CN108817398B - 一种喷射成形复合材料tbm刀圈的生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种喷射成形复合材料TBM刀圈的生产工艺，属于机械制造与加工领域，工艺步骤包括喷射成形复合管坯、下料、锻造成形、锻后退火、粗加工、调质热处理、精磨等。本发明工艺形成的刀圈，为复合材料型刀圈，起支撑作用的部分主要为抗冲击韧性高、价格低廉的低合金钢材料，刀圈负责破岩的刃部为耐磨性好、具备一定抗冲击性能的模具钢材料，而过度区域，为高温一次喷射成形双金属界面，冶金结合充分、结合强度高，刀圈成本降低的同时、很大程度上，降低合金元素的使用，且整个制造工艺，省去了冶炼、精炼、电渣重熔等系列高能耗的冶金过程，值得推广应用。

Description

一种喷射成形复合材料TBM刀圈的生产工艺
技术领域
本发明涉及隧道掘进刀具的技术领域，具体涉及一种喷射成形复合材料TBM刀圈的生产工艺。
背景技术
盾构隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，TBM）作为隧道开挖的专业机械，以其安全快速等诸多优势而逐渐普及，广泛应用于城市地铁、水利水电、公路、铁路、市政等隧道建设中。
滚刀刀圈是硬岩盾构掘进机上对付硬岩的“牙齿”，其结构上可以分为截面相对窄小的切割岩体的刃部和截面相对宽大的安装支撑部位，刃部与安装支撑部位由曲线过度，构成了外窄内宽的封闭圆环。
近几年来，刀圈多选用一种模具钢材料，具有良好的韧性、和一定的耐磨性、能适应多部分隧道掘进材料。传统工艺生产刀圈流程为：电弧炉冶炼—LF精炼+真空除气—电渣重熔—锻造—退火—粗加工—热处理—精加工，流程复杂，而且加工过程高能耗，高成本。且掘进一定距离后，刀圈刃部达到磨损极限，考虑到掘进效率等因素，会更换整个刀圈。因此，约占刀圈总比重70%的作为支撑位置和过度位置的模具钢材料并未直接发生掘进磨损便被作为废钢处理，相对合金含量较高的材料被浪费。
一种喷射成形工艺，于上个世纪70年代在英国发明的金属成形工艺，由于空隙缺陷的存在等原因，一直没有投入大规模的生产活动。真空、气体保护技术及自动化技术的在冶炼行业的升级，喷射成形技术因具备晶粒细小、成形结构稳定开始应用于铝合金等增强基轻合金技术和复合材料制造技术。将雾化的金属熔滴先沉积为预成形实体，再经过冷、热加工成班、带、棒、管等。
发明内容
本发明提出了一种喷射成形复合材料TBM刀圈的生产工艺，针对传统的滚刀刀圈为一体式耐磨材料，而承担支撑作用的刀圈基体没有起到耐磨作用而浪费。为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：以耐磨材料为刀刃、低合金材料为支撑基体的复合材料滚刀刀圈，解决现有工艺存在的高成本、高能耗、高浪费、效率低的技术问题。
实现本发明的技术方案是：一种喷射成形复合材料TBM刀圈的生产工艺，步骤如下：
（1）喷射：将低合金钢和高耐磨合金钢分别在熔炼设备Ⅰ和熔炼设备Ⅱ中液化，液化后分别通过雾化器Ⅰ和雾化器Ⅱ，在惰性气体保护下，将低合金钢以固液两相状态喷射到旋转的薄钢管Ⅰ上，得到双层复合材料；喷射即将结束时，将液化的高耐磨合金钢通过雾化器Ⅱ，喷射到旋转的双层复合材料上，得到以薄钢管为基层、中间为低合金钢材料、外层为高耐磨合金钢材料的复合管胚；
（2）下料轧制：将步骤（1）得到的复合管胚下料得到复合钢管段，复合钢管段在1020-1180℃下高温轧制，轧制后进行退火处理，得到刀圈毛坯；
（3）机械加工：将步骤（2）得到的刀圈毛坯进行机械加工处理，对其内孔及刃部进行粗加工，去除内孔射成形前的薄钢管组织；
（4）热处理：将步骤（3）机械加工后的刀圈在惰性气体保护下，在中频加热器中进行热处理，刀圈外圈温度为1020-1050℃，刀圈内部温度为850-880℃，保温10-15min后淬火处理，淬火后在回火炉中在530-600℃下保温2h，空冷完成回火；
（5）将步骤（4）热处理后的刀圈进行精磨加工。
