一种采煤机用新型截齿的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于采煤机的新型截齿的制备工艺，该截齿的齿体部分通过铸造而成；截齿体的成分是将一种耐磨钢用纳米复合耐磨合金添加到中碳低合金钢里，以便提高该截齿体的耐磨性。新型截齿体加入耐磨合金的比例是（2～15）%，中碳低合金钢占钢水总质量的（85～98）%。新型截齿制备工艺是通过熔炼使成分均匀化，然后浇铸成截齿体；对铸造后的截齿体进行机加工及强化处理；采用热压技术将硬质合金头压入齿头前端的孔中，必须保证齿头前端孔内径和硬质合金柱外径之间保持过盈配合，过盈量小于0.005mm。
【专利说明】一种采煤机用新型截齿的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种采煤机用新型截齿（简称：新型截齿，下同）及其制备技术。特别 是一种用于采煤机的整体耐磨的新型截齿，以及该截齿的制备工艺。
【背景技术】
[0002] 截齿是煤炭开采过程截割煤岩的刀具。截齿服役过程经受高磨损的恶劣环境，月艮 役寿命短，消耗量很大，是更换量最大的煤矿机械部件之一。正常采煤过程截齿体磨损是主 要失效形式，因而截齿体的耐磨性决定了采煤效率。目前提高截齿体性能主要就是利用热 喷涂、离子束表面冶金和堆焊等技术对截齿体表面进行强化处理，但前两种技术的表面强 化层太薄，难以大幅度提高耐磨性；后者成本高效率低；因此对提高齿体耐磨性均无本质 提尚。
【发明内容】
[0003] 发明目的
[0004] 本发明提供一种用于采煤机的整体耐磨新型截齿的制备工艺，其目的是：解决采 煤机截齿服役寿命短的技术难题；以便提高采煤效率，降低采煤成本。
[0005] 技术方案
[0006] 本发明是通过以下技术方案来实现的：
[0007] 一种采煤机用新型截齿的制备方法，其特征在于：该截齿的齿体部分通过铸造而 成；截齿体的成分是将耐磨钢用纳米复合耐磨合金添加到中碳低合金钢里；通过熔炼使成 分均匀化，然后浇铸成截齿体；对铸造后的截齿体进行机加工及强化处理；采用热压技术 将硬质合金头压入齿头前端的孔中。
[0008] 所述的截齿体加入耐磨合金的比例是（2?15) %，所述的耐磨合金成分，由若 干种纳米陶瓷耐磨相和金属粉料复合制成，其密度为6. 25?8. 69g/cm3,熔点为1450? 1580°C ;所述的中碳低合金钢占成分总质量的（85?98) % ;所述的中碳低合金钢成分为 C: (0? 3 ?0? 51) % ;Si : (0? 15 ?0? 45) % ;Mn : (0? 45 ?85) % ;S (0? 001 ?0? 0095) % ; P (0? 001 ?0? 022) % ;Gr (0? 45 ?1. 20) % ;Ni (I. 10 ?2. 15) % ;Mo (0? 15 ?0? 60) % ;其他 金属杂质低于〇. 35%，余量为铁。
[0009] 通过熔炼将钢水成分调制成中碳低合金钢，然后加入耐磨合金，再将熔炼温度提 高10?80°C，然后浇铸成截齿体。
[0010] 首先对铸态截齿体毛坯进行高温退火；退火工艺参数是900°C保温3?10小时， 然后随炉冷却到室温；利用机加工将退火后的截齿体毛坯铸件加工成要求的尺寸，再对截 齿体进行调质处理，具体调质工艺参数如下：将加工后的截齿体装在箱式电炉中，加热到 780?900°C，保温I. 0?8. 5h，取出后即置于冷却介质中快速冷却至室温；再将截齿体置 于箱式电炉中进行回火处理，回火工艺参数是：150?550°C，保温I. 0?8. Oh ;最后再精加 工将截齿体加工至要求尺寸，即得到新型截齿的截齿体。
