一种等离子熔覆复合碳化钨齿尖的镐型截齿及加工方法与流程

本发明属于采矿刀具制备技术领域，尤其涉及螺旋滚筒采煤机镐型截齿的生产方法。

背景技术：

螺旋滚筒采煤机是目前井下采煤普遍采用的高效机械化采煤设备，其中直接切割煤岩的刀具就是镐形截齿，是螺旋滚筒采煤机的主要易损件。目前采用的镐型截齿如图1所示，是由中碳合金调质钢作齿体1，在齿体头部钎焊硬质合金齿尖2制作而成,为了便于叙述，将齿体从上往下依次称为：齿头1.4、齿腰1.3、齿底1.1和齿柄1.1。其生产方式是：中碳合金调质钢齿体1加工→钎焊硬质合金齿尖2→截齿整体调质热处理。在使用过程中发现硬质合金齿尖1周边的齿体头部耐磨性差，尤其是煤质较硬或遭遇砂岩时，切割瞬间剧烈升温，作为高温回火抗力差的中碳合金调质钢的齿体头部退火软化，耐磨性能进一步恶化，由此导致了硬质合金齿尖2过早裸露脱落，即影响了采煤效率，又造成了齿尖硬质合金的浪费，同时磨损了头部的齿体1只能报废回炉。后来采取了在包覆硬质合金齿尖的齿体头部周边熔覆一层耐磨合金，对提高耐磨性发挥了一定的作用，但效果仍不理想。究其原因，主要是耐磨合金层厚度有限，熔覆时的高温又软化了齿体头部，当耐磨层磨损后，齿体头部仍然快速磨损，导致使用寿命不佳，因此在不改变齿体头部材料的情况下，在其表面实施熔覆耐磨技术是利弊相抵的。如果改用具备高回火抗力的高硬度高耐磨合金钢作为齿体，一是脆性大，齿体易从弯矩最大的腰部断裂；二是材料价格昴贵，锻造切削热处理难度大，市场难以接受。尽管如此，如果从提高截齿耐磨寿命的角度分析，提高齿头部位的回火抗力和高温硬度确是一个正确的技术方向，而且高的回火抗力也为进一步实施耐磨熔覆拓宽了工艺条件。在上述分析的基础上，前期也开发了材料分段焊接组合技术，如比较成功的摩擦焊技术。该技术是利用摩擦焊机，在去掉了齿头的中碳合金调质钢齿体顶部，摩擦焊接上高淬透性高回火抗力高硬度的合金钢齿头，再在齿头上镗铣盲孔钎焊硬质合金齿尖。由此产生的新问题是，由于高合金齿头的硬度高，镗铣盲孔难度大大增加，又增加了截齿的生产成本。综上所述，为了提高截齿整体性能并降低生产成本，需要综合利用材料和加工新技术，从截齿材料到加工制备方法上进行系统优化设计。

本发明人前期开发成功了等离子熔覆复合碳化钨厚涂层新技术(申请号2020100681906)，开辟了低热输入、低烧蚀分解、高碳化钨含量、高耐磨厚涂层技术的新途径。该技术是采用双送粉器前后分别送入镍基合金粉及碳化钨粉，在保证镍基合金粉末充分熔化及与钢铁基体充分熔合的同时，既避免了碳化钨粉末的烧蚀分解，保证了碳化钨在涂层中的含量与颗粒完整性，最大限度地利用了碳化钨的耐磨性能，又不会降低镍基合金基体的冲击韧性，能够高效率地获得适用于矿山机械的高抗冲击高耐磨复合碳化钨厚涂层。该技术也为开发一种截齿生产新方法提供了具备技术可行性的新思路。

技术实现要素：

本发明的目的在于着眼于提高镐型截齿齿体头部抗高温耐磨性能的同时，充分利用碳化钨齿尖材料，降低截齿生产成本，还能回收再利用磨损了头部的齿体，从而提供一种等离子熔覆复合碳化钨齿尖的镐型截齿。

本发明同时提供上述镐型截齿的加工方法。

为达到上述目的，本发明等离子熔覆复合碳化钨齿尖的镐型截齿采取的技术方案是：

一种等离子熔覆复合碳化钨齿尖的镐型截齿，它包括齿体和齿尖，所述的齿体从上往下依次称为齿头、齿腰、齿底和齿柄，其特征在于，所述的齿头通过摩擦焊接的方式焊接在齿腰上，在齿头顶部中心熔覆出复合碳化钨齿尖；

