一種斗齒及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種斗齒，包括斗齒基體，所述斗齒基體的表面覆有具有梯度結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷層；以質(zhì)量份數(shù)計，所述金屬陶瓷層主要由以下原料通過3D打印機噴涂形成：鉻10?30份，硅5?12份，鐵30?40份，碳5?13份，鎳30?40份，鉬1?2份，鎢1?2份。該斗齒的制備方法包括：(A)將制成所述金屬陶瓷層的所有原料混合攪拌均勻制成混合粉末；(B)采用3D打印機產(chǎn)生的高能粒子束對所述混合粉末激光熔化后，再采用3D打印機噴涂于所述斗齒基體表面，即可。本發(fā)明實施例提供的斗齒防腐性能、韌性、強度等物理性能得到大幅度提升，穩(wěn)定性好。
【專利說明】
_種斗齒及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及斗齒加工領(lǐng)域，具體而言，涉及一種斗齒及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 挖掘機斗齒是挖掘機上的重要部件，類似于人的牙齒，也是易損件，是由齒座和齒 尖組成的組合斗齒，二者靠銷軸連接。
[0003] 鑒于斗齒的重要性，對斗齒的物理性能要求也比較高，比如其耐磨性、韌性以及防 腐性均是在實際使用過程中需要考察的重要指標，但是現(xiàn)在斗齒普遍防腐性能不佳，應(yīng)用 時由于受到氧化物以及酸性氣體的侵蝕，會縮短斗齒的實際使用壽命，斗齒的其他物理性 能比如韌性、強度等指標也不是很理想，間接限制了其應(yīng)用的價值，使用范圍也會受到相應(yīng) 的限制。
[0004] 有鑒于此，特提出本發(fā)明。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的第一目的在于提供一種斗齒，所述斗齒通過在斗齒基體的表層附有無拼 接焊縫、一體成型的金屬陶瓷層，防腐性能、韌性、強度等物理性能得到大幅度提升，穩(wěn)定性 好。
[0006] 本發(fā)明的第二目的在于提供一種所述的斗齒的制備方法，該制備方法具有方法簡 單，操作方便，制作過程中通過將3D技術(shù)結(jié)合使用金屬陶瓷復(fù)合材料在斗齒基體表面形成 了具有梯度結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷層，防腐性能佳。
[0007] 為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，特采用以下技術(shù)方案：
[0008] 本發(fā)明實施例提供了一種具有超強防腐耐磨性能的斗齒，這種斗齒包括斗齒基 體，斗齒基體的表面覆有具有梯度結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷層，其中金屬陶瓷層主要由以下原料通 過3D打印機噴涂形成：以質(zhì)量份數(shù)計，鉻10-30份，硅5-12份，鐵30-40份，碳5-13份，鎳30-40 份，鉬1-2份，鎢1-2份，即在斗齒基體的表面通過3D打印技術(shù)形成金屬陶瓷層，而且這種金 屬陶瓷層并非普通的混合雜亂無章的復(fù)合材料，而是呈梯度排列的金屬陶瓷材料，這種結(jié) 構(gòu)的金屬陶瓷層防腐性能佳，耐磨性能優(yōu)異，同時綜合性能好穩(wěn)定性佳，提高了斗齒的使用 壽命。這種梯度排列的技術(shù)陶瓷層實際由金屬層、金屬陶瓷復(fù)合層以及陶瓷層三層呈梯度 排列組成，更優(yōu)的三層的排列順序為:沿所述斗齒基體由內(nèi)至外依次為金屬層、金屬陶瓷復(fù) 合層、陶瓷層。