CN115449694B - 一种盾构机刀具及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及盾构机刀具技术领域，公开了一种盾构机刀具及其生产方法，包括：选取加工刀具用的原材料，并将所述原材料经过电炉工艺、电渣重熔工艺生产成钢锭；将所述钢锭采用三墩三拔法进行锻造，得到坯料；将所述坯料根据工件尺寸加工为毛坯料；对毛坯料进行不完全结晶退火得到试样工件；将所述试样工件进行渗碳处理得到工件；对所述工件进行热处理得到刀具。本发明所提出的盾构机刀具通过选取40CrNiMo作为基体材料，并对其进行适当的成分调整和生产工艺上的改进，依据本材料的相变点设置合理的热处理制度，使刀具具备高的耐磨性，同时还具备高韧性，从而使产品具备良好的使用性能。

Description

一种盾构机刀具及其生产方法
技术领域
本发明涉及盾构机刀具技术领域，尤其涉及一种盾构机刀具生产方法。
背景技术
盾构机的刀具一般分为滚刀和切削刀两种，由于在实际工作中，刀具不断地受到岩石激烈的磨料磨损，消耗量巨大。从经济成本方面来说，刀具作为消耗品，其费用占到总工程预算费用的三分之一。刀具的主要失效形式为磨损、断裂、压溃和崩刃等，其中磨损是由于表面硬度不够；断裂和崩刃主要是由于硬度太高、而韧性不足造成的；压溃是由于刀具在工作中与岩石发生剧烈磨损，产生大量的热，造成刀具温度升高、硬度降低，从而产生了塑性变形。为了有效削减刀具成本，刀具本身应具有高的耐磨性、表面硬度，同时根据刀具的主要失效形式来说，刀具还必须具备高的芯部韧性。所以，需要设计一种具备高的耐磨性，同时还具备高韧性的盾构机刀具生产方法。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种盾构机刀具及其生产方法，通过选取40CrNiMo作为基体材料，并对其进行适当的成分调整和生产工艺上的改进，依据本材料的相变点设置合理的热处理制度，从而使产品达到了良好的使用性能。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种盾构机刀具生产方法，所述方法包括以下步骤：
选取加工刀具用的原材料，并将所述原材料经过电炉工艺、电渣重熔工艺生产成钢锭；
将所述钢锭采用三墩三拔法进行锻造，得到坯料；
将所述坯料根据工件尺寸加工为毛坯料；
对毛坯料进行不完全结晶退火得到试样工件；
将所述试样工件进行渗碳处理得到工件；
对所述工件进行热处理得到刀具。
具体地，所述原材料的组分及其质量百分比如下：
C：0.38％～0.44％，Si：0.80％～0.90％，Mn：0.80％～1.00％，P≤0.015％，S≤0.005％，Cr：0.70％～1.00％，Mo：0.30％～0.45％，Ni：1.80％～2.00％，余量的Fe和杂质。
进一步地，所述钢锭采用三墩三拔法进行锻造，包括：
将钢锭加热，温度为1150℃～1250℃；锻造比≥1.5，始锻温度为1150～1180℃，终锻温度≥950℃。
具体地，将所述钢锭采用三墩三拔法进行锻造之后，步骤为：
覆盖保温罩，进行缓冷处理，并及时退火。
进一步地，在对毛坯料进行不完全结晶退火过程中：
不完全结晶退火的温度为730-750℃；将毛坯料加热到730-750℃，保温时长≥1.5h；使毛坯料充分热透后，使用空气冷却至室温。
具体地，所述毛坯料的相变点：加热时珠光体向奥氏体转变的温度Ac1为725℃，加热时转变为奥氏体的终了温度Ac3为800℃。
进一步地，将所述试样工件进行渗碳处理，具体步骤为：
将试样工件表面清洁后，放入真空低压渗透炉内，设置温度为940～960℃；
待试样工件完全奥氏体化后开始渗碳，渗碳脉冲数控制在13～17，渗碳总时长15h～18h，扩渗比在1：18～1:20，渗碳层厚度为1.3mm～1.5mm。
进一步地，所述的对所述工件进行热处理，包括：
对工件采用880-890℃油淬；
在228℃～235℃进行多次回火处理。
