CN112458376B - 滚刀刀圈及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种滚刀刀圈及制备方法，所述刀圈的合金粉末包括以下重量百分比的组分：Cr 4.75%‑5.50%，Mo 1.10%‑1.75%，Si 0.80%‑1.20%，C 0.40%‑0.50%，Mn 0.20%‑0.50%，V 0.80%‑1.20%，Ce 0.01%‑0.05%，余量为铁及不可避免的杂质元素。制备方法，步骤如下：（1）利用3D打印制备刀圈；（2）将刀圈进行均匀化退火和调质处理；（3）对调质处理后刀圈进行喷丸处理。本专利改善了用于3D打印刀圈的原材料，对原材料成分进行了重新设计，合金中添加了稀土元素，减少成型过程中制品的内部缺陷，保证打印制品的质量。

Description

滚刀刀圈及制备方法

技术领域

本发明涉及盾构机技术领域，具体涉及一种滚刀刀圈及制备方法。

背景技术

随着社会的不断发展进步，隧道施工和铁路交通高速发展，地下施工设备扮演着不可或缺的角色。其中盾构机作为主要的施工装备，得到广泛的关注。然而，盾构机刀具的磨损更换成为当前影响设备经济成本的关键因素，尤其在硬岩掘进过程中，滚刀刀具的磨损更为严重。因此，如何降低盾构机刀具的成本，快速制造高性能，低成本的滚刀刀具，成为迫切需要解决的问题。

目前，盾构机滚刀刀圈主要采用传统方法制造。其特征在于，将冶炼后的铸锭制成圆棒，然后采用锻造制成滚刀刀圈的毛坯，而后经过热处理、车削、磨削等加工成最终成品。刀圈的传统制造工艺繁琐，且原材料浪费严重，生产成本较高。

综上所述，如何有效的解决滚刀刀圈生产工艺繁琐，制造周期长等问题，是目前需要解决的关键问题。

发明内容

本发明提出了一种滚刀刀圈及制备方法，该滚刀刀圈的制备工艺可以有效地解决滚刀刀圈生产工序繁琐，制造周期长，原材料浪费等问题。

实现本发明的技术方案是：

一种滚刀刀圈，所述刀圈的合金粉末包括以下重量百分比的组分：Cr 4.75%-5.50%，Mo 1.10%-1.75%，Si 0.80%-1.20%，C 0.40%-0.50%，Mn 0.20%-0.50%，V 0.80%-1.20%，Ce 0.01%-0.05%，余量为铁及不可避免的杂质元素。

需要说明的是，上述各组分的总含量应为100%，且不可避免的杂质含量一般应符合相关的杂质含量要求。

将除铈以外的元素球磨混合4h，之后加入铈再次球磨1h，真空干燥得到合金粉末。

所述的滚刀刀圈的制备方法，步骤如下：

（1）利用3D打印制备刀圈；

首先根据滚刀刀圈整体形状，通过计算机建模软件对刀圈进行三维实体模型设计，对模型进行切片处理，并由所述截面数据生成相应的扫描路径，然后将三维模型信息输送到3D打印机中，指导3D打印机进行逐层打印；送入制造刀圈的合金粉末，并按照所述的扫描路径进行逐层打印直至刀圈成型；

（2）将刀圈进行均匀化退火和调质处理；

（3）对调质处理后刀圈进行喷丸处理。

所述步骤（2）中均匀化退火的步骤为：将成型的刀圈放置于加热炉中，然后炉温由室温加热至1100-1200℃后，升温速率为200-250℃/h，保温5-10h后炉冷。

所述步骤（2）中调质处理的步骤为：将加热炉由室温加热至1000-1080℃，将退火后的刀圈放置于加热炉中，保温2-3h后进行油淬，接着加热至500-580℃进行三次回火，回火时间2-4h。

