CN115821160B - 一种硬岩tbm盾构刀圈材料及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硬岩TBM盾构刀圈材料及其制备工艺，该硬岩TBM盾构刀圈材料由以下重量百分比的元素组成：C：0.5～0.85％；Si：0.2～0.5％；Mn：0.4～0.7％；P：≤0.01％；S：≤0.01％；Cr：5.5～6.5％；Ni：0.1～0.5％；Mo：2.1～2.7％；V：0.9～1.5％；Cu：≤0.2％；As：≤0.002％；Pb：≤0.002％；N：≤100ppm；H：≤2ppm；余量为铁；所述材料用于制备硬岩TBM盾构刀圈。本发明基于新的合金钢材料配方，通过制定微观组织标准要求，优化热处理工艺，提升国产硬岩TBM盾构刀圈材料及产品强韧性和耐磨性，使盾构刀圈在57‑61HRC的高硬度要求下的冲击韧性至AKU2至平均值22J以上，产品微观组织达到AS3级和HS2级及以上，晶粒度级别为8级及以上，提升了国产盾构刀圈的性能，得到了一种高强韧性、高耐磨、长寿命的硬岩TBM盾构刀圈。
Description
技术领域
本发明属于特殊合金钢及制备工艺技术领域，具体涉及一种硬岩TBM盾构刀圈材料及其制备工艺。
背景技术
由于我国幅员辽阔，不同区域地层情况各异，特别是在川藏高寒冻土地层、广深上软下硬地层、秦岭超高硬度岩层等极限复杂地层施工时，国产盾构刀具存在刀圈易出现崩口(韧性差)、磨损过快导致失效(使用寿命短)等严重不足，极大降低了掘进施工效率、增加了项目成本。现有的国产硬岩TBM盾构刀圈材料主要为H13E、DC53以及以H13E成分为主的改进型材料，以H13E系列材料为主，但在57-59HRC的高硬度要求下,其冲击韧性AKU约为15J，且无材料微观组织均匀性和级别要求，因此，在韧性、耐磨性和使用寿命等方面仍与国外存在较大差距。
专利CN 112853201 A公开了一种超高强高硬耐磨抗冲击耐蚀的合金钢及制造工艺，其材料显示冲击性能高达30-40J/cm2(约等于24-32J)，但其材料配方提出了钨、铌、锆、稀土元素等多种稀有元素要求，材料配方成本较高，且无H、O等有害气体、有害As、Pb元素的控制要求，除了材料晶粒度度，未对材料微观组织均匀性和级别提出组织要求，存在材料组织不均匀、不稳定的极大隐患，可能造成盾构滚刀刀具在掘进破岩过程中因大规格一次碳化物聚集或组织、性能不均匀导致崩裂、掉块的极大失效风险；且其回火温度为260℃-345℃，制造设备工温度为-50℃-280℃，存在260-280℃的重复区间，在此重复区间，存在产品在使用过程中达到回火温度，但在工况下又无法匹配相应的保温时间和回火冷却速度，从而使产品相当于直接退火，产生退火后硬度变低失效的极大风险。
因此，开发一种用于制备制备硬岩TBM盾构刀圈的低成本合金钢材料，在满足产品硬度前提下提高其冲击韧性和耐磨性，替代高价进口产品，成为了目前亟需攻克的难题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种硬岩TBM盾构刀圈材料及其制备工艺，通过创新设计合金钢材料组分，通过制定微观组织标准要求，优化热处理工艺，得到了一种高强韧性、高耐磨、长寿命的硬岩TBM盾构刀圈，具有替代进口产品的良好市场应用前景。
为实现上述目的，本发明首先提供了一种硬岩TBM盾构刀圈材料，由以下重量百分比的元素组成：C：0.5～0.85％；Si：0.2～0.5％；Mn：0.4～0.7％；P：≤0.01％；S：≤0.01％；Cr：5.5～6.5％；Ni：0.1～0.5％；Mo：2.1～2.7％；V：0.9～1.5％；Cu：≤0.2％；As：≤0.002％；Pb：≤0.002％；N：≤100ppm；H：≤2ppm；余量为铁；所述材料用于制备硬岩TBM盾构刀圈。
基于一个总的发明构思，本发明还提供了一种所述材料制备硬岩TBM盾构刀圈的制备工艺，包括以下步骤：
S1、按质量比将材料冶炼成型，对冶炼得到的合金钢原材料经过高温扩散退火、原材料开坯时反复镦拔，锻成圆钢坯；
