CN108756914A - 一种带堆焊镍基合金的盾构机滚刀刀圈及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带堆焊镍基合金的盾构机滚刀刀圈，包括合金钢制成的刀圈基体(1)，在基体(1)的外缘刃口上，沿圆周均匀分布了多个厚度方向贯穿的槽，槽内堆焊填充镍基合金(2)，所述镍基合金(2)的成分(重量百分比)为：0.40‑0.70％C、10.5‑16.5％Cr、3.5‑4.5％Si、2.1‑3.5％B、≤5.0％Fe，≤0.15％Mn、≤0.15％Mo，其余为Ni和杂质元素。刀圈的制造方法是：1)机加工制成刀圈基体(1)，外缘刃口上均布开有槽，按常规工艺对刀圈基体(1)进行最终淬火+回火热处理；2)将刀圈基体(1)预热至≥150℃，在所述槽内堆焊填充镍基合金(2)，焊后缓冷或进行回温温度≥150℃的回火处理；3)机加工修整制成成品。该盾构机滚刀刀圈能显著提高使用寿命，且制造工艺简单，容易实现批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及盾构机技术领域，尤其涉及一种带堆焊镍基合金的盾构机滚刀刀圈及其制造方法。
背景技术
全断面岩石掘进机(Full Face Rock Tunnel Boring Machine，简称TBM)亦称盾构机，其集隧道施工的掘进、支护、出渣运输、通风除尘等功能于一身，与传统钻爆法相比，具有快速、优质、安全等特点。盾构机刀盘上的滚刀刀圈，是整套掘进设备中施工的关键部件和易损部件。在施工过程中，滚刀的工作条件极其恶劣，消耗量极大，频繁的换刀严重地影响了施工进度。为减少停机换刀次数，降低刀圈损耗，开发出更高性能的滚刀刀圈至关重要。
目前的滚刀刀圈一般采用整体合金钢制造，国际上滚刀刀圈主要以美国Robbins和德国Wirth为代表。R-obbins采用AISl4340钢，成分与国内40CrNiMo钢相近，具有较高韧性。 Wirth采用德国材料DINl7350中的X50CrVMo5—1钢号，是高硬度刀圈的代表。国内施工过程中需要的滚刀刀圈大量依靠进口来满足。国内常采用H13、4Cr5MoSiV1、40CrNiMo、5Cr5MoSiV、 9Cr2Mo等合金钢制造滚刀刀圈。近年来，通过成分优化、热处理工艺改进，整体滚刀刀圈的耐磨性有了改善，但其在使用中仍然磨损较快，耐磨性有待进一步提高。
中国专利申请号201620734964.3的专利文件公开了一种盾构机上用滚刀的刀圈，该实用新型包括刀圈本体，所述刀圈本体上设置有若干沿刀圈本体外径方向的径向孔，所述径向孔的一端设置有调节块，所述径向孔的另一端设置有固定环，所述径向孔内设置有合金块，所述合金块的一端滑动连接在调节块上，所述合金筷的另一端穿过固定环凸出于刀圈本体外侧表面，可增加滚刀的寿命。但该实用新型公开的刀圈，需打径向孔，为了保证刀圈强度径向孔不宜过密，使得增加的合金块数量较少，提高耐磨性的效果也有限。合金块与径向孔非冶金结合，在使用中有碎裂、掉落的风险，且公开的刀圈结构复杂，制造成本高，不适宜大批量生产推广。
中国专利申请号201620936968.X的专利文件公开了一种盾构机滚刀圈，滚刀圈体的外圆周上设置有环形凹槽，所述环形凹槽的一个侧壁上设置有通孔，另一个侧壁上设置有相对应的盲孔；所述环形凹槽内镶嵌有硬质合金块，所述硬质合金块上设置有与通孔相对应的安装孔；所述通孔内设置有连接螺栓，所述连接螺栓穿过通孔和安装孔插入盲孔内；采用本实用新型能够实现硬质合金块的快速拆装，能够有效提高盾构机刀具更换的效率。该使用新型外圈刃口上连续镶嵌有硬质合金块，硬度较高，但抗冲击性能差，合金块与镶槽之间非冶金结合，合金块在使用中也有碎裂、掉落的风险，且公开的刀圈结构复杂，制造成本高，也不适宜大批量生产推广。