要求：所述的齿腰、齿底和齿柄为中碳合金调质钢材质；所述的齿头是具备高淬透性高回火抗力高硬度的合金钢，优选中低碳高镍铬钼合金钢材质。

上述齿体可以为新加工的，也可以是齿头磨损报废而回收的齿体

本发明加工上述镐型截齿的方法大体为：机械加工不包括齿头部分的中碳合金调质钢齿体→齿体调质热处理→摩擦焊接具备高淬透性高回火抗力高硬度的合金钢齿头→齿头顶部等离子熔覆复合碳化钨齿尖。详细方法为：

第一步：确定齿头长度

按照原截齿设计图纸，从齿体顶端(不包括齿尖)至齿体最大直径端台底部高度的1/2至2/3部位确定为齿头长度；

第二步：机械加工不包括齿头部分的中碳合金调质钢齿体，也就是加工齿柄、齿底和齿腰，将三者合称为齿身，并调质热处理即淬火加高温回火，如果报废的齿体，其齿身不用调质热处理；

第三步、选择与第二步齿身顶部直径相近的中低碳高镍铬钼合金钢棒(即高淬透性高回火抗力高硬度合金钢)，按照第一步确定的齿头长度增加5-10毫米锯切，在摩擦焊机上将该合金棒焊接在齿身顶部。

第四步：将与齿身顶部焊接的合金棒材按照原设计图纸要求，加工成设计要求的齿头形状；

第五步：利用等离子熔覆机床，在齿头顶部中心熔覆出复合碳化钨齿尖，具体方法是：夹持截齿齿体的柄部，使齿头的顶部端面保持水平位置，并沿齿体中心轴线匀速旋转，转速为10-20转/分钟；等离子炬保持在齿头顶部端面以上一定距离，该距离保证等离子弧的长度在25-35毫米范围内；在齿体旋转的同时引燃等离子弧同时送粉，等离子炬沿齿头顶部端面的径向，从距端面外圆边缘以内2-4毫米处，向端面中心匀速移动，移动速度为10-20毫米/分钟，移动到中心后立即以同样速度沿径向向相反方向移动，直到距边缘4-6毫米处再反向移动，移动到中心后重复上述过程，但是每次向外移动至边缘的距离都比前一次缩减2±0.1毫米左右，随着熔覆层厚度的增加，等离子炬作相应抬升，直至移动距离缩减到中心后停止熔覆，以此熔覆出近似齿尖形状。

本发明的送粉方式优选利用双送粉器前后分别送入镍基合金粉及碳化钨粉。

上述双送粉器前后分别送入镍基合金粉及碳化钨粉的方法为：在等离子炬上方的两个数控送粉器分别向位于等离子炬喷嘴前后的两个送粉孔送粉，两个送粉孔与喷嘴的中心连线与齿体顶面旋转的切线方向平行，位于喷嘴前方的送粉孔送入镍基合金粉末，位于喷嘴后方的送粉孔送入碳化钨粉末，在齿体旋转时引燃等离子弧同时送粉。

进一步：所述的镍基合金粉末粒度为-80+200目，送粉量为50-90g/min；所述的碳化钨粉末粒度为-80+200目，送粉量为180-280g/min。

进一步：等离子工作氩气的流量为2.0-5.0l/min，等离子熔覆电流为50-150a。

(6)、用砂轮修整齿尖达到设计要求。

利用本发明方法也可以修复现有因齿头磨损的废旧齿体，具体方法为：将报废齿体齿腰上面的齿头部分切割掉并加工出平面，在加工出的平面上直接摩擦焊接上与齿头相适应的中低碳高镍铬钼合金钢棒，然后将合金钢棒加工成设计的齿头形状，最后在齿头顶部等离子熔覆复合碳化钨齿尖。

本发明的积极效果是：

1、本发明利用低热输入、低烧蚀分解、高碳化钨含量、高耐磨等离子熔覆厚涂层技术，在中碳合金调质钢齿体的齿身顶部摩擦焊接上高淬透性高回火抗力高硬度合金钢齿头，再在高淬透性高回火抗力高硬度合金钢齿头顶部，熔覆出复合碳化钨齿尖，实现了截齿齿体中部(也就是齿身)强韧性、齿头耐高温磨损性和齿尖煤岩切割性能的优化组合，在提高齿头的耐磨性同时保护了齿尖，避免齿尖裸露脱落，既提高了采煤效率，又能够充分利用昂贵的碳化钨齿尖。