具体地，在228℃～235℃进行两次回火处理。
本发明还提出了一种盾构机刀具，所述盾构机刀具包含以下组分及质量百分比含量：
C：0.38％～0.44％，Si：0.80％～0.90％，Mn：0.80％～1.00％，P≤0.015％，S≤0.005％，Cr：0.70％～1.00％，Mo：0.30％～0.45％，Ni：1.80％～2.00％，余量的Fe和杂质。
本发明的技术效果和优点：
本发明选取40CrNiMo作为基体材料，并对其进行了适当的成分调整，改进材料的相变点；通过采用三墩三拔法，严格控制钢锭的晶粒度，从而使钢锭具有细小的晶粒组织；通过锻造后覆盖保温罩，进行缓冷处理，并及时退火，防止钢锭产生裂纹；依据本材料的相变点设置合理的不完全退火温度和保温时间，从而使产品达到良好的使用性能；进行表面渗碳热处理时，通过将渗碳脉冲数控制在13～17，渗碳总时长15h～18h，扩渗比为1：18～1:20，从而防止晶粒组织粗大，工件表面硬度达到了890HV，同时渗碳层厚度为1.3mm～1.5mm；通过对工件采用880-890℃油淬，在230℃左右进行两次回火处理，提高回火板条马氏体的含量，使得细小的碳化物在工件表面均匀分布，同时在保证效果的同时尽量减少回火次数，节约了生产成本；通过本发明盾构机刀具生产方法生产的刀具，表面硬度可以稳定达到890HV以上，内部冲击韧性为25-30J/cm2，不仅具备高的耐磨性，同时还具备高韧性，使用寿命显著提高。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明一种盾构机刀具生产方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
图1是本示例性实施例一种盾构机刀具生产方法的流程图，如图1所示，本发明提供了一种盾构机刀具生产方法，包括以下步骤：
选取加工刀具用的原材料，并将所述原材料经过电炉工艺、电渣重熔工艺生产成钢锭；
将所述钢锭采用三墩三拔法进行锻造，得到坯料；
将所述坯料根据工件尺寸加工为毛坯料；
对毛坯料进行不完全结晶退火得到试样工件；
将所述试样工件进行渗碳处理得到工件；
对所述工件进行热处理得到刀具。
本实施例所涉及的盾构机刀具原材料主要由以下化学成分按质量百分比组成：C：0.38％～0.44％，Si：0.80％～0.90％，Mn：0.80％～1.00％，P≤0.015％，S≤0.005％，Cr：0.70％～1.00％，Mo：0.30％～0.45％，Ni：1.80％～2.00％，余量的Fe和杂质。
示例性地，C：0.39％，Si：0.86％，Mn：0.98％，P＝0.013％，S＝0.004％，Cr：0.89％，Mo：0.38％，Ni：1.98％，余量的Fe和杂质。原材料按照上述成分经过电炉工艺、电渣重熔工艺生产成钢锭。
示例性地，C：0.42％，Si：0.86％，Mn：0.98％，P＝0.012％，S＝0.004％，Cr：0.98％，Mo：0.39％，Ni：1.85％，余量的Fe和杂质。原材料按照上述成分经过电炉工艺、电渣重熔工艺生产成钢锭。
示例性地，C：0.42％，Si：0.83％，Mn：0.87％，P＝0.013％，S＝0.004％，Cr：0.98％，Mo：0.44％，Ni：1.92％，余量的Fe和杂质。原材料按照上述成分经过电炉工艺、电渣重熔工艺生产成钢锭。
通过对原材料进行适当的成分调整，将材料的相变点调整为：加热时珠光体向奥氏体转变的温度Ac1＝725℃，加热时转变为奥氏体的终了温度Ac3＝800℃。
进一步的，对钢锭采用三墩三拔法进行锻造，将钢锭加热，温度提高到1150℃～1250℃，锻造比≥1.6，始锻温度为1150～1180℃，终锻温度≥950℃，通过锻造控制钢锭的晶粒度，从而得到具有细小晶粒组织的坯料。
进一步的，锻造后覆盖保温罩，进行缓冷处理，并及时退火，防止钢锭产生裂纹。
进一步的，将坯料根据工件尺寸加工为毛坯料，使产品符合使用的尺寸要求。
