一种双金属结构的截齿及其制备方法 【技术领域】
本发明一种双金属结构的截齿及其制备方法，属于采掘机械金属材料和岩土工程研究技术领域，具体涉及一种应用在采煤机、掘进机上能够截割煤层和岩层的截齿及其制备方法。
背景技术
国内外煤炭工业生产，都广泛应用采煤机、掘进机开采。在采煤机、掘进机上安装的不同规格、不同数量的截齿，是其不可缺少的易磨损零配件。截齿的圆柱形部分为齿柄，圆锥形部分为齿头，齿柄和齿头合称齿体，齿头顶端焊接有硬质合金头，齿体和硬质合金头构成一个完整的截齿。截齿对齿体的硬度、冲击韧性、抗弯强度、抗腐蚀性等具有很高的要求，但对齿柄和齿头的性能要求却有着明显的不同，齿柄要求具有一定的强度和韧性，齿头顶端要求具有高强度、高硬度、高耐磨和耐腐蚀性。现有齿体广泛采用单一的钢制成，这就牺牲了齿头顶端的高硬度、高耐磨和耐腐蚀性，从而在采掘工作中致使齿头顶端很快磨损，露出硬质合金头焊接部分，使硬质合金头失去包裹和依托而被甩出，导致截齿报废。可见硬质合金头是截齿非常重要的部分，只有提高齿头顶端的耐磨性和抗冲击性，才能保证硬质合金头不会因为齿头顶端被磨损而甩出，最终充分发挥其最大效能，则截齿能达到最大寿命。
目前国内提高齿头顶端的耐磨性和抗冲击性有代表性的做法主要有三种。第一种做法是：齿头顶端焊接有硬质合金头，齿头顶端采用耐磨合金钢，齿柄和齿头其余部分采用高强度合金钢，耐磨合金钢和高强度合金钢分别经过热处理后，通过焊接和止口连接在一起，然后再进行低温回火。截齿在工作时承受很大的冲击力，焊缝和止口连接难以保证足够的抗弯强度，会造成齿头顶端与齿体其余部分的分离；低温回火处理虽然能够消除连接处的焊接应力，但不能提高焊缝和止口连接的抗弯强度。第二种做法是：齿头顶端焊接有硬质合金头，齿头表面利用粉末冶金工艺焙烧有硬质合金层，该层虽然有较好的耐磨性，但由于截齿在工作时，径向受力大，会产生较大的弯曲应力，齿头和硬质合金层强度差异较大而导致其脱落，使硬质合金头失去保护。第三种做法是：齿头顶端不焊接硬质合金头，而是把齿头顶端制成尖形来代替硬质合金头，齿柄和齿头使用同一种材料制成一体，在齿头表面覆盖0.5～1毫米的耐磨层并经过热处理。该层虽然有较高的硬度能够抵抗磨损，但由于齿头和耐磨层在力学性质方面存在较大差异，里软外硬，耐磨层因抗冲击性不足而剥落；另外由于没有硬质合金头，齿头顶端单凭这一薄的耐磨层直接截割煤层和岩层根本不足以维持较长的使用寿命。
可见以上结构的目的都在于提高截齿齿头部分的硬度和耐磨性来保护硬质合金头，但关键问题在于这一增强部分与原齿体金属材料由于性能差异较大存在明显的界面，两种不同的金属材料没有过渡区域，在连接处没有与齿体金属材料真正熔为一体，在强烈的冲击下很容易断裂或剥落，从而导致硬质合金头失去包裹和依托而被甩出，最终截齿报废。因此，设计科学合理的截齿结构和制备工艺才能够保证硬质合金头最大限度的发挥效能，这对于充分提高截齿的使用寿命具有十分重要的意义。
【发明内容】
本发明一种双金属结构的截齿及其制备方法，目的在于解决上述技术问题，提供一种使用寿命长、节省合金钢材、降低采煤成本、经济实惠的应用在采煤机、掘进机上的，由两种金属构成的截齿及其制备方法的技术方案。