所述步骤（3）中喷丸处理的步骤为：使用高压风机或压缩空气作为动力，将直径0.2-0.5mm的弹丸喷射到刀圈表面，喷射时间20-30min。

所述刀圈的硬度达到HRC55-60，冲击韧性32-35J/cm²。

优选地，所述对成型的滚刀刀圈进行喷丸处理后，还包括：对热处理后的所述滚刀刀圈进行抗冲击及表面硬度测试。

本发明的有益效果是：本发明采用稀土元素Ce可使刀圈组织的晶粒细化，消除或显著减少晶内偏析。另外，C、Si等元素在合金中会以第二相粒子的形式存在。稀土元素与C、Si等具有强烈的亲和作用，可以消除这些元素形成的第二相粒子。添加稀土Ce元素改善其内部缺陷，可消除3D打印凝固过程中C、Si等元素在晶界处的析出。喷丸处理可改善打印刀圈的表面，提高其综合力学性能。

本发明采用的喷丸处理可以在刀圈表面形成一定厚度的强化层，强化层内有较高的残余压应力。由于残余压应力的存在，当刀圈受到冲击载荷时，可抵消一部分应力，从而提高刀圈的疲劳强度。

相较于刀圈传统制造工艺，3D打印滚刀刀圈工艺具有制造过程简单，无原材料浪费，可以节约成本。因而，采用该制造工艺，能够有效节约原材料，减少生产周期，制造出高性能的滚刀刀圈，节约滚刀的成本。

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为本发明常见的盘型滚刀刀圈。

图2为本发明喷丸处理前后材料表面形貌（上图为喷丸处理前，下图为喷丸处理后）；其中1-表面杂质，2-材料界面，3-材料基体，4-亚光表面，5-材料基体。

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

滚刀刀圈的制备方法，步骤如下：

S1：首先根据滚刀刀圈整体形状，通过计算机建模软件对刀圈进行三维实体模型设计，对模型进行切片处理，并由所述截面数据生成相应的扫描路径，然后将三维模型信息输送到3D打印机中；采用选区激光熔化的3D打印技术，在3D打印机内进行逐层打印。

S2：合金粉末的制备：

具体的，铁铬钼硅钒合金粉末，按质量百分比计，包括4.75%的铬，1.10%的钼，0.80%的硅，0.40%的碳，0.20%的锰，0.80%的钒，0.01%的稀土铈，余量为铁及不可避免的杂质元素。

按上述元素的质量百分比进行配料，随后进行球磨混料处理：

具体的，各元素经4h球磨混合，最后加上稀土铈，再进行1h短时间球磨处理，随后进行真空干燥处理，最后获得该合金粉末。

S3：送入制造刀圈的合金粉末，并按照所述的扫描路径进行逐层打印直至刀圈成型。

S4：对3D打印后刀圈进行均匀化退火和调质处理：

具体的，将打印后的滚刀刀圈放置于加热炉中，炉温由室温加热至1100℃（加热速率200℃/h）后，保温5h后炉冷，取出刀圈。将加热炉由室温加热至1000℃，把刀圈放置于炉中保温2h后进行油淬，接着加热至500℃进行三次回火，回火时间2h。

S5：对调质处理后的刀圈进行喷丸处理。表面硬度指标应不低于HRC55，通过磁粉探伤检测无微裂纹，满足刀圈制造要求：

具体的，使用高压风机或压缩空气作为动力，将直径0.2mm的弹丸喷射到刀圈表面，喷射时间20min。

在上述实施例中，步骤S5之后还包括：

对热处理后的所述滚刀刀圈进行抗冲击、耐磨及表面硬度测试。

具体抗冲击、耐磨及硬度测试的操作请参考现有技术，此处不再详细叙述。

为了提高打印成型滚刀刀圈的机械性能，对打印后的滚刀刀圈进行均匀化退火和调质处理，具体热处理参数可根据需要进行相应的改动。在实施例中，滚刀刀圈的合金粉末包括铁铬钼硅钒合金粉末。该合金粉末成型出的合金件具有高硬度、高强度和高耐磨性等一系列优良性能。其中稀土铈元素可以改善合金的成型性能，保证打印后刀圈的机械性能。因此采用该合金粉末用作刀圈粉末，成型的刀圈性能优异。

