专利名称：用于制造截齿的方法
技术领域：
本发明涉及一种将齿尖固定到齿体以形成截齿的方法，以及一种包括齿尖和齿体的截齿，所述齿尖和齿体固定在一起。
背景技术：
截齿被应用在多种用于机械岩石开凿的机器中，如采矿和钻孔作业以及其它作业中，如用于浙青道路的表面修整或整平。截齿通常在其一端具有齿尖，齿尖在使用中作为截齿的一部分，与表面相接合，以用于开凿目的，截齿还具有齿体，齿体支撑齿尖并且被固定到开凿机器上。由于齿尖是截齿上承受强烈负载的主要部件，因此齿尖也是截齿最可能磨损的部件。由此，需要用一种具有最佳特性、以抵抗损坏或将损坏降到最低的材料来形成齿尖。由于这样的材料通常非常昂贵，因此截齿通常被构造成具有用一种材料形成的齿体以及用另外一种材料形成的齿尖。考虑到经济因素，这种构造是必要的，从而用比齿尖便宜得多的材料来形成齿体(从截齿尺寸来看，所述齿体是主要的部件)。比如，齿体通常由热处理过的钢形成，而齿尖可以由碳化钨形成。在这种构造中，齿尖通常通过钎焊而直接固定到齿体上。钎焊不仅适合于在由这些材料制成的齿体和齿尖之间结合，并且钎焊也通常能提供足够的结合，从而完全地将齿体固定到齿尖上。遗憾的是，钎焊并不适用于所有的齿尖材料。例如，迄今为止已经发现，由合成金刚石材料制成的齿尖(其包括在碳化硅基质上结合在一起的金刚石，另一方面被称为碳化硅金刚石合成物(“SiC-D”))非常难以通过通常的钎焊和焊接技术而结合到钢制齿体上。这种困难的一个原因是SiC-D具有较高的碳含量，其显著地降低了钎焊料结合到齿尖的能力。由于这个原因，很难将SiC-D应用在截齿上，尽管SiC-D是一种具有特殊性质而使其尤为理想的材料。
发明内容
本发明的一个目标是提供一种新的方法，用于将齿尖固定到齿体上。本发明的另一个目标是提供一种新的方法，用于将齿尖固定到齿体，这种方法允许使用某些材料，特别是齿尖材料，而对于这些材料，已知的固定或结合技术都不能在齿体和齿尖之间提供一种商业上令人满意的固定或者结合作用。根据本发明，提供一种截齿，其形成有由一种材料制成的齿尖，齿尖固定到齿体上，齿体由另一种材料制成，所述齿体包括大致柱形的空腔，用于接纳齿尖的大致柱形的锚部，齿尖包括结合到锚部柱形外表面的涂层，所述空腔的内部直径大于涂覆的锚部的外部直径，从而当锚部容纳在空腔中时，涂覆的锚部的柱形外表面与空腔的面向壁之间留有环形空间，所述齿体由一种比齿尖材料更大热膨胀系数的金属材料制成，形成截齿的方法包括以任意顺序的以下步骤:(i)将涂覆的锚部插入到空腔中；(ii)加热齿尖以及限定有空腔的齿体的部分；(iii)将熔融金属引入空腔中，金属是被选择用于在金属凝固之后结合到涂层和空腔壁的每一个上的一种金属，所述涂层涂覆在锚部上；并且之后包括:(iv)冷却齿尖以及限定有空腔的齿体，以使得(a)熔融金属凝固，以及(b)限定有空腔的齿体部分收缩，在凝固金属上施加足够的压力，将金属压靠在锚部的表面上,从而将齿尖固定到齿体上。通过选择一种合适的、便于熔融金属与齿尖的锚部完全结合的涂层，本发明特别适合于由SiC-D制成的齿尖。这样减小了先前的将钎焊料及焊料结合到SiC-D的有关问题，这是因为所选择的涂层是适合于连接到锚部表面的涂层，并且可以在熔融金属凝固之前结合到金属上。此外，涂层可被涂覆到锚部的整个表面上，或者被涂覆到确保将齿尖固定到齿体需要的表面部分。这样便于SiC-D锚部和熔融金属之间的均匀的结合连接。这样使得本发明和其它应用在SiC-D齿尖的结合技术、例如钎焊和焊接区别开来，这些结合技术提供了与锚部的较差的结合作用。