权利要求
1.一种多金属材料组合复合刮板，其特征在于，包括刮板斧头和刮板中段，所述刮板斧头包括工作表层及基体，所述工作表层包裹在所述基体的外表面，所述工作表层的材料为高铬铸铁，所述基体的材料为低碳铸钢;所述刮板中段采用合金钢模锻成型;所述刮板斧头和所述刮板中段通过焊接连接。
2.根据权利要求1所述的多金属材料组合复合刮板，其特征在于，所述高铬铸铁的化学成分包含C：3.3~3.5，Cr：26~32，Mn：1.75~2.0，Mo：1.5~1.85，Cu：0.8~1.0，B：0.02，P、S≤0.6。
3.根据权利要求2所述的多金属材料组合复合刮板，其特征在于，所述低碳铸钢的化学成分包含C：0.16~0.23，Si：0.20~0.60，Mn：1.00~1.60，P≤0.025，S≤0.025，Ni≤0.40，Cr≤0.40，Cu≤0.40，Mo≤0.15，V≤0.05。
4.根据权利要求1所述的多金属材料组合复合刮板，其特征在于，所述刮板斧头的连接面设置有第一连接凸台，所述刮板中段的两端间隔设置有两个第二连接凸台，第一连接凸台插入两个第二连接凸台之间形成的空隙内，且第一连接凸台与第二连接凸台的连接处通过焊接连接。
5.一种多金属材料组合复合刮板的制造方法，用于制造如权利要求1-4任一项所述的多金属材料组合复合刮板，其特征在于，包括以下步骤：
S1、先浇注基体，待基体的表面形成液膜时，浇注工作表层;
S2、待铸件冷却后进行机加工，完成刮板斧头的制作;
S3、采用合金钢模锻成型工艺制造刮板中段;
S4、采用焊条对刮板斧头与刮板中段的连接部位进行电弧焊。
6.根据权利要求5所述的多金属材料组合复合刮板的制造方法，其特征在于，在步骤S1中，工作表层的浇注温度为1450~1500℃，基体的浇注温度为1300~1350℃。
7.根据权利要求5所述的多金属材料组合复合刮板的制造方法，其特征在于，在步骤S3中，锻造后进行正火处理，其中，加热温度880~900℃，保温2~3小时后空冷。
8.根据权利要求5所述的多金属材料组合复合刮板的制造方法，其特征在于，在步骤S4中，焊接电流为120~150A，电弧电压为22~28V，焊接速度为3~5mm/s。
9.根据权利要求8所述的多金属材料组合复合刮板的制造方法，其特征在于，在步骤S4之前，对刮板斧头与刮板中段的连接面进行喷砂处理;喷砂后对连接部位进行预热，预热温度控制在250~300℃。
10.根据权利要求9所述的多金属材料组合复合刮板的制造方法，其特征在于，焊接完成后立即用石棉布包裹连接部位，缓冷至室温。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及矿山输送设备零部件技术领域，具体涉及一种多金属材料组合复合刮板及其制造方法。
背景技术
[0002]刮板输送机作为矿山开采的核心输送设备，其刮板直接与煤炭、煤矸石等物料接触，在运行过程中需同时承受物料的持续高负荷摩擦、冲击载荷，以及井下潮湿、腐蚀性介质(如硫化物、地下水)导致的腐蚀磨损，是刮板输送机中损耗最快、失效最严重的关键易损零件。刮板的磨损失效更换不仅增加了矿山开采的生产成本，还会导致设备停机，严重影响开采效率。
[0003]如图1所示，传统刮板多采用整体式结构，单一合金钢整体锻造成型。为提升耐磨性通常对刮板斧头采用感应淬火工艺提高表面硬度，虽能在一定程度上满足刮板斧头(主要磨损部位)的耐磨需求，但受整体结构限制，淬火过程中易出现温度场不均，导致淬火层厚度不一致、硬度梯度不合理，甚至出现淬火开裂、变形等问题。且整体合金钢存在“硬度与韧性难以兼顾”的固有矛盾——即硬度提升则韧性下降，易在冲击载荷下断裂;韧性保障则耐磨性不足，缩短使用寿命。
发明内容
