CN113930666A

CN113930666A - 一种tbm用刀座材料的制备方法及应用

Info

Publication number: CN113930666A
Application number: CN202111027757.6A
Authority: CN
Inventors: 于庆增; 宁向可; 高翔; 张啸; 贺开伟; 范书恒
Original assignee: China Railway Engineering Equipment Group Co Ltd CREG
Current assignee: China Railway Engineering Equipment Group Co Ltd CREG
Priority date: 2021-09-02
Filing date: 2021-09-02
Publication date: 2022-01-14
Anticipated expiration: 2041-09-02
Also published as: CN113930666B

Abstract

本发明属于中碳合金钢领域，具体涉及一种TBM用刀座材料的制备方法及应用。该方法包括：(1)加工刀座粗坯；(2)对刀座粗坯进行表面渗碳处理，得到带有渗碳层的刀座；(3)将带有渗碳层的刀座在‑100～‑150℃进行深冷处理，之后恢复到室温，得到经过深冷处理的刀座；(4)将经过深冷处理的刀座在200～300℃的油中进行回火处理，得到经过回火处理的刀座；(5)至少在刀座上与滚刀轴接触部位通过激光熔覆或镀膜形成强化层。本发明中，合理选择刀座材质及处理工艺，赋予材料外硬内韧，耐受冷冲击能力，满足刀座与基体上刀座安装孔的过盈配合设计，解决刀座强度低、易压溃、开裂和更换不方便的问题。

Description

一种TBM用刀座材料的制备方法及应用

技术领域

本发明属于中碳合金钢领域，具体涉及一种TBM用刀座材料的制备方法及应用。

背景技术

岩石隧道掘进机，主要是依靠盘形滚刀挤压岩石达到破碎岩体的目的，滚刀被称为TBM的“牙齿”，刀箱则是牙床，承载着破岩时的交变载荷。随着岩石强度的增加，滚刀挤压破岩的效率逐步下降，滚刀刀箱异常磨损和更换频率也随之增加。由于滚刀刀箱焊接在刀盘上，出现裂纹及开裂现象需要更换时，费时费力且严重影响施工进度，降低掘进效率进而增加隧道施工成本。

公布号为CN111119915A的中国发明专利申请提出一种高强度刀箱，包括外刀箱和内刀箱，外刀箱采用低合金结构钢材料，内刀箱采用低碳中合金结构钢材料，内外刀箱采用焊接的方式连接。在应用中此类刀箱存在下列问题：(1)内、外刀箱工艺复杂，需经过锻造、粗加工、探伤、调质处理、焊接等工艺完成；(2)最终刀箱需焊接在刀盘中，此处焊接工艺要求高，同时焊接易产生较大应力，工作过程中易产生开裂；(3)刀箱与刀盘焊接连接的工艺，造成刀箱更换比较困难。(4)采用装配的方式，在强振动下，螺栓易松动，经常出现螺栓断裂的情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种TBM用刀座材料的制备方法，解决刀座强度低、易压溃、开裂和更换不方便的问题。

本发明的第二个目的在于提供上述方法所得刀座在TBM中的应用。

为实现上述目的，本发明的TBM用刀座材料的制备方法的技术方案是：

一种TBM用刀座材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)加工刀座粗坯；所述刀座粗坯为中碳合金钢，由以下质量分数的组分组成：C：0.30-0.45％、Si：0.2-0.40％、Mn：0.50-0.80％、Cr：0.60-0.90％、Ni：1.25-1.65％、W：0.5-0.8％、Mo：0.15-0.25％、V：0.15-0.20％、Ti：0.07-0.10％，允许残余含量Cu≤0.25％、S≤0.025％、P≤0.025％，余量为铁；

(2)对刀座粗坯进行表面渗碳处理，得到带有渗碳层的刀座；

(3)将带有渗碳层的刀座在-100～-150℃进行深冷处理，之后恢复到室温，得到经过深冷处理的刀座；

(4)将经过深冷处理的刀座在200～300℃的油中进行回火处理，得到经过回火处理的刀座；

(5)至少在刀座上与滚刀轴接触部位通过激光熔覆或镀膜形成强化层。

本发明的刀座材料的制作方法，合理选择刀座材质及处理工艺，赋予材料外硬内韧，耐受冷冲击能力，满足刀座与基体上刀座安装孔的过盈配合设计，解决刀座强度低、易压溃、开裂和更换不方便的问题。

优选的，步骤(2)中，渗碳层的厚度为1～2mm。渗碳层中的C含量为1～1.2％，表面硬度为58-62HRC。采用表面渗碳处理，有利于形成外硬内韧的结构，利于后期精加工时获得高的表面质量，利于过盈装配。

