專利名稱：一種微納陶瓷粒子激光強化的截齒的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種截齒，尤其涉及一種微納陶瓷粒子激光強化的截齒，屬于激光加工技術領域。
背景技術：
截齒是煤炭行業(yè)采煤過程的關鍵零件，該零件是一鑲嵌硬質合金齒頭的錐面體。 在采煤的過程中，該零件同時受到煤層或煤矸石的磨損和沖擊，因此受到劇烈的磨粒磨損， 其失效形式多為齒座的磨損而導致硬質合金頭脫落，其使用壽命取決于齒座的磨損速率， 才采煤行業(yè)截齒的消耗量和需求量特別大。從實際存在的問題可以看出，硬質合金頭與齒座的關系如同牙齒與牙齦的關系，因此提高齒座的耐磨性能，通過保護硬質合金不致磨損脫落，可延長整個截齒的使用壽命。激光加工是一種非接觸式加工手段，為先進的材料加工方法，激光加工有許多常規(guī)加工手段無法比擬的優(yōu)越性，應用范圍也相當廣泛。激光熔覆是利用可控的高能激光束輻照，通過迅速熔化、擴展和凝固，在基材表面熔覆一層具有特殊物理、化學或力學性能的材料，構成一種新的復合材料，以彌補基體所缺少的高性能。可根據(jù)工件的要求，熔覆各種成分的金屬或非金屬，制備耐熱、耐蝕、耐磨、抗氧化等特性的表面覆層，使材料具有常規(guī)處理所不具有的組織與性能。目前截齒的強化手段多為等離子堆焊、等離子噴涂、電鍍以及近期出現(xiàn)的激光強化等方法，所采用的材料為鎳基合金、鐵基合金、碳化鎢、金剛石等。目前，在生產(chǎn)制造激光強化截齒的過程中出現(xiàn)影響產(chǎn)品質量的問題第一，硬質合金頭通常采用感應加熱的方式釬焊在齒座上，在施加涂層的過程中釬焊層易被破壞而在使用過程中硬質合金頭出現(xiàn)脫落現(xiàn)象；第二，材料性能越高(特別是硬度)強化層的裂紋傾向是增加的，裂紋的出現(xiàn)意味著使用過程中涂層易于剝落；第三，選用的粉末材料粒度不合適，強化相顆粒大(60-120um) 易出現(xiàn)分布不均且裂紋傾向提高，強化相顆粒小(如納米顆粒小于IOOnm)而容易出現(xiàn)團聚，激光熔覆時送粉困難。

實用新型內容為了充分提高采煤機截齒的使用壽命，克服釬焊層的失效問題、高性能涂層制備過程中的裂紋問題以及粉末顆粒分布不均或團聚的問題，從截齒本身進行結構改進并從先進摩擦學的角度考慮進行材料設計，本實用新型提供一種微納陶瓷粒子激光強化的截齒。該截齒在施加涂層過程中對硬質合金頭實現(xiàn)加固，解決了硬質合金頭脫落問題，另外涂層材料采用硬度僅次于金剛石而價格便宜很多的立方氮化硼(cBN)、碳化鎢(WC)等強化粒子與鐵基、鎳基合金材料復合而成，利用激光高能束的可控性，形成的涂層既有cBN、 WC等耐磨粒子，又生成一定的六方氮化硼(hBN)減摩相；另外采用的陶瓷粒子粒度范圍在 100nm-20um之間，鐵基、鎳基合金粉末的粒度20_120um，實現(xiàn)粒子的彌散分布，大大降低裂紋傾向，粉末輸送時并保持良好的流動性。[0006] 一種微納陶瓷粒子激光強化的截齒，它包括硬質合金頭(1)、固定銷G)、強化層、齒座(6)及齒桿(7)，齒座(6)帶有與硬質合金頭(1)相配合的齒槽( ，圓柱錐體的硬質合金頭(1)鑲嵌在齒槽O)內，硬質合金頭(1)的底端外圓面加工有環(huán)形凹槽(3)，齒座通過固定銷(4)插入環(huán)形凹槽(3)內與硬質合金頭(1)固定連接在一起，強化層(5)位于齒座(3)錐體外表面，強化層(5)與齒座(6)之間為冶金結合，強化層(5)將固定銷(4) 焊合在齒座(6)內，齒座(6)與齒桿(7)為整體結構。上述一種微納陶瓷粒子激光強化的截齒，固定銷(4)的數(shù)量為4-8個，在圓周方向均勻分布。由粒度為100nm-20um的cBN和WC強化粒子粉末與粒度為20_120um的!^e基、Ni 基合金復合而成且強化粒子的質量百分比為20-60%呈彌散分布的強化層(5)的厚度為 0. 2-1. 5mm，強化粒子彌散分布且有顯著的耐磨、減摩的復合作用。實施強化層( 復合的技術手段為激光熔覆或激光合金化，激光功率為3-6KW，激光掃描的帶寬為2-10mm，掃描速度0. 3-1. 2m/min。硬質合金頭與齒座之間傳統(tǒng)的連接方式為釬焊，釬焊過程將影響齒座的熱處理狀態(tài)，另外釬焊層在后續(xù)的實施強化層的過程中容易被破壞。通過改進結構，固定銷固定并被強化層焊合，起到了顯著加固作用。通過選擇微納尺度的強化粒子與微米尺度的鎳基、鐵基合金粉末復合，使得混合的粉末在輸送過程中仍然有較好的流動性。強化層中彌散分布的微納尺度強化粒子具有優(yōu)異的摩擦學性能，并能一定程度上解決大尺度強化顆粒造成的應力集中問題，涂層開裂傾向大大降低。