在这样的技术中，结合可发生在锚部的某些表面区域而不是发生在所需要的整个表面。这样不均匀的结合会导致在开凿作业期间锚部表面上的不均匀的压力分布，并且会导致锚部破裂损坏。本发明同样可以应用于其它齿尖材料，并且特别地，本发明可以应用于碳化钨或碳化硅制成的齿尖。齿体的空腔和齿尖的锚部最好为圆柱形，但是与绝对的圆柱形偏离一点也在本发明范围之内。例如，空腔和锚部可以具有微小的互补锥度。根据本发明的一种形成截齿的方法可以还包括将涂层结合到锚部的柱形外表面的步骤。结合到锚部的涂层可以是任意一种合适的材料制成的并且能够以任意一种合适的涂覆工艺进行涂覆。尽管通过电镀进行涂覆的铜涂层在申请人进行的试验中是成功的，但是可以想到，可以采用其他的涂层材料和其他的涂覆涂层的工艺。例如，可能的是，涂层能够可选择性地从钴、镍、银或锰中选择。这些材料的合金也可被采用。涂层的厚度可以是任意合适的尺寸，但是对于铜涂层而言，厚度最好在大约0.02mm到大约1.0mm之间，且优选为大约 0.07mm。其它用于结合涂层的工艺包括粉末涂覆、喷涂、镀锡和浸溃。上述方法的步骤(i)到(iii)能够以任意的顺序操作，并且因此它们并不局限于所示的顺序。例如，如果需要的话，则可以在锚部插入之前将熔融金属引入到空腔中。如果包括涂层的锚部的直径小于空腔的直径，则锚部容易插入空腔中。直径上的差异使得涂覆锚部的外柱形表面与空腔的面向壁之间形成一个环形空间，从而容纳熔融金属，而不管熔融金属在锚部插入空腔之前或者之后是否被弓丨入到空腔中。在一个实施例中，涂覆锚部的直径为16.10mm，空腔的直径为16.70mm。这些尺寸当然可以变化并且它们的选择应当是在本领域技术人员的普通技术范围之内。被引入到空腔中的熔融金属最好是一种焊接材料，其能够熔融到涂覆在锚部涂层上以及熔融到空腔壁上。焊料最好是银焊料。或者，熔融金属可为钎焊料，如铜钎焊料，而其它合适的材料可包括锡/银软性焊料，或者镍基钎焊料。限定空腔的齿体可以是任意合适的金属材料，并且一般将为钢，比如热处理钢或者不锈钢。但是，本发明不局限于用钢制造齿体，其它材料也在本发明范围之内。例如，可以使用镍合金。优选地，通过将固体金属片或金属锭放置于空腔中并且加热金属片或金属锭，使其熔化，从而将熔融金属引入到空腔中。在上面的方法步骤(ii)中发生的加热能够充分地熔融金属片或金属锭。这样，方法步骤(iii )能够通过首先将金属片或金属锭放置于空腔中并且随后用方法步骤(ii)来处理而得以实现，使得金属片或金属锭熔化。按照这个顺序，方法步骤(i )能够先于方法步骤(ii )，或者在其之后，跟在金属片或金属锭熔化之后。在优选设置中，金属片或金属锭与相同金属制成的线一同使用。在这种设置中，当加热步骤(ii)进行时，金属片或金属锭被熔化或者液化，而金属线可以根据需要而被引入到空腔中，以填充空腔，或者换句话说是填充环形空间，从而按需要装满空腔或环形空间。金属线一般是小规格的，以便于送到空腔或环形空间中，并且在被引入到空腔或环形空间中后熔化，可能是在与空腔或齿尖的表面接触后熔化，或者在与已经熔融的金属接触之后熔化。或者，熔融金属可以通过由供应源输送来提供。在这种设置当中，熔融金属可被输送或灌注到空腔或环形空间当中。齿尖与限定空腔的齿体的部分的加热可以以任意合适的方式实现，比如通过感应加热、气体火焰加热或者熔炉加热。对于齿尖和齿体，加热温度最好基本相同，但是实际温度将会依赖于齿尖和齿体各自的材料。齿尖和齿体能够根据需要来一起加热或者单独加热。在一个优选设置中，其中齿体为钢制，方法步骤(ii)中的加热温度最好设置成使得限定空腔的齿体的部分的金属结构转变成奥氏体。然后，冷却齿体和齿尖的方法步骤