若考虑在滚刀刀圈刃口上整圈堆焊硬质合金来提高耐磨性，则存在硬质合金可焊性差、焊接过程中容易产生裂纹、使用过程中容易开裂、剥落问题。
发明内容
为了提高现有整体合金钢滚刀刀圈的使用寿命，克服现有带耐磨合金块滚刀刀圈提高使用寿命的的效果有限、使用中有碎裂、掉落的风险，结构复杂，制造成本高的缺点。本发明提供了一种带堆焊镍基合金的盾构机滚刀刀圈及其制造方法，可以明显提高滚刀刀圈的使用寿命，堆焊镍基合金在使用中不会脱落，且制造工艺简单，容易实现批量生产。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
本发明提供了一种带堆焊镍基合金的盾构机滚刀刀圈，包括合金钢制成的刀圈基体，在所述刀圈基体的外缘刃口上，沿圆周均匀分布了多个厚度方向贯穿的槽，槽内堆焊填充镍基合金，所述镍基合金的成分(重量百分比)为：0.40-0.70％C、10.5-16.5％Cr、3.5-4.5％Si、 2.1-3.5％B、≤5.0％Fe，≤0.15％Mn、≤0.15％Mo，其余为Ni和杂质元素。
优选的所述堆焊填充镍基合金的成分(重量百分比)为：0.45-0.65％C、11.5-15％Cr、 3.8-4.3％Si、2.1-3.5％B、≤5.0％Fe，≤0.15％Mn、≤0.15％Mo，其余为Ni和杂质元素。
优选的所述刀圈基体的合金钢成分(重量百分比)为：0.30-0.50％C、0.15-0.50％Si、 0.50-1.0％Mn、0.50-1.10％Cr、1.0-2.0％Ni、0.1-0.5％Mo，其余为Fe和杂质元素。
另1种优选的所述刀圈基体的合金钢成分(重量百分比)为：0.32-0.45％C、 0.80-1.25％Si、0.20-0.60％Mn、4.75-5.50％Cr、0.80-1.20％V、1.10-1.75％Mo，≤0.030％P、≤0.030％S其余为Fe和杂质元素。
镍基合金具有高硬度、高耐磨性的特点，可增加滚刀刀圈的使用寿命。
合金钢基体本身强度高、并具有一定的耐磨性，为镍基合金堆焊层提供了良好的基体支撑。由于镍基合金通过冶金结合镶固在合金钢基体上，所以其在使用中抗开裂、抗剥落性能很好。
为了进一步提高刀圈的使用寿命，可在上述槽内堆焊填充镍基合金时，堆焊层高出外圆基面，加工成成品后，所述堆焊填充镍基合金凸出外缘基面3-14mm。凸出低于3mm则增加耐磨性的效果不明显；凸出高于14mm则凸出部分易在使用时崩断、剥落，且会增加贵重的镍基合金消耗。
本发明提供了上述一种带堆焊镍基合金的盾构机滚刀刀圈的制造方法，主要包括以下步骤：
(1)首先机加工制成合金钢刀圈基体，外缘刃口上开有沿圆周均匀分布的多个厚度方向贯穿的槽，按常规工艺对刀圈基体进行最终淬火+回火热处理；
(2)堆焊：将刀圈基体预热至≥150℃；在所述槽内堆焊填充镍基合金，焊后缓冷或进行回温温度≥150℃的回火处理；
(3)对堆焊后的刀圈进行机加工修整成形，制成成品。
进一步的在所述机加工制成合金钢刀圈基体步骤，对于在所述刀圈基体的外缘刃口上、沿圆周均匀分布的多个厚度方向贯穿的槽，适合的槽深度为5-25mm、适合的周向槽宽为 5-50mm。
所述堆焊步骤优选采用的堆焊方法为手工电弧焊或氩弧堆焊或氧乙炔喷焊。
本发明提供了一种带堆焊镍基合金的盾构机滚刀刀圈及其制造方法。该盾构机滚刀刀圈具有优异的耐磨性、抗冲击性、抗剥落性能，能显著提高刀圈的使用寿命，从而有利于降低施工成本、提高施工效率。且制造工艺简单，容易实现批量生产。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明,其中：