所述步骤（1）中液化的低合金钢和高耐磨合金钢在进入雾化器之前的过热度为40-50℃，通过雾化器形成直径在100-150μm之间的熔滴，以180-310m/s的速度、30-50%的液相比例喷射到旋转的薄钢管和双层复合材料上。
所述步骤（1）中薄钢管的外径为160-180mm，壁厚1-2mm。
所述液化的高耐磨合金钢喷射到旋转的双层复合材料上时，双层复合材料上的低合金钢的温度为1200-1300℃。
所述步骤（1）中高耐磨合金钢由以下重量份的原料制成：C：0.56-0.78，Si：0.15-0.45，Mn：0.30-0.65，S：≤0.010，P：≤0.015，Cr：5.8-7.2，Mo：2.0-2.5，V：0.4-0.8，Ni≤0.02。
所述步骤（2）中退火温度为780-820℃。
所述步骤（4）中回火后刀圈外侧的耐磨材料硬度控制在56 HRC -61HRC，刀圈支撑部位的硬度控制在30-40HRC，冲击韧性KV2≥60J。
本发明的有益效果是：本发明利用喷射成形技术，晶粒细化程度高，将冶炼与钢坯成形结合，省去了冶炼、精炼、电渣重熔、传统锻造等一系列复杂工艺；本发明的工艺形成的复合材料管坯为一次成形，双金属之间绝对的冶金结合，基层金属与外层金属过渡区域为双金属完成“接力”喷射，结合部位扩散充分，组织致密，强度高；本发明利用高抗冲击韧性和价格低廉的低合金钢作为刀圈的支撑基体，利用高耐磨性的模具钢材料作为刀刃，降低了刀圈材料成本和减少了大量合金元素的浪费。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的工艺流程图。
图2是喷射成形复合管坯的示意图。
图3是管坯下料示意图。
图4是轧制成形示意图。
图5是复合刀圈截面图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种喷射成形复合材料TBM刀圈的生产工艺，步骤如下：
（1）如图1和2所示，将低合金钢和高耐磨合金钢分别利用熔炼设备Ⅰ1和Ⅱ4液化，液化后分别通过两个雾化器Ⅰ2和Ⅱ5，在惰性气体保护下，将低合金钢以固液两相状态从雾化锥Ⅰ3分别和喷射到旋转的薄钢管7上，得到双层复合材料；低合金喷射即将结束时，将液化的高耐磨合金钢通过第二个雾化器Ⅱ5，从雾化锥Ⅱ6喷射到旋转的双层复合材料上，得到以薄钢管7为基层、中间为低合金钢材料即第一层喷射基体层8，外层为高耐磨合金钢材料即喷射耐磨层9的复合管坯10；
（2）下料轧制：图3、图4、图5所示，将步骤（1）得到的复合管胚下料得到复合钢管段，复合钢管段在1020-1180℃下高温轧制，轧制后进行退火处理，得到刀圈毛坯；
（3）机械加工：将步骤（2）得到的刀圈毛坯进行机械加工处理，对其内孔及刃部进行粗加工，去除内孔射成形前的薄钢管组织；
（4）热处理：将步骤（3）机械加工后的刀圈在惰性气体保护下，在中频加热器中进行热处理，刀圈外圈温度为1020-1050℃，刀圈内部温度为850-880℃，保温10-15min后淬火处理，淬火后在回火炉中在530-600℃下保温2h，空冷完成回火；
（5）将步骤（4）热处理后的刀圈进行精磨加工。
实施例2
一种喷射成形复合材料TBM刀圈的生产工艺，步骤如下：
（1）喷射：通过“接力”式喷射成形的方法，将熔炼的两种液态金属，一种为材料韧性优良成本较低的低合金钢材料30Cr2Ni2Mo材料，另一种为耐磨性好的高耐磨合金钢材料（由以下重量份的原料制成：C：0.56，Si：0.15，Mn：0.30，S：≤0.010，P：≤0.015，Cr：5.8，Mo：2.0，V：0.4，Ni≤0.02），按照先后顺序，通过两个雾化器，在惰性气体的保护下，先将液化的低合金钢以固液两相状态（30%的液相比例）下喷射到以一定角速度旋转的外径160mm，壁厚1-2mm薄钢管上，钢液进入雾化器前的过热度保证在40℃之间，可控熔滴的直径在100μm之间，喷射速度为180m/s，在第一种材料即将结束以前，降低喷射速度，打开第二种材料雾化器喷口，再以同样的办法，将耐磨性好的模具钢材料，喷射到旋转的且温度仍然保持在1200℃的低合金钢管上，形成以薄钢管为喷射基层，中间为低合金钢材料，最外层为耐磨工具钢的复合管坯。要求一次完成该复合钢坯的成形过程，低合金钢与模具钢层之间为冶金结合。