[0011] 对调质后的截齿体加热，使齿头前端孔的内径因热胀变大，然后利用液压机将硬 质合金柱压入孔中，待冷却收缩后截齿体将硬质合金柱牢牢地抱紧；必须保证齿头前端孔 内径和硬质合金柱外径之间保持过盈配合，但过盈量小于0. 〇〇5_。
[0012] 对截齿体加热时，加热温度必须比截齿调质过程的回火温度低20°C?60°C。
[0013] 优点及效果
[0014] 本发明具有如下优点及有益效果：
[0015] 通过本技术方案的实施，制备了整体耐磨的截齿，即整个截齿体从心部到表面都 均匀分布纳米耐磨相，从内至外都耐磨，因而解决了传统截齿表面耐磨层过薄而无法保持 较长服役寿命的难题；新型截齿的硬质合金柱与截齿体保持紧密结合，截齿服役过程不掉 柱，因而有效延长了服役寿命；新型截齿形状、尺寸与正在服役的截齿一致，采煤过程安装 使用很方便。
[0016] 本发明的新型截齿从内到外均为耐磨材料，极大地提高了耐磨性，延长服役寿命， 减少了更换截齿的时间，导致采煤效率提高，降低采煤成本。
【具体实施方式】
[0017] 图1为米煤机用截齿不意图；
[0018] 图2为截齿体不意图；
[0019] 图3为图2侧视图；
[0020] 图4为新型截齿场发射电镜对比图，图4(a)为W元素分布示意图，图4(b)为放大 3万倍的显微组织示意图。
【具体实施方式】
[0021]
[0022] 下面结合附图对本发明做进一步的说明：
[0023] 本发明目的是制造一种采煤机用的新型截齿，使之具有与现有截齿完全相同的外 形和尺寸，且截齿体从内到外均具有优异的耐磨性，从而可以延长截齿的服役寿命。在研宄 过程中，必须解决三个重要问题：一是铸造过程必须保证组织和成分均匀化，以提高铸钢的 耐磨性；二是对浇铸后的截齿体进行冷加工和强化处理，经过处理后的截齿体硬度和耐磨 性均要超过现有截齿；三是安装硬质合金柱时要确保截齿体前端的孔与硬质合金柱之间保 持过盈配合，但过盈量必须小于±0. 005mm，以免在服役过程出现掉柱现象。
[0024] 本发明实施过程就是通过铸造制备成齿体，即该截齿的齿体部分通过铸造而成。 截齿体的成分特点是将一种耐磨合金（专利申请号为：201410535131.X)添加到中碳低合 金钢里，以提高该截齿体整体的耐磨性。通过熔炼使成分均匀化，然后浇铸成截齿体；对铸 态截齿体进行机加工及强化处理；采用热压技术将硬质合金头压入齿头前端的孔中。
[0025] 所述的截齿体加入耐磨合金的比例是（2?15) %，所述的耐磨合金成分，由若 干种纳米陶瓷耐磨相和金属粉料复合制成，其密度为6. 25?8. 69g/cm3,熔点为1450? 1580°C ;所述的中碳低合金钢占钢水成分总质量的（85?98) % ;所述的中碳低合金钢的成 分为 C: (0? 3 ?0? 51) % ;Si : (0? 15 ?0? 45) % ;Mn : (0? 45 ?85) % ;S(0? 001 ?0? 0095) % ; P (0? 001 ?0? 022) % ;Gr (0? 45 ?1. 20) % ;Ni (I. 10 ?2. 15) % ;Mo (0? 15 ?0? 60) % ;允许 有低于0. 35 %的其他金属杂质，余量为铁Fe。
[0026] 所述的新型截齿制备技术，主要包括三方面内容：铸造截齿体；对铸造后的截齿 体进行机加工及强化处理；采用热压技术将硬质合金头压入截齿体齿头前端的孔中。