S2、第一次超细化与球化退火处理：将步骤S1得到的圆钢坯送回加热炉中进行加热至1050～1080℃后出炉，将加热后的圆钢胚反复快速入水出水，直至圆钢坯温度降低至550～650℃，然后将圆钢胚放入热处理炉在860～890℃温度下保温3～5h，然后降温至710～750℃继续保温5～8h进行球化退火，控制圆钢胚中一次块状碳化物尺寸≤10um；
S3、将步骤S2中经第一次超细化与球化退火处理的圆钢胚锯成单件，对单件进行加热，经锻造成形为硬岩TBM刀圈工件；
S4、第二次超细化与球化退火处理：将步骤S3锻造粗加工成的工件置于加热炉中加热至1050～1080℃后出炉，将工件放至空气中快速冷却至550～650℃，然后将工件放入热处理炉在860～890℃温度下保温3～5h，然后降温至710～750℃继续保温5～8h进行球化退火；
S5、粗加工后调质处理：将工件在1020～1060℃温度下保温3～5h再进行淬火，然后加热至510～560℃保温5～8h进行回火；
S6、对步骤S4调质后的工件进行精加工得到产品硬岩TBM盾构刀圈。
在本制备工艺中，第一次超细化与球化退火处理利用硬岩TBM盾构刀圈材料本身淬透性好，加上添加了V元素进一步增强了淬透性的特点，设计了快速水冷和空冷反复交替的超细化处理工艺，使原材料组织在奥氏体区域快速冷却至相变温度以下(600摄氏度左右)并完成相变，加速了冷却过程，有效规避了缓慢冷却过程中晶粒粗大和奥氏体转变不完全形成残余奥氏体(残余奥氏体影响产品性能)，对接下来的均匀的球化退火组织形成，发挥了十分有利的影响；
在第二次超细化与球化退火处理中，主要考虑盾构刀圈工件内孔较大且热处理有效尺寸为70～120mm之间，不足原材料钢坯的1/2，基于材料本身的强淬透性特点，为便于生产，设计了加热后快速空冷的超细化处理工艺，使产品组织在奥氏体区域快速冷却至相变温度以下(600摄氏度左右)并完成相变，加速了冷却过程，有效规避了缓慢冷却过程中晶粒粗大和奥氏体转变不完全形成残余奥氏体，对接下来的均匀的球化退火组织和调质组织形成，发挥了较好的作用。
该超细化处理方案通过控制和优化原材组织均匀性、中间热处理(球化退火)组织及均匀性和最终热处理组织及均匀性，确保稳定达到材料及产品性能，保障57-61HRC高硬度的同时，确保其高强韧性。
作为优选，所述步骤S2中圆钢胚快速入水出水过程为：将圆钢坯整体快速浸入水中，停留6s后快速出水，在空气中冷却6～10s后再快速入水。
作为优选，所述步骤S2、步骤S4和步骤S5中退火保温时间与球化退火炉大小、工件大小和装炉量成正比。
作为优选，所述步骤S2和步骤S4中经球化退火处理后金相组织需达到图谱北美压铸模金相标准-NADCA-207-2003的AS3级及以上。
作为优选，所述步骤S5中经调质后金相需达到HS2级及以上。
相比如现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的硬岩TBM盾构刀圈材料区别于盾构刀圈主要用到的H13和H13E材料，通过创新化学成分设计，将C元素含量提升至0.50-0.85％，稳定材料硬度和耐磨性；Si含量控制在小于等于0.2～0.5％，P和S含量控制小于0.01％，Cr含量控制在5.5-6.5％，Mo含量控制在2.1-2.7％，新增0.1-0.5％含量的Ni元素，提升硬岩TBM盾构刀圈材料在高硬度条件下的冲击韧性至1.5倍及以上。
(2)本发明进一步限定了微量金属元素Cu≤0.20％；As≤0.020％；Pb≤0.020％的要求，同时限定了气体含量N≤100ppm、H≤2ppm的要求，严格控制有害气体H、N含量和有害元素As、Pb的含量，优化钢水洁净程度，显著提升组织均匀性，从而提升材料微观组织均匀性和晶粒度等级，进而提高材料强韧性，延长使用寿命，大幅降低项目施工成本和时间成本，节约人力物力，经济效益可观。
(3)本发明提供的制造工艺，优化了热处理工艺，控制材料制造过程及最终微观组织，提升材料整体性能和组织均匀性，保障整体耐磨性和使用寿命：原材料应经过高温扩散退火或原材料开坯时反复镦拔，控制一次块状碳化物尺寸小于等于10um，材料经球化退火，再经淬火和回火进行调质后，金相达到HS2级及以上，且无明显的碳化物析出等组织缺陷，晶粒度级别为8级及以上；通过控制材料原始组织缺陷大小，优化原材组织均匀性、中间热处理(球化退火)组织及均匀性和最终热处理组织及均匀性，确保稳定达到材料及产品性能，保障合金钢材料产品高硬度的同时，提高了产品的高强韧性。