[0004]有鉴于此，本发明提供一种多金属材料组合复合刮板及其制造方法，以解决传统整体式刮板采用感应淬火工艺以提升耐磨性时易出现淬火不均匀、开裂等质量问题、以及存在“硬度与韧性难以兼顾”的固有矛盾的技术问题。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006]一种多金属材料组合复合刮板，包括刮板斧头和刮板中段，所述刮板斧头包括工作表层及基体，所述工作表层包裹在所述基体的外表面，所述工作表层的材料为高铬铸铁，所述基体的材料为低碳铸钢;所述刮板中段采用合金钢模锻成型;所述刮板斧头和所述刮板中段通过焊接连接。
[0007]优选地，所述高铬铸铁的化学成分包含C：3.3~3.5，Cr：26~32，Mn：1.75~2.0，Mo：1.5~1.85，Cu：0.8~1.0，B：0.02，P、S≤0.6。
[0008]优选地，所述低碳铸钢的化学成分包含C：0.16~0.23，Si：0.20~0.60，Mn：1.00~1.60，P≤0.025，S≤0.025，Ni≤0.40，Cr≤0.40，Cu≤0.40，Mo≤0.15，V≤0.05。
[0009]优选地，所述刮板斧头的连接面设置有第一连接凸台，所述刮板中段的两端间隔设置有两个第二连接凸台，第一连接凸台插入两个第二连接凸台之间形成的空隙内，且第一连接凸台与第二连接凸台的连接处通过焊接连接。
[0010]本发明还提供一种多金属材料组合复合刮板的制造方法，用于制造如上所述的多金属材料组合复合刮板，包括以下步骤：
[0011]S1、先浇注基体，待基体的表面形成液膜时，浇注工作表层;
[0012]S2、待铸件冷却后进行机加工，完成刮板斧头的制作;
[0013]S3、采用合金钢模锻成型工艺制造刮板中段;
[0014]S4、采用焊条对刮板斧头与刮板中段的连接部位进行电弧焊。
[0015]优选地，在步骤S1中，工作表层的浇注温度为1450~1500℃，基体的浇注温度为1300~1350℃。
[0016]优选地，在步骤S3中，锻造后进行正火处理，其中，加热温度880~900℃，保温2~3小时后空冷。
[0017]优选地，在步骤S4中，焊接电流为120~150A，电弧电压为22~28V，焊接速度为3~5mm/s。
[0018]优选地，在步骤S4之前，对刮板斧头与刮板中段的连接面进行喷砂处理;喷砂后对连接部位进行预热，预热温度控制在250~300℃。
[0019]优选地，焊接完成后立即用石棉布包裹连接部位，缓冷至室温。
[0020]与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0021]本发明的多金属材料组合复合刮板采用刮板斧头及刮板中段的分段式结构。其中，刮板斧头作为刮板的工作磨损部位，设计了工作表层及基体，工作表层采用高铬铸铁材料，包裹在基体的外表面，以利用高铬铸铁的高硬度特性，提高刮板斧头的耐磨性能;而基体采用低碳铸钢材料，以利用低碳铸钢的高韧性及抗冲击性，避免刮板斧头在物料冲击下断裂，从而使得本发明的刮板斧头能够同时满足“高耐磨性”与“高韧性、抗断裂”的双重需求。刮板中段作为刮板的受力牵引部位，采用合金钢模锻成型，以确保刮板中段具备足够的承载能力和抗变形能力。因此，本发明通过采用刮板斧头及刮板中段的分段式结构，针对不同部位的功能需求选择适配材料，打破传统整体式刮板的材料性能局限，实现“耐磨部位专攻耐磨、受力部位专攻强度”的精准适配。并且，刮板斧头与刮板中段通过焊接组合而成，能够保障分段结构的连接可靠性，避免井下冲击工况下焊缝开裂。
附图说明
[0022]图1为传统刮板的结构示意图。
[0023]图2为本发明的多金属材料组合复合刮板的结构示意图。
[0024]图3为本发明的刮板斧头的结构示意图。
[0025]图4为本发明的刮板中段的结构示意图。
[0026]图中：刮板斧头100、工作表层110、基体120、第一连接凸台130、刮板中段200、第二连接凸台210、焊缝300。