[0027] 所述的新型截齿体铸造技术，实施过程如下：通过熔炼将钢水成分调制成中碳低 合金钢，配制炉料时按照上述中碳低合金钢所限定的成分范围操作，随后利用感应电炉先 将炉料熔化；通常需将电炉升温至1500°C?1560°C使炉料完全熔化，除掉炉渣并对钢水成 分进行炉前快速分析；确保炉中钢水成分符合上述中碳低合金钢成分后，再加入耐磨合金， 随后将熔炼温度提高10?80°C以保证耐磨合金均匀熔入钢水中，使钢水中成分均匀，然后 浇铸成截齿体。
[0028] 对铸造后的截齿体进行机加工及强化处理技术，其实施过程是：首先对铸态截齿 体毛坯进行高温退火，使截齿体便于机加工；退火工艺参数是900°C保温3?10小时，然后 随炉冷却到室温；利用机加工将退火后的截齿体毛坯铸件加工成要求的尺寸，将退火后的 截齿体铸件进行粗加工，即将铸件加工掉外皮，按照图纸要求留有0. 1?0. 5mm的加工余 量；再对截齿体进行调质处理，具体调质工艺参数如下：将加工后的截齿体装在箱式电炉 中，加热到780?900°C，保温I. 0?8. 5h，取出后即置于冷却介质中快速冷却至室温；再将 截齿体置于箱式电炉中进行回火处理，回火工艺参数是：150?550°C，保温I. 0?8. Oh ;最 后再精加工将截齿体加工至要求尺寸，即得到新型截齿的截齿体。尤其要对截齿体齿头前 端的孔要保持精确，确保其公差在±0. 〇3mm之内。
[0029] 冷却介质是指冷却速度比水慢，但却比油快的冷却液。
[0030] 热压安装硬质合金柱技术，实施过程是：将精加工并调质后的截齿体加热，使截 齿体齿头前端的孔内径因热胀变大，然后利用液压机将硬质合金柱压入齿头前端的孔中， 待冷却收缩后截齿体将硬质合金柱牢牢地抱紧，以实现硬质合金柱直径与截齿体齿头前端 的孔之间保持精确配合。关键技术就是对精加工并调质后的截齿体齿头前端孔的内径和 硬质合金柱外径要预先测量，要求二者的公差尺寸互补，即如果孔尺寸为正偏差，则合金柱 尺寸也必须是正偏差，反之则均为负偏差，必须保证二者为过盈配合，但过盈量必须小于 ±0. 005mm〇
[0031] 对截齿体加热的工艺，就是将调质处理后的截齿体适当加热使之热膨胀，便于硬 质合金柱压入；即加热温度必须比截齿调质过程的回火温度低20°c?60°C，以免降低截齿 的耐磨性。
[0032] 实施例1
[0033] 本实施例中熔炼50kg钢水，其中加入Ikg耐磨合金，其比例是2 % ;配制中碳低 合金钢原料49kg，占钢水总质量的98%。中碳低合金钢成分如下：C :0. 45% ;Si :0. 34% ; Mn :0? 65% ;S :0? 001% ;P :0? 001% ;Gr :1. 05% ;Ni :2. 15% ;Mo :0? 50% ;其他金属杂质低 于0.35%，余量为铁Fe。
[0034] 实施过程如下：
[0035] 利用铸造技术制备新型截齿体，首先按照上述的中碳低合金钢成分配制炉料，利 用感应电炉先将炉料熔化；将电炉升温至1550°C使炉料充分熔化，除掉炉渣并进行快速炉 前成分分析，确保炉中钢水成分符合上述中碳低合金钢后，再加入耐磨合金，随后将熔炼温 度提高40°C，熔炼12分钟，钢水变得均匀后，耐磨合金已经熔入钢水中，然后把钢水倒入钢 水包中浇铸成截齿体毛坯。去除浇口冒口等，共浇铸截齿坯体9件。
[0036] 截齿体机加工及强化处理过程是：铸件硬度高以至于难以加工。首先对铸件进行 退火处理，工艺参数是：900°C保温3小时，然后随炉冷至室温；将退火后的截齿体铸件进行 粗加工，按照要求留有〇. 5_的加工余量；随后进行调质处理，其工艺参数为：将截齿体装 入电阻炉中，加热到780°C，保温3h，取出后立即置于冷却介质中快速冷却至室温；回火处 理工艺是：150°C，保温4h ;再次将截齿体精加工至图纸要求尺寸；确保截齿体齿头前端的 922孔公差为+0. 01mm，即得到新型截齿的截齿体，见图2和图3。
