CN114991791B - 一种双金属复合硬岩盾构机刀圈及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明专利涉及盾构机刀圈领域，具体涉及一种双金属复合硬岩盾构机刀圈及制备方法。本发明所述的双金属复合硬岩盾构机刀圈包括内圈和外圈，内圈和外圈通过冶金结合方式相连接，制备方法包括以下两种方法：方法一：先制备好内外圈，再通过连接粉末连接或喷粉后连接的方式实现冶金结合；方法二：先制备好内圈，内圈与外圈粉体材料直接整体复合。本发明的双金属复合硬岩盾构机刀圈同时具有高耐磨性、高韧性，并且内圈和外圈结合牢固。采用的制备方法相比现有的盾构机刀圈制备方法更加简便，且加工温度和产品性能可控。

Description

一种双金属复合硬岩盾构机刀圈及制备方法
技术领域
本发明专利涉及盾构机刀圈领域，具体涉及一种双金属复合硬岩盾构机刀圈及制备方法。
背景技术
目前我国城市轨道交通行业发展如火如荼，特别是近几年一直保持快速发展的势头，隧道挖掘机(Tunnel Boring Machine，简称TBM)作为一种在地铁、铁路、公路、市政、水电等各隧道工程中广泛使用的机器。在TMB中滚刀刀圈是重要组成工件，在工作过程中与岩石表面直接接触，承受刀盘对它的推力和扭力，同时岩石对刀圈产生强烈的冲击与磨损作用，当刀圈应用于硬岩石中如花岗岩中，刀圈受到的冲击和磨损更加剧烈，严重时挖掘6m就要更换刀圈，而更换刀圈时间周期为5～6h，是整个施工过程的1/3,所以生产出一种高强度高耐磨的硬岩盾构机刀圈就尤为重要。目前主要采用以下方式制备盾构机刀圈：H13钢整体铸造加工；在H13钢上进行强化，包含增加合金元素提高耐磨性或表面渗N、B、C等元素；镶嵌硬质合金；激光熔覆涂层等方法。但是H13钢整体耐磨性能差；添加合金元素导致韧性变差；表面渗C、N、B层过薄易损坏且工艺复杂；镶嵌硬质易脱落；激光熔覆温度不可控，导致H13钢晶粒粗大，韧性变差。因此生产出一种兼具耐磨性，韧性高，连接温度可控且工艺简单的硬岩盾构机刀圈尤为必要。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明中提供了一种高韧性高耐磨性的双金属复合硬岩盾构机刀圈及其制备方法。
本发明所述的双金属复合硬岩盾构机刀圈包括内圈和外圈，内圈和外圈通过冶金结合方式相连接。
其中内圈为高韧性材料，用以提高刀圈的抗冲击性，具体来说，可以为中低碳钢，诸如Q235、20钢、H13钢、20Cr钢、40Cr钢、40CrMo钢、42CrMoV钢、40钢或45钢，内圈材料性能指标为：冲击功21～100J/mm2，硬度30～46HRC。
外圈为耐磨材料，用以承担刀圈与岩石之间的摩擦，具体来说，外圈采用的耐磨材料的元素成分可以为：C:1～6％、Si:0.1～1.0％、Cr:0～21％(优选4～16％)、Mo:0～10％、Mn:0～20％、Ti:0～10％、Ni:0～20％、V:0～10％、Nb:0～3％、W:0～20％、P:0～0.02％、S:0～0.01％，B：1～4％余量为Fe和不可避免的杂质，外圈耐磨材料的性能指标为：冲击功1.5～6J/mm2，硬度60～75HRC。
内圈与外圈可以通过添加连接粉末或喷涂粉体并烧结的方式或者整体复合的方式进行冶金结合连接。本发明的双金属复合硬岩盾构机刀圈有通过冶金结合的内外圈，同时具有高耐磨性，高韧性等优点，可应用于硬岩挖掘，克服了现有硬岩盾构机刀圈存在的以下缺点：单一耐磨刀圈韧性差或耐磨性差，表面渗N、B、C等层过薄；堆焊硬质合金刀圈在堆焊过程中硬质合金可焊性差，产生裂纹缺陷；激光熔覆温度不可控。
本发明所述的双金属复合硬岩盾构机刀圈的制备方法可采用以下两种方法中的一种：
