矿山掘进机用双连续相金属/陶瓷复合截齿的制造方法

摘要

矿山掘进机用双连续相金属/陶瓷复合截齿的制造方法，涉及采矿设备制造领域，尤其涉及一种矿山掘进机用截齿的制造方法。本发明为了解决现有掘进机截齿的截齿头和截齿柄之间存在焊接应力集中的问题，且掘进机截齿头难以同时兼顾韧性和耐磨性的问题。本发明首先将陶瓷粉体、烧结助剂与丙烯酰胺单体以及表面活性剂在水介质中均匀混合，加入粘结剂水后进行发泡处理，然后烧结得到三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架材料；采用水基介质或乙醇基介质为溶剂，利用表面改性剂对所述三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架进行表面处理，利用有机粘合剂进行旋涂处理；最后涂覆或涂层材料到双连续相金属/陶瓷复合截齿。本发明截齿的设计制造。

权利要求

1.矿山掘进机用双连续相金属/陶瓷复合截齿的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架的制备：

步骤1.1、将微米和/或亚微米陶瓷粉体、烧结助剂与丙烯酰胺单体以及表面活性剂在水介质中均匀混合，形成陶瓷混合浆料；

步骤1.2、加入粘结剂水溶液与陶瓷浆料混合，加入引发剂和发泡剂在60℃～100℃温度范围内发泡处理；

步骤1.3、将发泡后得到的凝胶进行冷冻干燥处理，然后烧结处理即可获得三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架；

步骤2、双连续相金属/陶瓷复合截齿的制造：

步骤2.1、采用水基介质或乙醇基介质为溶剂，利用表面改性剂对所述三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架进行表面处理；

步骤2.2、利用有机粘合剂处理所述三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架，然后利用旋涂机进行旋涂处理；

步骤2.3、在三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架表面均匀涂覆涂层材料，或者利用真空浇铸成型技术对三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架浇铸涂层材料；最终制作完成双连续相金属/陶瓷复合截齿。

2.根据权利要求1所述的矿山掘进机用双连续相金属/陶瓷复合截齿的制造方法，其特征在于，步骤1.1所述的陶瓷粉体包括碳化硼、碳化硅、硼化钛、氧化铝的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的矿山掘进机用双连续相金属/陶瓷复合截齿的制造方法，其特征在于，步骤1.1所述的烧结助剂包括稀土类氧化物、氧化铝、氧化硅的两种或多种。

4.根据权利要求3所述的矿山掘进机用双连续相金属/陶瓷复合截齿的制造方法，其特征在于，步骤2.3所述的涂层材料包括碳化钨、碳化钛、氧化锆、钴合金、镍合金、铬粉中的一种或多种。

5.根据权利要求1至4之一所述的矿山掘进机用双连续相金属/陶瓷复合截齿的制造方法，其特征在于，步骤2.2所述的有机粘合剂包括环氧体系陶瓷粘合剂、有机硅体系粘合剂、丙烯酸体系粘合剂的一种或多种。

6.根据权利要求5所述的矿山掘进机用双连续相金属/陶瓷复合截齿的制造方法，其特征在于，步骤1.2所述的粘结剂包括聚乙烯醇、羧甲基纤维素的一种或多种。

7.根据权利要求6所述的矿山掘进机用双连续相金属/陶瓷复合截齿的制造方法，其特征在于，步骤2.1所述的表面改性剂包括硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂及硬脂酸的一种或多种。

8.根据权利要求7所述的矿山掘进机用双连续相金属/陶瓷复合截齿的制造方法，其特征在于，步骤1.1所述的表面活性剂包括阿拉伯树胶、水玻璃、聚乙二醇的一种或多种。

9.根据权利要求3所述的矿山掘进机用双连续相金属/陶瓷复合截齿的制造方法，其特征在于，所述的稀土氧化物包括氧化镧、氧化钇、氧化镱、氧化镨和氧化铒。

说明书

矿山掘进机用双连续相金属/陶瓷复合截齿的制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及采矿设备制造领域，尤其涉及一种矿山掘进机用截齿的制造方法。

背景技术

[0002] 在现有技术中掘进机的采掘截齿是目前大型采掘机上的关键部件，随着煤矿、采石场、地下铁路、开山隧道等需求的不断增长，大型掘进机的应用越来越广泛。因此，开发高性能的新型采掘截齿成为当前亟待解决的重要研究课题。普遍的采掘截齿多采用截齿柄和截齿头两部分的组合结构设计，截齿头焊接于截齿柄的一端。目前所采用的截齿柄的耐磨性能较差，优先于截齿头过早地损坏，进而导致整个截齿的断裂失效，由此造成的问题包括：(1)由于截齿的整体失效而导致的使用寿命过短，必须要频繁地更换截齿部件，更换过程中必须停机操作，直接结果就是设备的利用率过低，不能充分发挥设备的利用效率；(2)作为关键部件，即便有少数的截齿失效，仍需要停机更换。过多的失效截齿必然导致其设备维护成本明显增加。

