3中的f。
35.实施例2一种含金刚石的高耐磨截齿，包括齿体和硬质合金头1；齿体采用42crmo棒材加工而成，其包括由下而上一体成型的齿柄2、齿根和齿头4，齿柄2和齿根3为圆柱型，齿头4为圆台型，齿根3的直径大于齿柄2的直径以及齿头4大圆面的直径，齿头4的大圆面端与齿根3连接且二者之间采用圆弧过度；硬质合金头1焊接固定在齿头4顶端的中心处，硬质合金头1、齿头4、齿根3和齿柄2均位于同一轴线上；齿头4的表面自上而下对称开设有四条竖向设置的护齿槽7，护齿槽7的长度为齿头4自顶端向下五分之四的高度，护齿槽7的宽度为1 mm、深度为1.5 mm；护齿槽7内镶嵌固定有多条护齿条8，护齿条8的长度为10 mm、宽度为0.95 mm、
厚度为2.5 mm，相邻两根护齿条8之间的间距为2 mm；齿头4的表面除开护齿条8的位置自上而下熔合覆盖有含有金刚石的硬质冶金层5，硬质冶金层5的覆盖高度为齿头4自顶端向下五分之四的高度。
36.上述含金刚石的高耐磨截齿的制备方法，包括如下步骤：1）取煤矿截齿用的42crmo棒材，加热锻造呈截齿毛坯形状，再经机械加工出外形轮廓，在齿头4表面对称开设四条护齿槽7，将齿体毛坯表面除油、喷砂处理后，如图3中的a、b、c。
37.2）在齿头4表面包括护齿槽7内刷涂有机粘结剂，然后在护齿槽7内单独喷洒金属合金粉末，并将护齿条8粘附在护齿槽7内，之后在涂有有机粘结剂的齿头4表面依次均匀喷洒超硬材料粗粉、超硬材料细粉和金属合金粉末；其中，护齿条8的材质有两种，一种是采用金刚石条、另一种是采用立方氮化硼条，两种材质的护齿条8在同一护齿槽7内交替分布；超硬材料粗粉和超硬材料细粉均采用金刚石颗粒6和立方氮化硼颗粒9的混合颗粒制成，超硬材料粗粉的粒度为0.5 mm，超硬材料细粉的粒度为0.3 mm；金属合金粉末采用ni基合金粉末，其粒度为0.5mm；第二次喷洒超硬材料粗粉、超硬材料细粉和金属合金粉末时，超硬材料粗粉和超硬材料细粉的总量与金属合金粉末的体积比为1:1，如图3中的d。
38.3）待有机粘结剂固化后，将齿体置于真空加热设备中分段升温加热，使护齿条8、超硬材料粗粉、超硬材料细粉、金属合金粉末与齿头4熔合，并在齿头4上覆盖形成硬质冶金层5，金刚石颗粒6和立方氮化硼颗粒9外露于硬质冶金层5表面且与护齿条8超出护齿槽7的高度相当；真空加热熔合时，熔合温度为1050 ℃，熔合时间为3 min，如图3中的e。
39.4）随炉冷却后，在齿头4顶部中心处开盲孔，并在盲孔中依次填充cu基焊剂、放置硬质合金头1，通过快速加热使硬质合金头1与齿头4钎焊在一起，钎焊温度为910 ℃，之后将截齿置于淬火液中，利用焊接余热淬火，最后将截齿回火去除应力，最终制得含金刚石的高耐磨截齿，如图3中的f。
40.实施例3一种含金刚石的高耐磨截齿，包括齿体和硬质合金头1；齿体采用35crmosi棒材加工而成，其包括由下而上一体成型的齿柄2、齿根和齿头4，齿柄2和齿根3为圆柱型，齿头4为圆台型，齿根3的直径大于齿柄2的直径以及齿头4大圆面的直径，齿头4的大圆面端与齿根3连接且二者之间采用圆弧过度；硬质合金头1焊接固定在齿头4顶端的中心处，硬质合金头1、齿头4、齿根3和齿柄2均位于同一轴线上；齿头4的表面自上而下对称开设有八条竖向设置的护齿槽7，护齿槽7的长度为齿头4自顶端向下三分之二的高度，护齿槽7的宽度为2 mm、深度为0.3 mm；一条护齿槽7内镶嵌固定有多条护齿条8，护齿条8的长度为5 mm、宽度为1 mm、厚度为0.5 mm，相邻两根护齿条8之间的间距为0.5 mm；齿头4的表面除开护齿条8的位置自上而下熔合覆盖有含有金刚石的硬质冶金层5，硬质冶金层5的覆盖高度为齿头4自顶端向下三分之二的高度。
41.上述含金刚石的高耐磨截齿的制备方法，包括如下步骤：1）取煤矿截齿用的35crmosi棒材，加热锻造呈截齿毛坯形状，再经机械加工出外形轮廓，在齿头4表面对称开设八条护齿槽7，将齿体毛坯表面除油、喷砂处理后，如图3中的a、b、c。
42.2）在齿头4表面包括护齿槽7内刷涂有机粘结剂，然后在护齿槽7内单独喷洒金属
合金粉末，并将护齿条8粘附在护齿槽7内，之后在涂有有机粘结剂的齿头4表面依次均匀喷洒超硬材料粗粉、超硬材料细粉和金属合金粉末；其中，护齿条8采用立方氮化硼条；超硬材料粗粉和超硬材料细粉均采用金刚石颗粒6和立方氮化硼颗粒9的混合颗粒制成，超硬材料粗粉的粒度为0.5 mm，超硬材料细粉的粒度为0.3 mm；金属合金粉末采用cu基合金粉末，其粒度为0.5 mm；第二次喷洒超硬材料粗粉、超硬材料细粉和金属合金粉末时，超硬材料粗粉和超硬材料细粉的总量与金属合金粉末的体积比为1:10，如图3中的d。
43.3）待有机粘结剂固化后，将齿体置于真空加热设备中分段升温加热，使护齿条8、超硬材料粗粉、超硬材料细粉、金属合金粉末与齿头4熔合，并在齿头4上覆盖形成硬质冶金层5，金刚石颗粒6和立方氮化硼颗粒9外露于硬质冶金层5表面且与护齿条8超出护齿槽7的高度相当；真空加热熔合时，熔合温度为800 ℃，熔合时间为30 min，如图3中的e。
44.4）随炉冷却后，在齿头4顶部中心处开盲孔，并在盲孔中依次填充cu基焊剂、放置硬质合金头1，通过快速加热使硬质合金头1与齿头4钎焊在一起，钎焊温度为860 ℃，之后将截齿置于淬火液中，利用焊接余热淬火，最后将截齿回火去除应力，最终制得含金刚石的高耐磨截齿，如图3中的f。
45.上面是对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。