方法一为先制备好内外圈，再进行冶金结合的方法：
(1)按照刀圈形状，制备相应材料的内圈和外圈。
内圈的制备方法为将中低碳钢等韧性材料通过车削加工的方式，按照设计的形状加工成粗糙度Ra为200～400μm盾构机内圈。
外圈的制备方法为按照外圈形状准备好型腔，型腔可为Al2O3砂型或者水玻璃砂型。按照外圈材料的设计的元素成分，称量并配制外圈粉体材料加入熔炼炉中，加热至外圈粉体材料液相区后倒入型腔中浇铸成型，将成型铸件通过车削加工方式加工成粗糙度Ra为200～400μm的外圈。
内圈和外圈之间在尺寸上需要留出一定的间隙，约1～6mm。
内圈和外圈的表面均加工成粗糙度Ra为200～400μm的目的是为了便于后续的冶金结合。
(2)采用以下两种方式之一连接内圈和外圈：
采用连接粉末连接：将内圈和外圈摆放好，内圈在里，外圈在外，将连接粉末添加在内圈和外圈之间的间隙处，将内圈、外圈、连接粉末整体放置于气体保护炉中，加热至连接粉末液相区，通过冶金结合的方式将外圈和内圈连接在一起，冷却出炉。
采用喷粉后连接：通过喷粉机向内圈外壁喷涂粉体，调整喷涂粉末的厚度来填充外圈和内圈之间的间隙。将内圈摆放好，将外圈套在内圈上，整体放置于氩气气体保护炉中，加热至所喷涂粉体的熔点，通过冶金结合的方式将外圈和内圈连接在一起，冷却出炉。
如果采用喷粉后连接的连接方式，可将喷粉后的内圈外壁加工成粗糙度Ra为200～400μm，以便于冶金结合。
(3)将连接后的内圈和外圈通过车床进行进一步精加工，加工成刀圈的设计形状。
所述的连接粉末和喷涂的粉末可为低熔点的铁基或镍基材料粉末，此处“低熔点”是指熔点为1100～1300℃。具体来说，连接粉末可为以下元素成分：C:0.1～20％、B:0.1～4％、Si:0～4.50％、Cr:0～21％、Mo:0～4.0％、Ni:0～70.0％，余量为Fe。
方法二为采用内圈与外圈粉体材料直接整体复合的方法：
(1)按照刀圈形状，制备相应材料的内圈，内圈的制备方法与方法一相同；按照外圈材料的元素成分，配制外圈粉体材料。
(2)将内圈摆放好，按照刀圈外圈形状制备型腔，型腔可为Al2O3砂型或者水玻璃砂型。将制备好的型腔和内圈摆放好，将配制好的外圈粉体材料放入型腔，将内圈、型腔、外圈粉体材料整体放入气体保护炉中，加热至外圈粉体材料的液相区进行保温，通过冶金结合使外圈材料与内圈连接在一起，冷却出炉。优选地，保温时间为30～60min。
(3)将连接后的内圈和外圈通过车床进行进一步精加工，加工成刀圈的设计形状。
上述方法一或方法二的步骤(2)中，加热至连接粉末液相区、加热至所喷涂粉体的熔点或加热至外圈粉体材料的液相区的过程中，采用如下方法，先加热至800～900℃的排气温度保温30min，并进行排气，后加热至设定温度保温30～45min，使元素进行充分扩散，内圈与外圈进行冶金结合。所述设定温度对于“方法一-连接粉末连接”而言，是指连接粉末液相区；对于“方法一-喷粉后连接”而言，是指所喷涂粉体的熔点；对于方法二而言，是指外圈粉体材料的液相区。
在上述内容中，所有的成分百分比都是指质量百分比。
采用上述制备方法可以在约1130～1420℃的温度范围内实现双金属复合硬岩盾构机刀圈内圈和外圈的冶金结合，采用连接粉体或喷涂粉体的方法一需要的温度相对较低，采用整体复合的方法二需要的温度相对较高。
本发明的有益效果：本发明的双金属复合硬岩盾构机刀圈同时具有高耐磨性、高韧性，并且内圈和外圈结合牢固。采用的制备方法相比现有的盾构机刀圈制备方法更加简便，且加工温度和产品性能可控。
附图说明
图1为实施例1外圈粉体材料加热成液相过程中的升温曲线。
图2为实施例1外圈和内圈连接过程中的升温曲线。
图3为实施例1连接后的内圈与外圈交界处的SEM图像。
图4为实施例1连接后的内圈与外圈交界处的显微硬度。
