CN115354225A

CN115354225A - 原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈及制备方法

Info

Publication number: CN115354225A
Application number: CN202210963344.7A
Authority: CN
Inventors: 周谟金; 刘洲; 蒋业华
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2022-08-11
Filing date: 2022-08-11
Publication date: 2022-11-18

Abstract

本发明属于复合滚刀刀圈技术领域，公开了一种原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈及制备方法，所述原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈按照质量百分比计，由C：0.32～0.45％，Si：0.80～1.20％，Mn：0.20～0.50％，Cr：4.75～5.50％，Mo：1.10～1.75％，V：0.80～1.20％，P≤0.030％，S≤0.030％，Nb：5％～20％，以及余量Fe制备而成。本发明提出了一种原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈的制备方法，刀圈表面耐磨性能更好，有效的提高了滚刀刀圈的使用寿命，解决了目前常用滚刀刀圈耐磨性能差、维护成本高等难题。

Description

原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈及制备方法

技术领域

本发明属于复合滚刀刀圈技术领域，尤其涉及一种原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈及制备方法。

背景技术

目前，盾构机是隧道挖掘机的一种，全称为盾构隧道挖掘机，即采用盾构法完成支撑，挖掘隧道的工作。由于山体岩石的高硬度、高强度与地质条件的复杂性，以及强挤压、大扭矩、强冲击、高磨损的恶劣工况，盾构刀具成为掘进过程中最易损坏的零部件。据统计，实际工程中，检查更换盾构机刀具，维修刀座大约占整个工程作业时间的1/3，用于刀具的费用占到掘进施工费用的1/3。现有盾构机滚刀刀圈采用模锻成形方法，锻造火次较多且成形后的工序繁杂，影响生产效率。中国发明专利CN112705656 A提出一种H13E盾构滚刀刀圈成形工艺，镦粗后利用胎模成型，成型后冲孔轧制，降低了胚料的加热次数为两次，并且利用轧制过程中的模具减少了切边、吹砂的工序，大大降低刀圈制造时间，但是对设备的要求较高，需使用专业的高精度模锻设备，不易操作，增加了制造难度。中国发明专利CN103484783A提出一种盘形滚刀刀圈合金及其制备方法，其制备方法包括将原料真空感应熔炼、浇铸、锻造、球化退火、气体渗碳、真空淬火和二次回火，使盾构刀圈同时硬度高而且韧性好，但后续使用中渗碳层剥落，导致工作面高低不平，降低了使用效率。中国发明专利CN111822675A提出一种稀土耐磨合金钢破岩滚刀刀壳离心铸造工艺，采用双金属铸造工艺，外层采用稀土耐磨合金钢浇注，内层采用低碳合金钢浇注，通过在耐磨合金钢中加入稀土，优化稀土耐磨合金钢各组分配比，提高破岩滚刀刀壳的强度及耐磨性能，但由于在浇注过程中需要二次浇注，对工艺参数的要求高，刀壳内表面可能提前凝固，铸钢件内易产生缩孔缺陷。中国发明专利CN112080705A提出滚刀刀圈及制备方法，其特征在于添加一定的Ti元素、V元素和B元素，提高强度，同时提高淬透性和淬硬层深度，综合力学性能更好，提高了滚刀刀圈的使用寿命。但是该方法生产工艺较为复杂，制备周期长，制备难度较大，生产成品的过程不好把控等一些问题，增加生产成本，较难实施大规模的生产应用。

失效刀具异常损坏形式主要有：刀圈偏磨、刀圈卷刃、刀圈断裂、刀圈崩刃、刀圈脱落、刀轴断裂等，所以根据这些情况，要求刀圈不仅要有高的耐磨性和硬度，还要有更加好的冲击韧性。国外主要采用X50CrVMo5号钢和AISI430钢，国内主要采用的滚刀用钢有9Cr2Mo、5CrMoSiV1和5CrMoSiV钢，但是仍然有耐磨性差、使用寿命短等问题。