由于這種結(jié)構(gòu)的陶瓷金屬材料微觀結(jié)構(gòu)沿某一個或某幾個特定的方向呈連 續(xù)變化，從而消除了由于金屬和陶瓷物性參數(shù)的巨大差異而在材料內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力界 面，達到緩和熱應(yīng)力和耐熱隔熱的目的，因此，這種具有梯度結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷功能材料具有 十分強大的耐磨與防腐特性，本發(fā)明特意將3D技術(shù)應(yīng)用到金屬陶瓷復(fù)合材料上才能制備出 具有特殊結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷層，較以往的金屬與陶瓷雜亂無章的進行混合的復(fù)合材料的耐磨 性能以及防腐性能均較優(yōu)，能夠達到這樣的效果與發(fā)明人選擇了具有這種較優(yōu)結(jié)構(gòu)的金屬 陶瓷層作為耐磨保護層覆于斗齒基體表面是分不開的。其中金屬層位于最內(nèi)層能夠更好的 起到防腐效果，不易被腐蝕。
[0009] 現(xiàn)有技術(shù)中，挖掘機斗齒是挖掘機上的重要部件，類似于人的牙齒，也是易損件， 是由齒座和齒尖組成的組合斗齒，二者靠銷軸連接，鑒于斗齒的重要性，對斗齒的物理性能 要求也比較高，但是實際運用過程中斗齒的各方面物理性能不佳，制約了其實際應(yīng)用價值。 本發(fā)明為了解決以上出現(xiàn)的技術(shù)問題，提供了一種防腐耐磨的斗齒，這種斗齒具有優(yōu)異的 性能。
[0010] 其中，制備金屬陶瓷層的原材料中，因為鉻和碳的熔點較高，在3D打印噴涂的過程 中，鉻和碳形成硬質(zhì)相碳化鉻，成為該金屬陶瓷層主要的耐磨成分，從而提高了斗齒本身的 耐磨性能，鐵、鎳的熔點相對較低，在3D打印噴涂的過程中通過液相燒結(jié)，能夠加快金屬陶 瓷層的成型，而且在成形的過程中，鐵、鎳的內(nèi)部原子顆粒會進行重新整合排列，晶粒尺寸 也會得到控制，進而優(yōu)化鐵、鎳以及生成的化合物的顯微結(jié)構(gòu)和性能，提高金屬陶瓷層的工 藝加工性能，同時，在成形的過程中，能夠填補大的顆粒物質(zhì)之間的空隙，避免成形的金屬 陶瓷層出現(xiàn)缺陷，并且與斗齒基體之間形成少量化合物，提高與斗齒基體之間的結(jié)合力。非 金屬材料成分硅可以提高材料成分的浸潤性能和擴散速度，通過3D打印噴涂，使金屬陶瓷 材料與斗齒基體形成冶金反應(yīng)，有很高的結(jié)合強度，可以在斗齒基體表面形成致密的金屬 陶瓷層，不易從斗齒基體表面上脫落，減少了因涂層脫落造成的斗齒的提前報廢。而且因為 硅具有良好的導(dǎo)熱性能，能夠提高金屬陶瓷層的導(dǎo)熱性能，使得金屬陶瓷層在較高的工作 溫度下不易開裂，提高了其使用壽命。而過渡金屬鉬能夠全面提高金屬陶瓷層的耐磨性能 和耐腐蝕性能，鎢尤其能夠提高金屬陶瓷層的穩(wěn)定性，使其在高溫環(huán)境中使用也不會輕易 被氧化或者被腐蝕?？梢娺@些原料組分的效果的發(fā)揮也有賴于3D技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用。
