CN112930430A - 用于隧道掘进机的盘形刀具及其制造方法 - Google Patents

用于隧道掘进机的盘形刀具及其制造方法 Download PDF

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CN112930430A
CN112930430A CN201980068978.2A CN201980068978A CN112930430A CN 112930430 A CN112930430 A CN 112930430A CN 201980068978 A CN201980068978 A CN 201980068978A CN 112930430 A CN112930430 A CN 112930430A
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cutting
disc body
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约翰·松德斯特伦
托马斯·贝格隆德
弗雷德里克·默林
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Sandvik Mining and Construction Tools AB
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Abstract

一种用于在隧道掘进机中使用的切削单元的盘形刀具(10)，包括：环形盘本体(12)，其由金属合金或金属基复合材料制成，该环形盘本体(12)具有第一侧(14)、与所述第一侧(14)基本上相对布置的第二侧(16)和径向外周部(18)；以及至少一个金属合金、金属基复合材料或硬质合金的切削部(20)，该至少一个切削部(20)被安装在所述盘本体(12)的所述径向外周部(18)中并基本上环绕该径向外周部(18)，该至少一个切削部(20)从该径向外周部(18)向外突出，以在开采操作期间与岩石接合；其中，所述至少一个切削部(20)由比用于所述盘本体(12)的材料具有更高耐磨性的材料制成；其特征在于，在所述至少一个盘本体(12)和所述至少一个切削部(20)之间存在金属中间层(22)，所述至少一个盘本体(12)和所述至少一个切削部(20)以及所述金属中间层(22)的元素形成扩散结合；以及一种生产该盘形刀具的方法。

Description

用于隧道掘进机的盘形刀具及其制造方法
技术领域
本公开涉及用于隧道掘进机(tunnel boring machine，TBM)的盘形刀具(disccutters)及其制造方法。
背景技术
切削盘在隧道掘进机上用于切削岩石，并用于在隧道的挖掘中切削不同类型的岩层。通常，切削盘由硬化钢制成，但是如果正在被切削的岩层非常坚硬，那么切削盘将很快磨损。已经通过将由具有更高耐磨性的材料(诸如硬质合金)制成的(多个)切削部机械附接到钢制盘本体上来尝试克服这个问题。切削部可以呈球齿、耐磨垫或连续环的形式。硬质合金切削部通过压配合而机械连结到钢制盘本体上，或者被钎焊到位。US4004645A1和US4793427A1示出了切削部机械附接到盘本体的示例。
但是，仍然存在这样的问题，即，特别是对于切削坚硬或高磨蚀性岩层，在盘形刀具旋转时，较大的力被施加到刀盘的切削部上。这些较大的力对切削部以及对切削部和盘本体之间的连结部施加巨大的应力。这些力可能导致(多个)切削部不利地并且快速地扭曲、破裂或磨损。由于硬质合金切削部比钢切削部更昂贵，因此需要性能方面的改进，以补偿附加成本。因此，如果切削盘在盘本体和切削部之间的连结部处过早地失效，那么使用硬质合金作为(多个)切削部将是过于昂贵的。需要具有更硬、更耐磨的切削部的盘形刀具，其中(多个)切削部、盘本体和它们之间的连结部足够坚固，以在经受高载荷时仍能继续存在，同时仍能满足用于TBM应用的盘形刀具的尺寸和成分要求。