盾构机用滚刀刀圈最初一直采用的是模锻成形的方式，模锻成形的方式，基本工序为制坯→模锻成形→切边→吹砂，锻造火次在3～5火次。但是，锻造火次较多且成形后的工序繁杂，影响生产效率。模锻成形不仅对设备要求高，同时对模具的精度要求也很高，导致模具的生产成本高、制作周期长，同时模具设计的复杂程度相较于普通的胎模也要大很多。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有的滚刀用钢存在耐磨性差、使用寿命短等问题。

(2)现有盾构机用滚刀刀圈的模锻成形方法中，锻造火次较多且成形后的工序繁杂，影响生产效率。

(3)现有的模锻成形对设备和模具的精度要求较高，导致模具的生产成本高、制作周期长，同时模具设计的复杂程度相较于普通的胎模也要大很多。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈及制备方法。

本发明是这样实现的，一种原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈，所述原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈按照质量百分比计，由C：0.32～0.45％，Si：0.80～1.20％，Mn：0.20～0.50％，Cr：4.75～5.50％，Mo：1.10～1.75％，V：0.80～1.20％，P≤0.030％，S≤0.030％，Nb：5％～20％，以及余量Fe制备而成。根据原位自生原理，基体本身的元素不改变，通过加入不同含量的Nb元素，使之与C元素自发反应生成不同体积分数的NbC颗粒，增强刀具的耐磨性。

进一步，所述原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈基体硬度≥60HRC，冲击韧性≥20J/cm²。

进一步，作为改进，所述原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈原料采用45#钢，并通过添加中间合金调整合金各元素含量比例。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述的原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈的制备方法，所述原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈的制备方法包括：

通过原位生成法根据H13钢的成分配置生成出含5vol％NbC、10vol％NbC、15vol％NbC、20vol％NbC，并采用离心铸造工艺制备出盾构机复合滚刀刀圈。

进一步，所述原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈的制备方法包括以下步骤：

步骤一，配置原料在电频感应炉中熔炼；

步骤二，进行保温层设计和铸型的预热；

步骤三，进行浇注时的温度设定；

步骤四，进行离心铸造工艺转速设定；

步骤五，对复合刀圈进行热处理。

进一步，所述步骤二中的保温层设计包括：

采用水玻璃砂作为保温层，通过环状模具镶嵌入铸型中，将混好的水玻璃砂填充到间隙中，吹二氧化碳气体使保温层凝固完全后取出模具，保证保温砂层的圆整性和同一性；其中，所述保温层的厚度为15mm。

进一步，所述步骤三中的铸型的预热包括：

金属液浇注前需要对铸型进行预热处理，降低金属液与铸型间的温度差，采用煤气喷枪将铸型加热至150～250℃。

进一步，所述步骤三中的浇注时的温度设定包括：

将金属液浇注温度设置为1500～1550℃。

进一步，所述步骤四中的离心铸造工艺转速设定包括：

初始离心转速为380r/min，最终离心转速800r/min。

进一步，所述步骤五中的对复合刀圈进行热处理包括：

(1)退火工艺以40℃/h将其加热到650℃，保温0.5h后，再以30℃/h加热到1175℃，保温2h后，直接出炉空冷；

(2)以30℃/h将其加热到850℃，保温1h后，再以40℃/h加热到1050℃，保温0.5h后，直接出油冷淬火；

(3)回火温度以40℃/h升温至600℃，保温1h，随炉空冷降温至室温；在以40℃/h升温至580℃进行二次回火，保温1h，随炉空冷降温至室温。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

1.采用低成本的45#钢作为主要原料，并通过添加中间合金来调整合金各元素含量比例，减少了P、S等杂质元素的含量。

2.通过在H13钢中添加Nb元素来改变碳化物及夹杂物形态、细化晶粒、净化和强化晶界等来提高其力学性能。

3.与传统的刀圈制备相比，铸造工艺简单，采用成型模具，金属液通过离心形成铸件，简化了工艺过程，减少了后续加工量，降低了金属的消耗。

4.通过采用离心铸造工艺，有利于碳化物因为离心力的作用变细小，进一步提高对基体组织的协同保护作用，进而提高硬度和耐磨性，有利于金属液中的气体和夹渣的排除，弥补冒口的补缩，铸件缺陷少。