图1为本发明第1、2、3种实施方式刀圈平行盘面的截面示意图；
图2为图1中A-A解剖面示意图；
图3为本发明第4实施方式刀圈平行盘面的截面示意图；图4为图1中堆焊处局部放大图；
附图标记：1、刀圈基体，2、堆焊的镍基合金，3、刀圈基体1和堆焊的镍基合金 2的焊接互相熔合区域。
具体实施方式
以下结合实施例来进一步说明本发明的技术方案。
表1实施例刀圈基体与对比例刀圈的化学成分
表2实施例镍基合金堆焊层的化学成分
实施例1
Φ432mm规格的带堆焊镍基合金的盾构机滚刀刀圈，包括合金钢制成的刀圈基体(1)，在所述刀圈基体的外缘刃口上，开有沿圆周均匀分布的32个厚度方向贯穿的槽。槽部位堆焊填充镍基合金(2)，参见图1、图2。合金钢刀圈基材的化学成分见表1(其余为Fe 和杂质元素)。刀圈镍基合金堆焊层的化学成分见表2(其余为Ni和杂质元素)。
实施例1的制造工艺为：
1)首先机加工制成合金钢刀圈基体(1)，外缘刃口上开有沿圆周均匀分布的32 个厚度方向贯穿槽，槽深14-16mm,周向槽宽20-22mm。按常规工艺对刀圈基体进行最终淬火+回火热处理；
2)堆焊：将刀圈基体(1)预热至150-180℃；用手工电弧焊的方法在所述槽内堆焊填充镍基合金(2)，焊后放入150-180℃的炉中随炉缓冷。
3)对堆焊后的刀圈进行机加工修整成形，制成成品。
实施例2
Φ432mm规格的带堆焊镍基合金的盾构机滚刀刀圈，包括合金钢制成的刀圈基体(1)，在所述刀圈基体的外缘刃口上，开有沿圆周均匀分布的32个厚度方向贯穿的槽。槽部位堆焊填充镍基合金(2)，参见图1、图2。合金钢刀圈基材的化学成分见表1(其余为Fe 和杂质元素)。刀圈镍基合金堆焊层的化学成分见表2(其余为Ni和杂质元素)。
实施例2的制造工艺为：
1)首先机加工制成合金钢刀圈基体(1)，外缘刃口上开有沿圆周均匀分布的32 个厚度方向贯穿槽，槽深14-16mm,周向槽宽20-22mm。按常规工艺对刀圈基体进行最终淬火+回火热处理；
2)堆焊：将刀圈基体(1)预热至150-180℃；用氩弧堆焊的方法在所述槽内堆焊填充镍基合金(2)，焊后放入150-180℃的炉中随炉缓冷。
3)对堆焊后的刀圈进行机加工修整成形，制成成品。
实施例3
Φ432mm规格的带堆焊镍基合金的盾构机滚刀刀圈，包括合金钢制成的刀圈基体(1)，在所述刀圈基体的外缘刃口上，开有沿圆周均匀分布的32个厚度方向贯穿的槽。槽部位堆焊填充镍基合金(2)，参见图1、图2。合金钢刀圈基材的化学成分见表1(其余为Fe 和杂质元素)。刀圈镍基合金堆焊层的化学成分见表2(其余为Ni和杂质元素)。
实施例3的制造工艺为：
1)首先机加工制成合金钢刀圈基体(1)，外缘刃口上开有沿圆周均匀分布的32 个厚度方向贯穿槽，槽深14-16mm,周向槽宽20-22mm。按常规工艺对刀圈基体进行最终淬火+回火热处理；
2)堆焊：将刀圈基体(1)预热至150-180℃℃；用氧乙炔喷焊的方法在所述槽内堆焊填充镍基合金(2)，焊后放入150-180℃的炉中随炉缓冷。
3)对堆焊后的刀圈进行机加工修整成形，制成成品。
实施例4
Φ432mm规格的带堆焊镍基合金的盾构机滚刀刀圈，包括合金钢制成的刀圈基体(1)，在所述刀圈基体的外缘刃口上，开有沿圆周均匀分布的32个厚度方向贯穿的槽。槽部位堆焊填充镍基合金(2)，所述堆焊填充镍基合金(2)凸出外缘基面10-12mm。参见图3。合金钢刀圈基材的化学成分见表1(其余为Fe和杂质元素)。刀圈镍基合金堆焊层的化学成分见表2(其余为Ni和杂质元素)。
实施例4的制造工艺为：
1)首先机加工制成合金钢刀圈基体(1)，外缘刃口上开有沿圆周均匀分布的32 个厚度方向贯穿槽，槽深14-16mm,周向槽宽20-22mm。按常规工艺对刀圈基体进行最终淬火+回火热处理；