[0011] 另外，原料中每個組分的加量均是有具體的限制要求的，因為在化學(xué)反應(yīng)領(lǐng)域中， 均知曉化合物之間會因為加入量的不同會生成不同的產(chǎn)物，當(dāng)鉻和碳的加入量過大時，金 屬陶瓷層的耐磨性能雖高，但是在使用中，由于長時間的摩擦產(chǎn)生的熱量較多，容易產(chǎn)生崩 裂。如果加入量過少，其耐磨性能就會欠缺。而鐵和鎳的加入量過多時，在高溫下其晶粒容 易過大，進而造成金屬陶瓷層的脆性較大，容易斷裂。而加入量過少時，金屬陶瓷層在成形 過程中，容易產(chǎn)生空隙缺陷。而硅能夠提高金屬陶瓷層的導(dǎo)熱性，但是，加入過多時會減弱 金屬陶瓷層的穩(wěn)定性能，其與空氣中的氧化物容易發(fā)生反應(yīng)，而加入量過少時會導(dǎo)致導(dǎo)熱 性能變差?？梢娫现忻恳粋€組分的選取以及組分的用量多少對于本發(fā)明的產(chǎn)品而言均是 特定的，缺少任何一種原料或者其中某一原料用量過大或過小均會影響到金屬陶瓷層的性 能，從而影響斗齒的使用壽命以及實際應(yīng)用價值，因此只有以本發(fā)明的特定原料以及配合 3D打印技術(shù)制備出的金屬陶瓷層才具有良好的性能。
[0012] 經(jīng)測定本發(fā)明所形成的金屬陶瓷層的洛氏硬度標準C(HRC)達到80-95之間，而 42CrMo-般在HRC50以下，現(xiàn)有技術(shù)中常用的鎳基耐磨合金如Ni-Cr合金、Ni-Cr-Mo合金、 Ni-Cr-Fe 合金、Ni-Cu 合金、Ni-P 和 Ni-Cr-P 合金、Ni-Cr-Mo-Fe 合金等，一般在 HRC60 以下，可 見本發(fā)明采用3D技術(shù)形成的金屬陶瓷層切實提高了斗齒的耐磨性能。
[0013] 為了提高原料使用的準確率，進而提高產(chǎn)品的品質(zhì)，形成金屬陶瓷層的各原料的 使用量優(yōu)選為：以質(zhì)量份數(shù)計，鉻15-25份，硅7-10份，鐵32-38份，碳6-10份，鎳30-37份，鉬 1.2-1.8 份，鎢 1.2-1.8 份。
[0014]更優(yōu)化地，以質(zhì)量份數(shù)計，各原料的用量為：鉻20份，硅7份，鐵31份，碳7份，鎳35 份，鉬1.6份，媽1.6份。
[0015] 本發(fā)明實施例除了提供一種斗齒，還提供了該斗齒的制備方法，包括如下步驟：
[0016] (A)將制成所述金屬陶瓷層的所有原料混合攪拌均勻制成混合粉末；
[0017] (B)采用3D打印機產(chǎn)生的高能粒子束對所述混合粉末激光熔化后，再采用3D打印 機噴涂于所述斗齒基體表面，即可。
[0018] 在該工藝方法中，采用3D打印機產(chǎn)生的高能粒子束將混合粉末熔化，熔化后采用 3D打印機噴涂于所述斗齒基體表面，最終制成成品，這種高能粒子束本身熔化效率高，光束 質(zhì)量好，工作穩(wěn)定。該工藝方法簡單，產(chǎn)品質(zhì)量好，為制作防腐耐磨斗齒降低了制作成本。同 時因為還具有很好地工藝加工性能，并且成形后的穩(wěn)定性高，在實際應(yīng)用中，比現(xiàn)有的斗齒 的使用壽命長5倍以上。據(jù)測試，該斗齒連續(xù)使用，至少能夠使用5年以上。而現(xiàn)有技術(shù)中使 用的斗齒在不連續(xù)使用的前提下，基本上使用1年之后就必須更換，使用成本高。所以，和現(xiàn) 有的斗齒相比，性能更加優(yōu)良，使用壽命長，而且工藝制作成本低，有利于大規(guī)模生產(chǎn)以及 大范圍使用。
[0019] 通過利用3D打印技術(shù)噴涂的金屬陶瓷層除了具有梯度形狀的優(yōu)良結(jié)構(gòu)，使得金屬 陶瓷層貼附性能更強，不易脫落，更加牢固，而且是一體成型，無任何拼接縫隙，這樣在日后 使用過程中穩(wěn)定性能更好，不易被侵蝕，這種優(yōu)勢是現(xiàn)有技術(shù)中任何一種噴涂技術(shù)無法比 擬的，是發(fā)明人結(jié)合本發(fā)明的實際情況特意選用的一種技術(shù)。只有采用本發(fā)明的制備方法 配合特殊的金屬陶瓷配方才能達到這樣的效果。
[0020] 提高斗齒性能的同時，為了提高斗齒的使用效率并控制使用成本，在斗齒基體表 面的金屬陶瓷層的厚度控制為1.5-1.8mm即可，優(yōu)選地，可以控制在1.6-1.7mm之間。