具有分立的切削部(诸如球齿)的盘形刀具目前被限制于在(多个)切削部和盘本体之间具有显著较高的接触面积的设计。如果切削部是多个球齿，则在切削部的尺寸和连结部设计之间存在折衷，这在利用目前已知方法的将(多个)刀具部机械连结到盘本体的情况下可能在连结部处产生断裂或脱离，并且因此产生切削盘的过早失效。因此，要解决的问题是如何在盘本体和(多个)切削部之间的连结部中形成具有较高机械强度的盘形刀具，以增加盘形刀具的工作寿命。
当前设计的另一问题是，由于在盘本体中需要相对大量的钢来将(多个)切削部保持在位，因此在被切削后可用于收集被破碎的岩石的碎片的空间有限，这导致更高的旋转力和应力被施加到钻头的头部上，这将缩短钻头的寿命。因此，要解决的另外的问题是如何在不必增加盘本体的尺寸的情况下，形成在(多个)刀具部和盘本体之间具有牢固的连结部的盘形刀具。
发明内容
因此，本公开涉及一种用于在隧道掘进机中使用的切削单元的盘形刀具，包括：
环形盘本体，所述环形盘本体由金属合金或金属基复合材料制成，所述环形盘本体具有第一侧、与第一侧基本上相对布置的第二侧和径向外周部；以及
至少一个金属合金、金属基复合材料或硬质合金的切削部，所述至少一个切削部被安装在所述盘本体的所述径向外周部中并基本上环绕所述径向外周部，所述至少一个切削部从所述径向外周部向外突出，以在开采操作期间与岩石接合；
其中，所述至少一个切削部由比用于所述盘本体的材料具有更高耐磨性的材料制成；
其特征在于，在所述至少一个盘本体和所述至少一个切削部之间存在金属中间层，所述至少一个盘本体和所述至少一个切削部以及所述金属中间层的元素形成扩散结合。
本发明的优点在于，切削盘被形成为具有高耐磨性刀刃和在所述至少一个盘本体和所述至少一个切削部之间的高强度机械连结部。连结部的机械强度方面的提高将提高隧道掘进机中的切削盘的寿命。由于已经提高了切削盘和切削部之间的连结部的强度，因此这两个部分之间的接触面积不需要那么大，因此另外的优点是可以增加切削部的体积相比于盘本体的体积的比率，从而提高盘形刀具的切削效率。通过增加切削部和盘本体之间的连结部的强度，可以施加更高的载荷，并且可以增加盘形刀具的穿透深度和寿命。这意味着需要更少的用于维修或更换盘形刀具的停工，并且因此连续切削可以持续更长时间，这将最终导致盈利能力方面的提高。
在优选实施例中，金属中间层主要包括镍、镍合金、铜或铜合金。这样的优点是在盘本体和所述至少一个切削部之间形成更强的扩散结合。
在优选实施例中，金属中间层包括主要由铜和镍组成的合金。这样的优点是在盘本体和所述至少一个切削部之间形成更强的扩散结合。金属中间层将提供，由于在所讨论的加工温度下，碳在金属中间层中的低溶解度，因此碳在盘本体和所述至少一个切削部之间的扩散将是较低的，因此在不会损害盘本体和切削部之间扩散结合的延展性的情况下，金属中间层将充当碳原子在盘本体中的金属合金或金属基合金与切削部中的金属合金、MMC或硬质合金之间迁移的迁移屏障或阻塞物(choke)。
在优选实施例中，金属中间层具有从约5μm至约500μm的厚度。为了有效性和易于制造，金属中间层具有在这个范围内的厚度是有利的。
在优选实施例中，所述至少一个切削部包括硬质合金。这是有利的，因为硬质合金是高度耐磨的。
根据本公开的一个方面，所述至少一个切削部呈多个球齿或耐磨垫的形式。这些类型的切削部是有利的，其中在操作期间优选的是增加的点载荷和更低的滚动阻力。
根据本公开的一个方面，所述至少一个切削部呈连续环的形式。这有利地是提供了连续的切削刃。
根据本公开的一个方面，盘本体包括至少两个层。这提供了能够将连续环牢固地固定在位的益处。
根据本公开的一个方面，其中，盘本体包括第一层和第二层，其中第一层包括比第二层具有更高耐磨性的金属或金属基复合材料。这提供了能够在盘形刀具的暴露于岩石的那一侧上使用更高耐磨等级的材料并且在不暴露于岩石的那一侧上使用较便宜等级的材料的优点。热等静压处理后，所述至少两个层将连结在一起，形成整体本体。
本公开还涉及一种用于制造用于在隧道掘进机中使用的切削单元的盘形刀具的方法，所述盘形刀具包括：环形盘本体，所述环形盘本体由金属合金或金属基复合材料制成，所述环形盘本体具有第一侧、与第一侧基本上相对布置的第二侧和径向外周部；以及至少一个金属合金、金属基复合材料或硬质合金的切削部，所述至少一个切削部被安装在所述盘本体的所述径向外周部中并基本上环绕所述径向外周部，所述至少一个切削部从所述径向外周部向外突出，以在操作期间与岩石接合；所述方法包括以下步骤：