(iv)最好使得限定空腔的齿体的部分的金属结构转变成马氏体。淬火是冷却的一种形式，其能够实现从奥氏体结构到马氏体结构的转变。冷却之后，熔融金属凝固并且形成一种中间物，通过该中间物，围绕空腔的齿体收缩所产生的压力被传递到齿尖的锚部，从而牢固地保持齿尖。有利地，根据本发明的方法，收缩的压力能够通过凝固的中间物而被均匀传递到锚部，由此减少锚部由于不均匀压力分布而破裂的可能性。重要地，齿尖固定到齿体的方式并不单独地依靠于熔融金属、齿体以及锚部之间的熔合，而是由齿体通过凝固金属而施加到锚部上的压力提供了有效的固定载荷，并且在优选设置中为主要的固定载荷。齿体及齿尖的冷却可以以任意合适的方式以及以任意合适的速率进行。在一个优选设置中，冷却可以通过淬火，例如将齿浸溃到一种合适的液体中，如油中。液体的温度被控制在期望的淬火温度下。或者，淬火能够为聚合物淬火或者水淬火。或者，冷却能够通过其它方式获得，例如，截齿可以通过惰性气体(如氮)进行冷却，或者通过强迫通风而冷却。
为了更好理解本发明以及为了显示如何实现本发明，现在将参考附图、仅通过非限制性示例的方式，描述本发明的实施例。
图1所示为齿尖和齿体在装配之前的局部截面图。图2显示了图1中装配情况下的截齿尖和齿体。
具体实施例方式参考图1、2，显不了截齿尖10与齿体11分尚。截齿尖10包括尖头12以及铺部
13。锚部13为柱形并且被设置成松散地容纳到空腔14当中，其中空腔14形成在齿体11的颈部15 (以截面图显示)上。由于本领域技术人员将容易理解图1所示的齿体11的形式，因此没有必要进一步描述齿体11的具体方面，诸如描述柄部16，且因此将进一步讨论关于将截齿尖10固定到齿体11的方面。在适当的截齿尖和齿体材料的情况下，截齿尖10固定到空腔14的通常方式是通过直接在锚部13与空腔14的壁19之间进行焊接或者钎焊。如上面所讨论的那样，本发明主要涉及将截齿尖固定到齿体，其中截齿尖的材料并不适于直接焊接或钎焊到齿体上。这种不相容性的一个适当例子将在截齿尖10由SiC-D制成而齿体由钢制成时发生。在这样一个设置中，可以采用本发明的方法，在截齿尖10和齿体11之间提供合适的固定。图1显不了涂层17,涂层17已被涂覆在铺部13的外柱形表面18上。涂层17开始于尖头12，并且大致延伸到锚部13的基端21。相对于由SiC-D制成的截齿尖10，涂层17可以是铜涂层并且涂覆的方式可以为电镀。图2显示了截齿尖10 和齿体11装配在一起的情况，使得锚部13被容纳在空腔14当中。图2显示了涂层17的外表面23与空腔表面19之间的空隙。该空隙形成了一个环形空间24，该环形空间完全地围绕着锚部13延伸。根据本发明的方法，该环形空间被设置成接纳熔融金属，其中该熔融金属适合于均匀地与涂层17和空腔表面19熔合在一起。这里，根据前面所述，将锚部13插入到空腔14当中，加热截齿尖10和颈部15，以及将熔融金属引入到环形空间24中的方法步骤能够以任意合适的顺序进行。所要理解的是，本发明的特征是颈部15具有比截齿尖10更大的热膨胀系数，以使得当齿尖和齿体被冷却时，环形空间24的体积将减小，这是因为颈部15比锚部13收缩的程度更大。这样，当熔融金属保持熔融，而冷却继续的时候，金属将会被挤压，从而在环形空间24内向上流动，并且通过细致选择引入到环形空间24中的熔融金属的量，在熔融金属凝固之后，空腔14将被充满，达到涂层17的高度。