[0037] 安装硬质合金柱技术实施过程就是：测出硬质合金柱外径；本实施例中测得的 数据为(p22+a()12;将调质后的截齿体加热到ll〇°C，使截齿体齿头前端的孔内径因热胀由 $22+(^01变大到^22IO8,然后利用液压机将硬质合金柱压入齿头前端的孔中，待冷却收缩 后截齿体将硬质合金柱牢牢地抱紧。本实施例中硬质合金柱直径与截齿体齿头前端的孔之 间的过盈两位0. 〇〇2_，因此具有极强的结合力。于是获得了采煤机用新型截齿。
[0038] 实施例2
[0039] 本实施例中共熔炼50kg钢水，其中加入4kg耐磨合金，其比例是8% ;中碳低合 金钢原料46kg，占钢水总质量的92%，所述的中碳低合金成分如下：C :0. 3% ;Si :0. 15% ; Mn :0? 45% ;S :0? 001% ;P :0? 001% ;Gr :1. 20% ;Ni :1. 85% ;Mo :0? 6% ;其他金属杂质低于 0. 35%，余量为铁Fe。
[0040] 制造过程如下：
[0041] 利用铸造技术制备新型截齿体，按照上述的中碳低合金钢成分范围配制炉料，将 电炉升温至1550°C使炉料熔化，除掉炉渣并进行快速炉前成分分析，确保炉中钢水成分符 合上述中碳低合金钢后再加入耐磨合金，随后将温度提高50°C，熔炼15分钟，耐磨合金熔 入钢水中后钢水变得均匀，然后把钢水倒入钢水包中浇铸成截齿体毛坯。去除浇口冒口等， 共浇铸截齿坯体9件。
[0042] 截齿体机加工及强化处理过程是：对铸件进行退火处理，退火工艺参数是：900°C 保温6小时，然后随炉冷至室温；将退火后的截齿体铸件进行粗加工，按照图纸要求留有 0. 5mm的加工余量；随后进行调质处理，其工艺参数为：用电炉将截齿体加热到840°C，保温 3h，立即淬入冷却介质中快速冷却至室温；回火处理工艺是：180°C，保温4h ;再将截齿体精 加工至图纸要求尺寸；齿头前端q>22孔公差为+0. 018_，即为新型截齿齿体。
[0043] 安装硬质合金柱技术实施过程就是：测出硬质合金柱外径为(p22+a()2();将调质后 的截齿体加热到120°C，使截齿体齿头前端的孔内径因热胀由q)22+a()18变大到(p22+()i)9()，然 后利用液压机将硬质合金柱压入齿头前端的孔中，待冷却收缩后截齿体将硬质合金柱牢牢 地抱紧。本实施例中硬质合金柱直径与截齿体齿头前端的孔之间的过盈量为〇. 〇〇2_，于是 二者结合得非常牢固，确保使用过程不掉柱。得到了采煤机用新型截齿。
[0044] 实施例3
[0045] 本实施例中共熔炼50kg钢水，其中加入7. 5kg耐磨合金，其比例是15% ;中碳低 合金钢原料42. 5kg，占钢水总质量的85%，其成分如下：C :0. 51%;Si :0. 45%;Mn :0. 65%; S :0? 0095% ;P :0? 022% ;Gr :0? 45% ;Ni :1. 10% ;Mo :0? 15% ;其他金属杂质低于 0? 35%， 余量为铁Fe。
[0046] 制造过程如下：
[0047] 利用铸造技术制备新型截齿体，按照上述的中碳低合金钢成分范围配制炉料；将 电炉升温至1550°C使炉料熔化，除掉炉渣并进行快速炉前成分分析，确保炉中钢水成分符 合上述中碳低合金钢后，再加入耐磨合金，随后将熔炼温度提高40°C，熔炼20分钟，耐磨合 金均匀熔入钢水中，然后把钢水倒入钢水包中浇铸成截齿体毛坯。去除浇口冒口等，共浇铸 截齿坯体10件。
