CN110643931B - 一种盾构刀具耐磨涂层及制备方法 - Google Patents

一种盾构刀具耐磨涂层及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种盾构刀具耐磨涂层，所述涂层包括25%～35%的YG8颗粒、3%～8%的钴粉和0.3%～0.8%的硅粉，余量为镍基钎料粉；具体制备方法为：按质量百分比称取YG8颗粒、细钴粉、细硅粉和镍基钎料粉，将刀具表面待装刀齿部位涂满阻流剂；将涂阻流剂的刀具装入配合的铸造模具型腔；将YG8颗粒、钴粉、硅粉和镍基钎料粉混合均匀后，高温熔化、保温一定时间形成金属液；将金属液缓慢注入模具型腔，待模俱冷却后脱模、取出刀具，刀具表面形成一层耐磨层。本发明涂层具备耐磨性能好、缺欠少的优点；另外本制备方法不涉及粘结剂，绿色环保，生产效率高。

Description

一种盾构刀具耐磨涂层及制备方法
技术领域
本发明属于盾构刀具的耐磨涂层领域，具体涉及一种盾构刀具耐磨涂层及其制备方法。
背景技术
盾构刀具是盾构设备的重要组成部分，在施工中承担这推进“前锋”的作用，盾构刀具由刀壳和刀齿组成，刀壳一般选用合金钢作为母材，刀齿为钎焊或镶嵌的硬质合金，硬质合金刀齿起滚压和切削岩土作用，刀壳对硬质合金刀齿起支撑保护作用。受到土质状况和地下水压随机变化的影响，随着施工的不断推进、刀盘的不断转动，盾构刀具承受着持续和变化的挤压、顶进、刮削、冲击、磨损等多种受力方式，主要表现为刀具的强力磨损与冲击。
硬质合金刀齿和刀壳均受岩石磨损，特别是在钻凿软岩和中硬岩层时，刀壳基体的磨损更加严重，使齿根露出，导致硬质合金脱落，刀具过早报废。为提高刀壳的耐磨性，并且在钎焊或镶嵌硬质合金时不产生微裂纹，国内外研究单位和工厂常采用高强度合金钢作为刀壳材料，经锻造成形、表面渗碳淬火处理来提高耐磨性。但齿跟周围的刀壳仍不会很硬，渗碳深度也不会很深，岩石很容易将渗碳层磨掉，使得刀具的寿命受到限制。因此，采用表面技术在盾构刀具刀壳表面制备耐磨涂层具有重要意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种盾构刀具耐磨涂层及其制备方法。
本发明的技术方案是：一种盾构刀具耐磨涂层，包括如下百分比的原料：YG8颗粒25%～35%、钴粉3%～8%和硅粉0.3%～0.8%，余量为镍基钎料粉。
进一步优化，所述YG8粒度为180～250 um。
进一步优化，其特征在于，所述钴粉粒度为48～75um。
进一步优化，其特征在于，所述硅粉粒度为0.1～0.3um。
一种盾构刀具耐磨涂层的制备方法，所述制备方法包括下述步骤：
步骤一、将刀具表面清理除杂后，采用毛刷在待装刀齿部位均匀涂满阻流剂；
步骤二、将步骤一中的刀具装入配合的模具型腔中心，并且固定好，待用；
步骤三、按质量百分比称取YG8颗粒、钴粉、硅粉和镍基钎料粉机械搅拌混合均匀，通过高温熔化、保温一定时间形成均匀的金属液；
步骤四、将步骤三中的金属液缓慢注入步骤二中的模具型腔内，室温冷却后脱模取出刀具，刀具表面形成一层耐磨层，既得具有耐磨涂层的盾构刀具。
进一步优化，步骤一中的阻流剂为Al2O3粉。
进一步优化，所述步骤一中刀具表面清理除杂的具体方法为：将刀具进行打磨、抛光处理，然后分别通过去离子水和乙醇多次超声洗涤，最后烘干。
进一步优化，所述步骤二中的模具型腔与刀具为间隙配合，且间隙距离为3～5mm。
进一步优化，步骤三中高温熔化的具体工艺参数为：熔化温度为1000～1200°C，保温时间为10～20min。