a)提供由金属合金制成的至少一个盘本体或由金属基复合材料制成的至少一个盘本体和至少一个金属合金切削部或至少一个金属基复合材料切削部或至少一个硬质合金切削部；
b)将金属中间层定位在所述盘本体中的每一个盘本体的(多个)表面中的每一个表面和所述至少一个切削部的表面中的每一个表面之间；
c)将所述至少一个盘本体和所述至少一个切削部组装在一起；
d)将所述至少一个盘本体和所述至少一个切削部封围在囊中；
e)可选地是从所述囊中排出空气；
f)密封所述囊；
g)在预定时间期间使所述囊经受约1000℃以上的预定温度和从约300巴至约1500巴的预定压力。
本方法的优点在于，提高了盘形刀具和所述至少一个切削部之间的连结部的机械强度，这将增加隧道掘进机中的切削盘的寿命。
在优选实施例中，金属中间层主要包括镍、镍合金、铜或铜合金。这样的优点是在盘本体和所述至少一个切削部之间形成更强的扩散结合。
在优选实施例中，金属中间层由主要由铜和镍组成的合金制成。
这样的优点是在盘本体和所述至少一个切削部之间形成更强的扩散结合。
根据本公开的一个方面，金属中间层由箔或粉末形成。
根据本公开的一个方面，金属中间层通过电解电镀形成。
在优选实施例中，沟槽被添加到所述至少一个切削部的(多个)表面，或被添加到所述至少一个环形本体的(多个)表面并且被添加到所述至少一个切削部的(多个)表面两者。这提供了增加切削盘和所述至少一个切削部之间的表面接触面积的优点，这将增加连结部的强度。
附图说明
图1：用于TBM的盘形刀具的透视图。
图2：用于TBM的盘形刀具的截面。
图3：具有被钻入到盘本体的外周中的凹部的盘形刀具的透视图，其中所述至少一个切削部是多个球齿。
图4：具有两个层的盘形刀具的透视图，其中所述至少一个切削部是多个球齿。
图5：具有耐磨垫的盘形刀具的透视图，其中所述耐磨垫被布置成使得相邻耐磨垫的邻近侧接触。
图6：具有耐磨垫的盘形刀具的透视图，其中所述耐磨垫被布置使得相邻耐磨垫之间存在间隙。
图7：具有用于插入耐磨垫的沟槽的盘形刀具的透视图。
图8：具有两个层以将连续环夹在之间的盘形刀具的透视图。
图9：具有两个层以将连续环夹在之间的盘形刀具的截面。
图10：具有对称的连续环的盘形刀具的透视图。
图11：具有不对称的连续环的盘形刀具的透视图。
图12：方法的流程图。
图13：表面上有沟槽的切削部的截面。
具体实施方式
图1和图2示出了本公开的涉及一种用于在隧道掘进机中使用的切削单元的盘形刀具10的一个方面，该盘形刀具10包括：
环形盘本体12，该环形盘本体12由金属合金或金属基复合材料制成，该环形盘本体12具有第一侧14、与第一侧14基本上相对布置的第二侧16和径向外周部18；以及
至少一个金属合金、金属基复合材料或硬质合金的切削部20，该至少一个切削部20被安装在盘本体10的径向外周部中并基本上环绕该径向外周部，该至少一个切削部20从该径向外周部向外突出，以在操作期间与岩石接合；
其中，该至少一个切削部20由比用于盘本体12的材料具有更高耐磨性的材料制成；
其特征在于，在该至少一个盘本体12和该至少一个切削部20之间存在金属中间层22，该至少一个盘本体12和该至少一个切削部20以及该金属中间层22的元素形成扩散结合。
盘形刀具10用于从隧道表面挖掘材料，诸如岩石。盘形刀具10旋转，并且切削部20被推靠在隧道面上，以分割、压碎或松动隧道面上的材料，这些材料可以被TBM运输离开。
在一个实施例中，盘本体12由金属合金制成，优选地是由钢合金制成。钢牌号根据要生产的产品的功能要求进行选择。例如，但不限于，不锈钢、碳钢、铁素体钢和马氏体钢。金属合金可以是锻造的和/或铸造的本体。在为盘本体选择的金属合金的硬度和韧性之间总是存在折衷，并且金属合金必须被选择为对于具体应用而具有这些特性的适当的平衡。