[0003] 即使对截齿柄的耐磨性能进行强化处理，但由于焊接技术自身的缺陷而导致的材料在焊接过程中产生的应力集中以及后期的热处理过程均有可能造成截齿的结构损伤，造成截齿的整体性能下降。

[0004] 掘进机是矿山、冶金、公路、隧道等行业应用较为普遍的一种装备，截齿是掘进机中最为关键的一种组合式耐磨损设备零件。目前国内使用的截齿材料通常为金属/陶瓷颗粒或金刚石，其中金属主要是高铬钢，高锰钢等材料，通过在金属融液中引入不同类型的添加元素如Cr、Co、Ti、V等来提高其耐磨性能。采用高铬钢作为截齿时，其耐磨性好，但耐冲击性差，实用过程中容易断裂；而采用改进的高锰钢作为截齿时，在使用过程中具有较好的韧性，但其耐磨性较差，使用过程中需要经常更换。

[0005] 截齿头引入耐磨损的金刚石涂层或陶瓷颗粒，金刚石涂层本身就存在制造成本昂贵的问题，截齿材料制造过程中引入一定含量的陶瓷颗粒，也能适当提高截齿材料的实用寿命，然而，不可避免的问题是由于陶瓷颗粒与金属基体之间存在应力失配问题，导致陶瓷颗粒从金属基体上脱落。从而引起截齿失效。

发明内容

[0006] 本发明为了解决现有掘进机截齿的截齿头和截齿柄之间存在焊接应力集中的问题，且掘进机截齿头难以同时兼顾韧性和耐磨性的问题，而提出一种矿山掘进机用双连续相金属/陶瓷复合截齿及制造方法。

[0007] 矿山掘进机用双连续相金属/陶瓷复合截齿，以具有三维连续网络开孔结构的陶瓷作为骨架，其表面和内部通孔中涂有或填充涂层材料，涂层材料也构成连续相，二者共同构成双连续相金属/陶瓷复合截齿。

[0008] 矿山掘进机用双连续相金属/陶瓷复合截齿的制造方法，包括以下步骤：

[0009] 步骤1、三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架的制备：

[0010] 步骤1.1、将微米和/或亚微米陶瓷粉体、烧结助剂与丙烯酰胺单体以及表面活性剂在水介质中均匀混合，形成陶瓷混合浆料；

[0011] 步骤1.2、加入粘结剂水溶液与陶瓷浆料混合，加入引发剂和发泡剂在60℃～100℃温度范围内发泡处理；

[0012] 步骤1.3、将发泡后得到的凝胶进行冷冻干燥处理，然后在1750℃～2150℃温度范围内烧结处理即可获得三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架；

[0013] 步骤2、双连续相金属/陶瓷复合截齿的制造：

[0014] 步骤2.1、采用水基介质或乙醇基介质为溶剂，利用表面改性剂对所述三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架进行表面处理；

[0015] 步骤2.2、利用有机粘合剂处理所述三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架，然后利用旋涂机进行旋涂处理；

[0016] 步骤2.3、在三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架表面均匀涂覆涂层材料，或者利用真空浇铸成型技术对三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架浇铸涂层材料；最终制作完成双连续相金属/陶瓷复合截齿。

[0017] 优选地，步骤1.1所述的陶瓷粉体包括碳化硼、碳化硅、硼化钛、氧化铝的一种或多种。

[0018] 优选地，步骤1.1所述的烧结助剂包括稀土类氧化物、氧化铝、氧化硅的两种或多种。

[0019] 优选地，步骤2.3所述的涂层材料包括碳化钨、碳化钛、氧化锆、钴合金、镍合金、铬粉(低碳铬粉或高碳铬粉)中的一种或多种。

[0020] 优选地，步骤2.2所述的有机粘合剂包括环氧体系陶瓷粘合剂、有机硅体系粘合剂、丙烯酸体系粘合剂的一种或多种。

[0021] 优选地，步骤1.2所述的粘结剂包括聚乙烯醇、羧甲基纤维素(Carboxyl Methyl Cellulose，CMC)的一种或多种。

[0022] 优选地，步骤2.1所述的表面改性剂包括硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂及硬脂酸的一种或多种。

