CN113667893B - 一种耐磨tbm刀圈及其制备方法和应用 - Google Patents

一种耐磨tbm刀圈及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种耐磨TBM刀圈及其制备方法和应用，属于金属材料领域。耐磨TBM刀圈化学成分按质量百分数为：C 0.45％～0.55％、Si 0.8％～1.2％、Mn0.25％～0.45％、Cr 4.4％～5.2％、Mo 1.1％～1.5％、V 0.8％～1.2％、Al≤0.04％、W0.02％～0.04％、Fe 89.82％～92.18％。本发明利用碳化钨粒子高硬度、高密度的特点，在超重力电渣浇铸过程中加入高耐磨性的碳化钨粒子，利用超重力作用使碳化钨粒子在TBM刀圈内均匀弥散分布，从而提高TBM刀圈的耐磨性能。

Description

一种耐磨TBM刀圈及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及金属材料领域，尤其涉及一种耐磨TBM刀圈及其制备方法和应用。
背景技术
全断面掘进机(TBM)具有掘进速度快、效率高、安全环保等施工特点，广泛应用于铁路隧道、管线隧道及国防隧道等硬岩工程。TBM刀盘上的滚刀刀圈是全断面掘进机的核心技术部件，是TBM施工过程的关键部件和易损部件。在施工过程中，刀圈的服役条件极其恶劣，消耗量极大，频繁更换刀圈会影响施工进度、增加施工成本。一般而言，刀圈更换造成的停机时间占总施工时间15％以上，而刀圈的使用费用则占总施工费用的三分之一。因此，开发高耐磨性优质刀圈是TBM战略发展方向之一。
碳化钨抗耐磨性能好，广泛应用于切削刀具、挤压模具等耐磨材料，通过将碳化钨与其它金属形成粘结相，借助于激光熔覆、等离子电弧冶金反应、磁控溅射等手段，在基体表面形成碳化钨硬质合金层或耐磨涂层，从而提高钢铁材料的表面性能。虽然这些技术手段可提高钢铁材料的耐磨性能，但是生产成本高且工艺复杂限制了其在TBM刀圈制造领域的应用。
超重力技术具有强化传质、强化相际分离等特点，在超重力电渣浇铸过程中加入高耐磨性的碳化钨粒子，利用超重力作用使碳化钨粒子在刀圈中弥散分布，可提高刀圈材料的耐磨性能。目前，关于碳化钨改善超重力电渣浇铸刀圈耐磨性能的研究尚未见报道。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐磨TBM刀圈及其制备方法和应用，以解决上述问题。
为实现以上目的，本发明特采用以下技术方案：
一种耐磨TBM刀圈，其钢液化学成分按质量百分比计算，包括：
C 0.45％-0.55％、Si 0.8％-1.2％、Mn 0.25％-0.45％、Cr 4.4％-5.2％、Mo1.1％-1.5％、V 0.8％-1.2％、Al≤0.04％、W 0.02％-0.04％、Fe 89.82％-92.18％。
一种耐磨TBM刀圈的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，提供原材料；
步骤二，将原材料置于中频感应炉进行冶炼，全程氩气保护。冶炼过程中钢液上部覆盖一层冶炼渣，冶炼温度控制在1600℃～1750℃；冶炼完成后，将中频感应炉出钢温度控制在1590℃～1660℃之间；
步骤三，在中频感应炉出钢之前启动带有浇铸模具的立式离心机，通过氩气保护浇道将中频感应炉内的钢液和熔渣倒入浇铸模具中进行超重力电渣浇铸；与此同时，向浇铸模具中加入碳化钨粒子，在超重力作用下，碳化钨粒子在钢液中均匀弥散分布；钢液的离心速度大于熔渣，熔渣向浇铸模具中心聚集，形成中间温度高、边缘温度低的温度场，铸件由外缘向中心顺序凝固；
步骤四，浇铸结束后，关闭离心机；待浇铸模具冷却后，取出铸件，敲除其表面渣层，即得到TBM刀圈。
优选地，所述中频感应炉出钢钢液的氧含量为20ppm～30ppm。
优选地，所述碳化钨粒子的加入量为钢液重量的4％～8％。
碳化钨具有良好的耐磨性能，在超重力电渣浇铸过程中加入碳化钨粒子，利用超重力作用使碳化钨粒子在刀圈中弥散分布，阻碍岩石颗粒对刀圈的磨损，刀圈的耐磨性能提高27％及以上。
如上所述的耐磨TBM刀圈的应用，用作盾构作业。
本发明技术关键点在于：
1、在超重力电渣浇铸过程中加入高硬度的碳化钨粒子，利用超重力作用使碳化钨粒子在刀圈中弥散分布，从而显著提高刀圈材料的耐磨性能。
2、实行超重力电渣浇铸，具体方法是：将冶炼好的钢水与渣液倒入带有模具的旋转离心机中，与此同时，向浇铸模具中加入碳化钨粒子，在超重力的作用下，碳化钨粒子在钢液中均匀弥散分布。由于钢液的密度大于熔渣的密度，在离心力的作用下，钢液的离心速度大于熔渣的离心速度，熔渣向离心中心聚集，最终形成中心温度高，边缘温度低的温度场，保证铸件由外向内顺序凝固。