2)堆焊：将刀圈基体(1)预热至150-180℃；用手工电弧焊的方法在所述槽内堆焊填充镍基合金(2)，应使得堆焊层高出外缘基面，制成成品后应能保证堆焊填充镍基合金(2)凸出外缘基面10-12mm。参见图3，焊后放入150-180℃的炉中随炉缓冷。
3)对堆焊后的刀圈进行机加工修整成形，制成成品。
对比例1、对比例2整体合金钢刀圈的化学成分见表1(其余为Fe和杂质元素)。规格均为Φ432mm，均按现有常规工艺制造。
表3列出了在地质条件等施工条件基本相同的情况下，某施工段实施例刀圈与对比例刀圈的使用情况。表3中的比值，均按与对比例2的数据比计算。
表3实施例刀圈与对比例刀圈的使用情况
从表3中对比可见，实施例1-6刀圈的使用寿命明显提高了。
以上所述为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种带堆焊镍基合金的盾构机滚刀刀圈，包括合金钢制成的刀圈基体(1)，其特征在于：在所述刀圈基体(1)的外缘刃口上，沿圆周均匀分布了多个厚度方向贯穿的槽，槽内堆焊填充镍基合金(2)，所述镍基合金(2)的成分(重量百分比)为：0.40-0.70％C、10.5-16.5％Cr、3.5-4.5％Si、2.1-3.5％B、≤5.0％Fe，≤0.15％Mn、≤0.15％Mo，其余为Ni和杂质元素。
2.如权利要求1所述的带堆焊镍基合金的盾构机滚刀刀圈，其特征在于：所述堆焊填充镍基合金(2)的成分(重量百分比)为：0.45-0.65％C、11.5-15％Cr、3.8-4.3％Si、2.1-3.5％B、≤5.0％Fe，≤0.15％Mn、≤0.15％Mo，其余为Ni和杂质元素。
3.如权利要求1所述的一种盾构机滚刀刀圈，其特征在于：所述刀圈基体(1)的成分(重量百分比)为：0.30-0.50％C、0.15-0.50％Si、0.50-1.0％Mn、0.50-1.10％Cr、1.0-2.0％Ni、0.1-0.5％Mo，其余为Fe和杂质元素。
4.如权利要求1所述的带堆焊镍基合金的盾构机滚刀刀圈，其特征是在于：所述刀圈基体(1)的成分(重量百分比)为：0.32-0.45％C、0.80-1.25％Si、0.20-0.60％Mn、4.75-5.50％Cr、0.80-1.20％V、1.10-1.75％Mo，≤0.030％P、≤0.030％S其余为Fe和杂质元素。
5.如权利要求1所述的带堆焊镍基合金的盾构机滚刀刀圈，其特征在于：所述堆焊填充镍基合金(2)凸出外缘基面3-14mm。
6.如权利要求1-5任意一项所述的带堆焊镍基合金的盾构机滚刀刀圈的制造方法，其特征在于：所述制造方法主要包括以下步骤：
(1)首先机加工制成合金钢刀圈基体(1)，外缘刃口上开有沿圆周均匀分布的多个厚度方向贯穿的槽，按常规工艺对刀圈基体(1)进行最终淬火+回火热处理；
(2)堆焊：将刀圈基体(1)预热至≥150℃；在所述槽内堆焊填充镍基合金(2)，焊后缓冷或进行回温温度≥150℃的回火处理；
(3)对堆焊后的刀圈进行机加工修整成形，制成成品。
7.如权利要求6所述的带堆焊镍基合金的盾构机滚刀刀圈的制造方法，其特征在于：所述沿圆周均匀分布的多个厚度方向贯穿的槽的深度为5-25mm、周向槽宽为5-50mm。
8.如权利要求6所述的带堆焊镍基合金的盾构机滚刀刀圈的制造方法，其特征在于：所述堆焊步骤采用的堆焊方法为手工电弧焊或氩弧堆焊或氧乙炔喷焊。
9.如权利要求6所述的带堆焊镍基合金的盾构机滚刀刀圈的制造方法，其特征在于：所述堆焊步骤采用的堆焊方法为手工电弧焊或氩弧堆焊或氧乙炔喷焊。
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