本发明的有益效果是：
一、涂层中细硅粉密度轻且极易氧化，涂层材料在高温下形成金属液，该过程中细硅粉漂浮在金属液表面剧烈氧化生产二氧化硅薄膜，覆盖在金属液表面，冷却凝固形成二氧化硅薄膜，二氧化硅硬度高、耐磨性好，一方面二氧化硅薄膜会有效增强涂层的耐磨性能，另一方面细硅粉高温氧化消耗掉大部分氧气，有助于获得致密、缺欠少的涂层；
二、YG8颗粒和钴粉是用于超硬合金材料的关键原料之一，YG8颗粒和钴粉的添加提高了超硬合金材料的粘结性能、强度和韧性，对超硬合金材料的使用性能至关重要；
三、本涂层的制备方法采用熔铸技术，与传统涂层制备方法相比，本制备方法不需粘结剂，绿色环保，制备方法简单可靠，适于机器人自动化生产，生产效率高；
综上所述，本发明与传统涂层相比，本发明涂层致密、缺欠少，涂层耐磨性能好，本方法不涉及粘结剂，绿色环保，生产效率高。
具体实施方式
本发明的具体实施方式为：
实施例1
一种盾构刀具耐磨涂层，包括如下百分比的原料：YG8颗粒25%、钴粉3%和硅粉0.3%，余量为镍基钎料粉，其中，YG8的粒度为180um，钴粉的粒度为48um，硅粉的粒度为0.1um。
耐磨涂层的制备方法为：首先将刀具进行打磨、抛光处理，然后分别通过去离子水和乙醇多次超声洗涤，烘干后采用毛刷在待装刀齿部位均匀涂满Al2O3粉；然后将涂满Al2O3粉的刀具装入配合的模具型腔中心并固定，此时模具型腔与刀具为间隙配合，且间隙距离为3 mm；按照质量百分比称取YG8颗粒、钴粉、硅粉和镍基钎料粉机械搅拌混合均匀后放入高温熔入炉内，将高温熔入炉的温度升高到1050°C，并且保温15min，得到均匀的金属液；将上述金属液缓慢注入放置有刀具的模具型腔内，室温冷却后脱模取出刀具，刀具表面形成一层耐磨层，既得具有耐磨涂层的盾构刀具。
实施例2
一种盾构刀具耐磨涂层，包括如下百分比的原料：YG8颗粒28%、钴粉4%和硅粉0.5%，余量为镍基钎料粉，其中，YG8的粒度为195 um，钴粉的粒度为51um，硅粉的粒度为0.1um。
耐磨涂层的制备方法为：首先将刀具进行打磨、抛光处理，然后分别通过去离子水和乙醇多次超声洗涤，烘干后采用毛刷在待装刀齿部位均匀涂满Al2O3粉；然后将涂满Al2O3粉的刀具装入配合的模具型腔中心并固定，此时模具型腔与刀具为间隙配合，且间隙距离为4mm；按照质量百分比称取YG8颗粒、钴粉、硅粉和镍基钎料粉机械搅拌混合均匀后放入高温熔入炉内，将高温熔入炉的温度升高到1050°C，并且保温10min，得到均匀的金属液；将上述金属液缓慢注入放置有刀具的模具型腔内，室温冷却后脱模取出刀具，刀具表面形成一层耐磨层，既得具有耐磨涂层的盾构刀具。
实施例3
一种盾构刀具耐磨涂层，包括如下百分比的原料：YG8颗粒30%、钴粉6%和硅粉0.6%，余量为镍基钎料粉，其中，YG8的粒度为210 um，钴粉的粒度为57um，硅粉的粒度为0.2um。
耐磨涂层的制备方法为：首先将刀具进行打磨、抛光处理，然后分别通过去离子水和乙醇多次超声洗涤，烘干后采用毛刷在待装刀齿部位均匀涂满Al2O3粉；然后将涂满Al2O3粉的刀具装入配合的模具型腔中心并固定，此时模具型腔与刀具为间隙配合，且间隙距离为5mm；按照质量百分比称取YG8颗粒、钴粉、硅粉和镍基钎料粉机械搅拌混合均匀后放入高温熔入炉内，将高温熔入炉的温度升高到1200°C，并且保温15min，得到均匀的金属液；将上述金属液缓慢注入放置有刀具的模具型腔内，室温冷却后脱模取出刀具，刀具表面形成一层耐磨层，既得具有耐磨涂层的盾构刀具。
实施例4