本发明一种双金属结构的截齿，其特征在于截齿由齿体和硬质合金头组成，齿体包括圆柱形齿柄2和圆锥形齿头4，齿体由两种金属构成，圆柱形齿柄2和圆锥形齿头4下端为中碳合金钢，圆锥形齿头4顶端为特制合金钢，在圆锥形齿头4顶端钻有轴向圆孔，硬质合金头9放入轴向圆孔内通过铜焊接层17与圆锥形齿头4焊接在一起，圆锥形齿头底3的直径大于圆柱形齿柄2的直径，其次沿其圆锥形齿头4的圆锥面自上而下开设环形槽，环形槽的宽度均为7～9毫米，圆锥形齿头4顶端向下第一个环形槽D8深度为5.5～6.0毫米，其余环形槽深度随齿头圆锥形增大而加深到8～9毫米，相邻两环形槽之间有1.5～2.0毫米的隔层，距圆锥形齿头底3距离最小的是环形槽A5，其距离不大于圆锥形齿头4长度的二分之一，距硬质合金头9底面的距离为8～12毫米。
上述一种双金属结构的截齿，其特征在于所述的特制合金钢将硬质合金头9的焊接部分紧紧包围，特制合金钢的范围大于硬质合金头9的焊接部分，并向硬质合金头9底面延伸8～12毫米。
上述一种双金属结构的截齿，其特征在于所述地特制合金钢为空淬钢HRC55～60，其化学成份重量百分比为，C：0.46～0.58，Cr：4.0～6.0，W：6.0～11.0，Mo：2.3～3.0，V：0.6～1.3，Si：0.18～0.20，Mn：0.17～0.19，Ni：0.50～0.60，S：0.030～0.035，P：0.028～0.030。
上述一种双金属结构的截齿的制备方法，其特征在于：该方法的具体步骤为：
I、按熔敷金属化学成份重量百分比C：0.46～0.58，Cr：4.0～6.0，W：6.0～11.0，Mo：2.3～3.0，V：0.6～1.3，Si：0.18～0.20，Mn：0.17～0.19，Ni：0.50～0.60，S：0.030～0制作特制合金钢焊条，在240～260℃烘干2.0～2.5小时；
II、采用中碳合金钢机加工成结构为圆柱形齿柄2和圆锥形齿头4构成的齿体；
III、在上述II得到的齿体的圆锥形齿头4顶端向下开若干环形槽，一般为3～5个环形槽，环形槽的净宽为7～9毫米，两相邻环形槽之间的隔层为1.5～2.0毫米，圆锥形齿头4顶端向下第一个环形槽深度为5.5～6.0毫米，其余环形槽深随齿头圆锥形增大而加深到8～9毫米，开设环形槽的范围大于硬质合金头9的底面8～12毫米，圆锥形齿头4顶端向下最后一个环形槽A 5距圆锥形齿头底3的距离不大于圆锥形齿头4长的二分之一；
IV、在上述III得到的齿体在温度350～400℃中预热1.0～1.5小时，然后用上述I特制合金钢焊条堆焊饱满环形槽，由于隔层很薄，齿头顶端形成完整的上述特制合金钢，特制合金钢和中碳合金钢共同构成了双金属结构的齿体；
V、将上述IV得到的双金属结构的齿体用140～160℃去应力回火2.0～2.5小时；
VI、按照常规方法对上述V得到的双金属结构的齿体进行研磨精加工；
VII、在上述VI得到的双金属结构的齿体的圆锥形齿头4顶端钻一个轴向圆孔，将铜焊片和焊剂放入圆孔内，然后把圆锥形齿头4顶端和硬质合金头9置于超音频感应圈内加热至950～1050℃，硬质合金头9即通过铜焊接层17与圆锥形齿头4焊接在一起。
本发明一种双金属结构的截齿及其制备方法，其优点在于：