[0048] 截齿体机加工及强化处理过程是：铸件退火处理的工艺参数是：900°C保温6小 时，然后随炉冷至室温；将退火后的截齿体铸件进行粗加工，参照图纸留有〇. 5_的加工余 量；调质处理工艺参数为：用电炉将截齿体加热到840°C，保温4h，取出后立即置于一种冷 却介质中快速冷却至室温；回火处理工艺是：220°C，保温4h ;再次将截齿体精加工至图纸 要求尺寸；截齿体齿头前端的q>22孔公差为-0. 015_，即得到新型截齿的截齿体。
[0049] 安装硬质合金柱技术实施过程就是：测得硬质合金柱外径为cp22_Q.Q18;将调质后 的截齿体加热到200°C，使截齿体齿头前端的孔内径因热胀由(p22_a()15变大到(p22+a()6()，然 后将硬质合金柱压入齿头前端的孔中，待冷却收缩后截齿体将硬质合金柱牢牢地抱紧，硬 质合金柱直径与截齿体齿头前端的孔之间过盈量为0. 〇〇3_，二者结合牢固。于是得到了新 型截齿。
[0050] 实施例4
[0051] 本实施例目的是验证批量生产过程工艺的稳定性。本实施例配置了 600kg钢水， 其中加入48kg耐磨合金，比例是8% ;中碳低合金钢原料552kg，占总质量的92%，其成分 如下：C :0? 35% ;Si :0? 2% ;Mn :0? 5% ;S :0? 005% ;P :0? 003% ;Gr :0? 85% ;Ni :1. 5% ;Mo : 0. 35% ;其他金属杂质低于0.35%，余量为铁Fe。
[0052] 实施过程如下：
[0053] 利用铸造技术制备新型截齿体，按照上述的中碳低合金钢成分范围配制炉料；将 电炉升温至1550°C使炉料熔化，除掉炉渣并进行快速炉前成分分析，确保炉中钢水成分符 合上述中碳低合金钢后，进行炉前快速分析，分析结果可以看出，钢水成分完全符合本说明 书中所述的中碳低合金钢成分范围；再加入耐磨合金，随后将熔炼温度提高60°C，熔炼20 分钟，钢水变得非常均匀，耐磨合金均匀熔入钢水中，然后把钢水倒入钢水包中浇铸成截齿 体毛坯。去除浇口冒口等，共浇铸截齿坯体136件。
[0054] 截齿体机加工及强化处理实施过程是：铸件退火处理工艺参数为900°C保温6小 时，然后随炉冷至室温；截齿体铸件进行粗加工，按照要求留有〇. 5_的加工余量；调质处 理工艺参数为：加热到900°C，保温lh，取出后立即置于冷却介质中快速冷却至室温；回 火处理工艺是：550°C，保温Ih ;再次将截齿体精加工至图纸要求尺寸；截齿体齿头前端的 cp22孔公差为-0. 〇11_，即得到新型截齿的截齿体。
[0055] 安装硬质合金柱技术实施过程就是：测得硬质合金柱外径为(p22_a〇1() ;将调质后 的截齿体加热到490°C，使截齿体齿头前端的孔内径因热胀由q>22_a()11变大到 后利用液压机将硬质合金柱压入齿头前端的孔中，待冷却收缩后截齿体将硬质合金柱牢牢 地抱紧，硬质合金柱直径与截齿体齿头前端的孔之间保持过盈配合，其过盈量为〇. 〇〇1_， 可见二者结合牢固。本实施例证明了在大型电炉中熔炼进行批量生产，可以获得新型截齿。
[0056] 实施例5
[0057] 铸件退火处理工艺参数为900°C保温10小时，对截齿体铸件进行粗加工时，按照 要求留有0. Imm的加工余量；调质处理时：加热到780°C，保温8. 5h，回火处理时，300°C，保 温8. Oh ;安装硬质合金柱时，将调质后的截齿体加热到250°C ;其他条件同实施例1。
[0058] 实施例6
[0059] 对截齿体铸件进行粗加工时，按照要求留有0. 3_的加工余量；其他条件同实施 例1〇