综上，本发明提供的3D打印滚刀刀圈工艺具有制造过程简单，无原材料浪费，可以节约成本。因而，采用该制造工艺，能够有效节约原材料，减少生产周期，制造出高性能的滚刀刀圈，节约滚刀的成本。

实施例2

滚刀刀圈的制备方法，步骤如下：

S1：首先根据滚刀刀圈整体形状，通过计算机建模软件对刀圈进行三维实体模型设计，对模型进行切片处理，并由所述截面数据生成相应的扫描路径，然后将三维模型信息输送到3D打印机中；采用选区激光熔化的3D打印技术，在3D打印机内进行逐层打印。

S2：合金粉末的制备：

具体的，铁铬钼硅钒合金粉末，按质量百分比计，包括5.10%的铬，1.45%的钼，1.00%的硅，0.45%的碳，0.35%的锰，1.00%的钒，0.03%的稀土铈，余量为铁及不可避免的杂质元素。

按上述元素的质量百分比进行配料，随后进行球磨混料处理：

具体的，各元素经5h球磨混合，最后加上稀土铈，再进行1.5h短时间球磨处理，随后进行真空干燥处理，最后获得该合金粉末。

S3：送入制造刀圈的合金粉末，并按照所述的扫描路径进行逐层打印直至刀圈成型。

S4：对3D打印后刀圈进行均匀化退火和调质处理：

具体的，将打印后的滚刀刀圈放置于加热炉中，炉温由室温加热至1150℃（升温速率225℃/h）后，保温7.5h后炉冷，取出刀圈。将加热炉由室温随加热至1040℃，把刀圈放置于炉中保温2.5h后进行油淬，接着加热至540℃进行三次回火，回火时间3h。

S5：对调质处理后的刀圈进行喷丸处理。表面硬度指标应不低于HRC55，通过磁粉探伤检测无微裂纹，满足刀圈制造要求：

具体的，使用高压风机或压缩空气作为动力，将直径0.35mm的弹丸喷射到刀圈表面，喷射时间25min。

在上述实施例中，步骤S5之后还包括：

对热处理后的所述滚刀刀圈进行抗冲击、耐磨及表面硬度测试。

具体抗冲击、耐磨及硬度测试的操作请参考现有技术，此处不再详细叙述。

为了提高打印成型滚刀刀圈的机械性能，对打印后的滚刀刀圈进行均匀化退火和调质处理，具体热处理参数可根据需要进行相应的改动。在实施例中，滚刀刀圈的合金粉末包括铁铬钼硅钒合金粉末。该合金粉末成型出的合金件具有高硬度、高强度和高耐磨性等一系列优良性能。其中稀土铈元素可以改善合金的成型性能，保证打印后刀圈的机械性能。因此采用该合金粉末用作刀圈粉末，成型的刀圈性能优异。

综上，本发明提供的3D打印滚刀刀圈工艺具有制造过程简单，无原材料浪费，可以节约成本。因而，采用该制造工艺，能够有效节约原材料，减少生产周期，制造出高性能的滚刀刀圈，节约滚刀的成本。

实施例3

滚刀刀圈的制备方法，步骤如下：

S1：首先根据滚刀刀圈整体形状，通过计算机建模软件对刀圈进行三维实体模型设计，对模型进行切片处理，并由所述截面数据生成相应的扫描路径，然后将三维模型信息输送到3D打印机中；采用选区激光熔化的3D打印技术，在3D打印机内进行逐层打印。

S2：合金粉末的制备：

具体的，铁铬钼硅钒合金粉末，按质量百分比计，包括5.50%的铬，1.75%的钼，1.20%的硅，0.50%的碳，0.50%的锰，1.20%的钒，0.05%的稀土铈，余量为铁及不可避免的杂质元素。

