专利名称：金属基质复合材料截齿及制造方法
技术领域：
本发明涉及用于采矿和挖掘目的的采矿截齿，并且具体地但不排外地涉及在使用 时具有相对低的引燃其附近的可燃物质的倾向的采矿截齿。
背景技术：
多种不同形式的设备和机器能够被采用以用于采矿和挖掘操作，诸如长壁采矿 机。本发明的主要关注地下煤矿采矿，且该采矿类型中的一个主要的安全困难涉及矿中的 燃烧或爆炸。这些能够由于采掘过程中产生的甲烷气体和煤灰(通常称为矿尘)而发生，甲 烷气体和煤灰能够被困在矿中并且是易燃的。不利地是，煤矿采矿中使用的设备能够产生 热和/或可能引起火的火花，这可能引起燃烧或爆炸，尤其与含有岩性(lithologies)的粗 颗粒石英摩擦接触时。因此，重要的是，采取所有适当的步骤来最小化或消除引燃的风险。
用于在硬地中采矿或挖掘的设备能够包括旋转切割机，其中载有多个突出的切割 刨刀或截齿的旋转滚筒与土壤表面接合。当截齿随滚筒旋转时，其咬入土壤表面中，以撞击 该表面并从该表面脱落碎片土壤。截齿与土壤表面之间的高度剧烈接合能够产生热和/或 火花。
被采用用于以上目的现有技术截齿一般具有通常通过硬焊(brazing)而固定到钢 制柄部的硬质烧结的碳化钨头。碳化钨头与土壤表面之间以及钢制柄部与土壤表面之间能 够产生火花，虽然通常来说在钢制柄部和土壤表面之间更可能产生火花。发明内容
本发明的一些实施例可用于地下煤矿开采。因此，虽然容易理解的是，本发明可被 采用用于其功能是合适的任何采矿或挖掘操作，但是关于该使用来描述本发明是便利的。
根据本发明的第一方面，提供了一种采矿截齿，该截齿包括
本体；
本体的由金属基质复合材料形成的至少一部分，该金属基质复合材料包括分散在 金属中的颗粒；
切割元件，该切割元件安装到本体；
柄部，该柄部从本体延伸；
本体的由所述金属基质复合材料形成的至少一部分被构造用以在挖掘操作期间提供屏障。
在一个实施例中，本体的由金属基质复合材料形成的至少一部分被构造用以提供 邻近本体的远端设置的屏障，该屏障保护采矿截齿的设置在所述屏障和柄部的近端之间的 至少一部分。该屏障可以保护柄部。
在一个实施例中，本体的由金属基质复合材料形成的至少一部分被构造用以在切 割元件失效之后提供屏障。
在一个实施例中，本体的由金属基质复合材料形成的至少一部分形成邻近切割元件的本体的外部表面。该外部表面可以环绕切割元件。
在一个实施例中，与柄部的材料相比，所述金属基质复合材料具有更低的在挖掘期间导致邻近本体的可燃物质引燃的倾向。柄部的材料可以包括钢，或任何其它合适的材料。
在一个实施例中，与切割元件的材料相比，所述金属基质复合材料具有更低的在挖掘期间导致邻近本体的可燃物质引燃的倾向。
在一实施例中，与硬质合金相比，所述金属基质复合材料具有更低的在挖掘期间导致邻近本体的可燃物质引燃的倾向。
在一个实施例中，所述颗粒具有大于1000维氏硬度的硬度和大于约200G帕斯卡的模量。所述颗粒可以具有低于约100W/米/°c的热传导率。
在一个实施例中，所述金属具有与所述颗粒相比更小的硬度和模量。所述金属可具有大于约100W/米/°c的热传导率。
在一个实施例中，所述颗粒构成所述金属基质复合材料的20%和90%之间的体积。
在一个实施例中，所述金属构成所述金属基质复合材料的10%和80%之间的体积。
在一个实施例中，所述金属基质复合材料中的颗粒是碳化鹤。该碳化鹤颗粒可构成所述金属基质复合材料的约60%的体积。
在一个实施例中，所述颗粒包括钢。
在一个实施例中，所述金属包括铜、银和锌。所述金属可以包含65%至75%体积的铜、5%至15%体积的银和15%至25%体积的锌。
在一个实施例中，所述金属是铜。
在一个实施例中，所述金属基质复合材料包括碳化钨、钒、铬、硅、硼、碳化物形成元素、金属碳化物、铜、锌、锰、锡、铁和银中的至少一个。
在一个实施例中，所述金属基质复合材料构成本体。柄部可以具有嵌入在所述金属基质复合材料中的端部。可替代地，所述金属基质复合材料构成本体和柄部这两者。柄部可以与本体成一体。
在一个实施例中，切割元件被机械地附接到所述金属基质复合材料。切割元件中的至少一些的至少一个横向尺寸可以在朝本体内部的方向上增加。切割元件中的所述至少一些可以嵌入在所述金属基质复合材料中。