①本发明设计新颖，通过开设环形槽利用特制合金钢焊条堆焊形成特制合金钢，由于堆焊时产生的高温在特制合金钢和中碳合金钢的结合部位形成了两种钢的混合区域即过渡段，尽管是两种硬度不同的合金钢但却没有明显的界面，过渡段的化学成份没有双金属那样明显，而是介于两种钢之间，性能也介于两种钢之间，具有很好的硬度和韧性，有机地融合为一个整体，满足特制合金钢和中碳合金钢的结合强度，经过去应力回火处理后，极大提高了齿头顶端的耐磨性和抗冲击性。
②本发明结构合理，特制合金钢的范围大于硬质合金头的焊接部分，焊接硬质合金头的轴向圆孔与特制合金钢相接，特制合金钢通过铜焊接层与硬质合金头牢固地焊接在一起，特制合金钢无论从轴向还是径向都将硬质合金头紧密包裹，这样就通过提高齿头顶端的耐磨性来保证硬质合金头充分发挥工作效能，不会因为齿头顶端的过早磨损而使硬质合金头被甩出，极大地提高了截齿的使用寿命。
③本发明实用性强，特制合金钢由于其特殊的化学成份使其具有较好的抗酸、碱、盐等介质腐蚀的能力。
④工业试验证明，双金属结构截齿具有很好的强度、耐磨性和耐腐蚀性，适用于各种煤层和中硬岩层的掘进和开采，使用寿命比国产截齿提高了20～30倍，与进口截齿接近，可以为国家节约大量合金钢材。
⑤由于使用寿命的延长，大大减小了维修及更换次数的时间，从而提高了15～20倍的采煤效率。
⑥采煤效率的提高，降低了工人的劳动强度和劳动时间，降低了采煤成本。
【附图说明】
图1是本发明截齿的外形图
图2是本发明的截齿剖视图
上述图中：
1——弹性卡圈 2——圆柱形齿柄 3——圆锥形齿头底
4——圆锥形齿头 5——环形槽A 6——环形槽B
7——环形槽C 8——环形槽D 9——硬质合金头
10——隔层i 11——隔层ii 12——隔层iii
13——特制合金钢I 14——特制合金钢II 15——特制合金钢III
16——特制合金钢IV 17——铜焊接层
【具体实施方式】
下面结合实施例及其附图详细说明本截齿的具体实施方式，但本截齿的具体实施方式不局限于下述的实施例。图1与图2描述的为双金属结构截齿，是通过以下具体步骤实现的：
实施方式一：
I、按熔敷金属化学成份重量百分比C：0.46，Cr：4.0，W：6.0，Mo：2.3，V：0.6，Si：0.18，Mn：0.17，Ni：0.50，S：0.030，P：0.028制作特制合金钢焊条，在240℃烘干2.5小时；
II、采用中碳合金钢机加工成结构为圆柱形齿柄2和圆锥形齿头4构成的齿体；
III、在上述II得到的齿体的圆锥形齿头4顶端向下开3个环形槽，环形槽的净宽为7毫米，两相邻环形槽之间的隔层为1.5毫米，圆锥形齿头4顶端向下第一个环形槽深度为5.5毫米，其余环形槽深随齿头圆锥形增大而加深到8毫米，开设环形槽的范围大于硬质合金头9的底面8毫米，圆锥形齿头4顶端向下最后一个环形槽A 5距圆锥形齿头底3的距离不大于圆锥形齿头4长的二分之一；
IV、将上述III得到的齿体在温度350℃中预热1.5小时，然后用上述I特制合金钢焊条堆焊饱满环形槽，由于隔层很薄，齿头顶端形成完整的上述特制合金钢，特制合金钢和中碳合金钢共同构成了双金属结构截齿的齿体；
V、将上述IV得到的双金属结构齿体用140℃去应力回火2.5小时；
VI、按照常规方法对上述V得到的双金属结构齿体进行研磨精加工；