在一个实施例中，盘本体12由金属基复合材料(MMC)制成。金属基复合材料是包括至少两个组成部分的复合材料，一个部分是金属并且另一个部分是不同的金属或另一材料(诸如陶瓷、碳化物或其它类型的无机化合物)，它们将形成MMC的增强部分。根据上文或下文限定的本方法的一个实施例，所述至少一个金属基复合材料体(MMC)由选自碳化钛、碳化钽、碳化铌和/或碳化钨的硬质相微粒和选自钴、镍和/或铁的金属粘结剂相组成。根据又一实施例，该至少一个MMC体由碳化钨的硬质相微粒和钴或镍或铁或它们的混合物的金属粘结剂组成。
在一个实施例中，所述至少一个切削部包括硬质合金。硬质合金包括金属粘结剂中的碳化物微粒。根据一个实施例，硬质合金切削部由选自碳化钛、氮化钛、碳氮化钛、碳化钽、碳化铌、碳化钨或它们的混合物的硬质相和选自钴、镍、铁或它们的混合物的金属粘结剂相组成。通常，硬质合金中超过50重量％的碳化物微粒是碳化钨(WC)，诸如75重量％至99重量％，优选地是94重量％至82重量％。根据一个实施例，硬质合金切削部20由包含超过75重量％碳化钨的硬质相和钴的粘结剂金属相组成。硬质合金切削部20可以是粉末、经预烧结的粉末或经烧结的本体。硬质合金切削部20可以通过模制硬质相和金属粘结剂的粉末混合物，并将该粉末混合物压制成生坯来制造。然后，可以将生坯烧结或预烧结成将用于本方法的切削部20。
如本文使用的术语“扩散结合(diffusion bond或diffusion bonding)”是指通过扩散结合工艺而获得的结合，该扩散结合工艺是能够结合相似的和不同的材料的固态工艺。它以固态扩散的原理工作，其中两个固体材料表面的原子在高温和高压下随着时间的推移而相互混合。术语“基本上环绕”是指(多个)切削部呈围绕盘本体12的外周边缘18的环的形式。
在一个实施例中，金属中间层22主要包括镍、镍合金、铜或铜合金。镍合金被定义为具有至少50重量％的镍，并且铜合金被定义为具有至少50重量％的铜。
在一个实施例中，金属中间层22包括主要由铜和镍组成的合金。将会在盘本体12中的金属合金或MMC与切削部20中的金属合金、金属基复合材料或硬质合金之间存在碳活度方面的差异，因为包括硬质合金的本体将具有更高的碳活度，这将生成用于碳从硬质合金向金属迁移的驱动力。但是，实验已经令人惊讶地表明，通过在要进行HIP处理的盘本体和/或所述至少一个切削部的至少一个表面之间或之上引入包含主要由铜和镍组成的合金的金属中间层22，减轻了以上提及的问题。实验已经表明，金属中间层22将提供，在所讨论的加工温度下，由于碳在金属中间层22中的低溶解度，因此碳在盘本体12和该至少一个切削部20之间的扩散将是较低的，因此在不会损害盘本体12和切削部20之间扩散结合的延展性的情况下，金属中间层22将充当碳原子在盘本体12中的金属合金或金属基合金与切削部20中的金属合金、MMC或硬质合金之间迁移的迁移屏障或阻塞物。这意味着减小了该至少一个切削部20将在操作期间破裂并导致部件失效的风险。
在一个实施例中，中间层22中的铜含量为从25重量％至98重量％、优选30重量％至90重量％、最优选地是从50重量％至90重量％。可选地是，可以添加稀土元素。
在一个实施例中，金属中间层22具有从约5μm至约500μm，优选地是从约50至约500μm的厚度。
在一个实施例中，所述至少一个切削部20呈多个球齿26或耐磨垫40的形式。
图3示出了一个实施例，其中，所述至少一个切削部20呈球齿26的形式。优选地是，球齿26中的至少一些球齿具有圆顶切削表面28(并且优选地是基本上是半球形切削表面)以及圆柱形安装部30。在一个实施例中，盘本体12包括多个球齿凹部24，这些球齿凹部被钻入到盘本体12的径向外周表面18中。首先，将金属中间层22放置在球齿凹部24中的每一个球齿凹部中和/或球齿26的安装部30中的每一个安装部上，并且然后将球齿26定位于金属中间层22的顶部上的球齿凹部24中的每一个球齿凹部中。典型地是，球齿26由硬质合金制成。根据应用选择所使用的球齿凹部24和球齿26的数量。球齿26被布置成在隧道掘进机(未示出)的切削头旋转时刮擦岩石。典型地是，盘形刀具10包括30至50个球齿凹部24和球齿26。在优选实施例中，每个圆顶形切削表面28处在刚刚凸出于外周表面18的位置。通常，更大数量的球齿26用于具有更大直径的盘形刀具。也就是说，球齿26的每个圆柱形安装部30没有突出超过外周表面18，而是位于其相应的球齿凹部24内。