3、碳化钨粒子的加入量为钢液重量的4％～8％。碳化钨粒子作为硬质相，其加入刀圈中可提高刀圈的耐磨性，但过量的碳化钨粒子会使刀圈的脆性增加，韧性减弱，在应力的作用下，极易产生裂纹，从而降低刀圈的使用性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
超重力技术具有强化传质、强化相际分离等特点，本申请在超重力电渣浇铸过程中加入高耐磨性的碳化钨粒子，利用超重力作用使碳化钨粒子在刀圈中弥散分布，从而显著提高刀圈材料的耐磨性能。
本申请提供的耐磨TBM刀圈的制备方法，工艺简单。
本申请提供的耐磨TBM刀圈，应用广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明范围的限定。
图1为实施例1得到的TBM刀圈的扫描电镜及能谱图；
图2为实施例2得到的TBM刀圈的扫描电镜及能谱图；
图3为对比例1得到的TBM刀圈的扫描电镜及能谱图；
图4为对比例2得到的TBM刀圈的扫描电镜及能谱图；
图5为实施例1和2以及对比例1和2得到的TBM刀圈磨损失重量对比图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种耐磨TBM刀圈，其钢液化学成分按质量百分比计算，包括：C0.45％、Si 1.2％、Mn 0.45％、Cr 5.2％、Mo 1.1％、V 0.8％、Al 0.02％、W0.04％、Fe90.74％。
一种耐磨TBM刀圈的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，提供原材料；
步骤二，将原材料置于中频感应炉进行冶炼，全程氩气保护。冶炼过程中钢液上部覆盖一层冶炼渣，冶炼温度控制在1600℃；冶炼完成后，将中频感应炉出钢温度控制在1590℃、氧含量为20ppm；
步骤三，在中频感应炉出钢之前启动带有浇铸模具的立式离心机，通过氩气保护浇道将中频感应炉内的钢液和熔渣倒入浇铸模具中进行超重力电渣浇铸；与此同时，向浇铸模具中加入碳化钨粒子，其加入量为钢液重量的4％，在超重力作用下，碳化钨粒子在钢液中均匀弥散分布；钢液的离心速度大于熔渣，熔渣向浇铸模具中心聚集，形成中间温度高、边缘温度低的温度场，铸件由外缘向中心顺序凝固；
步骤四，浇铸结束后，关闭离心机；待浇铸模具冷却后，取出铸件，敲除其表面渣层，即得到TBM刀圈。
实施例2
本实施例提供一种耐磨TBM刀圈，其化学成分按质量百分比计算，包括：C 0.55％、Si 0.8％、Mn 0.25％、Cr 4.4％、Mo 1.5％、V 1.2％、Al 0.03％、W 0.02％、Fe 91.25％。
一种耐磨TBM刀圈的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，提供原材料；
步骤二，将原材料置于中频感应炉进行冶炼，全程氩气保护。冶炼过程中钢液上部覆盖一层冶炼渣，冶炼温度控制在1750℃；冶炼完成后，将中频感应炉出钢温度控制在1660℃、氧含量为30ppm；
步骤三，在中频感应炉出钢之前启动带有浇铸模具的立式离心机，通过氩气保护浇道将中频感应炉内的钢液和熔渣倒入浇铸模具中进行超重力电渣浇铸；与此同时，向浇铸模具中加入碳化钨粒子，其加入量为钢液重量的8％，在超重力作用下，碳化钨粒子在钢液中均匀弥散分布；钢液的离心速度大于熔渣，熔渣向浇铸模具中心聚集，形成中间温度高、边缘温度低的温度场，铸件由外缘向中心顺序凝固；
步骤四，浇铸结束后，关闭离心机；待浇铸模具冷却后，取出铸件，敲除其表面渣层，即得到TBM刀圈。
对比例1
与实施例1不同的是，浇铸过程中不添加碳化钨粒子，其它成分含量及制备方法与实施例1相同。
对比例2
与实施例2不同的是，浇铸过程中不添加碳化钨粒子，其它成分含量及制备方法与实施例2相同。
比较实施例1和2以及对比例1和2得到的TBM刀圈的扫描电镜及能谱图，浇铸过程加入碳化钨粒子后(参见图1和图2)，刀圈中主要含有碳化钨耐磨粒子；未加碳化钨粒子的刀圈中主要含有富钼型碳化物和富钒型碳化物(参见图3和图4)。碳化钨粒子具有高硬度、高密度以及良好的耐磨性能，在超重力电渣浇铸过程中加入碳化钨粒子，碳化钨粒子受超重力作用在刀圈中弥散分布。在刀圈服役过程中，碳化钨粒子可阻碍岩石颗粒对刀圈的磨损损耗，从而提高刀圈的耐磨性能。与未加碳化钨粒子的刀圈相比，加入碳化钨后，刀圈的耐磨性能提高了27％及以上(参见图5)。