在一个实施例中，切割元件被以冶金方式附接到所述金属基质复合材料。切割元件可以由冶金高温硬焊而附接到所述金属基质复合材料。
在一个实施例中，切割元件由烧结粘结剂附接到所述金属基质复合材料。
在一个实施例 中，切割元件的一部分被嵌入在所述金属基质复合材料中。
在一个实施例中，切割元件包括热稳定碳化硅金刚石复合材料(S⑶C)。切割元件可以具有粘结到金属与所述SCDC反应的产物的表面。该产物可以被粘结到所述金属基质复合材料。
在一个实施例中，本体包括多个单块。所述单块可以包括金刚石、金属陶瓷、陶瓷和硬质合金中的至少一种。所述多个单块可以被嵌入在多个含碳化物的小球中，所述多个含碳化物的小球被嵌入在所述金属基质复合材料中。所述多个单块可以邻近本体的外部表面、靠近切割元件设置。
在一个实施例中，本体包括至少两个部分，每个部分均具有相应的金属基质复合 材料，所述金属基质复合材料中的一个的成分不同于另一个金属基质复合材料的成分。所 述部分中的一个部分可以设置在本体的远端处。所述至少两个部分中的另一个部分可以设 置在本体的近端处。所述部分中的一个部分可以被设置在形成于该至少两个部分中的另一 个部分中的凹口中。该凹口可以在其中设置切割元件。
在一个实施例中，本体包括环绕切割元件的材料环，该环的硬度等于或小于切割 元件的硬度并且大于所述金属基质复合材料的硬度。
在一个实施例中，本体具有设置在远端处的、包含金属基质复合材料的部分；和 设置在近端处的、包含钢的另一部分。包括钢的所述部分可以与柄部成一体。
在一个实施例中，该采矿截齿被构造成镐形截齿。
在一个实施例中，该米矿截齿被构造成径向截齿(radial attack pick)。
在一个实施例中，该采矿截齿被构造为由一对配合元件而联接到采矿设备，该对 配合元件在采矿截齿和采矿设备联接时接合，且该对元件中的每一个分别设置在柄部和设 备中的一个上。
根据本发明的第二方面，提供了一种制造采矿截齿的方法，该方法包括以下步 骤
将用于制造金属基质复合材料的粉末设置在模具中，所述模具具有与采矿截齿的 本体的至少一部分互补的形状；
将所述粉末加热到一定的温度持续一段时间，以形成金属基质复合材料，所述金 属基质复合材料具有所述本体的所述至少一部分的形状。
参考附图，从以下本发明的仅作为示例的实施例的说明中，本发明的特征和优点 将变得明显，其中
图1示出根据本发明的一个方面的采矿截齿的实施例的侧视立面图2示出根据本发明的一个方面的实施例的经由反应产物而粘接到金属基质复 合材料体的切割元件的横截面图3示出根据本发明的一个方面的实施例的被机械地附接到相应的本体的切割 元件的示例的横截面图4示出根据本发明的一个方面的实施例的切割元件和相应的本体的横截面图， 其中，该本体包括多个非常硬的单块；
图5示出根据本发明的一个方面的实施例的切割元件和具有诸如硬质合金的非 常硬的材料的环绕切割元件的连续环的相应的本体的横截面图6示出根据本发明的一方面的实施例的具有包括第一部分和第二部分的本体 的采矿截齿的实施例的侧视立面图，每个部分均具有相应的金属基质复合材料；
图7示出根据本发明的一方面的实施例的具有包括第一部分和第二部分的本体 的采矿截齿的另一实施例的侧视立面图，每个部分均具有相应的金属基质复合材料；
图8示出根据本发明的一方面的具有包括钢和金属基质复合材料的本体的采矿 截齿的另一实施例的侧视立面图；以及
图9是不出在截齿的相应的寿命方面,具有相应的金属基质本体部分的米矿截齿的两个实施例与现有技术采矿截齿相比导致引燃的概率曲线的视图。
具体实施方式
图1示出总体以附图标记10标示的采矿截齿的实施例的侧视立面图。该实施例是关于中心轴线对称的。该截齿具有本体12。在该实施例中，本体12由包含分散在金属中的颗粒的金属基质复合材料形成。但是，在一些其它实施例中，仅本体的一部分是由金属基质复合材料形成的。
该实施例的截齿10在其远端22处具有切割元件14，该切割元件14被构造用以在使用中切割、破碎、磨损、刨采或以其它方式将材料从岩层移除。岩层的示例包括诸如煤矿体的地质岩层和人造结构。切割元件14呈具有弹道形状(ballistic shape)的刀片或刀头形式。应理解，可使用任何合适的切割元件。该实施例中，刀片的一部分被设置在形成于截齿本体12的远端15处的凹口 22中。该凹口由虚线示出。刀片14被附接到该凹口的侧壁和/或底壁。
