CN109162725A - 一种激光喷涂金刚石滚刀刀圈及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光喷涂金刚石滚刀刀圈及其加工方法，包括刀圈基体、激光喷涂到刀圈基体圆周外表面的过渡层和金刚石耐磨层；其中刀圈基体的各原料为：C、Si、Mn、Cr、Ni、V、杂质P、杂质S、Fe余量；过渡层中各元素的质量百分比分别为：Ni为30%‑40%，Co为5%‑10%，Fe余量；金刚石耐磨层中Ni粉为25%‑45%，WC粉末为30%‑50%，其余为金刚石粉末。本发明采用激光喷涂金刚石粉末工艺，把金刚石粉末喷涂到刀圈基体的外圆周表面，采用独特的加工工艺使刀圈基体具有极高的韧性，金刚石耐磨层具有很高的抗压强度、硬度和耐磨性高，故能轻易破碎岩石的同时具有极高的寿命，也大大提高了施工掘进效率。
Description
技术领域
本发明涉及隧道、地铁施工技术领域，尤其涉及一种激光喷涂金刚石滚刀刀圈及其加工方法。
背景技术
目前，我国采用盾构、TBM法施工山岭隧道、城市地铁进入蓬勃发展时期，盾构、TBM法以其地质条件适应性强、施工速度快、对周边环境干扰少等优点日益成为隧道施工工法。首选，国内一些在建地铁的城市经常遇到岩石抗压强度达到甚至超过100MPa的硬岩地层或研磨性极强的砂岩地层，盾构机在此地层中掘进，传统的钢制滚刀刀圈磨损严重，导致换刀频繁，加大了施工风险和工程成本。目前，滚刀刀圈常采用的材料为4Cr5MoSiV1、40CrNiMo、H13等，但这些刀圈材料均为单一的合金钢材质，在硬岩和砂岩岩层掘进中，存在耐磨性差或者容易断裂的问题。金刚石作为自然界中硬度最高的物质，考虑如何把金刚石的特性应用到盾构刀具领域，使金刚石作为金属陶瓷复合涂层的强化相将成为国内外的研究热点。
发明内容
本发明提出针对现有技术的不足，提出了一种韧性强、硬度高、耐磨性高、抗压性能好的激光喷涂金刚石滚刀刀圈及其加工方法。
实现本发明的技术方案是：一种激光喷涂金刚石滚刀刀圈，包括刀圈基体、激光喷涂到刀圈基体圆周外表面的过渡层和金刚石耐磨层；其中刀圈基体的各原料所占的质量百分比分别为：C为0.28-0.36%、Si为0.5-0.7%、Mn为1.10 -1.35%、Cr为2.7 -3.5%、Ni为3.6-4.4%、V为1.05-1.40%、杂质P≤0.02%、杂质S≤0.02%、Fe余量；过渡层中各元素的质量百分比分别为：Ni为30%-40%，Co为5%-10%，Fe余量；金刚石耐磨层中Ni粉为25%-45%，WC粉末为30%-50%，其余为金刚石粉末。
所述刀圈基体的硬度HRC为37-42，冲击韧性35 J/cm2以上。
所述过渡层中Ni粉的粒度为20-80目，Co粉的粒度为50-100目，Fe粉的粒度为60-100目。
所述金刚石耐磨层中Ni粉的粒度为20-80目，WC粉末的粒度为60-100目。
所述金刚石粉末表面带有镀层，镀层金属包括Ni和Ti，镀层厚度为0.3-0.5um。
所述的激光喷涂金刚石滚刀刀圈的加工方法，步骤如下：
（1）向整体硬度HRC37-42的刀圈基体上激光喷涂过渡层，过渡层的厚度为0.6-1.0mm；
（2）将金刚石耐磨层中的Ni粉和WC粉末混合后放入第一喷枪中，将金刚石粉末放入第二喷枪中；
（3）第一喷枪中的混合粉料以第一设定角度喷射于刀圈基体的外表面形成熔池，第二喷枪中的金刚石粉末以第二设定角度喷射入熔池中并包于第一喷枪的合金粉层中；
（4）激光喷涂金刚石滚刀刀圈经过去应力处理和对刀圈内孔进行精加工。
