CN115011961A

CN115011961A - 一种滚刀自润滑耐磨涂层制作工艺

Info

Publication number: CN115011961A
Application number: CN202210667809.4A
Authority: CN
Inventors: 何林恺
Original assignee: University of Shaoxing
Current assignee: University of Shaoxing
Priority date: 2022-06-14
Filing date: 2022-06-14
Publication date: 2022-09-06

Abstract

本发明涉及表面处理技术领域，且公开了一种滚刀自润滑耐磨涂层制作工艺，包括以下具体步骤：步骤1、现将硬质相粉末与自熔性粉末倒入球磨罐中，加入适量无水乙醇，使用行星球磨机混合，使硬质相与自熔性粉末充分混合均匀；步骤2、将步骤1中所制备粉末混合物加入球磨罐中，并在球磨罐中加入固体润滑剂粉末，补充适量无水乙醇，进行混合；步骤3、待步骤2中的粉末混合完后用真空干燥箱进行烘干，得到自润滑耐磨涂层原料粉末。本发明通过固体润滑剂和硬质相减摩耐磨的协同作用，使得滚刀耐磨性有很大提升，而复合涂层能适应滚刀复杂的工作环境，最后激光熔覆工艺使得涂层与滚刀冶金结合，界面结合强度高，不易脱落。

Description

一种滚刀自润滑耐磨涂层制作工艺

技术领域

本发明涉及表面处理技术领域，具体为一种滚刀自润滑耐磨涂层制作工艺。

背景技术

随着地下工程快速开挖的需要和科学技术水平的提高，隧道掘进机施工技术在中国得到了快速应用和发展。全断面硬岩掘进机(TunnelBoringMachine,TBM)作为交通建设的重要设备，因其高效、安全、经济已被广泛应用于我国隧道及地下工程中。在TBM施工过程中，依靠盘形滚刀挤压岩石达到破碎岩体的目的。

滚刀直接作用于开挖面，工作环境恶劣，受力复杂，是最易损坏的工件之一，也是TBM的关键技术之一。频繁的滚刀维护和更换不仅严重制约了施工进度，也极大地增加了施工成本。我国秦岭隧道进、出口TBM施工换刀原因统计分析中，正常磨损失效是滚刀失效的主要形式，在隧道进口TBM施工换刀原因中占比达57.2％，在出口换刀原因中占比达79.7％，刀具成本约占掘进施工成本的1/3。提升涂层耐磨性是提高滚刀使用寿命和施工效率的关键。

目前滚刀生产厂家采用电渣重熔、多向锻造和超细化处理对钢材微观结构优化。优化后的耐磨层主体仍然是钢，滚刀的硬度和强度有一定提升，耐磨性和耐磨层厚度提升相对有限。表面涂层技术可选用的涂层材料广泛，特定性能提升明显，处理方式对基体影响小，对滚刀表面耐磨层工艺研究具有重要意义。

常见的耐磨层通过添加硬质合金或陶瓷颗粒提高涂层硬度和耐磨性，然而涂层韧性差，易断裂，均匀性差，易产生裂纹。TBM滚刀耐磨涂层的设计中，希望能在涂层和岩石之间表面形成质地柔软的润滑转移膜来减少岩石对滚刀的直接刮擦。针对TBM滚刀复杂的工作环境，单一涂层并不能同时满足减小摩擦系数和降低磨损率的需求。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种滚刀自润滑耐磨涂层制作工艺，具备延长滚刀服役寿命，提高掘进效率，降低施工成本和周期，具有显著的经济效益和社会效益的优点，解决了常见的耐磨层通过添加硬质合金或陶瓷颗粒提高涂层硬度和耐磨性，然而涂层韧性差，易断裂，均匀性差，易产生裂纹的问题。

(二)技术方案

为实现上述具备延长滚刀服役寿命，提高掘进效率，降低施工成本和周期，具有显著的经济效益和社会效益的目的，本发明提供如下技术方案，一种滚刀自润滑耐磨涂层制作工艺，包括以下具体步骤：