步骤(3)中，采用深冷处理，主要起到以下作用：一方面，表面渗碳处理后，高的碳含量使表面组织中残余奥氏体增多，约达10％左右。深冷处理后残余奥氏体会进一步向马氏体转化，可使表面组织中残余奥氏体下降3％左右，转化的马氏体机械性能好，具有高硬度和高强度的特点；另一方面，深冷处理后，在采用冷装法(-40℃～-60℃)向刀箱孔内安装时，可减缓冷冲击对刀座可能的开裂现象。优选的，步骤(3)中，深冷处理的时间为0.5～1h。

优选的，步骤(4)中，回火处理的时间为0.2～1h。

步骤(5)中，对刀座与滚刀轴接触位置再次进行强化处理，可增强刀座与滚刀轴接触位置的强度，避免高振动下刀座压溃。优选的，步骤(5)中，强化层为PVD离子镀层，镀层材料选自TiCN、TiN、CrN中的一种或多种。

优选的，步骤(5)中，强化层为激光熔覆形成的熔覆层，所述熔覆层为含有碳化物的金属陶瓷涂层。更优选的，所述强化层的厚度为1～5mm。

本发明的刀座在TBM中的应用的技术方案是：

上述方法所得刀座在TBM中的应用，TBM刀盘上设置有若干刀座安装孔，刀座与刀座安装孔过盈配合；或者TBM刀盘上设置有若干刀箱安装孔，刀座与刀箱上的刀座安装孔过盈配合，刀箱通过所述刀箱安装孔安装到TBM刀盘上。

将上述刀座直接应用到刀盘上，或者通过刀箱应用到刀盘上，满足刀座自身强度和连接强度要求，更换方便，解决目前刀箱强度低、易压溃、开裂和更换不方便的问题。

优选的，在刀座安装孔内安装刀座时采用冷装法，温度为-40～-60℃。

附图说明

图1为TBM刀盘布置图；

图1中，1-刀盘本体，2-刀座安装孔；

图2为刀座在刀座安装孔内的安装图；

图2中，11-刀盘面板，12-固定块，13-滚刀，14-刀座，15-拉紧块，16-定位螺栓，17-滚刀刀轴。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。

以下实施例中，对中碳合金钢的表面渗碳处理可参考相关现有技术。可控制渗碳在900-940℃的环境中进行，保温时间3h以上，整个刀座外表面均进行渗碳处理，渗碳层的碳含量达到1％-1.2％。

通过PVD离子镀层形成强化层的技术方案可参考现有技术，控制施镀温度550-560℃，保温时间大于2h，得到1～2mm的强化层即可。TiCN、TiN、CrN等离子镀层均可满足使用要求。

通过激光熔覆形成强化层的技术方案可参考现有技术，控制激光功率大于1kw，扫描速度小于5mm/s，搭接率40％，得到3～5mm的强化层即可。可利用现有激光熔覆粉末，如Ni-WC、Co-合金、Co-Cr-WC等熔覆材料。

一、本发明的TBM用刀座材料的制备方法的具体实施例

实施例1

本实施例的TBM用刀座材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)锻造加工刀座粗坯。刀座粗坯为中碳合金钢，由以下质量分数的组分组成：C：0.4％、Si：0.3％、Mn：0.7％、Cr：0.8％、Ni：1.5％、W：0.7％、Mo：0.2％、V：0.18％、Ti：0.08％，允许残余含量Cu≤0.25％、S≤0.025％、P≤0.025％，余量为铁。

(2)对刀座粗坯进行表面渗碳处理，形成厚度为1～2mm的渗碳层，渗碳层的碳含量为1～1.2％；

通过上述方式进行表面渗碳处理，渗碳后表面C含量达到1％-1.2％，表面硬度58-62HRC，形成外硬内韧的结构，利于后期精加工时获得高的表面质量，利于过盈装配。

(3)将步骤(2)处理后的材料利用液氮进行深冷处理，处理温度为-150℃，保温1h，之后在室温环境中自然升温到室温。

在其他实施情形下，可控制深冷处理温度为-100℃、-125℃，保温0.5h，可获得基本相当的处理效果。

(4)将步骤(3)处理后的材料进行去应力处理，具体地，将材料置于250℃的20#机油中回火0.5h(室温下材料随油共同加热到250℃保持0.5h)。

在其他实施情形下，可控制回火温度为200℃、300℃不等，可获得基本相当的处理效果。

(5)将步骤(4)处理后的材料与滚刀轴接触位置进行表面强化处理。本实施例中，采用激光熔覆方式形成3mm的激光熔覆层(采用Ni-WC熔覆材料)。

在其他实施情形下，激光熔覆层的厚度可以控制为3～5mm，如可以调整为4mm或5mm，从而实现更好的强化作用。强化层也可采用PVD工艺形成TiCN、TiN或CrN层(控制厚度为1～2mm)，或者它们的混合镀层，均可起到相应的强化效果。