所述步骤（1）中刀圈基体的制备步骤如下：将制备刀圈基体的原料依次经过电炉冶炼、精炼、模锻、缓冷、退火、粗加工获得盘形刀圈基体粗坯；刀圈基体粗坯再依次经高温真空淬火加二次回火、低温去应力处理、获得整体硬度HRC37-42的刀圈基体。
所述步骤（3）中第一设定角度为60-90°，第二设定角度为70-90°。
所述步骤（4）中去应力处理为150-250℃低温处理1-2h。
所述金刚石耐磨层的厚度为2-6mm。
本发明的有益效果是：本发明采用激光喷涂金刚石粉末工艺，把金刚石粉末喷涂到刀圈基体的外圆周表面，采用独特的加工工艺使刀圈基体具有极高的韧性，金刚石耐磨层具有很高的抗压强度、硬度和耐磨性高，故能轻易破碎岩石的同时具有极高的寿命，也大大提高了施工掘进效率。
由于金刚石耐磨层和刀圈基体基体之间的性能差别很大，使用中往往在结合面处容易失效。本发明中设置过渡层作为梯度材料层，使金刚石耐磨层的组成和性能沿厚度方向连续梯度变化。本发明中设置过渡层的方法可操作性强，效率高，含有的杂质少，且其具有一定耐磨性及高工作寿命。
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为本发明产品的结构示意图。
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
如图1所示，本发明中的一种激光喷涂金刚石滚刀刀圈，包括刀圈基体1和激光喷涂到刀圈基体圆周外表面的过渡层2和金刚石耐磨层3；其中刀圈基体1的各原料所占的质量百分比分别为：C为0.30%、Si为0.6%、Mn为1.35%、Cr为3.2%、Ni为4.4%、V为1.40%、杂质P≤0.02%、杂质S≤0.02%、Fe余量。
过渡层2中各元素的质量百分比分别为：Ni为40%，Co为10%，Fe余量。
金刚石耐磨层中Ni为30%，WC粉末为40%，其余为金刚石粉末。
刀圈基体1的整体硬度为刀圈基体1硬度HRC为40-42，冲击韧性32J/cm2。
激光喷涂金刚石滚刀刀圈的加工工艺，包括以下步骤：
a、刀圈基体1的各原料依次经过电炉冶炼、精炼、模锻、缓冷、退火、粗加工获得盘形刀圈基体粗坯；
b、刀圈基体粗坯再依次经高温真空淬火加二次回火、低温去应力处理、获得整体硬度HRC37-42的刀圈基体；
c、通过激光喷涂的方法获得过渡层，Ni粉的粒度为60-80目，Co粉的粒度为80-100目，Fe粉的粒度为60-80目，在刀圈基体表面激光喷涂过渡层的厚度为1.0mm。
d、将20-80目的Ni粉和60-100目的WC粉末充分混合后放入第一喷枪中，将粒度为80-120目的金刚石粉末放入第二喷枪中。金刚石粉末为带有Ni镀层的金刚石，镀层的厚度为0.3um。
e、第一喷枪中的混合粉料以第一设定角度喷射于刀圈基体的外表面形成熔池，第二喷枪中的金刚石粉末以第二设定角度喷射入熔池中并包于第一喷枪的合金粉层中。
f、激光喷涂金刚石滚刀刀圈经过去应力处理和对刀圈内孔进行精加工。
激光喷涂金刚石滚刀刀圈进行250℃低温处理 ，2h即可去除应力。
实施例2
一种激光喷涂金刚石滚刀刀圈，包括刀圈基体、激光喷涂到刀圈基体圆周外表面的过渡层和金刚石耐磨层；其中刀圈基体的各原料所占的质量百分比分别为：C为0.36%、Si为0.7%、Mn为1.35%、Cr为3.5%、Ni为4.4%、V为1.40%、杂质P≤0.02%、杂质S≤0.02%、Fe余量；过渡层中各元素的质量百分比分别为：Ni为40%，Co为10%，Fe余量；金刚石耐磨层中Ni粉为45%，WC粉末为50%，其余为金刚石粉末。
激光喷涂金刚石滚刀刀圈的加工工艺，包括以下步骤：
a、刀圈基体1的各原料依次经过电炉冶炼、精炼、模锻、缓冷、退火、粗加工获得盘形刀圈基体粗坯；