[0021] 為了提高高能粒子束熔化過程的穩(wěn)定性，高能粒子束的能量密度最好控制在90-120J/mm2之間，激光熔化的時間控制在2-3miη，而且在熔化過程中要保證分布的均勻性，激 光熔化的時間不能過長也不能過短，過長會使得金屬陶瓷層形成過多地雜質(zhì)物質(zhì)，而且一 些生成的化合物的晶粒在高溫長時間高能量熔融狀態(tài)下會快速長大，進而導(dǎo)致金屬陶瓷層 易脆斷，進而影響金屬陶瓷層的品質(zhì)。而熔化時間過短時，原料不能充分地完全反應(yīng)完畢， 最終產(chǎn)品為不合格產(chǎn)品。因此更優(yōu)選地，激光熔化的時間最好2min左右。
[0022] 為了提高金屬陶瓷層的致密性，混合粉末的目粒度最好控制在200目以上，優(yōu)選 200-300 目。
[0023] 為了提高金屬陶瓷層的均一性，所有原料混合攪拌的攪拌速率控制在100-300rad/min，優(yōu)選200rad/min。攪拌速率不能太快，會破壞原料中各個成分的有效成分，影 響實際應(yīng)用效果，攪拌速率也不能過慢達不到混合攪拌均勻的目的。
[0024] 和現(xiàn)有技術(shù)中的斗齒相比，本發(fā)明提供的防腐耐磨斗齒，不僅耐磨性能好，而且綜 合性能穩(wěn)定，連續(xù)使用的前提下，其使用壽命至少為5年以上，提高了斗齒的工作效率，同時 也降低了成本。
[0025] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：
[0026] (1)本發(fā)明提供了一種斗齒，該斗齒在斗齒基體的表層附有無拼接焊縫、一體成型 的金屬陶瓷層，防腐性能、韌性、強度等物理性能得到大幅度提升，且這種金屬陶瓷層具有 獨特的梯形結(jié)構(gòu)，消除了由于金屬和陶瓷物性參數(shù)的巨大差異而在材料內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力 界面，達到緩和熱應(yīng)力和耐熱隔熱的目的，穩(wěn)定性提高；
[0027] (2)本發(fā)明通過將3D技術(shù)應(yīng)用到金屬陶瓷材料領(lǐng)域，通過在3D打印噴涂的過程中， 能夠使得金屬陶瓷原料的各組分充分發(fā)揮作用，從而提升金屬陶瓷的性能，最終提升斗齒 的應(yīng)用價值，這種技術(shù)值得大范圍的推廣應(yīng)用；
[0028] (3)本發(fā)明的斗齒的制備方法采用3D打印機產(chǎn)生的高能粒子束將混合粉末熔化， 熔化后采用3D打印機噴涂于所述斗齒基體表面，最終制成成品，這種高能粒子束本身熔化 效率高，光束質(zhì)量好，工作穩(wěn)定；
[0029] (4)本發(fā)明的斗齒的制備方法創(chuàng)造性的采用了 3D打印技術(shù)結(jié)合金屬陶瓷復(fù)合材料 制備技術(shù)，這種結(jié)合在斗齒加工領(lǐng)域尚屬首創(chuàng)，大大延長了斗齒的使用壽命，使得斗齒的性 能得到了大幅度的提升，本發(fā)明制備出的斗齒連續(xù)使用，至少能夠使用5年以上，而現(xiàn)有技 術(shù)中使用的斗齒在不連續(xù)使用的前提下，基本上使用1年之后就必須更換，使用成本高，本 發(fā)明的技術(shù)充分降低了使用成本，擴大了斗齒的應(yīng)用范圍，創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟效益。
【具體實施方式】
[0030] 下面將結(jié)合實施例對本發(fā)明的實施方案進行詳細描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會 理解，下列實施例僅用于說明本發(fā)明，而不應(yīng)視為限制本發(fā)明的范圍。實施例中未注明具體 條件者，按照常規(guī)條件或制造商建議的條件進行。所用試劑或儀器未注明生產(chǎn)廠商者，均為 可以通過市售購買獲得的常規(guī)產(chǎn)品。