一种盾构刀具耐磨涂层，包括如下百分比的原料：YG8颗粒32%、钴粉7%和硅粉0.7%，余量为镍基钎料粉，其中，YG8的粒度为225 um，钴粉的粒度为65um，硅粉的粒度为0.3um。
耐磨涂层的制备方法为：首先将刀具进行打磨、抛光处理，然后分别通过去离子水和乙醇多次超声洗涤，烘干后采用毛刷在待装刀齿部位均匀涂满Al2O3粉；然后将涂满Al2O3粉的刀具装入配合的模具型腔中心并固定，此时模具型腔与刀具为间隙配合，且间隙距离为4mm；按照质量百分比称取YG8颗粒、钴粉、硅粉和镍基钎料粉机械搅拌混合均匀后放入高温熔入炉内，将高温熔入炉的温度升高到1150°C，并且保温20min，得到均匀的金属液；将上述金属液缓慢注入放置有刀具的模具型腔内，室温冷却后脱模取出刀具，刀具表面形成一层耐磨层，既得具有耐磨涂层的盾构刀具。
实施例5
一种盾构刀具耐磨涂层，包括如下百分比的原料：YG8颗粒35%、钴粉8%和硅粉0.8%，余量为镍基钎料粉，其中，YG8的粒度为250 um，钴粉的粒度为75um，硅粉的粒度为0.3um。
耐磨涂层的制备方法为：首先将刀具进行打磨、抛光处理，然后分别通过去离子水和乙醇多次超声洗涤，烘干后采用毛刷在待装刀齿部位均匀涂满Al2O3粉；然后将涂满Al2O3粉的刀具装入配合的模具型腔中心并固定，此时模具型腔与刀具为间隙配合，且间隙距离为5mm；按照质量百分比称取YG8颗粒、钴粉、硅粉和镍基钎料粉机械搅拌混合均匀后放入高温熔入炉内，将高温熔入炉的温度升高到1200°C，并且保温20min，得到均匀的金属液；将上述金属液缓慢注入放置有刀具的模具型腔内，室温冷却后脱模取出刀具，刀具表面形成一层耐磨层，既得具有耐磨涂层的盾构刀具。
对比例1
一种盾构刀具耐磨涂层，包括如下百分比的原料：YG8颗粒40%，余量为镍基钎料粉，其中，YG8的粒度为250um。
耐磨涂层的制备方法为：首先将刀具进行打磨、抛光处理，然后分别通过去离子水和乙醇多次超声洗涤，烘干后采用毛刷在待装刀齿部位均匀涂满Al2O3粉；然后将涂满Al2O3粉的刀具装入配合的模具型腔中心并固定，此时模具型腔与刀具为间隙配合，且间隙距离为5mm；按照质量百分比称取YG8颗粒和镍基钎料粉机械搅拌混合均匀后放入高温熔入炉内，将高温熔入炉的温度升高到1200°C，并且保温20min，得到均匀的金属液；将上述金属液缓慢注入放置有刀具的模具型腔内，室温冷却后脱模取出刀具，刀具表面形成一层耐磨层，既得具有耐磨涂层的盾构刀具。
对比例2
一种盾构刀具耐磨涂层，包括如下百分比的原料：金刚石粉8%，余量为镍基钎料粉，其中，金刚石粉的粒度为80um。
耐磨涂层的制备方法为：首先将刀具进行打磨、抛光处理，然后分别通过去离子水和乙醇多次超声洗涤，烘干后采用毛刷在待装刀齿部位均匀涂满Al2O3粉；然后将涂满Al2O3粉的刀具装入配合的模具型腔中心并固定，此时模具型腔与刀具为间隙配合，且间隙距离为5mm；按照质量百分比称取金刚石粉和镍基钎料粉机械搅拌混合均匀后放入高温熔入炉内，将高温熔入炉的温度升高到1050°C，并且保温20min，得到均匀的金属液；将上述金属液缓慢注入放置有刀具的模具型腔内，室温冷却后脱模取出刀具，刀具表面形成一层耐磨层，既得具有耐磨涂层的盾构刀具。
对比例3
一种盾构刀具耐磨涂层，包括如下百分比的原料：WC粉35%，余量为镍基钎料粉，其中，WC粒度为2000 um。