5.在耐磨钢中掺入铌(Nb)的作用，Nb作为强碳化物形成元素，所形成的NbC具有：热膨胀系数小、硬度大、熔点高、物理化学性质稳定等优点，是一种优异的增强材料。以提高钢的抗热性和抗腐蚀性，降低钢的脆性。综合分析从中得出结论，将铌含量控制在5.0～21.0％左右。

6.通过离心铸造工艺，在浇注过程中离心机的转动，通过离心加速度使得在溶液中铌和碳之间原位生成的NbC颗粒向铸件的外表面方向进行偏移，当NbC颗粒在外表面相互堆积，它们的运动就会停止，在铸件的外表面形成相对均匀的富碳化层，从而提高刀具表面的耐磨性能。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明制备的复合滚刀刀圈基体硬度≥60HRC，冲击韧性≥20J/cm²。本发明提供的复合滚刀刀圈解决了目前常用滚刀刀圈耐磨性能差、维护成本高等难题。

本发明还提出了一种原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈的制备方法，刀圈表面耐磨性能更好，有效的提高了滚刀刀圈的使用寿命。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明实施后将实现“以铸代锻”，简化生产工艺，降低生产成本，节约资源与能源，促进滚刀行业的发展。

(2)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：现有的刀圈制备通过锻造的方式，过程过于繁重，本文通过铸造-热处理的方式使NbC在H13钢基体内通过原位反应生成，形成的增强颗粒在热力学上属于稳定相，无需考虑反应产物与基体的润湿性和界面反应等问题，也不会引入外界杂质，造成污染；增强相在稳态下生成，制备好的材料中缺陷和内应力少；此种方法由于有较长的热处理保温时间和冷却时间，会促使中间产物进一步向NbC的转变，最终材料中只有NbC一种反应产物，不会产生Nb₂C和Nb₆C₅等中间产物；在生成产物的控制上，有效控制生成物的种类、大小、体积分数等；生产工艺及设备简单，成本低，易于工业化大规模生产。

(3)本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

本发明NbC颗粒增强H13钢复合材料，与传统金属合金相比，刀圈的使用寿命更长，与锻造方式制备的刀圈相比，工艺更加的简练，降低了生产成本，通过离心铸造的方式，使NbC颗粒随着离心力的作用聚集在刀圈表层，增强了磨损工作面，采用最优的热处理工艺，能够很好的发挥材料的性能，使得复合材料的综合力学性能大大的提高，耐磨性能能够有明显的改善。

(4)本发明的技术方案是否克服了技术偏见：

本发明与传统的锻造方式制备的刀圈相比，克服了目前一些生产及工作部件生产成本高、寿命低、工艺复杂等问题，并简化了生产工艺、降低生产成本、减少资源的浪费、提高刀圈使用寿命等。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈的制备方法流程图；

图2是本发明实施例提供的复合滚刀刀圈横截面示意图；

图3是本发明实施例提供的离心铸造制造过程示意图；

图4是本发明实施例提供的原位自生NbC_P/H13钢金相组织图；

图5是本发明实施例提供的原位自生NbC_P/H13钢SEM组织图；

图6是本发明实施例提供的复合刀圈热处理工艺曲线图；

图7是本发明实施例提供的H13钢和5％NbC增强H13钢复合材料碱性条件下极化曲线和电位参数示意图；

图8是本发明实施例提供的H13钢和5％NbC增强H13钢复合材料中性条件下极化曲线和电位参数；

图9是本发明实施例提供的H13钢和5％NbC增强H13钢复合材料酸性条件下极化曲线和电位参数；

图10是本发明实施例提供的碱性条件下的腐蚀形貌图；

图11是本发明实施例提供的中性条件下的腐蚀形貌图；

图12是本发明实施例提供的酸性条件下的腐蚀形貌图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈及制备方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

本发明实施例提供的原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈按照质量百分比计，由C：0.32～0.45％，Si：0.80～1.20％，Mn：0.20～0.50％，Cr：4.75～5.50％，Mo：1.10～1.75％，V：0.80～1.20％，P≤0.030％，S≤0.030％，Nb：5％～20％，以及余量Fe制备而成。

本发明实施例提供的原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈基体硬度≥60HRC，冲击韧性≥20J/cm²。