截齿在其近端13处具有柄部16，该柄部16从本体12的近端26延伸。柄部是在截齿和采矿机器的旋转滚筒联接时接合的一对配合元件中的一个元件。该对元件中的另一个元件被设置在旋转滚筒上。柄部包括凹槽18。夹子接合该凹槽的肩部，以将截齿保持在滚筒处。柄部的一部分被嵌入金属基质复合材料本体中，且该部分由虚线示出。在该实施例中，柄部包括空气硬化钢，并且由高温硬焊连接到金属基质复合材料，但是柄部可由任何合适的材料形成。在另一实施例中，金属基质复合材料构成本体和柄部，并且柄部与本体成一体(如图1中在图中的具有圆化顶点的虚三角形被删除时所示)。与具有分开地形成并且随后联接的本体和柄部的截齿实施例相比，具有由不间断的金属基质复合材料制成的本体和柄部的截齿实施例在其制造过程中可以具有较少的步骤。
采矿截齿10被构造成镐型采矿截齿，然而，应理解，替代实施例可被构造为径向米矿截齿(radial attack mining pick)。
在图1的实施例中，切割元件14由硬质合金形成，所述硬质合金包括分散在金属钴(可替代地是，例如金属镍或金属铁)中的碳化钨颗粒，并且本体12由金属基质复合材料形成，所述金属基质复合材料包括分散在金属中的约60%体积的碳化钨颗粒。该实施例的金属包括约70%体积的铜、10%体积的银和20%体积的锌。在表I中列出用于在形成基质复合材料中使用的金属组分的五个其它示例，但应理解，存在很多在表中没有列出的其它成分。
表I 一些替代性的金属成分的体积百分比。
权利要求
1.一种采矿截齿，所述截齿包括 本体； 本体的由金属基质复合材料形成的至少一部分，所述金属基质复合材料包含分散在金属中的颗粒； 切割元件，所述切割元件被安装到所述本体； 柄部，所述柄部从所述本体延伸； 所述本体的由所述金属基质复合材料形成的所述至少一部分被构造用以在挖掘操作期间提供屏障。
2.根据权利要求1所述的采矿截齿，其中，所述本体的由所述金属基质复合材料形成的所述至少一部分被构造用以提供邻近所述本体的远端设置的屏障，所述屏障保护所述采矿截齿的设置在所述屏障和所述柄部的近端之间的至少一部分。
3.根据权利要求1和2中的任一项所述的采矿截齿，其中，所述本体的由所述金属基质复合材料形成的所述至少一部分形成邻近所述切割元件的所述本体的外部表面。
4.根据权利要求3所述的采矿截齿，其中，所述外部表面环绕所述切割元件。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的采矿截齿，其中，与硬质合金、所述柄部的材料和所述切割元件的材料中至少一种材料相比，所述金属基质复合材料具有更低的在挖掘操作期间导致邻近所述本体的可燃物质引燃的倾向。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的采矿截齿，其中，所述本体的由所述金属基质复合材料形成的所述至少一部分被构造用以在所述切割元件失效之后提供屏障。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的采矿截齿，其中，所述颗粒具有大于1000维氏硬度的硬度和大于约200G帕斯卡的模量。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的采矿截齿，其中，所述金属与所述颗粒相比具有更小的硬度和模量，并且所述金属具有大于约100W/米/°C的热传导率。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的采矿截齿，其中，所述颗粒构成所述金属基质复合材料的20%和90%之间的体积。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的采矿截齿，其中，所述金属构成所述金属基质复合材料的10%和80%之间的体积。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的采矿截齿，其中，所述颗粒是碳化钨，并且所述颗粒构成所述金属基质复合材料的约60%的体积。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的采矿截齿，其中，所述颗粒包括钢。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的采矿截齿，其中，所述金属包括65%至75%体积的铜、5%至15%体积的银以及15%至25%体积的锌。