具体实施方式
[0027]以下结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案以及技术效果做进一步的详细阐述。
[0028]请同时参看图2及图3，一种多金属材料组合复合刮板10，包括刮板斧头100和刮板中段200，刮板斧头100包括工作表层110及基体120，工作表层110包裹在基体120的外表面，工作表层110的材料为高铬铸铁，基体120的材料为低碳铸钢;刮板中段200采用合金钢模锻成型;刮板斧头100和刮板中段200通过焊接连接。
[0029]本发明的多金属材料组合复合刮板10采用刮板斧头100及刮板中段200的分段式结构。其中，刮板斧头100作为刮板的工作磨损部位，设计了工作表层110及基体120，工作表层110采用高铬铸铁材料，包裹在基体120的外表面，以利用高铬铸铁的高硬度特性，提高刮板斧头100的耐磨性能;而基体120采用低碳铸钢材料，以利用低碳铸钢的高韧性及抗冲击性，避免刮板斧头在物料冲击下断裂，从而使得本发明的刮板斧头100能够同时满足“高耐磨性”与“高韧性、抗断裂”的双重需求。刮板中段200作为刮板的受力牵引部位，采用合金钢模锻成型，以确保刮板中段200具备足够的承载能力和抗变形能力。因此，本发明通过采用刮板斧头100及刮板中段200的分段式结构，针对不同部位的功能需求选择适配材料，打破传统整体式刮板的材料性能局限，实现“耐磨部位专攻耐磨、受力部位专攻强度”的精准适配。并且，刮板斧头100与刮板中段200通过焊接组合而成，能够保障分段结构的连接可靠性，避免井下冲击工况下焊缝开裂。
[0030]进一步地，高铬铸铁的化学成分包含C：3.3~3.5，Cr：26~32，Mn：1.75~2.0，Mo：1.5~1.85，Cu：0.8~1.0，B：0.02，P、S≤0.6。其中，C是高铬铸铁的主要合金元素之一，可以提高材料的硬度和强度;Cr是高铬铸铁的关键合金元素，可以提高材料的耐磨性和耐腐蚀性;Mn可以提高材料的强度及韧性;Mo和Cu元素可以进一步提高材料的耐腐烛性和耐磨性;B作为强碳化物形成元素，能增加材料基体的淬透性，促进马氏体形成，在不降低韧性的同时提升强度与耐磨性;从而利用高铬铸铁的高硬度特性，提高刮板斧头的工作表层的耐磨性能。
[0031]进一步地，低碳铸钢的化学成分包含C：0.16~0.23，Si：0.20~0.60，Mn：1.00~1.60，P≤0.025，S≤0.025，Ni≤0.40，Cr≤0.40，Cu≤0.40，Mo≤0.15，V≤0.05。其中，低碳铸钢的碳含量一般较低，低碳含量使得铸钢的韧性得到了提高;Si能够提高铸钢的流动性，减少铸造缺陷，同时还能增强铸钢的耐腐蚀性能;Mn可以提高铸钢的硬度和强度，改善其热处理性能，并且还能细化晶粒，提高钢材的韧性;S和P是低碳铸钢中的有害元素，其含量应尽可能低，过高的硫磷含量会降低钢材的韧性和可焊性，增加脆性风险，因此，在铸造过程中需要严格控制这两种元素的含量;Ni可使钢的韧性-脆性转变温度降低，不但能改善钢常温下的塑性和韧性，而且能改善钢在低温下的韧性;Cr可以增强低碳铸钢的硬度，提高低碳铸钢的耐磨性和抗压性能，Cr的存在也能增强低碳铸钢的韧性和强度，从而使低碳铸钢更为坚固;Cu在调质状态下，能降低钢的韧性-脆性转变温度，提高钢的韧性;Mo的添加能显著细化晶粒，抑制奥氏体晶粒粗化，从而改善低碳铸钢的韧性和强度;V主要起到细化晶粒、强化基体组织、提高强度和改善热稳定性的作用;通过不同的元素使低碳铸钢具有高韧性和抗冲击性，从而利用低碳铸钢的高韧性和抗冲击性，避免刮板斧头100在物料冲击下断裂。