Claims (3)

1.一种耐磨TBM刀圈，其特征在于，其钢液化学成分按质量百分比计算，包括：
C 0.45％-0.55％、Si 0.8％-1.2％、Mn 0.25％-0.45％、Cr 4.4％-5.2％、Mo 1.1％-1.5％、V 0.8％-1.2％、Al＜0.04％、W 0.02％-0.04％、余量为Fe；
所述耐磨TBM刀圈的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，提供原材料；
步骤二，将原材料置于中频感应炉进行冶炼，全程氩气保护；冶炼过程中钢液上部覆盖一层冶炼渣，冶炼温度控制在1600℃～1750℃；冶炼完成后，将中频感应炉出钢温度控制在1590℃～1660℃之间；
步骤三，在中频感应炉出钢之前启动带有浇铸模具的立式离心机，通过氩气保护浇道将中频感应炉内的钢液和熔渣倒入浇铸模具中进行超重力电渣浇铸；与此同时，向浇铸模具中加入碳化钨粒子，在超重力作用下，碳化钨粒子在钢液中均匀弥散分布；钢液的离心速度大于熔渣，熔渣向浇铸模具中心聚集，形成中间温度高、边缘温度低的温度场，铸件由外缘向中心顺序凝固；
步骤四，浇铸结束后，关闭离心机；待浇铸模具冷却后，取出铸件，敲除其表面渣层，即得到TBM刀圈；
所述碳化钨粒子的加入量为钢液重量的4％～8％。
2.根据权利要求1所述的耐磨TBM刀圈，其特征在于，所述中频感应炉出钢钢液含氧量为20ppm～30ppm。
3.一种权利要求1～2任一项所述的耐磨TBM刀圈的应用，其特征在于，用作盾构作业。
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