[0023] 优选地，步骤1.1所述的表面活性剂包括阿拉伯树胶、水玻璃、聚乙二醇(低分子量的聚乙二醇)的一种或多种。

[0024] 本发明包括以下有益效果：

[0025] 有现有技术相比，利用本发明设计制造截齿，可以在结构上实现一体化设计，同时能够根据不同类型的截齿结构进行陶瓷结构骨架的设计和制造，避免了传统的截齿结构中存在的焊接结构缺陷，不存在应力集中等结构设计的缺陷。

[0026] 而且，本发明制作三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架的过程，具有孔径尺寸可控、陶瓷相骨架材料的比例可调节、骨架材料的强度可调整等特点。利用不同类型的烧结助剂组合，可以获得满足不同条件下所要求的力学性能。通常以高强度和高硬度为核心指标，通过改善制造工艺条件实现一体化截齿用涂层材料的性能要求，提高一体化截齿的耐磨性能。

[0027] 并且，本发明在三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架表面通过引入有机粘合剂和涂层材料的方式降低其应力失配问题，解决了陶瓷相和金属相之间的热应力集中问题。本发明实现了陶瓷结构骨架和金属涂层的有机组合，改善了陶瓷结构骨架/金属涂层的界面结合性能。通过调整和优化涂层材料的组分和处理工艺，能够实现骨架/涂层之间界面性能的可控调节。此外由于陶瓷三维网络结构陶瓷骨架以及金属涂层都具备双连续相结构，能充分发挥其复合功能，极大程度地降低截齿材料在服役过程中的陶瓷相颗粒的脱落，提高其使用效率。

[0028] 将本发明制造的双连续相金属/陶瓷复合截齿应用于煤矿用采掘机上，在硬质岩石条件下能够实现连续工作30小时以上而不失效。在工矿相同条件下，相比现有的工艺制造的截齿，本发明制造的双连续相金属/陶瓷复合截齿使用寿命提高270％～320％，并且本发明可以通过制造工艺参数的优化和后期金属热处理的可控调整进一步提高其服役寿命。

附图说明

[0029] 图1为三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架示意图；

[0030] 图2为双连续相金属/陶瓷复合截齿制作的微观结构图。其中，图2a是以碳化硅为陶瓷粉体得到的三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架烧结前的素坯微观结构；图2b是以碳化硅为陶瓷粉体烧结得到的三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架微观结构；图2c是以碳化硅为陶瓷粉体烧结三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架涂覆涂层材料后的截齿微观结构。

具体实施方式

[0031] 具体实施方式一：

[0032] 矿山掘进机用双连续相金属/陶瓷复合截齿的制造方法，包括以下步骤：

[0033] 步骤1、三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架的制备：

[0034] 步骤1.1、将微米和/或亚微米陶瓷粉体、烧结助剂与丙烯酰胺单体以及表面活性剂在水介质中均匀混合，形成陶瓷混合浆料；针对于截齿的制作，需要选用微米和/或亚微米陶瓷粉体、烧结助剂，只有粒度控制在微米和/或亚微米，制作出来的截齿的强度和硬度才能满足实际的工作要求，粒度过大或者过小会造成烧结强度不够或者不能烧结的问题。并且陶瓷混合浆料的比例可调节使得骨架材料具有强度可调整的特点，同时也能通过工艺调整进一步提高最后的截齿强度。

[0035] 步骤1.2、加入粘结剂水溶液与陶瓷浆料混合，加入引发剂和发泡剂在60℃～100℃温度范围内发泡处理；加入引发剂和发泡剂不但能够对陶瓷的陶瓷浆料进行发泡处理，而且还能够造成烧结后的三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架表面具有微小的孔洞或者纹路，能够加强后期的有机粘合剂与涂层材料的附着强度；同时还能够控制引发剂和发泡剂的种类和处理工艺调整三维连续网络开孔结构的孔径，使得三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架满足不同条件下所要求的力学性能，通常以高强度和高硬度为核心指标。

[0036] 步骤1.3、将发泡后得到的凝胶进行冷冻干燥处理，然后在1750℃～2150℃温度范围内烧结处理即可获得三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架，如图1所示；最终烧结温度根据材料的烧结曲线来确定，如微米级碳化硅陶瓷骨架材料的烧结温度确定在1850℃～1980℃；硼化钛陶瓷骨架材料的烧结温度约为1900℃～2100℃。

[0037] 步骤2、双连续相金属/陶瓷复合截齿的制造：

[0038] 步骤2.1、采用水基介质或乙醇基介质为溶剂，利用表面改性剂对所述三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架进行表面处理；利用表面改性剂对所述三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架进行表面处理能够提高与有机粘合剂的结合强度，进而提高与涂层材料的结合强度。