作为改进，本发明实施例提供的原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈原料采用45#钢，并通过添加中间合金调整合金各元素含量比例。

如图1所示，本发明实施例提供的原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈的制备方法包括以下步骤：

S101，配置原料在电频感应炉中熔炼；

S102，进行保温层设计和铸型的预热；

S103，进行浇注时的温度设定；

S104，进行离心铸造工艺转速设定；

S105，对复合刀圈进行热处理。

本发明实施例提供的步骤S102中的保温层设计包括：

采用水玻璃砂作为保温层，通过环状模具镶嵌入铸型中，将混好的水玻璃砂填充到间隙中，吹二氧化碳气体使保温层凝固完全后取出模具，保证保温砂层的圆整性和同一性；其中，保温层的厚度为15mm。

本发明实施例提供的步骤S103中的铸型的预热包括：

本发明实施例提供的步骤S103中的浇注时的温度设定包括：

将金属液浇注温度设置为1500～1550℃。

本发明实施例提供的步骤S104中的离心铸造工艺转速设定包括：

初始离心转速为380r/min，最终离心转速800r/min。

本发明实施例提供的步骤S105中的对复合刀圈进行热处理包括：

图2本发明的复合滚刀刀圈横截面示意图，图3是本发明的离心铸造制造过程示意图，图4是本发明的原位自生NbC_P/H13钢金相组织图，图5是本发明的原位自生NbC_P/H13钢SEM组织图。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1

按下述步骤制备本发明的复合滚刀刀圈合金和复合滚刀刀圈。

根据H13钢制备出含5vol％NbC中间合金含量。

原料选用45#钢、铌铁(含65.12％Nb)、低碳铬铁(含60.20％Cr)、铬铁(含57.18％Cr)、钒铁(含66％V)、锰铁(含65.25％Mn)、钼铁(含60.18％Mo)、硅铁(含73％Si)中间合金。

设计合金成分为：C：0.32％、Si：0.80％、Mn：0.20％、Cr：4.80％、Mo：1.20％，V：0.80％，Nb：6.5％，P≤0.030％，S≤0.030％，余量为Fe。

熔炼：将所需重量的合金放入电频感应炉中进行熔炼，浇注温度设置成1600℃，在浇包内加入一定量的铝丝进行脱氧，浇包提前预热在130℃，包内打渣一次，至钢水目测无杂质上浮。

保温层设计：采用水玻璃砂作为保温层，其厚度为15mm。

铸型的预热：采用煤气喷枪将铸型加热至150～250℃。

离心铸造：将熔炼好并处理好的钢水倒入离心铸造机的漏斗上，然后设置离心转速进行铸造，离心开始的转速设置成380r/min，逐渐加快至浇注完毕时离心机转速为800r/min。

保温取芯：待铸型内孔钢水呈蔷薇色，将离心机停止，待铸型完全静止并且铸件完全凝固后打开端盖取出铸件，为了获得奥氏体和少量马氏体基体组织，要求铸件快速通过珠光体转变区，因此复合刀圈出模后需以较快的冷却速度冷却。复合刀圈出模后温度一般在950～1000℃，当外表面温度下降到约700℃时，再把复合刀圈埋入干砂中使复合刀圈缓慢冷却自回火，以降低内应力。

抛丸清砂：对铸件表面的附砂进行抛丸清砂处理。

加工整修：用锉刀等工具整修铸件飞边毛刺。

按图6热处理曲线图，对所得的复合刀圈进行热处理，退火工艺：40℃/h将其加热到650℃，保温0.5h后，再以30℃/h加热到1175℃，保温2h后，直接出炉空冷；淬火工艺：以30℃/h将其加热到850℃，保温1h后，再以40℃/h加热到1050℃，保温0.5h后，直接出油冷；回火工艺：40℃/h升温至600℃，保温1h，随炉空冷降温至室温；在以40℃/h升温至580℃进行二次回火，保温1h，随炉空冷降温至室温。