在优选实施例中，限定圆顶形切削表面28与圆柱形安装部30相汇合的地方的边缘32基本上与外周表面18对齐。在优选实施例中，每个圆柱形安装部30基本上填充其各自的凹部24。图4示出了可替代方案，其中，球齿26可以通过将球齿26插入到盘本体12的第一层34和盘本体12的第二层36之间而固定在位。第一层34和第二层36形成有凹部24，以将球齿26固持在位。金属中间层22首先被放置在球齿凹部24中的每一个球齿凹部中和/或球齿26的安装部30中的每一个安装部上，并且然后在被HIP处理之前，第一层34和第二层36被组装在一起，其中球齿26位于第一层34和第二层36之间。
可替代地是，所述至少一个切削部20呈耐磨垫40的形式。优选地是，耐磨垫40由硬质合金制成。根据应用选择所使用的耐磨垫40的数量。耐磨垫40被布置成在隧道掘进机(未示出)的切削头旋转时刮擦岩石。典型地是，耐磨垫40的形状如图5中所示，也就是说，它们可以被设想为从一个环上径向切削下来的楔形物。耐磨垫具有将会与岩石接触的切削刃52和将会连结到盘本体12的安装部54，并且该安装部可以在其最大直径处以球形或圆锥形的方式成形。所使用的耐磨垫40的数量将针对盘形刀具的给定尺寸并针对特定应用进行优化。图5示出了一个实施例，其中耐磨垫40被布置成使得相邻耐磨垫40的邻近侧38彼此接触。因此，在HIP工艺期间，在相邻耐磨垫40之间形成结合，从而形成连续的切削刃。图6示出了可替代方案，其中在相邻耐磨垫40中的每一个耐磨垫之间可以留下间隙50，从而形成分段的切削刃，以在切削盘旋转时在岩石上产生点载荷效应。图7示出了盘本体被形成有周向沟槽44，该周向沟槽44被形成在外周边缘18中，以构建出盘形刀具。首先，中间金属层22将周向沟槽44放置在盘本体12中和/或耐磨垫40中的每一个耐磨垫的安装部54上。耐磨垫40可以被插入到形成在盘本体12中的周向沟槽44中。可替代地是，如果在相邻耐磨垫40中的每一个耐磨垫之间留下间隙，则可以在盘本体12的外周边缘18中形成凹部，以便耐磨垫插入。可替代地是，耐磨垫40可以通过将耐磨垫40插入盘本体12的第一层34和盘本体12的第二层36之间而固定在位，类似于图4中所示的那样，其中由耐磨垫40代替球齿26。盘本体12的第一层34和第二层36形成有凹部46，以将耐磨垫40固持在位。如果在相邻耐磨垫40中的每一个耐磨垫之间留下间隙，那么盘本体的第一层34和/或第二层36中的至少一层将形成为使得存在一定体积的金属合金或金属基复合材料来填充间隙，并且因此在HIP工艺之后，形成一体式单元。类似地是，在HIP工艺之前，金属中间层22被定位在盘本体12和耐磨垫40之间。
图8示出了一个实施例，其中，所述至少一个切削部20呈连续环60的形式。连续环优选地是由硬质合金制成的。连续环60包括锋利的周边切削刃64和支撑部66，并且可以在其最大直径处以球形或圆锥形的方式成形。图8示出了支撑部66被封围在盘本体12的周向沟槽62内。图8和图9示出了连续环60通过将其插入在盘本体12的第一层34和盘本体12的第二层36之间而被固定在位，其中金属中间层22被定位在连续环60和盘本体12之间。金属中间层22的截面图在图8中以放大图示出。第一层34和/或第二层36中的至少一个层形成有连续凹部62，以将连续环60固持在位。在HIP工艺之后，第一层34、第二层36和连续环60连结，以形成具有平滑、不间断切削刃的一体式盘形刀具10。连续环60也可以在HIP处理之前通过任何其它合适的方法机械锁定到位。连续环60的截面可以是对称的(如图10中所示)或者不对称的(如图11中所示)。切削刃的最终轮廓可以如图10中所示是平滑的轮廓，或者如图11中所示是波动(oscillating)的轮廓，以便形成“嵌齿轮”形状。图11公开了连续环60的不同轮廓。
在一个实施例中，盘本体12包括至少两个层，每层具有不同类型的金属合金或金属基合金。如上所述，盘形刀具可以包括第一层34和第二层36，该第一层34将形成盘形刀具10的第二侧16，该第二层36将形成盘形刀具10的第一侧14。第一层34和第二层36可以由不同的材料制成，例如，更高耐磨等级的金属合金或MMC可以用在盘形刀具10的暴露于更高磨损率的那一侧上，而较少暴露于磨损的那一侧可以由较便宜等级的金属合金或MMC制成。