[0039] 步骤2.2、利用有机粘合剂处理所述三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架，然后利用旋涂机进行旋涂处理；这样能够提高陶瓷骨架与涂层材料的结合强度，避免了在截齿材料服役过程中孤立结构的陶瓷颗粒脱落将形成三体磨损导致的加速失效过程。

[0040] 步骤2.3、在三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架表面均匀涂覆涂层材料，或者利用真空浇铸成型技术对三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架浇铸涂层材料；最终制作完成双连续相金属/陶瓷复合截齿。制作的截齿既具有陶瓷材料的高硬度和耐磨性的优点，同时兼顾金属钢铁材料的高韧性和高强度的特点。本发明通过界面层结构的优化和处理，以及骨架材料和优化涂层材料的组分和处理工艺，能够实现骨架/涂层之间界面性能的可控调节。此外由于陶瓷三维网络结构陶瓷骨架以及金属涂层都具备双连续相结构，能充分发挥其复合功能，极大程度地降低截齿材料在服役过程中的陶瓷相颗粒的脱落，提高其使用效率。

[0041] 如图2a至图2c所示，图2a是以碳化硅为陶瓷粉体得到的三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架烧结前的素坯微观结构(三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架烧结前的状态)；图2b是以碳化硅为陶瓷粉体烧结得到的三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架微观结构(三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架烧结后的状态)；图2c是以碳化硅为陶瓷粉体烧结三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架涂覆涂层材料后的截齿微观结构(截齿的微观结构)。

[0042] 具体实施方式二：

[0043] 本实施方式步骤1.1所述的陶瓷粉体包括碳化硼、碳化硅、硼化钛、氧化铝等的一种或多种。利用碳化硼、碳化硅、硼化钛等陶瓷粉体制作三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架，具有陶瓷材料的高硬度和耐磨性的优点。同时可以调整陶瓷混合浆料的比例使得骨架材料具有强度可调整的特点，同时也能通过工艺调整进一步提高最后的截齿强度。且避免了截齿头使用耐磨损的金刚石等涂层，降低了制作成本，从而降低实际生产的成本。

[0044] 其他步骤和参数与具体实施方式一相同。

[0045] 具体实施方式三：

[0046] 本实施方式步骤1.1所述的烧结助剂包括稀土类氧化物、氧化铝、氧化硅的两种或多种。烧结助剂可以根据所选定的陶瓷粉体来确定，从而实现整体的三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架具有足够的强度和硬度。这个选取过程可以通过实验来确定。这样可以实现根据实际的工况来调整选料组分和工艺条件制作出满足实际的工况的截齿。

[0047] 其他步骤和参数与具体实施方式一至二之一相同。

[0048] 实例一：本实施例中所涉及的烧结助剂为两种添加剂的复合物。

[0049] 以氧化铝和氧化铒复合添加剂为例，氧化铝和氧化铒摩尔比例在3:1～1:4范围内调整。组合的氧化铝/氧化铒复合添加剂与陶瓷微粉的质量比控制在1/24～1/7之间。利用上述材料制造的开孔率在60％～70％的网络开孔结构碳化硼陶瓷骨架，其压缩强度在2.1MPa～3.3MPa。

[0050] 实例二：本实施例中所涉及的烧结助剂为两种添加剂的复合物。

[0051] 以氧化铝和氧化镱复合添加剂为例，氧化铝和氧化镱摩尔比例在3:1～1:2范围内调整。组合的氧化铝/氧化钇复合添加剂与陶瓷微粉的比例控制在1/20～1/9之间。利用上述材料制造的开孔率在55％～65％的网络开孔结构碳化硅陶瓷骨架，其压缩强度在1.9MPa～4.2MPa。

[0052] 具体实施方式四：

[0053] 本实施方式步骤2.3所述的涂层材料包括碳化钨、碳化钛、氧化锆、钴合金、镍合金、铬粉(低碳铬粉或高碳铬粉)中的一种或多种。涂层材料涂覆在三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架表面或者浇铸到三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架。由于陶瓷三维网络结构陶瓷骨架以及金属涂层都具备连续相结构，能充分发挥其复合功能，极大程度地降低截齿材料在服役过程中的陶瓷相颗粒的脱落，提高其使用效率。