[0031] 實施例1
[0032] 斗齒的制備方法如下：
[0033]將鉻10g，硅5g，鐵30g，碳5g，鎳30g，鉬1 g，鎢lg混合攪拌均勻制成目粒度為200目 以上的金屬陶瓷混合粉末，利用3D打印機產(chǎn)生高能粒子束實現(xiàn)對金屬陶瓷混合粉末熔化， 其中高能粒子束的能量密度為90J/mm 2,激光熔化的時間為2min，熔化完畢后將金屬陶瓷采 用3D打印機噴涂到斗齒基體的鋼材表面上，形成致密的金屬陶瓷層，一體成型，無拼接縫 隙，穩(wěn)定性更強。
[0034] 實施例2
[0035]斗齒的制備方法如下：
[0036]將鉻30g，硅12g，鐵40g，碳13g，鎳40g，鉬2g，鎢2g混合攪拌均勻制成目粒度為300 目的金屬陶瓷混合粉末，混合速率控制在300rad/min，利用3D打印機產(chǎn)生高能粒子束實現(xiàn) 對金屬陶瓷混合粉末熔化，其中高能粒子束的能量密度為100J/mm 2，激光熔化的時間為 3min，熔化完畢后將金屬陶瓷采用3D打印機噴涂到斗齒基體的鋼材表面上，形成致密的金 屬陶瓷層，金屬陶瓷層的厚度為1.6mm，沿所述斗齒基體由內(nèi)至外依次為金屬層、金屬陶瓷 復(fù)合層、陶瓷層三層組成，一體成型，無拼接縫隙，穩(wěn)定性更強。
[0037] 實施例3
[0038]斗齒的制備方法如下：
[0039]將鉻15g，硅7g，鐵32g，碳6g，鎳30g，鉬1.2g，媽1.2g混合攪拌均勻制成目粒度為 200目的金屬陶瓷混合粉末，混合速率控制在100rad/min，利用3D打印機產(chǎn)生高能粒子束實 現(xiàn)對金屬陶瓷混合粉末熔化，其中高能粒子束的能量密度為120 J/mm2，激光熔化的時間為 2.5min，熔化完畢后將金屬陶瓷采用3D打印機噴涂到斗齒基體的鋼材表面上，形成致密的 金屬陶瓷層，金屬陶瓷層的厚度為1.7mm，沿所述斗齒基體由內(nèi)至外依次為陶瓷層、金屬陶 瓷復(fù)合層、金屬層三層組成，一體成型，無拼接縫隙，穩(wěn)定性更強。
[0040] 實施例4
[0041] 斗齒的制備方法如下：
[0042]將鉻25g，硅10g，鐵38g，碳10g，鎳37g，鉬1.8g，鎢1.8g混合攪拌均勻制成目粒度為 250目的金屬陶瓷混合粉末，混合速率控制在300rad/min，利用3D打印機產(chǎn)生高能粒子束實 現(xiàn)對金屬陶瓷混合粉末熔化，其中高能粒子束的能量密度為11 〇J/mm2，激光熔化的時間為 3min，熔化完畢后將金屬陶瓷采用3D打印機噴涂到斗齒基體的鋼材表面上，形成致密的金 屬陶瓷層，金屬陶瓷層的厚度為1.8mm，沿所述斗齒基體由內(nèi)至外依次為陶瓷層、金屬陶瓷 復(fù)合層、金屬層三層組成，一體成型，無拼接縫隙，穩(wěn)定性更強。
[0043] 實施例5
[0044] 斗齒的制備方法如下：
[0045]將鉻20g，硅7g，鐵3lg，碳7g，鎳35g，鉬1.6g，鎢1.6g混合攪拌均勻制成目粒度為 200目的金屬陶瓷混合粉末，混合速率控制在250rad/min，利用3D打印機產(chǎn)生高能粒子束實 現(xiàn)對金屬陶瓷混合粉末熔化，其中高能粒子束的能量密度為1 〇〇 J/mm2，激光熔化的時間為 3min，熔化完畢后將金屬陶瓷采用3D打印機噴涂到斗齒基體的鋼材表面上，形成致密的金 屬陶瓷層，金屬陶瓷層的厚度為1.5mm，沿所述斗齒基體由內(nèi)至外依次為金屬層、金屬陶瓷 復(fù)合層、陶瓷層三層組成，一體成型，無拼接縫隙，穩(wěn)定性更強。
[0046] 實驗例1
[0047]將市售普通的斗齒與通過本發(fā)明的實施例2-3的制備方法制備出的斗齒的性能進 行比較，具體結(jié)果見下表1。