圖1是激光強化后截齒的示意圖1-硬質合金頭，2-齒槽，3-環(huán)形凹槽，4-固定銷，5-強化層，6_齒座，7_齒桿
具體實施方式
實施例1一種微納陶瓷粒子激光強化的截齒，包括硬質合金頭(1)、固定銷G)、強化層 (5)、齒座(6)及齒桿(7)，齒座(6)帶有與硬質合金頭(1)相配合的齒槽O)，圓柱錐體的硬質合金頭(1)鑲嵌在齒槽O)內，硬質合金頭(1)的底端外圓面加工有環(huán)形凹槽(3)，齒座(6)通過固定銷(4)插入環(huán)形凹槽(3)內與硬質合金頭(1)固定連接在一起，強化層(5) 位于齒座(3)錐體外表面，強化層(5)與齒座(6)之間為冶金結合，強化層(5)將固定銷 ⑷焊合在齒座(6)內，齒座(6)與齒桿(7)為整體結構。固定銷⑷的數(shù)量為4-8個，在圓周方向均勻分布。強化層(5)由粒度為100nm-20um的cBN和WC強化粒子粉末與粒度為 20-120um的!^e基、Ni基合金復合而成，強化粒子的質量百分比為20-60%，強化粒子彌散分布且有顯著的耐磨、減摩的復合作用，強化層厚度為0. 2-1. 5mm。制備方法包括以下步驟(1)粉末材料準備將粒度為100nm-20um的cBN、WC等強化粒子粉末與粒度為 20-120um的狗基、Ni基合金進行配比，其中強化粒子粉末質量百分比為30%，然后放置于混粉機中混合4小時，最后再放置于干燥箱中烘干池，溫度100°C ；[0017](2)機械加工帶有齒槽(2)的齒座(6)及齒桿(7)，其材質為42CrMo (調制處理)， 將帶有環(huán)形凹槽的硬質合金頭(1)插入齒槽O)中，硬質合金頭(1)與齒槽O)為過盈配合，固定銷(4)插入環(huán)形凹槽(3)中；(3)將待強化表面進行除油、除銹處理后的截齒安裝于帶有旋轉工作臺的四軸聯(lián)動機床上，旋轉工作臺的裝卡位置為截齒的圓柱形的齒桿(7)部分，另外齒座(6)小端直徑 30mm、大端 50mm,長度 40mmo(4)激光熔覆過程采用高功率半導體激光器，波長為800-900nm，采用同步送粉方式。設定C軸的旋轉角速度1146° /min (根據(jù)激光相對掃描速度400mm/min以及截齒零件錐面的平均直徑如40mm進行換算)、X軸的速度9. 5mm/min (根據(jù)激光掃描帶寬3mm以及熔覆搭接率50%進行換算)、Z軸的速度(2. 4mm/min)以及激光熔覆參數(shù)(激光功率3KW、 保護氣氬氣的流量為6L/min)，使得在齒座(6)表面形成螺旋形式的激光強化層(5)，強化層(5)無裂紋，并且激光熔覆時形成的強化層( 將固定銷(4)與齒座(6)焊合在一起，起到了對固定銷⑷的加固和保護齒座(6)的雙重作用。(5)將強化處理的截齒與未強化的截齒進行使用性能比較，微納陶瓷粒子強化的截齒使用壽命提高3倍以上，并且通過結構改進解決了傳統(tǒng)制造條件下的硬質合金頭脫落的問題。
權利要求1.一種微納陶瓷粒子激光強化的截齒，其特征在于，它包括硬質合金頭(1)、固定銷 G)、強化層(5)、齒座(6)及齒桿(7)，齒座(6)帶有與硬質合金頭(1)相配合的齒槽0)， 圓柱錐體的硬質合金頭(1)鑲嵌在齒槽O)內，硬質合金頭(1)的底端外圓面加工有環(huán)形凹槽(3)，齒座(6)通過固定銷(4)插入環(huán)形凹槽(3)內與硬質合金頭(1)固定連接在一起，強化層(5)位于齒座(3)錐體外表面，強化層(5)與齒座(6)之間為冶金結合，強化層 (5)將固定銷⑷焊合在齒座(6)內，齒座(6)與齒桿(7)為整體結構。
2.按照權利要求1所述的截齒，其特征在于，固定銷的數(shù)量為4-8個，在圓周方向均勻分布。
專利摘要本實用新型公開了一種微納陶瓷粒子激光強化的截齒，屬于激光加工技術領域。包括硬質合金頭、固定銷、強化層、齒座及齒桿，齒座帶有與硬質合金頭相配合的齒槽，圓柱錐體的硬質合金頭鑲嵌在齒槽內，硬質合金頭的底端外圓面加工有環(huán)形凹槽，齒座通過固定銷插入環(huán)形凹槽內與固定硬質合金頭，強化層位于齒座錐體外表面，強化層與齒座之間為冶金結合，強化層將固定銷焊合在齒座內，齒座與齒桿為整體結構。本實用新型提高了采煤機截齒的使用壽命，克服釬焊層的失效問題、高性能涂層制備過程中的裂紋問題以及粉末顆粒分布不均或團聚的問題。
文檔編號B23K26/34GK202215247SQ201120186558
公開日2012年5月9日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權日2011年6月3日
發(fā)明者楊膠溪 申請人:北京工業(yè)大學