本发明的另一方面是一种用于制造用于在隧道掘进机中使用的切削单元的盘形刀具10的方法，该盘形刀具包括：环形盘本体12，该环形盘本体12由金属合金或金属基复合材料制成，该环形盘本体12具有第一侧14、与第一侧14基本上相对布置的第二侧16和径向外周部18；以及至少一个金属合金、金属基复合材料或硬质合金切削部20，该至少一个切削部20被安装在盘本体12的径向外周部18中并基本上环绕该径向外周部18，该至少一个切削部20从该径向外周部18向外突出，以在切削操作期间与岩石接合；该方法包括以下步骤：
a)提供由金属合金制成的至少一个环形盘本体12或由金属基复合材料制成的至少一个环形本体12和至少一个金属合金切削部20或至少一个金属基复合材料切削部20或至少一个硬质合金切削部20；
b)将金属中间层22定位在盘本体12中的每一个盘本体的(多个)表面中的每一个表面和切削部20的(多个)表面中的每一个表面之间；
c)将该至少一个盘本体12和该至少一个切削部20组装在一起；
d)将该至少一个环形盘本体12和该至少一个切削部20封围在囊中；
e)可选地是从囊中排出空气；
f)密封囊；
g)在预定时间期间使囊经受约1000℃以上的预定温度和从约300巴至约1500巴的预定压力。
以上步骤d)至g)描述了热等静压(HIP)工艺。HIP是非常适合各个单独部件的近净成形制造的方法。在HIP中，限定部件的最终形状的囊填充有金属粉末，并经受较高温度和压力，由此金属粉末微粒冶金结合,空隙封闭并且材料固结。该方法的主要优点是，它生产具有与锻造材料相当或比其更好的强度的最终或接近最终形状的部件。使用HIP方法将所述至少一个切削部20连结到盘本体12以用作隧道掘进机中的盘形刀具10的具体优点是实现了更高的耐磨性和连结部的完整性。图12示出了方法的流程图。
在本HIP工艺中，当囊在压力容器内部暴露于高温和高压持续一定时间后，发生金属合金或金属基复合材料盘本体12和所述至少一个金属合金、金属基复合材料或硬质合金的切削部20的扩散结合。囊可以是通过焊接密封的金属囊。可替代地是，囊可以由玻璃本体形成。在这个HIP处理期间，盘本体12、切削部20和金属中间层22被固结，并且形成扩散结合。随着保持时间结束，容器内部的温度以及因此固结本体的温度也恢复到室温。扩散结合由金属中间层22的元素和盘本体12的元素以及该至少一个切削部20的元素形成。
在预定时间期间施加的预定温度当然可以在所述时间段期间稍微变化，或者是因为对温度的有意控制或者是由于无意的变化。温度应该足够高，以保证在合理时间段内在盘本体和所述至少一个切削部之间的足够程度的扩散结合。根据本方法，预定温度为约1000℃以上，诸如约1100℃至约1200℃。
在所述预定时间内施加的预定压力可以由于对压力的有意控制或者由于与工艺相关的压力的无意变化而变化。预定压力将取决于待扩散结合的盘本体和所述至少一个切削部的特性。
在期间施加高温和高压的时间当然取决于对于特定的盘本体12几何形状通过所选择的温度和压力所实现的扩散结合的速率，并且当然也取决于待扩散结合的所述至少一个切削部20的特性。预定时间范围例如从30分钟到10小时。
在该方法的一个实施例中，所述至少一个切削部20包括硬质合金。在另一实施例中，硬质合金由包含碳化钛、氮化钛、碳氮化钛、碳化钽、碳化铌、碳化钨或它们的混合物的硬质相和选自钴、镍、铁或它们的混合物的金属粘结剂相组成。
在该方法的一个实施例中，盘本体12由钢制成。
在一个实施例中，金属中间层22主要包括镍、镍合金、铜或铜合金。
在该方法的一个实施例中，金属中间层22由主要由铜和镍组成的合金形成。金属中间层22的存在将避免在硬质合金和周围的钢或铸铁之间的交界面中形成脆性相(诸如，M6C相(也称为η相)和W2C相)。重要的是要避免形成这种脆性相，因为它们在载荷下容易破裂，这可能导致硬质合金脱离，或者裂纹可能传播到硬质合金切削部20中，并导致这些部分失效，并且结果是部件的耐磨性降低。令人惊讶的是，已经发现，在盘本体12和/或所述至少一个切削部20的表面中的至少一个表面之间或之上引入由主要由铜和镍组成的合金形成的金属中间层22减轻了上述问题。金属中间层22充当碳原子在金属合金或金属基体合金和硬质合金之间迁移的迁移屏障或阻塞物，而不会损害之间的扩散结合的延展性。这意味着减小了该至少一个硬质合金切削部20将在操作期间破裂并导致部件失效的风险。