如果这个高度没有达到，则如前面所述，可以引入额外的熔融金属，比如通过金属线。在申请人所做的试验当中，钢制齿体的热膨胀系数为12.3Χ10_6° ° Γ1，而S1-D齿尖的热膨胀系数为2.ΟΧΙΟ—6。° C—1。这样，齿体的钢将会以大约6倍于齿尖材料的收缩和膨胀进行收缩和膨胀。根据本发明，截齿的冷却导致熔融金属凝固，并且凝固点温度依赖于被选择的金属。在已经进行的试验当中，银焊料被用作为熔融金属，并且其具有大约620° C的凝固温度。其它金属或者合金可具有比这个温度高或者低的熔点。例如，凝固温度可以在100° C到1400° C之间，且最好在220° C到880° C之间。在熔融金属凝固之后，金属的进一步向上运动将会停止，而通过收缩颈部15被施加到凝固金属上的压力将会被传递到锚部13。本发明的方法的各种参数能够设置得以使得凝固在截齿的冷却期间发生，这允许足够的收缩压力通过凝固金属而被施加到锚部上。当截齿的完全冷却已经发生时，最大收缩压力将会已被施加到锚部上。而且，通过仔细选择截齿的部件的参数，上述压力将足以将锚部13牢固地保持在空腔14当中。这样，本发明提供了一种独特的方法，通过该方法，由不适合直接焊接或钎焊到齿体上的材料所制成的齿尖仍然能够以相对简单和廉价的方式牢固地固定到位。尽管该方法比简单钎焊设置要复杂，但是获得了以下益处:即提供了这样一种截齿，其具有由某种材料制成的齿尖，该材料更加特别地适合于被开凿表面的类型，如硬岩。整个说明书和权利要求中的词语“包括(comprise)”以及该词语的变型(如“comprises”和“comprising”)都无意排除其它的附加物、部件或整体件。澳大利亚专利申请N0.2005202371的公开内容结合在此作为参考，本申请要求了该申请的优先权。除了具体描述的，这里所描述的本发明易于进行变型、修改和/或增加，并且所要理解的是，本发明包括所有落入上述说明书的精神和范围之内的变形、修改和/或增加。
权利要求
1.一种截齿，具有由一种材料制成的齿尖，该齿尖固定到由另一种材料制成的齿体上，该齿体包括大致圆柱形空腔，用于接纳齿尖的大致圆柱形锚部，所述齿尖包括结合到锚部圆柱形外表面上的涂层，空腔的内部直径大于覆有涂层的锚部的外部直径，从而当锚部被容纳在空腔内时，在覆有涂层的锚部的圆柱形外表面与空腔的面向壁之间留有环形空间，所述齿体由热膨胀系数大于齿尖材料的金属材料制成，形成所述截齿的方法包括以任意顺序的以下步骤: (i)将覆有涂层的锚部插入到空腔中； (ii)加热齿尖以及齿体的限定出空腔的部分； (iii)将熔融金属引入到空腔中，该金属被选择用于在其凝固之后结合到涂覆于锚部上的涂层和空腔壁中的每一个上；并且之后包括: (iv)冷却齿尖以及限定出空腔的齿体，以使得 Ca)熔融金属凝固，以及 (b)限定出空腔的齿体部分收缩，在凝固金属上施加足够的压力，将金属压靠在锚部的表面上,从而将齿尖固定到齿体上。
2.如权利要求1所述的截齿，其中所述涂层选自铜、钴、镍、银或锰，或者这些材料的合金。
3.如权利要求1或2所述的截齿，其由以下方法形成，该方法还包括将涂层结合到锚部的圆柱形外表面上的步骤。
4.如权利要求1-3中任一项所述的截齿，其中所述涂层通过电镀而结合到所述圆柱形外表面上。
5.如权利要求1-3中任一项所述的截齿，其中所述涂层通过粉末涂覆、喷涂、镀锡或浸溃中的任意一种方法而结合到所述圆柱形外表面上。