（2）下料轧制：根据刀圈尺寸不同，计算毛坯钢管重量，将步骤（1）得到的复合管胚下料得到复合钢管段，复合钢管段在1020℃下高温轧制，减少界面的锻造应力和开裂风险，锻造模具引导外圈的耐磨材料向刀刃方向流动，轧制后进行退火处理，退火温度为780℃，得到刀圈毛坯；
（3）机械加工：将步骤（2）得到的刀圈毛坯进行机械加工处理，对其内孔及刃部进行粗加工，去除内孔射成形前的薄钢管组织；
（4）热处理：将步骤（3）机械加工后的刀圈在惰性气体保护下，在中频加热器中进行热处理，刀圈外圈温度为1020℃，刀圈内部温度为850℃，保温10min后淬火处理，淬火后在回火炉中在530℃下保温2h，空冷完成回火；回火后刀圈外侧的耐磨材料硬度控制在56HRC -61HRC，刀圈支撑部位的硬度控制在30-40HRC，冲击韧性KV2≥60J；
（5）将步骤（4）热处理后的刀圈进行磨床加工，通过平面磨床和内孔磨床，对刀圈的两侧的平行面和内环的安装面进行精磨加工。
实施例3
一种喷射成形复合材料TBM刀圈的生产工艺，步骤如下：
（1）喷射：通过“接力”式喷射成形的方法，将熔炼的两种液态金属，一种为材料韧性优良成本较低的低合金钢材料30Cr2Ni2Mo材料，另一种为耐磨性好的高耐磨合金钢材料（由以下重量份的原料制成：C：0.62，Si：0.32，Mn：0.45，S：≤0.010，P：≤0.015，Cr：6.2，Mo：2.2，V：0.4-0.8，Ni≤0.02），按照先后顺序，通过两个雾化器，在惰性气体的保护下，先将液化的低合金钢以固液两相状态（40%的液相比例）下喷射到以一定角速度旋转的外径170mm，壁厚1-2mm薄钢管上，钢液进入雾化器前的过热度保证在45℃之间，可控熔滴的直径在120μm之间，喷射速度为200m/s，在第一种材料即将结束以前，降低喷射速度，打开第二种材料雾化器喷口，再以同样的办法，将耐磨性好的模具钢材料，喷射到旋转的且温度仍然保持在1250℃的低合金钢管上，形成以薄钢管为喷射基层，中间为低合金钢材料，最外层为耐磨工具钢的复合管坯。要求一次完成该复合钢坯的成形过程，低合金钢与模具钢层之间为冶金结合。
（2）下料轧制：根据刀圈尺寸不同，计算毛坯钢管重量，将步骤（1）得到的复合管胚下料得到复合钢管段，复合钢管段在1100℃下高温轧制，减少界面的锻造应力和开裂风险，锻造模具引导外圈的耐磨材料向刀刃方向流动，轧制后进行退火处理，退火温度为800℃，得到刀圈毛坯；
（3）机械加工：将步骤（2）得到的刀圈毛坯进行机械加工处理，对其内孔及刃部进行粗加工，去除内孔射成形前的薄钢管组织；
（4）热处理：将步骤（3）机械加工后的刀圈在惰性气体保护下，在中频加热器中进行热处理，刀圈外圈温度为1040℃，刀圈内部温度为860℃，保温13min后淬火处理，淬火后在回火炉中在560℃下保温2h，空冷完成回火；回火后刀圈外侧的耐磨材料硬度控制在56HRC -61HRC，刀圈支撑部位的硬度控制在30-40HRC，冲击韧性KV2≥60J；
（5）将步骤（4）热处理后的刀圈进行磨床加工，通过平面磨床和内孔磨床，对刀圈的两侧的平行面和内环的安装面进行精磨加工。
实施例4
一种喷射成形复合材料TBM刀圈的生产工艺，步骤如下：