根据本方法，金属中间层20可以由箔或粉末形成。但是，金属中间层20的施加也可以通过其它方法(诸如热喷涂工艺(HVOF、等离子喷涂和冷喷涂))来执行。金属中间层20可以施加于：盘本体12的(多个)表面或所述至少一个切削部20的(多个)表面；或者盘本体12的(多个)表面上和该至少一个切削部20的(多个)表面两者上；或者盘本体12和该至少一个切削部20的表面之间。对于要进行HIP处理的部分，重要的是没有(多个)硬质合金切削部20与盘本体12的金属合金或金属基复合材料直接接触的区域。可替代地是，金属中间层22可以通过电解电镀来施加。根据本公开，金属中间层22的铜含量为从25重量％至98重量％，优选地为从30重量％至90重量％(wt％)，更优选地是从50重量％至90重量％。金属中间层22的所选择的成分将取决于几个参数，诸如HIP循环平台温度和保持时间以及待结合的部件在该温度下的碳活度。根据一个实施例，金属中间层22具有约5μm至约500μm(诸如从100μm至500μm)的厚度。如果金属中间层呈箔的形式，则厚度通常将在约50μm至约500μm之间。如果金属中间层呈热喷涂工艺的形式，则厚度通常在5μm至25μm之间。如本文所用的术语“主要由……组成”是指除了铜和镍之外，金属中间层22还可以包括其它元素，但是仅处于杂质水平，即低于3重量％。
图13示出了一个实施例，其中，多个沟槽70形成在所述至少一个切削部20的表面中，或者形成在所述至少一个盘本体12和该至少一个切削部20两者的表面中。包含沟槽70增加了该至少一个切削部20和盘本体12之间的表面积，并且因此提高了之间的连结部的强度。沟槽70也可以呈波浪或脊的形式。
一旦盘形刀具10已经形成，就将钻孔加工到盘本体12中，以便能够将盘形刀具10附接到隧道掘进机(未示出)。
应当理解的是，上文或下文公开的实施例中的任意实施例可以组合在一起。例如，但不限于，金属中间层22(其包括：主要是镍、镍合金、铜或铜合金；或者包括主要由铜和镍组成的合金)的的施加可以与包括硬质合金的所述至少一个切削部20相结合。如上文或下文所述的金属中间层22的施加可以与所述至少一个切削部20相结合，该至少一个切削部呈多个球齿26或多个耐磨垫40的形式，或者呈连续切削环60的形式。如上文或下文所述的金属中间层22的施加可以与具有至少两个层的盘本体12相结合。呈多个球齿26或多个耐磨垫40的形式或呈连续切削环60的形式的所述至少一个切削部20可以与具有至少两个层的盘本体12和/或与包括硬质合金的所述至少一个切削部20相结合。可以被添加到所述至少一个切削部20的(多个)表面或被添加到所述至少一个盘本体12的(多个)表面和所述至少一个切削部20的(多个)表面两者的沟槽70的添加可以与如上文或下文所述的金属中间层22的施加相结合。可以被添加到所述至少一个切削部20的(多个)表面或被添加到所述至少一个盘本体12的(多个)表面和所述至少一个切削部20的(多个)表面两者的沟槽70的添加可以与所述至少一个切削部20相结合，该至少一个切削部呈多个球齿26或多个耐磨垫40的形式或呈连续切削环60的形式。

Claims (15)

1.一种用于在隧道掘进机中使用的切削单元的盘形刀具(10)，包括：
环形盘本体(12)，所述环形盘本体(12)由金属合金或金属基复合材料制成，所述环形盘本体(12)具有第一侧(14)、与所述第一侧(14)基本上相对布置的第二侧(16)和径向外周部(18)；以及
至少一个金属合金、金属基复合材料或硬质合金的切削部(20)，所述至少一个切削部(20)被安装在所述盘本体(12)的所述径向外周部(18)中并基本上环绕所述径向外周部(18)，所述至少一个切削部(20)从所述径向外周部(18)向外突出，以在操作期间与岩石接合；
其中，所述至少一个切削部(20)由比用于所述盘本体(12)的材料具有更高耐磨性的材料制成；