实施例2

本实施例的TBM用刀座材料的制备方法，与实施例1的制备方法基本相同，区别之处说明如下：中碳合金钢由以下质量分数的组分组成：C：0.30％、Si：0.2％、Mn：0.50％、Cr：0.60％、Ni：1.25％、W：0.5％、Mo：0.15％、V：0.15％、Ti：0.07％，允许残余含量Cu≤0.25％、S≤0.025％、P≤0.025％，余量为铁。

实施例3

本实施例的TBM用刀座材料的制备方法，与实施例1的制备方法基本相同，区别之处说明如下：中碳合金钢由以下质量分数的组分组成：C：0.45％、Si：0.40％、Mn：0.80％、Cr：0.90％、Ni：1.65％、W：0.8％、Mo：0.25％、V：0.20％、Ti：0.10％，允许残余含量Cu≤0.25％、S≤0.025％、P≤0.025％，余量为铁。

二、本发明的刀座材料的应用的实施例

实施例4

本实施例的刀座材料的应用，主要体现在以下方面：

将刀座、基体上的刀座安装孔精加工至设计尺寸，在-40℃～-60℃下，采用冷装法将刀座安装到基体上的刀座安装孔内，恢复到室温，实现刀座与基体上的刀座安装孔过盈配合。

具体地，如图1所示，基体为刀盘本体1，刀盘本体1上设置有若干刀座安装孔2，刀座与刀座安装孔2过盈配合。

图2显示了刀座在刀座安装孔内的安装图，刀座14与刀盘面板11上的刀座安装孔过盈配合，通过固定块12、拉紧块15、刀座14的配合将滚刀13的滚刀刀轴17固定在刀盘上。刀座与刀座安装孔的过盈连接已经满足强度要求，其中定位螺栓16仅起到辅助定位作用。固定块、拉紧块、刀座的配合详情可参见申请人的前期研究成果，如授权公布号为CN106285707B中的相关内容。

在其他实施情形下，基体也可以为匹配刀座的刀箱，刀箱上设置有与刀座匹配的安装孔，然后将刀箱安装到刀盘本体上预留的刀箱孔内。

三、实验例

本实施例测试各实施例的方法所得刀座(不含强化层)的性能指标，采用GB/T28.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》测试材料的屈服强度，结果如下表1所示；表1中作为对比的常规刀座材料为经过调质处理的42CrMo材料。

表1各刀座材料的性能测试结果

实例编号	屈服强度，MPa
		实施例1	1189
实施例2	1216
		实施例3	1197
常规刀座材料	950

由表1的结果可知，常规刀座材料检测屈服强度在950MPa左右，本实施例测试材料检测屈服强度在1180MPa以上，提高20％。本发明在常规刀座材料基础上优化了Ni元素、加入了W元素，通过热处理工艺，实现了屈服强度的提升。加入V元素增加了整体的耐磨性。

Claims

1.一种TBM用刀座材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(2)对刀座粗坯进行表面渗碳处理，得到带有渗碳层的刀座；

2.如权利要求1所述的TBM用刀座材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，渗碳层的厚度为1～2mm。

3.如权利要求1或2所述的TBM用刀座材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，渗碳层中的C含量为1～1.2％，表面硬度为58-62HRC。

4.如权利要求1所述的TBM用刀座材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，深冷处理的时间为0.5～1h。

5.如权利要求1所述的TBM用刀座材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，回火处理的时间为0.2～1h。

6.如权利要求1所述的TBM用刀座材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，强化层为PVD离子镀层，镀层材料选自TiCN、TiN、CrN中的一种或多种。

7.如权利要求1所述的TBM用刀座材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，强化层为激光熔覆形成的熔覆层，所述熔覆层为含有碳化物的金属陶瓷涂层。

8.如权利要求1或6或7所述的TBM用刀座材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述强化层的厚度为1～5mm。

9.一种如权利要求1～8中任一项所述的方法所得刀座在TBM中的应用，其特征在于，TBM刀盘上设置有若干刀座安装孔，刀座与刀座安装孔过盈配合；或者TBM刀盘上设置有若干刀箱安装孔，刀座与刀箱上的刀座安装孔过盈配合，刀箱通过所述刀箱安装孔安装到TBM刀盘上。

10.如权利要求9所述的应用，其特征在于，在刀座安装孔内安装刀座时采用冷装法，温度为-40～-60℃。