图5为实施例3的连接原理图，其中：1-内圈，2-喷涂粉体，3-外圈。
图6为实施例4连接后的内圈与外圈交界处的金相图。
图7为实施例4连接后的内圈与外圈交界处的显微硬度变化曲线。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的方案和效果做详细说明，实施例不代表对本发明范围的限定。
实施例1
一种双金属复合硬岩盾构机刀圈，制备方法如下：
(1)外圈制备：外圈为耐磨材料，其各元素成分为：C:6％、Cr:20％、Mo:4％、W:15％、Ti:1％、Si:1％、V:0.6％、Nb:0.5％，余量为Fe及不可避免的杂质。按成分比例称量相应粉体，在熔炼炉中加热至1420℃形成液相，具体来说，先以升温速率8℃/min加热至850℃，在850℃保温30min，再以升温速率7℃/min加热至1420℃。外圈的冲击功为4.5J/mm2，图1为这一加热过程的升温曲线。
准备好氧化铝型腔，将液相的外圈材料倒入型腔中进行浇铸，随炉冷却获得外圈的成型铸件。通过车削加工的方法将其加工成粗糙度Ra为200～400μm的盾构机外圈。
内圈制备：内圈材料为45#钢，冲击功为56J/mm2，通过车削加工的方法将其加工成粗糙度Ra为200～400μm盾构机内圈。
(2)将内圈和外圈摆放好位置，其间间隔为1～4mm，将连接粉末添加到内圈和外圈之间，整体放入到氩气保护炉中，利用真空泵抽真空，再向炉中通入氩气，反复三次，以升温速率8℃/min加热至850℃，在850℃保温30min进行放气，再以升温速率7℃/min加热至1210℃，在1210℃保温30min后随炉冷却，图2为这一过程的升温曲线。
所用的连接粉末中各元素成分为C1.70％、B 2.70％、Si 4％、Cr 17.0％、Mo3.0％、Ni 45.0％余量为Fe及不可避免杂质。
(3)将连接好的内圈和外圈通过车床加工成型。
制成的刀圈在内圈和外圈结合处的SEM照片如图3所示，可以看出内圈和外圈之间形成了牢固的冶金结合层，与内圈和外圈均结合良好且过渡均匀。在该区域从内圈到外圈的显微硬度变化如图4所示，从显微硬度的变化可以看出，内圈和外圈的硬度变化平稳且连续，容易形成性能互补，且不会轻易出现失效。
实施例2
一种双金属复合硬岩盾构机刀圈，制备方法如下：
(1)外圈制备：外圈为耐磨材料，其各元素成分为：C:4％、Cr:17％、Mo:2％、W:7％、V:3％、P:0.02％、S:0.01％余量为Fe。按成分比例称量相应粉体，在熔炼炉中加热至1400℃形成液相，具体来说，先以升温速率8℃/min加热至850℃，在850℃保温30min，再以升温速率7℃/min加热至1400℃。
准备好氧化铝型腔，将液相的外圈材料倒入型腔中进行浇铸，自然冷却获得外圈的成型铸件。通过车削加工的方法将其加工成粗糙度Ra为200～400μm的盾构机外圈。
内圈制备：内圈材料为H13钢，通过车削加工的方法将其加工成粗糙度Ra为200～400μm盾构机内圈。
(2)将内圈和外圈摆放好位置，其间间隔为1～4mm，将连接粉末添加到内圈和外圈之间，整体放入到氩气保护炉中，利用真空泵抽真空，再向炉中通入氩气，反复三次，以升温速率8℃/min加热至850℃，在850℃保温30min进行放气，再以升温速率7℃/min加热至1250℃，在1250℃保温30min后随炉冷却。
所用的连接粉末中各元素成分为：C:15％、Cr:15％、Mo:4％、Ni:6％、B:1％，余量为Fe。
(3)将连接好的内圈和外圈通过车床加工成型。
实施例3
一种双金属复合硬岩盾构机刀圈，制备方法如下：