[0048] 表1性能參數(shù)比較
[0050] 從表1中可以看出，本發(fā)明制備出的斗齒避免了以往同類產(chǎn)品容易受環(huán)境中的酸 性氣體以及氧化物質(zhì)腐蝕，防腐性能以及強度均得到了大幅度的提升，穩(wěn)定性能好。
[0051] 盡管已用具體實施例來說明和描述了本發(fā)明，然而應(yīng)意識到，在不背離本發(fā)明的 精神和范圍的情況下可以作出許多其它的更改和修改。因此，這意味著在所附權(quán)利要求中 包括屬于本發(fā)明范圍內(nèi)的所有這些變化和修改。
【主權(quán)項】
1. 一種斗齒，其特征在于，包括斗齒基體，所述斗齒基體的表面覆有具有梯度結(jié)構(gòu)的金 屬陶瓷層； 以質(zhì)量份數(shù)計，所述金屬陶瓷層主要由以下原料通過3D打印機噴涂形成：鉻10-30份， 硅5-12份，鐵30-40份，碳5-13份，鎳30-40份，鉬1 -2份，鎢1 -2份。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種斗齒，其特征在于，以質(zhì)量份數(shù)計，所述金屬陶瓷層的主 要原料包括:鉻15-25份，硅7-10份，鐵32-38份，碳6-10份，鎳30-37份，鉬1.2-1.8份，鎢1.2-1.8份。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種斗齒，其特征在于，以質(zhì)量份數(shù)計，所述金屬陶瓷層的主 要原料包括:鉻20份，硅7份，鐵31份，碳7份，鎳35份，鉬1.6份，鎢1.6份。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種斗齒，其特征在于，所述金屬陶瓷層由金屬層、金屬陶瓷 復(fù)合層以及陶瓷層三層呈梯度排列組成。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種斗齒，其特征在于，沿所述斗齒基體由內(nèi)至外依次為金屬 層、金屬陶瓷復(fù)合層、陶瓷層。6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述的一種斗齒，其特征在于，所述金屬陶瓷層的厚度為 1.5-1.8mm〇7. 權(quán)利要求1-6任一項所述的一種斗齒的制備方法，其特征在于，包括如下步驟： (A) 將制成所述金屬陶瓷層的所有原料混合攪拌均勻制成混合粉末； (B) 采用3D打印機產(chǎn)生的高能粒子束對所述混合粉末激光熔化后，再采用3D打印機噴 涂于所述斗齒基體表面，即可。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種斗齒的制備方法，其特征在于，所述步驟(A)中，所述混合 粉末的目粒度控制在200目以上，優(yōu)選200-300目。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種斗齒的制備方法，其特征在于，所述步驟(A)中，所有原料 混合攪拌的攪拌速率控制在100-300rad/min。10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種斗齒的制備方法，其特征在于，所述步驟(B)中，所述高 能粒子束的能量密度控制在90_120J/mm 2之間，激光熔化的時間控制在2-3min。
【文檔編號】B22F5/08GK106077664SQ201610704732
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月22日
【發(fā)明人】魯偉員, 李信, 楊義樂
【申請人】四川中物紅宇科技有限公司