实施例2

按实施例1的方法制备本发明的复合滚刀刀圈合金和复合滚刀刀圈，各工艺参数和得到的产品的参数见表1，不同处在于：

根据H13钢制备出含10vol％NbC中间合金含量。

设计合金成分为：C：0.36％、Si：0.95％、Mn：0.3％、Cr：5.0％、Mo：1.35％，V：0.95％，Nb：11.5％，P≤0.030％，S≤0.030％，余量为Fe。

实施例3

根据H13钢制备出含15vol％NbC中间合金含量。

设计合金成分为：C：0.4％、Si：1.1％、Mn：0.4％、Cr：5.2％、Mo：1.55％，V：1.1％，Nb：16.5％，P≤0.030％，S≤0.030％，余量为Fe。

实施例4

根据H13钢制备出含20vol％NbC中间合金含量。

设计合金成分为：C：0.44％、Si：1.2％、Mn：0.5％、Cr：5.4％、Mo：1.75％，V：1.2％，Nb：21.5％，P≤0.030％，S≤0.030％，余量为Fe。

表1工艺参数和得到的产品的参数

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

对制备出的滚刀刀圈，进行了磨损试验，分别进行了无酸碱性的磨料磨损试验和有酸碱性的电化学腐蚀试验，通过对比发现，原位自生NbC颗粒，能有效的提升刀具的耐磨性和耐腐蚀性，提高刀具的使用寿命。

三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

通过对制备出的材料进行了冲击磨料磨损性能测试，随着NbC体积分数的增加，该材料的损失量逐渐减小，耐磨性能逐渐增强。对制备出的材料进行了三体磨料磨损性能测试，随着NbC体积分数的增加，该材料的损失量逐渐减小，耐磨性能逐渐增强。对材料进行不同条件下(酸、碱、中性)电化学腐蚀试验，随着NbC体积分数的增加，材料的抗腐蚀性能逐渐增强。

表1

如图7所示，H13钢和5％NbC增强H13钢复合材料碱性条件下极化曲线，电位参数如表1所示。

表2

如图8所示，H13钢和5％NbC增强H13钢复合材料中性条件下极化曲线，电位参数如表2所示。

表3

如图9所示，H13钢和5％NbC增强H13钢复合材料酸性条件下极化曲线，电位参数如表3所示。

如图10所示，碱性条件下的腐蚀形貌图。

如图11所示，中性条件下的腐蚀形貌图。

如图12所示，酸性条件下的腐蚀形貌图。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈，其特征在于，所述原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈按照质量百分比计，由C：0.32～0.45％，Si：0.80～1.20％，Mn：0.20～0.50％，Cr：4.75～5.50％，Mo：1.10～1.75％，V：0.80～1.20％，P≤0.030％，S≤0.030％，Nb：5％～20％，以及余量Fe制备而成。

2.如权利要求1所述的原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈，其特征在于，所述原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈基体硬度≥60HRC，冲击韧性≥20J/cm²。

3.如权利要求1所述的原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈，其特征在于，作为改进，所述原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈原料采用45#钢，并通过添加中间合金调整合金各元素含量比例。

4.一种实施如权利要求1～3任意一项所述的原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈的原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈的制备方法，其特征在于，所述原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈的制备方法包括：

5.如权利要求4所述的原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈的制备方法，其特征在于，所述原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈的制备方法包括以下步骤：

步骤一，配置原料在电频感应炉中熔炼；

步骤二，进行保温层设计和铸型的预热；

步骤三，进行浇注时的温度设定；

步骤四，进行离心铸造工艺转速设定；

步骤五，对复合刀圈进行热处理。

6.如权利要求5所述的原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈的制备方法，其特征在于，所述步骤二中的保温层设计包括：

7.如权利要求5所述的原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈的制备方法，其特征在于，所述步骤三中的铸型的预热包括：

8.如权利要求5所述的原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈的制备方法，其特征在于，所述步骤三中的浇注时的温度设定包括：

将金属液浇注温度设置为1500～1550℃。

9.如权利要求5所述的原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈的制备方法，其特征在于，所述步骤四中的离心铸造工艺转速设定包括：

初始离心转速为380r/min，最终离心转速800r/min。

10.如权利要求5所述的原位自生陶瓷颗粒增强钢复合滚刀刀圈的制备方法，其特征在于，所述步骤五中的对复合刀圈进行热处理包括：