[0060] 实验例1
[0061] 本实验例对新型截齿体的硬度进行检测。本实验例的样品是从上述实施例1、2、3 和4中制备的截齿体上取得试样，分别记为MYl、MY2、MY3和MY4 ;为比较新型截齿的硬度， 将山西某煤矿正在服役的2个截齿（U82型和U95型）也做同样的检测，试样编号为分别为 UYl 和 UY2。
[0062] 实验检测过程如下：将样品切割成IOX IOX IOmm的小立方体，将其中对应的两面 磨光；利用布氏硬度计进行检测，每个样品检测5个点，然后取平均值作为该样品的硬度。 检测结果列于表2中。
[0063] 表2硬度检测结果（HB)
[0064]
【权利要求】
1. 一种采煤机用新型截齿的制备方法，其特征在于：该截齿的齿体部分通过铸造而 成；截齿体的成分是将耐磨钢用纳米复合耐磨合金添加到中碳低合金钢里；通过熔炼使成 分均匀化，然后浇铸成截齿体；对铸造后的截齿体进行机加工及强化处理；采用热压技术 将硬质合金头压入齿头前端的孔中。
2. 根据权利要求1所述的采煤机用新型截齿的制备方法，其特征在于：所述的截齿体 加入耐磨合金的比例是（2?15) %，所述的耐磨合金成分，由若干种纳米陶瓷耐磨相和金 属粉料复合制成，其密度为6. 25?8. 69g/cm3,熔点为1450?1580°C;所述的中碳低合金钢 占成分总质量的（85?98) %;所述的中碳低合金钢成分为C: (0. 3?0. 51) % ;Si : (0. 15? 0? 45) % ;Mn : (0? 45 ?85) % ;S(0. 001 ?0? 0095) % ;P(0. 001 ?0? 022) % ;Gr(0. 45 ? 1. 20) % ;Ni(l. 10?2. 15) % ;M〇(0. 15?0? 60) % ;其他金属杂质低于0? 35%，余量为铁。
3. 根据权利要求1所述采煤机用新型截齿的制备方法，其特征在于：通过熔炼将钢水 成分调制成中碳低合金钢，然后加入耐磨合金，再将熔炼温度提高10?80°C，然后浇铸成 截齿体。
4. 根据权利要求3所述的采煤机用新型截齿的制备方法，其特征在于：首先对铸态截 齿体毛坯进行高温退火；退火工艺参数是900°C保温3?10小时，然后随炉冷却到室温；利 用机加工将退火后的截齿体毛坯铸件加工成要求的尺寸，再对截齿体进行调质处理，具体 调质工艺参数如下：将加工后的截齿体装在箱式电炉中，加热到780?900°C，保温1. 0? 8. 5h，取出后即置于冷却介质中快速冷却至室温；再将截齿体置于箱式电炉中进行回火处 理，回火工艺参数是：150?550°C，保温1. 0?8. Oh ;最后再精加工将截齿体加工至要求尺 寸，即得到新型截齿的截齿体。
5. 根据权利要求1或4所述的采煤机用新型截齿的制备方法，其特征在于：对调质后 的截齿体加热，使齿头前端孔的内径因热胀变大，然后利用液压机将硬质合金柱压入孔中， 待冷却收缩后截齿体将硬质合金柱牢牢地抱紧；必须保证齿头前端孔内径和硬质合金柱外 径之间保持过盈配合，但过盈量小于0. 005mm。
6. 根据权利要求1或4所述的采煤机用新型截齿的制备方法，其特征在于：对截齿体 加热时，加热温度必须比截齿调质过程的回火温度低20°C?60°C。
【文档编号】C22C33/04GK104451352SQ201410828615
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月26日 优先权日:2014年12月26日
【发明者】韩阳, 韩亚玲, 张爱玲, 张志涛, 毛亚男, 刘伟男 申请人:沈阳工业大学