进一步的，对毛坯料进行不完全结晶退火，因为本材料的相变点：Ac1＝725℃，Ac3＝800℃，所以将毛坯料加热到730-750℃，保温时长≥1.5h，依据本材料的相变点合理设置不完全退火温度和保温时间，从而使产品达到良好的使用性能；使毛坯料充分热透后，使用空气冷却至室温后得到试样工件。
进一步的，将试样工件表面清洗后，放入真空低压渗碳炉内进行渗碳处理，渗碳温度为940～960℃，待试样完全奥氏体化后，开始渗碳，为防止晶粒组织粗大，渗碳脉冲数控制在13～17，渗碳总时长为15h～18h，扩渗比为1：18～1:20，渗碳处理后，工件的表面硬度达到890HV以上，同时渗碳层厚度为1.3mm～1.5mm。
进一步的，对工件进行热处理，采用880-890℃油淬后，在228℃～235℃进行两次回火处理，提高回火板条马氏体的含量，使得细小的碳化物均匀分布，处理后的盾构机刀具内部冲击韧性达到25-30J/cm2。
实施例1
S1:本实施例所涉及的盾构机刀具原材料主要由以下化学成分按质量百分比组成：C：0.39％，Si：0.86％，Mn：0.98％，P＝0.013％，S＝0.004％，Cr：0.89％，Mo：0.38％，Ni：1.98％，余量的Fe和杂质。原材料按照上述成分经过电炉工艺、电渣重熔工艺生产成钢锭后进行锻造。
S2:将钢锭加热，温度提高到1247℃，采用三墩三拔法成材。锻造比＝1.6，始锻温度为1157℃，终锻温度控制在980℃。锻造后覆盖保温罩，进行缓冷处理，退火温度在650℃，随炉冷却。
S3:将锻造后的坯料根据工件尺寸加工为毛坯料，对毛坯料进行不完全结晶退火。本材料的相变点：Ac1＝725℃，Ac3＝800℃，所以不完全结晶退火温度为730℃-750℃。将毛坯料加热到745℃，保温时长为2h，使毛坯料充分热透后，使用空气冷却至室温。
S4:按照工件图纸要求，机械加工相关尺寸；将试样表面清洗后，放入真空低压渗碳炉内，温度为940℃，待试样完全奥氏体化后，开始渗碳，为防止晶粒组织粗大，渗碳脉冲数控制在14，渗碳总时长为16h，扩渗比为1：18，渗碳处理后，工件表面硬度达到了898HV，同时渗碳层厚度为1.4mm。
S5:对工件采用880℃油淬后，在230℃左右进行两次回火处理，提高回火板条马氏体的含量，使得细小的碳化物均匀分布。处理后的钢样检测其冲击韧性为26J/cm2。
实施例2
S1:本实施例所涉及的盾构机刀具原材料主要由以下化学成分按质量百分比组成：C：0.42％，Si：0.86％，Mn：0.98％，P＝0.012％，S＝0.004％，Cr：0.98％，Mo：0.39％，Ni：1.85％，余量的Fe和杂质。原材料按照上述成分经过电炉工艺、电渣重熔工艺生产成钢锭。
S2:将钢锭加热，温度提高到1246℃，采用三墩三拔法成材。锻造比＝1.7，始锻温度为1170℃，终锻温度控制在975℃。锻造后覆盖保温罩，进行缓冷处理，并及时退火，退火温度在660℃，随炉冷却。
S3:将锻造后的坯料根据工件尺寸加工为毛坯料，对毛坯料进行不完全结晶退火。本材料的相变点：Ac1＝725℃，Ac3＝800℃，所以不完全结晶退火温度为730℃-750℃。将毛坯料加热到745℃，保温时长为2.5h，使毛坯料充分热透后，使用空气冷却至室温。
S4:按照工件图纸要求，机械加工相关尺寸；将试样表面清洗后，放入真空低压渗碳炉内，温度为945℃，待试样完全奥氏体化后，开始渗碳，为防止晶粒组织粗大，渗碳脉冲数控制在17，渗碳总时长为17h，扩渗比为1：19，渗碳处理后，试样表面硬度达到了900HV，同时渗碳层厚度为1.5mm。
S5:对工件采用890℃油淬后，在235℃进行两次回火处理，提高回火板条马氏体的含量，使得细小的碳化物均匀分布，处理过后的钢样检测其冲击韧性为28J/cm2。
实施例3
S1:本实施例所涉及的盾构机刀具原材料主要由以下化学成分按质量百分比组成：C：0.42％，Si：0.83％，Mn：0.87％，P＝0.013％，S＝0.004％，Cr：0.98％，Mo：0.44％，Ni：1.92％，余量的Fe和杂质。原材料按照上述成分经过电炉工艺、电渣重熔工艺生产成钢锭。