(1)外圈制备：外圈为耐磨材料，其各元素成分为：C:6％、Cr:21％、Mo:4％、W:10％、V:2％，余量为Fe。按成分比例称量相应粉体，在熔炼炉中加热至1400℃形成液相，具体来说，先以升温速率8℃/min加热至850℃，在850℃保温30min，再以升温速率7℃/min加热至1400℃。
准备好氧化铝型腔，将液相的外圈材料倒入型腔中进行浇铸，自然冷却获得外圈的成型铸件。通过车削加工的方法将其加工成粗糙度Ra为200～400μm的盾构机外圈。
内圈制备：内圈材料为40CrMo钢，通过车削加工的方法将其加工成粗糙度Ra为200～400μm盾构机内圈。
(2)在内圈上用喷粉机喷316L粉，喷粉厚度2～6mm，根据内外圈的间隙大小进行调整，用车床将喷粉后的内圈表面加工成粗糙度Ra为200～400μm。将内圈摆放好，将外圈套在内圈上。这一过程如图5所示。将内圈和外圈整体放置于氩气气体保护炉中，抽真空，通入氩气，加热至900℃，升温速率为8℃/min,在900℃保温60min，加热至1280℃，升温速率为10℃/min,在1280℃保温40min，之后随炉冷却，完成内圈和外圈的连接。
(3)将连接好的内圈和外圈通过车床加工成型。
实施例4
(1)内圈制备：内圈材料为45#钢，将通过车削加工的方法将其加工成粗糙度Ra为200～400μm盾构机内圈。
配制外圈粉体材料：外圈为耐磨材料，各元素成分为：C:6％、Cr:20％、Mo:4％、W:15％、Ti:1％、Si:1％、V:0.6％、Nb:0.5％，余量为Fe及不可避免的杂质。配制外圈粉体材料所用的原料包括200目钼铁，600目石墨粉，60目铁粉，60目铬铁和80目钨铁，将称量好的粉体通过星摇式混粉机混1小时。
(2)将内圈摆放好，按照刀圈外圈形状制备型腔，将制备好的型腔和内圈摆放好，将配制好的外圈粉体材料放入型腔。将内圈、型腔、外圈粉体材料整体放入气体保护炉中，利用真空泵抽真空，再向炉中通入氩气，加热至800℃(升温速率为8℃/min)，在800℃保温30min进行放气，再加热至1380℃(升温速率为7℃/min)，在1380℃保温30min，后随炉冷却。
(3)将连接后的内圈和外圈通过车床加工成型。
制成的刀圈在内圈和外圈结合处的金相照片如图6所示，在该区域从内圈到外圈的显微硬度变化如图7所示，可以看出同实施例1中的先制备好内圈和外圈再进行连接的方法一样，实施例4中采用整体复合的方法同样在内圈和外圈之间形成了牢固的冶金结合层，且内圈和外圈的硬度变化平稳、连续。
实施例5
与实施例3基本相同，区别在于外圈材料成分为：C:2.4％、Cr:17％、Mo:6％、W:2％、Ti:5％、Si:1％、V:0.6％、Nb:0.5％，余量为Fe及不可避免的杂质，步骤(1)加热至液相需要的温度为1350℃；内圈材料具体为Q235；喷涂的熔焊粉末成分：C:1％、Cr:3％、Mo:1％、Ni:45％、B:1％，余量为Fe及不可避免的杂质，步骤(2)加热至液相需要的温度为1245℃。
实施例6
与实施例4基本相同，区别在于外圈材料成分为：C:5％、Cr:16％、Mn:4％、Mo:6％、W:14％、Ti:3％、Si:1％、V:4％、Nb:0.5％，余量为Fe及不可避免的杂质；内圈材料具体为Q235。步骤(2)加热至液相需要的温度为1390℃。
实施例7
与实施例4基本相同，区别在于外圈材料成分为：C:4.3％、Cr:15％、Mn:3％、Mo:6％、Ti:10％、Si:1％、V:4％、Nb:0.5％，余量为Fe及不可避免的杂质；内圈材料具体为20Cr钢。步骤(2)加热至液相需要的温度为1380℃。
实施例8
与实施例3基本相同，区别在于外圈材料成分为：C:2％、Cr:5％、Mn:3％、Mo:6％、Ti:10％、Si:1％、V:9％、Nb:0.5％，余量为Fe及不可避免的杂质，步骤(1)加热至液相需要的温度为1360℃；内圈材料具体为40CrMo钢；喷涂的熔焊粉末成分：C:0.1％、Cr:4％、Mo:0.5％、Ni:55％、B:1％，步骤(2)加热至液相需要的温度为1220℃。