其特征在于，在所述至少一个盘本体(12)和所述至少一个切削部(20)之间存在金属中间层(22)，所述至少一个盘本体(12)和所述至少一个切削部(20)以及所述金属中间层(22)的元素形成扩散结合。
2.根据权利要求1所述的盘形刀具(10)，其中，所述金属中间层(22)主要包括镍、镍合金、铜或铜合金。
3.根据权利要求1所述的盘形刀具(10)，其中，所述金属中间层(22)包括主要由铜和镍组成的合金。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的盘形刀具(10)，其中，所述金属中间层(22)具有从约5μm至约500μm的厚度。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的盘形刀具(10)，其中，所述至少一个切削部(20)包括硬质合金。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的盘形刀具(10)，其中，所述至少一个切削部(20)呈多个球齿(26)或耐磨垫(40)的形式。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的盘形刀具(10)，其中，所述至少一个切削部(20)呈连续环(60)的形式。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的盘形刀具(10)，其中，所述盘本体(12)包括至少两个层。
9.根据权利要求8所述的盘形刀具(10)，其中，所述盘本体(12)包括第一层(34)和第二层(36)，其中，所述第一层(34)包括的金属或金属基复合材料比所述第二层(36)具有更高的耐磨性。
10.一种用于制造用于在隧道掘进机中使用的切削单元的盘形刀具(10)的方法，所述盘形刀具(10)包括：环形盘本体(12)，所述环形盘本体(12)由金属合金或金属基复合材料制成，所述环形盘本体(12)具有第一侧(14)、与所述第一侧(14)基本上相对布置的第二侧(16)和径向外周部(18)；以及至少一个金属合金、金属基复合材料或硬质合金的切削部(20)，所述至少一个切削部(20)被安装在所述盘本体(12)的所述径向外周部(18)中并基本上环绕所述径向外周部(18)，所述至少一个切削部(20)从所述径向外周部(18)向外突出，以在开采操作期间与岩石接合；所述方法包括以下步骤：
a)提供由金属合金制成的至少一个环形盘本体(12)或由金属基复合材料制成的至少一个环形盘本体(12)和至少一个金属合金切削部(20)或至少一个金属基复合材料切削部(20)或至少一个硬质合金切削部(20)；
b)将金属中间层(22)定位在所述盘本体(12)中的每一个盘本体的表面中的每一个表面和所述切削部(20)的表面中的每一个表面之间；
c)将所述至少一个盘本体(12)和所述至少一个切削部(20)组装在一起；
d)将所述至少一个盘本体(12)和所述至少一个切削部(20)封围在囊中；
e)可选地是从所述囊中排出空气；
f)密封所述囊；
g)在预定时间期间使所述囊经受约1000℃以上的预定温度和从约300巴至约1500巴的预定压力。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述金属中间层(22)主要包括镍、镍合金、铜或铜合金。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述金属中间层(22)由主要由铜和镍组成的合金形成。
13.根据权利要求9至12中的任一项所述的方法，其中，所述金属中间层(22)由箔或粉末形成。
14.根据权利要求9至13中的任一项所述的方法，其中，所述金属中间层(22)通过电解电镀形成。
15.根据权利要求9至14中的任一项所述的方法，其中，沟槽(70)被添加到所述至少一个切削部(20)的表面，或被添加到所述至少一个盘本体(12)的表面和所述至少一个切削部(20)的表面两者。
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