14.根据权利要求1和12中的任一项所述的采矿截齿，其中，所述金属是铜。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的采矿截齿，其中，所述金属基质复合材料构成所述本体，并且所述柄部具有嵌入在所述金属基质复合材料中的端部。
16.根据前述权利要求中的任一项所述的采矿截齿，其中，所述切割元件被机械地附接到所述金属基质复合材料。
17.根据前一权利要求所述的采矿截齿，其中，嵌入在所述金属基质复合材料中的部分中的至少一些的至少一个横向尺寸在朝所述本体内部的方向上增加。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的采矿截齿，其中，所述切割元件被以冶金方式附接到所述金属基质复合材料。
19.根据前一权利要求所述的采矿截齿，其中，所述切割元件由冶金高温硬焊而附接到所述金属基质复合材料。
20.根据前述权利要求中的任一项所述的采矿截齿，其中，所述切割元件由烧结粘结剂附接到所述金属基质复合材料。
21.根据前述权利要求中的任一项所述的采矿截齿，其中，所述切割元件的一部分被嵌入在所述金属基质复合材料中。
22.根据前述权利要求中的任一项所述的采矿截齿，其中，所述切割元件包括热稳定碳化硅金刚石复合材料(S⑶C)，且所述切割元件具有粘结到金属与所述S⑶C反应的产物的表面，并且所述产物被粘结到所述金属基质复合材料。
23.根据前述权利要求中的任一项所述的采矿截齿，其中，所述本体包括多个单块。
24.根据前一权利要求所述的采矿截齿，其中，所述单块包括金刚石、金属陶瓷、陶瓷和硬质合金中的至少一个。
25.根据权利要求23所述的采矿截齿，其中，所述多个单块被嵌入在多个含碳化物的小球中，所述多个含碳化物的小球被嵌入在所述金属基质复合材料中。
26.根据权利要求23所述的采矿截齿，其中，所述多个单块邻近所述本体的表面设置。
27.根据前述权利要求中的任一项所述的采矿截齿，其中，所述本体包括至少两个部分，每个部分均具有相应的金属基质复合材料，所述金属基质复合材料中的一个的成分不同于另一个金属基质复合材料的成分。
28.根据权利要求27所述的采矿截齿，其中，所述部分中的一个部分被设置在所述本体的远端处，并且所述部分中的另一个部分被设置在所述本体的近端处。
29.根据权利要求27所述的采矿截齿，其中，所述部分中的一个部分被设置在形成于所述部分中的另一个部分中的凹口中。
30.根据前述权利要求中的任一项所述的采矿截齿，其中，所述本体包括围绕所述切割元件的材料环，所述环的硬度等于或小于所述切割元件的硬度并且大于所述金属基质复合材料的硬度。
31.根据前述权利要求中的任一项所述的采矿截齿，其中，所述本体具有设置在远端处的、包含金属基质复合材料的一部分；和设置在近端处的、包含钢的另一部分。
32.—种制造采矿截齿的方法，所述方法包括以下步骤 将用于制造金属基质复合材料的粉末设置在模具中，所述模具具有与采矿截齿的本体的至少一部分互补的形状； 将所述粉末加热到一定的温度持续一段时间，以形成所述金属基质复合材料，所述金属基质复合材料具有所述本体的所述至少一部分的形状。
全文摘要
公开了一种采矿截齿(10)。该截齿(10)具有本体(12)，该本体(12)的至少一部分由包含分散在金属中的颗粒的金属基质复合材料形成；安装到所述本体(12)的切割元件(14)；从所述本体(12)延伸的柄部(16)，该本体(12)的由金属基质复合材料形成的所述至少一部分被构造用以在挖掘操作期间提供屏障(20)。
文档编号E21C35/18GK103038446SQ201180037658
公开日2013年4月10日 申请日期2011年5月2日 优先权日2010年7月30日
发明者安迪·贝尔 申请人:山特维克知识产权股份有限公司