[0054] 其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。

[0055] 实例三：本实施例中涉及的涂层材料为三种材料的复合物。

[0056] 如碳化钨/碳化钛/高碳铬粉组合为例的复合涂层。其中，碳化钨/碳化钛/高碳铬粉复合涂层材料中，其中碳化钨质量比在20％～35％，碳化质量比控制在25～40％，低碳铬粉质量比控制在15％～40％。上述组合的涂层材料在旋涂处理后，可以明显改善陶瓷粉体和涂层材料的界面结合力。由于陶瓷与涂层材料的结合强度不易测出，采用上述配方在高锰钢表面进行涂层处理，利用急冷急热法测试其抗热震性能，在600℃～840℃范围内进行热震处理，在循环热震处理45次以上时，涂层与金属结合状况良好。

[0057] 实例四：本实施例中涉及的涂层材料为两种材料的复合物。

[0058] 如碳化钨/镍合金组合为例的复合涂层。其中，碳化钨/低碳铬粉复合涂层材料中，其中碳化钨质量比在50％～75％之间，镍合金质量比控制在25％～50％。上述组合的涂层材料在旋涂处理后，明显改善陶瓷粉体和涂层材料的界面结合力。由于陶瓷与涂层材料的结合强度不易测出，采用上述配方在高锰钢表面进行涂层处理，利用急冷急热法测试其抗热震性能，在600℃～840℃范围内进行热震处理，在循环热震处理36次以上时，涂层与金属结合状况良好。

[0059] 具体实施方式五：

[0060] 本实施方式步骤2.2所述的有机粘合剂包括环氧体系陶瓷粘合剂、有机硅体系粘合剂、丙烯酸体系粘合剂的一种或多种。有机粘合剂可以根据所选定的陶瓷骨架的材料(陶瓷粉体和烧结助剂)和涂层材料来确定，这样能够提高陶瓷骨架与涂层材料的结合强度，避免了在截齿材料服役过程中孤立结构的陶瓷颗粒脱落将形成三体磨损导致的加速失效过程，从而实现整体的截齿具有足够的强度和硬度。这个选取过程可以通过实验来确定。这样可以实现根据实际的工况来调整选料组分和工艺条件制作出满足实际的工况的截齿。

[0061] 其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。

[0062] 实例五：有机粘合剂选用环氧体系陶瓷粘合剂、有机硅体系粘合剂、丙烯酸体系粘合剂的一种或多种均可。通常控制有机粘合剂的总质量为涂层材料总质量的2％～6％。通过调整粘结剂使用量来改变复合涂层材料的厚度以及涂层材料与陶瓷骨架之间的界面结合力，通过调整旋涂工艺和粘合剂的参数来改善涂层的厚度和表面粗糙程度。通过实验优化后，有机粘合剂的总质量为涂层材料总质量的2％～6％时，可以在网络结构骨架的表面上涂覆30～260微米厚度的涂层材料，且结合强度高，不易造成陶瓷颗粒脱落。具体实施方式六：

[0063] 本实施方式步骤1.2所述的粘结剂包括聚乙烯醇、羧甲基纤维素(Carboxyl Methyl Cellulose，CMC)的一种或多种。加入的粘结剂能够增加陶瓷浆料的粘结性，保证在引发剂发泡剂的发泡作用下形成三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架结构。可以从整体的工艺上(包括加入的粘结剂的种类和总量上)对三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架结构进行控制。粘结剂的具体选取可以通过实验来确定。

[0064] 其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。

[0065] 具体实施方式七：

[0066] 本实施方式步骤2.1所述的表面改性剂包括硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂及硬脂酸的一种或多种。利用表面改性剂对所述三维连续网络开孔结构的陶瓷骨架进行表面处理能够提高与有机粘合剂的结合强度，进而提高与涂层材料的结合强度。表面改性剂的具体选取和用量可以通过实验来确定。

[0067] 其他步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。

[0068] 具体实施方式八：

[0069] 本实施方式步骤1.1所述的表面活性剂包括阿拉伯树胶、水玻璃、聚乙二醇(低分子量的聚乙二醇)的一种或多种。表面活性剂能够改善陶瓷粉体、烧结助剂与丙烯酰胺单体的表面活性，从而调整和改善陶瓷粉体、烧结助剂的结合性能，进而改善反应的过程。

[0070] 其他步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。

[0071] 当通过优化实验，选择上述强度效果好的陶瓷骨架材料、涂层材料以及结合效果较好的粘结材料等制造的双连续相金属/陶瓷复合截齿应用于煤矿用采掘机上，在硬质岩石条件下能够实现连续工作30小时以上而不失效。在工矿相同条件下，相比现有的工艺制造的截齿，本发明制造的双连续相金属/陶瓷复合截齿使用寿命提高260％～300％，并且本发明可以通过制造工艺参数的优化和后期金属热处理的可控调整进一步提高其服役寿命。