b、刀圈基体粗坯再依次经高温真空淬火加二次回火、低温去应力处理、获得整体硬度HRC42的刀圈基体；
c、通过激光喷涂的方法获得过渡层，Ni粉的粒度为80目，Co粉的粒度为100目，Fe粉的粒度为80目，在刀圈基体表面激光喷涂过渡层的厚度为1.0mm。
d、将80目的Ni粉和100目的WC粉末充分混合后放入第一喷枪中，将粒度为120目的金刚石粉末放入第二喷枪中，金刚石耐磨层的厚度为6mm；金刚石粉末为带有Ti镀层的金刚石，镀层的厚度为0.5um。
e、第一喷枪中的混合粉料以第一设定角度喷射于刀圈基体的外表面形成熔池，第一设定角度为第一喷枪与刀圈平面的设定角度，为90度，第二喷枪中的金刚石粉末以第二设定角度喷射入熔池中并包于第一喷枪的合金粉层中，第二设定角度为第二喷枪与刀圈平面的设定角度，为90度。
f、激光喷涂金刚石滚刀刀圈经过去应力处理和对刀圈内孔进行精加工，去应力处理为150℃低温处理2h。
实施例3
一种激光喷涂金刚石滚刀刀圈，包括刀圈基体、激光喷涂到刀圈基体圆周外表面的过渡层和金刚石耐磨层；其中刀圈基体的各原料所占的质量百分比分别为：C为0.28%、Si为0.5%、Mn为1.10%、Cr为2.7%、Ni为3.6%、V为1.05%、杂质P≤0.02%、杂质S≤0.02%、Fe余量；过渡层中各元素的质量百分比分别为：Ni为30%，Co为5%，Fe余量；金刚石耐磨层中Ni粉为25%，WC粉末为30%，其余为金刚石粉末。
激光喷涂金刚石滚刀刀圈的加工工艺，包括以下步骤：
a、刀圈基体1的各原料依次经过电炉冶炼、精炼、模锻、缓冷、退火、粗加工获得盘形刀圈基体粗坯；
b、刀圈基体粗坯再依次经高温真空淬火加二次回火、低温去应力处理、获得整体硬度HRC37的刀圈基体；
c、通过激光喷涂的方法获得过渡层，Ni粉的粒度为60目，Co粉的粒度为80目，Fe粉的粒度为60目，在刀圈基体表面激光喷涂过渡层的厚度为1.0mm。
d、将20目的Ni粉和60目的WC粉末充分混合后放入第一喷枪中，将粒度为80目的金刚石粉末放入第二喷枪中，金刚石耐磨层的厚度为2mm；金刚石粉末为带有Ti镀层的金刚石，镀层的厚度为0.3um。
e、第一喷枪中的混合粉料以第一设定角度喷射于刀圈基体的外表面形成熔池，第一设定角度为第一喷枪与刀圈平面的设定角度，为60度，第二喷枪中的金刚石粉末以第二设定角度喷射入熔池中并包于第一喷枪的合金粉层中，第二设定角度为第二喷枪与刀圈平面的设定角度，为70度。
f、激光喷涂金刚石滚刀刀圈经过去应力处理和对刀圈内孔进行精加工，去应力处理为150℃低温处理2h。
实施例4
一种激光喷涂金刚石滚刀刀圈，包括刀圈基体、激光喷涂到刀圈基体圆周外表面的过渡层和金刚石耐磨层；其中刀圈基体的各原料所占的质量百分比分别为：C为0.32%、Si为0.6%、Mn为1.20%、Cr为3.0%、Ni为4.0%、V为1.2%、杂质P≤0.02%、杂质S≤0.02%、Fe余量；过渡层中各元素的质量百分比分别为：Ni为35%，Co为8%，Fe余量；金刚石耐磨层中Ni粉为30%，WC粉末为40%，其余为金刚石粉末。
激光喷涂金刚石滚刀刀圈的加工工艺，包括以下步骤：
a、刀圈基体1的各原料依次经过电炉冶炼、精炼、模锻、缓冷、退火、粗加工获得盘形刀圈基体粗坯；
b、刀圈基体粗坯再依次经高温真空淬火加二次回火、低温去应力处理、获得整体硬度HRC40的刀圈基体；
c、通过激光喷涂的方法获得过渡层，Ni粉的粒度为70目，Co粉的粒度为90目，Fe粉的粒度为70目，在刀圈基体表面激光喷涂过渡层的厚度为1.0mm。