6.如权利要求1-5中任一项所述的截齿，其中所述齿尖和所述齿体的限定出空腔的部分被加热到熔融金属的液态温度之上的温度。
7.如权利要求1-6中任一项所述的截齿，其中所述齿尖和所述齿体的限定出空腔的部分被加热到熔融金属液态温度之上0° C到450° C之间的温度。
8.如权利要求1-7中任一项所述的截齿，其中所述齿体为钢制的，并且所述齿尖和所述齿体的限定出所述空腔的部分被加热到所述齿体的结构转变为奥氏体的温度。
9.如权利要求8所述的截齿，其中所述齿尖和限定出所述空腔的所述齿体通过淬火而被冷却，导致所述齿体的限定出所述空腔的结构转变为马氏体，随后对限定所述空腔的所述齿体进行回火处理。
10.如权利要求1-9中任一项所述的截齿，其中将熔融金属引入到空腔的步骤(iii)是通过将固体金属片或金属锭放置于空腔中并且随后执行加热齿尖和齿体的限定出空腔的部分的步骤(ii)而完成的，其中加热的步骤导致金属片或金属锭熔化。
11.如权利要求10所述的截齿，其中当熔化金属片或金属锭尚没有充分地充满空腔时，将由与金属片或金属锭相同金属制成的金属线引入到空腔中，以充满空腔。
12.如权利要求1-11中任一项所述的截齿，其中熔融金属为金属焊料，如银焊料，或者钎焊料。
13.如权利要求1-12中任一项所述的截齿，其中熔融金属具有大约620°C的凝固温度。
14.如权利要求1-12中任一项所述的截齿，其中熔融金属具有在100°C到1400° C之间的凝固温度，优选地在220° C到880° C之间。
15.如权利要求1-14中任一项所述的截齿，其中齿体由钢、不锈钢或由镍合金形成。
16.如权利要求1-15中任一项所述的截齿，其中齿尖由碳化钨或SiC-D，或者碳化硅或金刚石形成。
17.如权利要求1-16中任一项所述的截齿，其中齿体由钢形成，齿尖由SiC-D形成，涂层为铜涂层，熔融金属为银焊料。
18.—种截齿，包括由SiC-D形成的齿尖以及金属齿体，该齿体具有比齿尖更大的热膨胀系数，所述齿体包括大致圆柱形空腔，空腔内容纳有齿尖的大致圆柱形锚部，所述齿尖包括结合到锚部圆柱形外表面上的涂层，空腔的内部直径大于覆有涂层的锚部的外部直径，从而在覆有涂层的锚部的圆柱形外表面与空腔的面向壁之间留有环形空间，该环形空间包括焊料或钎焊材料，所述焊料材料结合到涂覆在所述锚部的涂层和空腔壁的中每一个上。
19.如权利要求18所述的截齿，其中所述涂层选自铜、钴、镍、银或锰，或者这些材料的I=1-Wl O
20.如权利要求18或19所述的截齿，其中所述齿体由钢、不锈钢或镍合金形成。
21.如权利要求18或19所述的截齿，其中齿体由钢形成，涂层为铜涂层，焊料为银焊料。
全文摘要
本发明提供一种用于制造截齿的方法，所述截齿包括由诸如SiC-D制成的齿尖(10)以及金属齿体(11)。齿体(11)具有比齿尖(10)更大的热膨胀系数。齿体(11)包括大致柱形的空腔(14)，空腔内容纳有大致柱形的锚部(13)。齿尖(10)包括涂层(17)，涂层结合到锚部(13)的外表面。在涂层(17)和空腔(14)之间留有环形空间(24)，环形空间内是焊料或钎焊材料，所述焊料材料结合到涂层(17)和空腔(14)的每一个上。齿体(11)利用热膨胀上的差异在锚部(13)上施加压力，以将齿尖(10)固定到齿体(11)上。
文档编号E21B10/56GK103147694SQ20131006793
公开日2013年6月12日 申请日期2006年5月3日 优先权日2005年5月31日
发明者史蒂文·韦弗 申请人:山特维克知识产权股份有限公司