[0032]进一步地，请同时参看图2、图3及图4，刮板斧头100的连接面设置有第一连接凸台130，刮板中段200的两端间隔设置有两个第二连接凸台210，第一连接凸台130插入两个第二连接凸台210之间形成的空隙内，且第一连接凸台130与第二连接凸台210的连接处通过焊接连接。具体地，第一连接凸台130插入两个第二连接凸台210后，将刮板斧头100与刮板中段200之间通过焊丝焊接起来，以实现刮板斧头100与刮板中段200的固定连接。在一些实施方式中，在第一连接凸台130及第二连接凸台210的表面预留设置有V型坡口，V型坡口的形成增加了刮板斧头100与刮板中段200之间的间隙，从而形成如图2所示的焊缝300，便于焊接时形成有效熔深，提升刮板斧头100与刮板中段200的连接强度。
[0033]本发明还提供一种多金属材料组合复合刮板的制造方法，用于制造如上所述的多金属材料组合复合刮板，包括以下步骤：
[0034]S1、先浇注基体，待基体的表面形成液膜时，浇注工作表层;
[0035]S2、待铸件冷却后进行机加工，完成刮板斧头的制作;
[0036]S3、采用合金钢模锻成型工艺制造刮板中段;
[0037]S4、采用焊条对刮板斧头与刮板中段的连接部位进行电弧焊。
[0038]本发明采用砂型铸造制造刮板斧头，先浇注基体，待基体的表面形成液膜时，浇注工作表层，以形成刮板斧头，从而通过液膜衔接法实现工作表层与基体的结合，解决了传统堆焊耐磨层结合不牢、易脱落的问题，同时实现高铬铸铁工作表层与低碳铸钢基体的性能互补;然后采用合金钢模锻成型工艺制造刮板中段，最后采用焊条对刮板斧头与刮板中段的连接部位进行电弧焊，能够保障刮板斧头与刮板中段的分段结构的连接可靠性，避免井下冲击工况下焊缝开裂。
[0039]进一步地，在步骤S1中，工作表层的浇注温度为1450~1500℃，基体的浇注温度为1300~1350℃。具体地，本发明在制造刮板斧头时，采用砂型铸造的工艺方法，先浇注低碳铸钢形成基体，基体浇注温度在1300~1350℃;待基体表面形成5~8mm液膜时，即基体表面处于未完全凝固状态时，浇注高铬铸铁形成工作表层，工作表层浇注温度在1450~1500℃。由于工作表层的浇注温度与基体的浇注温度不同，且浇注工作表层时基体表面形成有液膜，使得工作表层与基体两个界面间原子在温度差的驱动下，相互扩散形成牢固的冶金结合界面。冶金结合不仅增强了刮板斧头与刮板中段之间的机械连接，还促进了化学性质的融合，使两种不同金属能够更紧密地集成在一起，解决了传统堆焊耐磨层结合不牢、易脱落的问题，同时实现高铬铸铁表层与低碳铸钢基体的性能互补。采用该方法制造的刮板斧头，其结合界面强度≥150MPa，工作表层硬度达 HRC55~60，基体冲击韧性≥20J/cm²。在一些实施方式中，在铸件冷却后进行机加工，一方面在刮板斧头的第一连接凸台加工坡口，便于焊接时形成有效熔深;另一方面对刮板斧头的连接面进行机加工，以保证与刮板中段连接面的平面度≤0.2mm/m，确保焊接对接精度。
[0040]进一步地，在步骤S3中，锻造后进行正火处理，其中，加热温度880~900℃，保温2~3小时后空冷。本发明的刮板中段采用42CrMo合金钢，以适配链条牵引产生的巨大拉力需求。同时采用模锻成型的工艺制造刮板中段，并在锻造后进行正火处理，以消除锻造应力，细化晶粒，使得该刮板中段的抗拉强度≥1080MPa，屈服强度≥930MPa，延伸率≥15%，确保刮板中段具备足够的承载能力和抗变形能力。成型后在刮板中段两端加工出与刮板斧头匹配的第二连接凸台，第二连接凸台表面预留有V型坡口，便于焊接时形成有效熔深，提升连接强度。