（1）喷射：通过“接力”式喷射成形的方法，将熔炼的两种液态金属，一种为材料韧性优良成本较低的低合金钢材料30Cr2Ni2Mo材料，另一种为耐磨性好的高耐磨合金钢材料（由以下重量份的原料制成：C：0.78，Si：0.45，Mn：0.65，S：≤0.010，P：≤0.015，Cr：7.2，Mo：2.5，V：0.8，Ni≤0.02），按照先后顺序，通过两个雾化器，在惰性气体的保护下，先将液化的低合金钢以固液两相状态（50%的液相比例）下喷射到以一定角速度旋转的外径180mm，壁厚1-2mm薄钢管上，钢液进入雾化器前的过热度保证在50℃之间，可控熔滴的直径在150μm之间，喷射速度为310m/s，在第一种材料即将结束以前，降低喷射速度，打开第二种材料雾化器喷口，再以同样的办法，将耐磨性好的模具钢材料，喷射到旋转的且温度仍然保持在1300℃的低合金钢管上，形成以薄钢管为喷射基层，中间为低合金钢材料，最外层为耐磨工具钢的复合管坯。要求一次完成该复合钢坯的成形过程，低合金钢与模具钢层之间为冶金结合。
（2）下料轧制：根据刀圈尺寸不同，计算毛坯钢管重量，将步骤（1）得到的复合管胚下料得到复合钢管段，复合钢管段在1180℃下高温轧制，减少界面的锻造应力和开裂风险，锻造模具引导外圈的耐磨材料向刀刃方向流动，轧制后进行退火处理，退火温度为820℃，得到刀圈毛坯；
（3）机械加工：将步骤（2）得到的刀圈毛坯进行机械加工处理，对其内孔及刃部进行粗加工，去除内孔射成形前的薄钢管组织；
（4）热处理：将步骤（3）机械加工后的刀圈在惰性气体保护下，在中频加热器中进行热处理，刀圈外圈温度为1050℃，刀圈内部温度为880℃，保温15min后淬火处理，淬火后在回火炉中在600℃下保温2h，空冷完成回火；回火后刀圈外侧的耐磨材料硬度控制在56HRC -61HRC，刀圈支撑部位的硬度控制在30-40HRC，冲击韧性KV2≥60J；
（5）将步骤（4）热处理后的刀圈进行磨床加工，通过平面磨床和内孔磨床，对刀圈的两侧的平行面和内环的安装面进行精磨加工。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (4)

1.一种喷射成形复合材料TBM刀圈的生产工艺，其特征在于步骤如下：
（1）喷射：将低合金钢和高耐磨合金钢分别在熔炼设备Ⅰ（1）和熔炼设备Ⅱ（4）中液化，液化的低合金钢和高耐磨合金钢在进入雾化器之前的过热度为40-50℃，液化后分别通过雾化器Ⅰ（2）和雾化器Ⅱ（5），在惰性气体保护下，将低合金钢以固液两相状态形成直径在100-150μm之间的熔滴，以180-310m/s的速度、30-50%的液相比例喷射到旋转的薄钢管Ⅰ（7）上，得到双层复合材料；喷射即将结束时，将液化的高耐磨合金钢通过雾化器Ⅱ（5），形成直径在100-150μm之间的熔滴，以180-310m/s的速度、30-50%的液相比例喷射到旋转的双层复合材料上，得到以薄钢管为基层、中间为低合金钢材料、外层为高耐磨合金钢材料的复合管胚（10）；所述薄钢管的外径为160-180mm，壁厚1-2mm；
（2）下料轧制：将步骤（1）得到的复合管胚（10）下料得到复合钢管段，复合钢管段在1020-1180℃下高温轧制，轧制后进行退火处理，得到刀圈毛坯；
（3）机械加工：将步骤（2）得到的刀圈毛坯进行机械加工处理，对其内孔及刃部进行粗加工，去除内孔射成形前的薄钢管组织；
（4）热处理：将步骤（3）机械加工后的刀圈在惰性气体保护下，在中频加热器中进行热处理，刀圈外圈温度为1020-1050℃，刀圈内部温度为850-880℃，保温10-15min后淬火处理，淬火后在回火炉中在530-600℃下保温2h，空冷完成回火；
（5）将步骤（4）热处理后的刀圈进行精磨加工。
2.根据权利要求1所述的喷射成形复合材料TBM刀圈的生产工艺，其特征在于：所述液化的高耐磨合金钢喷射到旋转的双层复合材料上时，双层复合材料上的低合金钢的温度为1200-1300℃。
3.根据权利要求1所述的喷射成形复合材料TBM刀圈的生产工艺，其特征在于：所述步骤（2）中退火温度为780-820℃。
4.根据权利要求1所述的喷射成形复合材料TBM刀圈的生产工艺，其特征在于：所述步骤（4）中回火后刀圈外侧的耐磨材料硬度控制在56 HRC -61HRC，刀圈支撑部位的硬度控制在30-40HRC，冲击韧性KV2≥60J。
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