(1)、先将硬质相粉末与自熔性粉末倒入球磨罐中，加入适量无水乙醇，使用行星球磨机混合，转速为180-300r/min，混合时间为5-12h，使硬质相与自熔性粉末充分混合均匀，所述硬质相粉末为WC、TaC、NbC、CrC、TiB2硬质陶瓷相和以Co、Ni为粘接剂的硬质合金，所述自熔性粉末为铁基自熔性粉末；

(2)、将步骤1中所制备粉末混合物加入球磨罐中，并在球磨罐中加入固体润滑剂粉末，补充适量无水乙醇，调整转速为150-240r/min，混合时间为3-7h，进行混合，所述固体润滑剂粉末为MoS2、WS2、石墨、DLC(类金刚石)中的一种或多种；

(3)、待步骤2中的粉末混合完后用真空干燥箱70℃进行烘干，得到自润滑耐磨涂层原料粉末；

(4)、对滚刀表面进行去除氧化皮和杂质的步骤，待滚刀表面氧化皮和杂质去除完成后，将步骤3中得到的混合粉末预铺在滚刀表面，铺粉厚度0.5-1.0mm；

(5)、采用多道法激光熔覆工艺，设置激光工艺参数为频率6.0-12.0HZ，离焦量0mm，搭接率50％，固定电流为140-200A，扫描速度190-250mm/min，脉宽4-10ms，在滚刀表面涂覆自润滑耐磨涂层。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种滚刀自润滑耐磨涂层制作工艺，具备以下有益效果：

本发明通过固体润滑剂和硬质相减摩耐磨的协同作用，使得滚刀耐磨性有很大提升；复合涂层能适应滚刀复杂的工作环境，并调整配方进行地层适应性匹配；激光熔覆工艺使得涂层与滚刀冶金结合，界面结合强度高，不易脱落。因此，设计自润滑耐磨涂层能延长滚刀服役寿命，提高掘进效率，降低施工成本和周期，具有显著的经济效益和社会效益。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中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做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。

实施例一：

一种滚刀自润滑耐磨涂层制作工艺，包括以下具体步骤：

步骤1、分别称量重量比为8.0％WC粉末、3.0％MoS2粉末和89.0％Fe55自熔性粉末，且WC粉末、MoS2粉末和Fe55自熔性粉末的粒径分别在1um、10um和70um，备用；

步骤2、将步骤1中所称量重量比为8.0％WC粉末与89.0％Fe55自熔性粉末倒入球磨罐中，加入适量无水乙醇，使用行星球磨机混合，转速为240r/min，混合时间为8h，使WC粉末与Fe55自熔性粉末充分混合均匀；

步骤3、打开球磨罐，加入步骤1中所称量重量比为3.0％MoS2粉末，补充适量无水乙醇，调整转速为200r/min，混合时间为3h；

步骤4、待步骤3中粉末混合完后用真空干燥箱70℃进行烘干，得到MoS2-WC自润滑耐磨涂层原料粉末；

步骤5、对H13钢表面进行去除氧化皮和杂质的步骤，并在去除完成后，将步骤(4)得到的MoS2-WC粉末预铺在表面，铺粉厚度0.8mm；

步骤6、采用多道法激光熔覆工艺，设置激光工艺参数为频率8.0HZ，离焦量0mm，搭接率50％，固定电流为190A，扫描速度200mm/min，脉宽6ms，在滚刀表面涂覆致密平整的MoS2-WC自润滑耐磨涂层；

步骤7、对涂覆后的滚刀和H13钢采用往复摩擦试验和磨耗比仪进行测试，MoS2-WC自润滑耐磨涂层摩擦系数约为0.5，磨损率为H13钢的8％。

实施例二：

一种滚刀自润滑耐磨涂层制作工艺，包括以下具体步骤：

步骤1、分别称量重量比为6.0％NbC粉末、8.0％WS2粉末和86.0％Fe60自熔性粉末(100μm)，且NbC粉末、WS2粉末和Fe60自熔性粉末的粒径分别在1um、10um和100um，备用；

步骤2、将重量比为6.0％NbC粉末与86.0％Fe60自熔性粉末倒入球磨罐中，加入适量无水乙醇，使用行星球磨机混合，转速为280r/min，混合时间为12h，使NbC粉末与Fe60自熔性粉末充分混合均匀；