S2:将钢锭加热，温度提高到1198℃，采用三墩三拔法成材。锻造比＝1.7，始锻温度为1155℃，终锻温度控制在976℃，锻造后覆盖保温罩，进行缓冷处理，并及时退火，退火温度在675℃，随炉冷却。
S3:将锻造后的坯料根据工件尺寸加工为毛坯料，对毛坯料进行不完全结晶退火。本材料的相变点：Ac1＝725℃，Ac3＝800℃，所以不完全结晶退火温度为730℃-750℃。将毛坯料加热到743℃，保温时长为2.2h，使毛坯料充分热透后，使用空气冷却至室温。
S4:按照工件图纸要求，机械加工相关尺寸；将试样表面清洗后，放入真空低压渗碳炉内，温度为955℃，待试样完全奥氏体化后，开始渗碳，为防止晶粒组织粗大，渗碳脉冲数控制在13，渗碳总时长为15h，扩渗比为1：20，渗碳处理后，试样的表面硬度达到了905HV，同时渗碳层厚度为1.3mm。
S5:对工件采用882℃油淬后，在228℃进行两次回火处理，提高回火板条马氏体的含量，使得细小的碳化物均匀分布，处理过后的钢样检测其冲击韧性为30J/cm2。
综上，本发明通过提供合适的锻造工艺，调整完全退火工艺，采用表面渗碳等手段，获得了回火马氏体和下贝氏体复合组织，从而得到一种高表面硬度，高耐磨性、高芯部韧性的盾构机切削刀刀具。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种盾构机刀具生产方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
选取加工刀具用的原材料，并将所述原材料经过电炉工艺、电渣重熔工艺生产成钢锭；
将所述钢锭采用三墩三拔法进行锻造，得到坯料；
将所述坯料根据工件尺寸加工为毛坯料；
对毛坯料进行不完全结晶退火得到试样工件；
将所述试样工件进行渗碳处理得到工件；
对所述工件进行热处理得到刀具；
其中，所述原材料的组分及其质量百分比如下：
C：0.38%~0.44%，Si：0.80%~0.90%，Mn：0.80%~1.00%，P≤0.015%，S≤0.005%，Cr：0.70%~1.00%，Mo：0.30%~0.45%，Ni：1.80%~2.00%，余量的Fe和杂质；
所述的将所述钢锭采用三墩三拔法进行锻造，包括：
将钢锭加热，温度为1150℃~1250℃；
锻造比≥1.5，始锻温度为1150~1180℃，终锻温度≥950℃；
所述毛坯料的相变点：加热时珠光体向奥氏体转变的温度Ac1为725℃，加热时转变为奥氏体的终了温度Ac3为800℃；
在对毛坯料进行不完全结晶退火过程中：
不完全结晶退火的温度为730-750℃；
将毛坯料加热到730-750℃，保温时长≥1.5h；
使毛坯料充分热透后，使用空气冷却至室温；
所述的将所述试样工件进行渗碳处理包括：
将试样工件表面清洁后，放入真空低压渗透炉内，设置温度为940~960℃；
待试样工件完全奥氏体化后开始渗碳，渗碳脉冲数控制在13~17，渗碳总时长15h~18h，扩渗比在1：18~1:20，渗碳层厚度为1.3mm~1.5mm；
所述的对所述工件进行热处理，包括：
对工件采用880-890℃油淬；
在228℃~235℃进行两次回火处理。
2.根据权利要求1所述的盾构机刀具生产方法，其特征在于，将锻造后的钢锭覆盖保温罩，进行缓冷处理，并及时退火。
3.一种盾构机刀具，基于权利要求1-2任一项所述的盾构机刀具生产方法制备，其特征在于，加工刀具的原材料包含以下组分及质量百分比含量：
C：0.38%~0.44%，Si：0.80%~0.90%，Mn：0.80%~1.00%，P≤0.015%，S≤0.005%，Cr：0.70%~1.00%，Mo：0.30%~0.45%，Ni：1.80%~2.00%，余量的Fe和杂质。
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