[0041]进一步地，在步骤S4中，焊接电流为120~150A，电弧电压为22~28V，焊接速度为3~5mm/s。具体地，本发明采用ER69~G焊条进行MAG电弧焊，焊接电流120~150A，电弧电压22~28V，焊接速度3~5mm/s。其中，焊接过程中采用多层多道焊工艺，即分层分道填充焊缝，每层熔合后再进行下一层的填充，从而将焊接过程分成多个小段，降低焊接变形，使焊接强度更加均匀，从而增加焊接强度;并且多层多道焊接工艺可以更好地控制焊接温度和焊接速度，从而提高焊接质量。同时，由于焊接过程更为细致，焊接缺陷的概率也会降低。在多层焊接过程中，每焊完一层后用钢丝刷清理表面的焊渣与飞溅，若残留焊渣或飞溅，会导致后续焊接出现夹渣、气孔等缺陷，影响焊缝质量;并且彻底清除焊渣和氧化皮能暴露洁净的金属表面，促进下一层焊缝与前层实现充分熔合，避免界面结合不良。进一步地，在多层多道焊接时，层间温度的控制非常重要。层间温度过高会导致焊缝组织粗大，降低韧性和强度;层间温度过低则会增加焊接应力，容易产生裂纹。在本发明中，层间温度需要控制在不低于200℃，避免层间冷却过快产生裂纹。
[0042]进一步地，在步骤S4之前，对刮板斧头与刮板中段的连接面进行喷砂处理;喷砂后对连接部位进行预热，预热温度控制在250~300℃。具体地，在焊接前将磨料通过喷枪高速喷射到刮板斧头与刮板中段的连接面，以去除连接面表面的氧化皮、锈迹等杂质，使焊接处处于清洁、光滑和粗糙的状态，确保焊接面洁净，为焊接提供良好的基础，避免杂质导致焊接缺陷如气孔或夹渣。喷砂处理后需要对连接部位进行预热，预热方法包括火焰加热、电阻加热和感应加热等，预热温度控制在250~300℃，测温点距坡口50mm处，确保温度均匀。其中，火焰加热是利用燃气和氧气混合燃烧产生的火焰对焊缝及其附近区域进行加热;电阻加热和感应加热则是利用电能或电磁感应产生的热量进行加热。通过预热，可以使焊缝及其附近区域达到一定的温度，减少焊接时的温度梯度，从而降低应力和变形的产生。此外，预热可以改善金属的塑性，降低其硬度，使焊接时更容易进行，提高焊接质量。同时，预热还可以减少焊接过程中产生的氢致裂纹等缺陷，提高焊接接头的强度和韧性。
[0043]进一步地，焊接完成后立即用石棉布包裹连接部位，缓冷至室温，以消除焊接残余应力，避免气孔、裂纹等缺陷的产生，确保焊缝抗拉强度≥700MPa。在一些实施方式中，焊接完成后，还可以利用超声波探伤检测焊缝内部裂纹、气孔等缺陷，探伤合格率≥99%。本发明通过针对性设计焊前预处理、多层多道焊及焊后缓冷工艺，有效消除焊接应力，保障分段结构的连接可靠性，避免井下冲击工况下焊缝开裂。
[0044]作为一种示例，采用上述制造方法制造本发明的多金属材料组合复合刮板，将本发明的多金属材料组合复合刮板与传统的整体式刮板进行性能对比，得到如表1所示的性能结果：
[0045]表1：多金属材料组合复合刮板与传统整体式刮板性能对比
性能指标传统整体式刮板本发明多金属材料组合复合刮板斧头硬度(HRC)45~5055~60耐磨寿命(月)3~6≥12维修成本对比100%降低60%适应性单一工况多工况可调
[0046]从表1可以看出，本发明的多金属材料组合复合刮板的斧头硬度高于传统整体式刮板的斧头硬度，且本发明的刮板斧头耐磨性较传统整体式刮板的刮板斧头提高3~6倍，刮板中段断裂风险降低80%，综合使用寿命延长至12个月以上。这说明本发明的多金属材料组合复合刮板的刮板斧头采用"耐磨表层+韧性基体"的优化匹配，刮板中段锻造钢保证整体强度，能够解决传统刮板"耐磨不抗断、抗断不耐磨"的矛盾。并且本发明采用分段式设计，可以单独更换磨损的刮板斧头，使得维修成本降低60%;焊接工艺成熟，便于工业化生产。
[0047]以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
说明书附图(4)
声明：
“多金属材料组合复合刮板及其制造方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：宁夏天地奔牛实业集团有限公司
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