2、利用本发明的方法也可以修复现有齿头磨损报废的齿体，使得齿体的齿柄和齿身可以重复使用，大幅度简化了生产工艺，节约了贵重材料，降低了生产成本。

总之，镐型截齿是井下采煤普遍采用的高效机械化采煤设备，长期以来，由于齿头和齿尖材质以及加工方法缺陷，使得目前市场上在售的镐型截齿寿命短、报废率高，一直以来本领域人员针对废旧的截齿只能采取回炉的方式，不但降低采煤效率还增加了采煤成本，与当前国家提倡的节能降耗增效益政策相背驰。发明人不改变原截齿设计，只通过改变齿头齿尖的材质，以及齿头与齿腰的连接方式和齿尖的形成方式，不但提高了截齿的抗高温耐磨性能，还可使煤矿报废的截齿修复后再次利用，背后隐含的经济效益是不可低估的，为镐型截齿的加工技术提供了新的思路，具有显著的进步，符合专利法第22条第3款规定的创造性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术加工方法制备出来的镐型截齿的剖面图；

图2是本发明加工方法制备出来的镐型截齿的剖面图。

图中：1-齿体，1.1-齿柄，1.2-齿底，1.3-齿腰，1.4-齿头，2-齿尖，3-齿腰顶面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

图1为现有的镐型截齿的剖面图，从图中看出，它包括齿体1和齿尖2，齿体1的齿柄1.1、齿底1.2、齿腰1.3和齿头1.4是加工成一体的，齿尖2是通过钎焊的方式焊接在齿头1.4顶部的。

图2是本发明的镐型截齿的剖面图，从图中看出，本发明的齿体虽然也包括齿柄1.1、齿底1.2、齿腰1.3和齿头1.4，但是本发明的齿头1.4是摩擦焊接在齿腰顶面3上，齿头1.4的顶部熔覆有齿尖2。

本发明截齿加工方法为：

第一步：确定齿头长度

按照原截齿设计图纸，从齿体1顶端(不包括齿尖2)至齿体最大直径端台底部高度的1/2至2/3部位确定为齿头1.4长度；具体到图1，就是齿头1.4长度范围为a、b两点之间铅垂距离的1/2至2/3之间。

第二步：按照现有加工方法机械加工齿体1的齿柄1.1、齿底1.2和齿腰1.3部分，将三者合称为齿身，并调质热处理即淬火加高温回火；如果是回收的齿头磨损的报废齿体，因其在生产过程中已经进行过调质处理，可省去此步骤，只需将报废的齿体按照图纸设计切割加工；

第三步、选择与第二步齿身顶部(也就是齿腰顶部3)直径相近的中低碳高镍铬钼合金钢棒(即高淬透性高回火抗力高硬度合金钢)，按照第一步确定的齿头1.4长度增加5-10毫米锯切，在摩擦焊机上将该合金棒焊接在齿身顶部。

第四步：将与齿身顶部焊接的合金棒材按照原设计图纸要求，加工成设计要求的齿头1.4形状；

第五步：利用等离子熔覆机床，在齿头1.4顶部中心熔覆出复合碳化钨齿尖2，具体方法是：夹持截齿齿体的齿柄1.1部位，使齿头1.4的顶部端面保持水平位置，并沿齿体1中心轴线匀速旋转；等离子炬保持在齿头1.4顶部并保证等离子弧的长度在25-35毫米范围内；在齿体1旋转的同时引燃等离子弧同时送粉，等离子炬沿齿头1.4顶部端面的径向，从距端面外圆边缘以内2-4毫米处，向端面中心匀速移动，移动到中心后立即以同样速度沿径向向相反方向移动，直到距边缘4-6毫米处再反向移动，移动到中心后重复上述过程，但是每次向外移动至边缘的距离都比前一次缩减2毫米左右，随着熔覆层厚度的增加，等离子炬作相应抬升，直至移动距离缩减到中心后停止熔覆，以此熔覆出近似齿尖2形状，最后用砂轮将齿尖2修整达到设计要求。

上述送粉方法为：在等离子炬上方的两个数控送粉器分别向位于等离子炬喷嘴两侧的两个送粉孔送粉，两个送粉孔与喷嘴的中心连线与齿体1顶面旋转的切线方向平行，位于喷嘴前方的送粉孔送入粒度-80+200目的镍基合金粉末，位于喷嘴后方的送粉孔送入粒度-80+200目的碳化钨粉末，送粉量分别为镍基合金粉50-90g/min，碳化钨粉180-280g/min。等离子工作氩气的流量为2.0-5.0l/min，在齿体1旋转时引燃等离子弧同时送粉，等离子熔覆电流为50-150a，开始前述的熔覆过程，直至熔覆出复合碳化钨齿尖2。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，比如本发明图2所示的的齿腰1.3母线曲率和图1所示的现有齿腰1.3母线不一致，不是对曲率进行了专门设计，而是在齿腰顶部焊接齿头时由于摩擦焊热压自然形成的，对截齿使用无影响。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。