Claims (7)

1.一种双金属复合硬岩盾构机刀圈的制备方法，其特征在于，刀圈包括内圈和外圈，内圈为韧性材料，外圈为耐磨材料，内圈和外圈通过冶金结合方式相连接；其制备方法采用以下方法：
(1)按照刀圈形状，制备相应材料的内圈和外圈；
(2)采用以下两种方式之一连接内圈和外圈：
采用连接粉末连接：将内圈和外圈摆放好，内圈在里，外圈在外，中间留出间隙，将连接粉末添加在内圈和外圈之间，将内圈、外圈、连接粉末整体放置于气体保护炉中，加热至连接粉末液相区，通过冶金结合的方式将外圈和内圈连接在一起，冷却出炉；
喷粉后连接：通过喷粉机向内圈外壁喷涂粉体，将内圈摆放好，将外圈套在内圈上，整体放置于氩气气体保护炉中，加热至所喷涂粉体的熔点，通过冶金结合的方式将外圈和内圈连接在一起，冷却出炉；
(3)将连接后的内圈和外圈通过车床加工成型；
所述内圈的制备方法为将韧性材料通过车削加工的方式，按照设计的形状加工成粗糙度Ra为200～400μm盾构机内圈；所述外圈的制备方法为：按照外圈形状准备好型腔；按照外圈材料的元素成分，称量并配制外圈粉体材料加入熔炼炉中，加热至外圈粉体材料液相区后倒入型腔中浇铸成型，将成型铸件通过车削加工方式加工成粗糙度Ra为200～400μm的外圈；所述方法中采用喷粉后连接的方式连接内圈和外圈时，将喷涂粉末后的内圈外壁加工成粗糙度Ra为200～400μm；
所述方法在加热至连接粉末液相区、加热至所喷涂粉体的熔点的过程中，首先加热至800～900℃的排气温度进行排气，升温速度为6～10℃/min，在排气温度的保温时间为30～60min，之后加热至连接粉末的液相区、所喷涂粉体的熔点，升温速度为6～10℃/min，保温时间为30～40min。
2.根据权利要求1所述的一种双金属复合硬岩盾构机刀圈的制备方法，其特征在于，外圈耐磨材料包括以下成分：C:1～6％、Si:0.1～1.0％、Cr:0～21％、Mo:0～10％、Mn:0～20％、Ti:0～10％、Ni:0～20％、V:0～10％、Nb:0～3％、W:0～20％、P:0～0.02％、S:0～0.01％，余量为Fe和不可避免的杂质；内圈韧性材料为中低碳钢。
3.根据权利要求1所述的一种双金属复合硬岩盾构机刀圈的制备方法，其特征在于，内圈材料的冲击功为21～100J/mm2，硬度为30～46HRC；外圈材料的冲击功为1.5～6J/mm2，硬度为60～75HRC。
4.根据权利要求2所述的一种双金属复合硬岩盾构机刀圈的制备方法，其特征在于，所述中低碳钢为Q235、20钢、H13钢、20Cr钢、40Cr钢、40CrMo钢、42CrMoV钢、40钢或45钢中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种双金属复合硬岩盾构机刀圈的制备方法，其特征在于，所述连接粉末、喷涂的粉体为镍基或铁基材料粉末。
6.根据权利要求5所述的一种双金属复合硬岩盾构机刀圈的制备方法，其特征在于，所述连接粉末的成分为：C:0.1～20％、B:0.1～4％、Si:0～4.50％、Cr:0～21％、Mo:0～4.0％、Ni:0～70.0％，余量为Fe。
7.根据权利要求1所述的一种双金属复合硬岩盾构机刀圈的制备方法，其特征在于，所述方法中，制备好的内圈和外圈留有间隙；
采用连接粉末连接内圈和外圈时，用连接粉末填满这一间隙；采用喷粉后连接的方法连接内圈和外圈时，调整喷涂粉末的厚度填充这一间隙。
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