VII、在上述VI得到的双金属结构齿体的圆锥形齿头4顶端钻一个轴向圆孔，将铜焊片和焊剂放入圆孔内，然后把圆锥形齿头4顶端和硬质合金头9置于超音频感应圈内加热至950℃，硬质合金头9即通过铜焊接层17与圆锥形齿头4焊接在一起。
实施方式二：
I、按熔敷金属化学成份重量百分比C：0.52，Cr：5.0，W：8.5，Mo：2.65，V：0.95，Si：0.19，Mn：0.18，Ni：0.55，S：0.0325，P：0.029制作特制合金钢焊条，在250℃烘干2.25小时；
II采用中碳合金钢机加工成结构为圆柱形齿柄2和圆锥形齿头4构成的齿体；
III、在上述II得到的齿体的圆锥形齿头4顶端向下开4个环形槽，环形槽的净宽为8毫米，两相邻环形槽之间的隔层为1.75毫米，圆锥形齿头4顶端向下第一个环形槽深度为5.75毫米，其余环形槽深随齿头圆锥形增大而加深到8.5毫米，开设环形槽的范围大于硬质合金头9的底面10毫米，圆锥形齿头4顶端向下最后一个环形槽A 5距圆锥形齿头底3的距离不大于圆锥形齿头4长的二分之一；
IV、将上述III得到的齿体在温度375℃中预热1.25小时，然后用上述I特制合金钢焊条堆焊饱满环形槽，由于隔层很薄，齿头顶端形成完整的上述特制合金钢，特制合金钢和中碳合金钢共同构成了双金属结构截齿的齿体；
V、将上述IV得到的双金属结构齿体用150℃去应力回火2.25小时；
VI、按照常规方法对上述V得到的双金属结构齿体进行研磨精加工；
VII、在上述VI得到的双金属结构齿体的圆锥形齿头4顶端钻一个轴向圆孔，将铜焊片和焊剂放入圆孔内，然后把圆锥形齿头4顶端和硬质合金头9置于超音频感应圈内加热至1000℃，硬质合金头9即通过铜焊接层17与圆锥形齿头4焊接在一起。
实施方式三：
I、按熔敷金属化学成份重量百分比C：0.58，Cr：6.0，W：11.0，Mo：3.0，V：1.3，Si：0.20，Mn：0.19，Ni：0.60，S：0.035，P：0.030制作特制合金钢焊条，在260℃烘干2.0小时；
II、采用中碳合金钢机加工成结构为圆柱形齿柄2和圆锥形齿头4构成的齿体；
III、在上述II得到的齿体的圆锥形齿头4顶端向下开5个环形槽，环形槽的净宽为9毫米，两相邻环形槽之间的隔层为2.0毫米，圆锥形齿头4顶端向下第一个环形槽深度为6.0毫米，其余环形槽深随齿头圆锥形增大而加深到9毫米，开设环形槽的范围大于硬质合金头9的底面12毫米，圆锥形齿头4顶端向下最后一个环形槽A 5距圆锥形齿头底3的距离不大于圆锥形齿头4长的二分之一；
IV、将上述III得到的齿体在温度400℃中预热1.0小时，然后用上述I特制合金钢焊条堆焊饱满环形槽，由于隔层很薄，齿头顶端形成完整的上述特制合金钢，特制合金钢和中碳合金钢共同构成了双金属结构截齿的齿体；
V、将上述IV得到的双金属结构齿体用160℃去应力回火2.0小时；
VI、按照常规方法对上述V得到的双金属结构齿体进行研磨精加工；
VII、在上述VI得到的双金属结构齿体的圆锥形齿头4顶端钻一个轴向圆孔，将铜焊片和焊剂放入圆孔内，然后把圆锥形齿头4顶端和硬质合金头9置于超音频感应圈内加热至1050℃，硬质合金头9即通过铜焊接层17与圆锥形齿头4焊接在一起。
以上实施方式齿柄2的直径为35毫米，齿柄2的长度为94毫米，齿头底3的直径为55毫米，齿头4的顶端直径31毫米，齿头4的长度为90毫米，硬质合金头9的直径为18毫米。