耐磨涂层的制备方法为：首先将刀具进行打磨、抛光处理，然后分别通过去离子水和乙醇多次超声洗涤，烘干后采用毛刷在待装刀齿部位均匀涂满Al2O3粉；然后将涂满Al2O3粉的刀具装入配合的模具型腔中心并固定，此时模具型腔与刀具为间隙配合，且间隙距离为5mm；按照质量百分比称取WC粉和镍基钎料粉机械搅拌混合均匀后放入高温熔入炉内，将高温熔入炉的温度升高到1100°C，并且保温20min，得到均匀的金属液；将上述金属液缓慢注入放置有刀具的模具型腔内，室温冷却后脱模取出刀具，刀具表面形成一层耐磨层，既得具有耐磨涂层的盾构刀具。
为了对比说明本发明实施例和比较例的材料得到的涂层性能差别，分别将实施例1-5、对比例1-3的涂层材料和无涂层的盾构刀具在同种盾构滚刀刀圈基体上以同样工艺制备3mm厚的涂层，得到具有涂层的滚刀刀圈，然后焊接刀齿，得到具有涂层的滚刀，分别将滚刀装在盾构机上，在地质条件等施工条件基本相同的情况下，在某一施工段，一次换刀的最大掘进距离情况对比结果如表1所示，表1中的比值，均按与无涂层的盾构刀具的数据比计算。
表1 实施例刀具与对比例刀具的使用情况
Figure 951122DEST_PATH_IMAGE001
从表1中对比可见，实施例1-5刀具的使用寿命明显提高了。
以上显示和描述了本发明的主要特征、使用方法、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和发明书中描述的只是发明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种盾构刀具耐磨涂层，其特征在于，包括如下重量百分比的原料：YG8颗粒25%～35%、钴粉3%～8%和硅粉0.3%～0.8%，余量为镍基钎料粉。
2.如权利要求1所述的一种盾构刀具耐磨涂层，其特征在于，所述YG8粒度为180～250um。
3.如权利要求1所述的一种盾构刀具耐磨涂层，其特征在于，所述钴粉粒度为48～75um。
4.如权利要求1所述的一种盾构刀具耐磨涂层，其特征在于，所述硅粉粒度为0.1～0.3um。
5.一种盾构刀具耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括下述步骤：
步骤一、将刀具表面清理除杂后，采用毛刷在待装刀齿部位均匀涂满阻流剂；
步骤二、将步骤一中的刀具装入配合的模具型腔中心，并且固定好，待用；
步骤三、按质量百分比称取YG8颗粒、钴粉、硅粉和镍基钎料粉机械搅拌混合均匀，通过高温熔化、保温一定时间形成均匀的金属液；
步骤四、将步骤三中的金属液缓慢注入步骤二中的模具型腔内，室温冷却后脱模取出刀具，刀具表面形成一层耐磨层，既得具有耐磨涂层的盾构刀具。
6.如权利要求5所述的一种盾构刀具耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的阻流剂为Al2O3粉。
7.如权利要求5所述的一种盾构刀具耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤一中刀具表面清理除杂的具体方法为：将刀具进行打磨、抛光处理，然后分别通过去离子水和乙醇多次超声洗涤，最后烘干。
8.如权利要求5所述的一种盾构刀具耐磨涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的模具型腔与刀具为间隙配合，且间隙距离为3～5mm。
9.如权利要求5所述的一种盾构刀具耐磨涂层的制备方法，其特征在于，步骤三中高温熔化的具体工艺参数为：熔化温度为1000～1200°C，保温时间为10～20min。
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