按上述元素的质量百分比进行配料，随后进行球磨混料处理：

具体的，各元素经6h球磨混合，最后加上稀土铈，再进行2h短时间球磨处理，随后进行真空干燥处理，最后获得该合金粉末。

S3：送入制造刀圈的合金粉末，并按照所述的扫描路径进行逐层打印直至刀圈成型。

S4：对3D打印后刀圈进行均匀化退火和调质处理：

具体的，将打印后的滚刀刀圈放置于加热炉中，炉温由室温加热至1200℃（升温速率250℃/h）后，保温10h后炉冷，取出刀圈。将加热炉由室温加热至1080℃，把刀圈放置于炉中保温3h后进行油淬，接着加热至580℃进行三次回火，回火时间4h。

S5：对调质处理后的刀圈进行喷丸处理。表面硬度指标应不低于HRC55，通过磁粉探伤检测无微裂纹，满足刀圈制造要求：

具体的，使用高压风机或压缩空气作为动力，将直径0.5mm的弹丸喷射到刀圈表面，喷射时间30min。

在上述实施例中，步骤S5之后还包括：

对热处理后的所述滚刀刀圈进行抗冲击、耐磨及表面硬度测试。

具体抗冲击、耐磨及硬度测试的操作请参考现有技术，此处不再详细叙述。

为了提高打印成型滚刀刀圈的机械性能，对打印后的滚刀刀圈进行均匀化退火和调质处理，具体热处理参数可根据需要进行相应的改动。在实施例中，滚刀刀圈的合金粉末包括铁铬钼硅钒合金粉末。该合金粉末成型出的合金件具有高硬度、高强度和高耐磨性等一系列优良性能。其中稀土铈元素可以改善合金的成型性能，保证打印后刀圈的机械性能。因此采用该合金粉末用作刀圈粉末，成型的刀圈性能优异。

综上，本发明提供的3D打印滚刀刀圈工艺具有制造过程简单，无原材料浪费，可以节约成本。因而，采用该制造工艺，能够有效节约原材料，减少生产周期，制造出高性能的滚刀刀圈，节约滚刀的成本。

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)

1.一种滚刀刀圈，其特征在于，所述刀圈的合金粉末包括以下重量百分比的组分：Cr4.75%-5.50%，Mo 1.10%-1.75%，Si 0.80%-1.20%，C 0.40%-0.50%，Mn 0.20%-0.50%，V0.80%-1.20%，Ce 0.01%-0.05%，余量为铁及不可避免的杂质元素；

滚刀刀圈的制备方法如下：

（1）利用3D打印制备刀圈；通过计算机建模软件对刀圈进行三维实体模型设计，对模型进行切片处理，生成相应的扫描路径，然后将三维模型信息输送到3D打印机中，3D打印机进行逐层打印，直至刀圈成型；

（2）将刀圈进行均匀化退火和调质处理；均匀化退火的步骤为：将成型的刀圈放置于加热炉中，然后炉温由室温加热至1100-1200℃后，升温速率为200-250℃/h，保温5-10h后炉冷；调质处理的步骤为：将加热炉由室温加热至1000-1080℃，将退火后的刀圈放置于加热炉中，保温2-3h后进行油淬，接着加热至500-580℃进行三次回火，回火时间2-4h；

（3）对调质处理后刀圈进行喷丸处理。

2.根据权利要求1所述的滚刀刀圈，其特征在于：将除铈以外的元素球磨混合4h，之后加入铈再次球磨1h，真空干燥得到合金粉末。

3.根据权利要求1所述的滚刀刀圈，其特征在于，所述步骤（3）中喷丸处理的步骤为：使用高压风机或压缩空气作为动力，将直径0.2-0.5mm的弹丸喷射到刀圈表面，喷射时间20-30min。

4.根据权利要求1-3任一项所述的滚刀刀圈，其特征在于：所述刀圈的硬度达到HRC55-60，冲击韧性32-35J/cm²。

Images