步骤3、打开球磨罐，加入重量比为8.0％WS2粉末，补充适量无水乙醇，调整转速为240r/min，混合时间为6h；

步骤4、带步骤3中粉末混合完后用真空干燥箱70℃进行烘干，得到WS2-NbC自润滑耐磨涂层原料粉末；

步骤5、对H13钢表面进行去除氧化皮和杂质的步骤，待去除完成后，将步骤4中所得到的WS2-NbC粉末预铺在表面，铺粉厚度0.7mm；

步骤6、采用多道法激光熔覆工艺，设置激光工艺参数为频率8.0HZ，离焦量0mm，搭接率50％，固定电流为210A，扫描速度180mm/min，脉宽8ms，在滚刀表面涂覆致密平整的WS2-NbC自润滑耐磨涂层；

步骤7、对涂覆后的滚刀和H13钢采用往复摩擦试验和磨耗比仪进行测试，WS2-NbC自润滑耐磨涂层摩擦系数约为0.6，磨损率为H13钢的6％。

综上所述，本发明具有以下优点：

1、本发明利用固体润滑剂具有的层状结构，层内由Mo-S(W)-Mo、C-C等共价键牢固结合，层间通过弱范德华相互作用连接在一起，因此，具有较低的剪切应力，使得滚刀与岩石摩擦过程中收到很小的力便能产生滑移能力，减小滚刀与岩石摩擦产生的摩擦热。

2、本发明添加的涂层硬质相，既作为骨架材料支撑涂层，提高涂层硬度，又可作为耐磨相降低岩石对滚刀的磨蚀，减小磨损率，与固体润滑剂形成减摩耐磨的协同作用。

3、本发明采用铁基自熔性粉末作为粘接剂，与硬质相粘结性好，形成的耐磨涂层与滚刀粘结力强。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种滚刀自润滑耐磨涂层制作工艺，其特征在于，包括以下具体步骤：

步骤1、现将硬质相粉末与自熔性粉末倒入球磨罐中，加入适量无水乙醇，使用行星球磨机混合，使硬质相与自熔性粉末充分混合均匀；

步骤2、将步骤1中所制备粉末混合物加入球磨罐中，并在球磨罐中加入固体润滑剂粉末，补充适量无水乙醇，进行混合；

步骤3、待步骤2中的粉末混合完后用真空干燥箱进行烘干，得到自润滑耐磨涂层原料粉末；

步骤4、对滚刀表面进行去除氧化皮和杂质的步骤，待滚刀表面氧化皮和杂质去除完成后，将步骤3中得到的混合粉末预铺在滚刀表面；

步骤5、采用多道法激光熔覆工艺，在滚刀表面涂覆自润滑耐磨涂层。

2.根据权利要求1所述的一种滚刀自润滑耐磨涂层制作工艺，其特征在于：所述步骤1中行星球磨机转速为180-300r/min，混合时间为5-12h。

3.根据权利要求2所述的一种滚刀自润滑耐磨涂层制作工艺，其特征在于：所述步骤1中硬质相粉末为WC、TaC、NbC、CrC、TiB2硬质陶瓷相和以Co、Ni为粘接剂的硬质合金，自熔性粉末为铁基自熔性粉末。

4.根据权利要求1所述的一种滚刀自润滑耐磨涂层制作工艺，其特征在于：所述步骤2中球磨罐的转速为150-240r/min，混合时间为3-7h。

5.根据权利要求1所述的一种滚刀自润滑耐磨涂层制作工艺，其特征在于：所述步骤2中固体润滑剂粉末为MoS2、WS2、石墨、DLC(类金刚石)中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的一种滚刀自润滑耐磨涂层制作工艺，其特征在于：所述步骤3中的中空干燥箱温度为70℃，所述步骤4中混合粉末的涂粉厚度在0.5-1.0mm。

7.根据权利要求1所述的一种滚刀自润滑耐磨涂层制作工艺，其特征在于：所述步骤5中激光工艺参数为频率6.0-12.0HZ，离焦量0mm，搭接率50％，固定电流为140-200A，扫描速度190-250mm/min，脉宽4-10ms。