d、将50目的Ni粉和80目的WC粉末充分混合后放入第一喷枪中，将粒度为100目的金刚石粉末放入第二喷枪中，金刚石耐磨层的厚度为4mm；金刚石粉末为带有Ni镀层的金刚石，镀层的厚度为0.4um。
e、第一喷枪中的混合粉料以第一设定角度喷射于刀圈基体的外表面形成熔池，第一设定角度为第一喷枪与刀圈平面的设定角度，为80度，第二喷枪中的金刚石粉末以第二设定角度喷射入熔池中并包于第一喷枪的合金粉层中，第二设定角度为第二喷枪与刀圈平面的设定角度，为80度。
f、激光喷涂金刚石滚刀刀圈经过去应力处理和对刀圈内孔进行精加工，去应力处理为200℃低温处理1.5h。
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 (10)
1.一种激光喷涂金刚石滚刀刀圈，其特征在于，包括刀圈基体、激光喷涂到刀圈基体圆周外表面的过渡层和金刚石耐磨层；其中刀圈基体的各原料所占的质量百分比分别为：C为0.28-0.36%、Si为0.5-0.7%、Mn为1.10-1.35%、Cr为2.7-3.5%、Ni为3.6-4.4%、V为1.05-1.40%、杂质P≤0.02%、杂质S≤0.02%、Fe余量；过渡层中各元素的质量百分比分别为：Ni粉为30%-40%，Co粉为5%-10%，Fe粉余量；金刚石耐磨层中Ni粉为25%-45%，WC粉为30%-50%，其余为金刚石粉末。
2.根据权利要求1所述的激光喷涂金刚石滚刀刀圈，其特征在于：所述刀圈基体的硬度HRC为37-42，冲击韧性35 J/cm2以上。
3.根据权利要求1所述的激光喷涂金刚石滚刀刀圈，其特征在于：所述过渡层中Ni粉的粒度为20-80目，Co粉的粒度为50-100目，Fe粉的粒度为60-100目。
4.根据权利要求1所述的激光喷涂金刚石滚刀刀圈，其特征在于：所述金刚石耐磨层中Ni粉的粒度为20-80目，WC粉的粒度为60-100目。
5.根据权利要求1所述的激光喷涂金刚石滚刀刀圈，其特征在于：所述金刚石粉末表面带有镀层，镀层金属包括Ni和Ti，镀层厚度为0.3-0.5um。
6.权利要求1-5任一项所述的激光喷涂金刚石滚刀刀圈的加工方法，其特征在于步骤如下：
（1）向整体硬度HRC为37-42的刀圈基体上激光喷涂过渡层，过渡层的厚度为0.6-1.0mm；
（2）将金刚石耐磨层中的Ni粉和WC粉混合后放入第一喷枪中，将金刚石粉末放入第二喷枪中；
（3）第一喷枪中的混合粉料以第一设定角度喷射于刀圈基体的外表面形成熔池，第二喷枪中的金刚石粉末以第二设定角度喷射入熔池中并包含于第一喷枪的合金粉层中，得到激光喷涂金刚石滚刀刀圈；
（4）激光喷涂金刚石滚刀刀圈经过去应力处理和对刀圈内孔进行精加工。
7.根据权利要求6所述的激光喷涂金刚石滚刀刀圈的加工方法，其特征在于，所述步骤（1）中刀圈基体的制备步骤如下：将制备刀圈基体的原料依次经过电炉冶炼、精炼、模锻、缓冷、退火、粗加工获得盘形刀圈基体粗坯；刀圈基体粗坯再依次经高温真空淬火加二次回火、低温去应力处理、获得整体硬度HRC37-42的刀圈基体。
8.根据权利要求6所述的激光喷涂金刚石滚刀刀圈的加工方法，其特征在于：所述步骤（3）中第一设定角度为60-90°，第二设定角度为70-90°。
9.根据权利要求6所述的激光喷涂金刚石滚刀刀圈的加工方法，其特征在于：所述步骤（4）中去应力处理为150-250℃处理1-2h。
10.根据权利要求6所述的激光喷涂金刚石滚刀刀圈的加工方法，其特征在于：所述金刚石耐磨层的厚度为2-6mm。
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