(4)本发明通过进一步控制合金钢材料的组成比例，可以在57-61HRC的高硬度要求下提高冲击韧性AKU2至平均值22J以上，以用于制备硬岩TBM盾构刀圈，在保证产品可靠性能的前提下最大限度节约制造成本，提升产品的市场竞争力。
附图说明
图1为本发明实施例1中TD2T合金钢材料经第一次球化退火后的金相组织图；
图2为本发明实施例1中TD2T合金钢材料经切成工件后碾锻成型制得高韧性和高耐磨的硬岩TBM盾构刀圈产品的第二次球化退火后的金相组织图；
图3为本发明实施例1中TD2T合金钢材料制得高韧性和高耐磨的硬岩TBM盾构刀圈产品的调质后金相组织图；
图4为本发明实施例2中TD2T合金钢材料经第二次球化退火后的金相组织图；
图5为本发明对比例1中H13E合金钢材料经球化退火后的金相组织图；
图6为本发明对比例1中H13E合金钢材料经切成工件后碾锻成型制得常规硬岩TBM盾构刀圈产品的第二次球化退火后的金相组织图；
图7位本发明对比例1中H13E合金钢材料制得常规硬岩TBM盾构刀圈产品的调质后金相组织图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明的范围。
实施例1
制备高韧性和高耐磨的硬岩TBM盾构刀圈
合金钢材料(TD2T)由以下重量百分比的元素组成：C：0.85％；Si：0.5％；Mn：0.7％；P：≤0.01％；S：≤0.01％；Cr：6.5％；Ni：0.5％；Mo：2.7％；V：1.5％；Cu：0.1％；As：≤0.002％；Pb：≤0.002％；N：≤100ppm；H：≤2ppm；余量为铁。该合金钢材料用于制备硬岩TBM盾构刀圈的制备工艺如下：
1、按上述质量比将各元素混合材料冶炼成型，对冶炼得到的合金钢原材料经过1200℃高温扩散退火7h，原材料开坯时反复镦拔，锻成圆钢坯。
2、第一次超细化与球化退火处理：将圆钢坯送回加热炉中进行加热至1050℃后出炉，将加热后的圆钢胚整体快速浸入水中，停留6s后快速出水，在空气中冷却10s后再快速入水，直至圆钢坯温度降低至600℃，然后将圆钢胚放入热处理炉在880℃温度下保温5h，然后降温至750℃继续保温5h进行退火，经球化退火处理后控制圆钢胚中一次块状碳化物尺寸≤10um，其金相组织如图1所示，达到图谱北美压铸模金相标准-NADCA-207-2003的AS1级，得到TD2T合金圆钢坯材料。
3、将TD2T合金圆钢坯材料锯成单件，对单件进行加热，经锻造粗加工成硬岩TBM刀圈工件。
4、第二次超细化与球化退火处理：将锻造成型的硬岩TBM刀圈产品置于加热炉中加热至1060℃后出炉，将产品放至空气中快速冷却至650℃，然后将产品放入热处理炉在880℃温度下保温5h，然后降温至750℃继续保温5h以进行球化退火(退火保温时间与热处理炉大小、工件大小和装炉量成正比)。第二次球化退火后的产品金相组织如图2所示，达到图谱北美压铸模金相标准-NADCA-207-2003的AS2级，无一次块状碳化物聚集组织，无明显碳化物析出的组织缺陷，材料原有的组织缺陷被有效控制，制得的产品材料金相组织十分均匀。
5、粗加工后调质处理：将工件在1060℃温度下保温5h后进行淬火，然后升温至至560℃保温6h进行回火。经调质后的硬岩TBM刀圈工件材料金相组织如图3所示，由图3可知调质后金相达到HS2级，其隐针状马氏体分布均匀，无明显的残余奥氏体组织聚集，晶粒度等级达到9级。
6、对调质后的硬岩TBM刀圈工件进行精加工得到高韧性和高耐磨的硬岩TBM盾构刀圈产品。
实施例2
制备高韧性和高耐磨的硬岩TBM盾构刀圈
合金钢材料(TD2T)由以下重量百分比的元素组成：C：0.8％；Si：0.4％；Mn：0.4％；P：≤0.01％；S：≤0.01％；Cr：6.5％；Ni：0.2％；Mo：2.1％；V：1.5％；Cu：0.15％；As：≤0.002％；Pb：≤0.002％；N：≤100ppm；H：≤2ppm；余量为铁。该合金钢材料用于制备硬岩TBM盾构刀圈的制备工艺如下：
1、按上述质量比将各元素混合材料冶炼成型，对冶炼得到的合金钢原材料经过1200℃高温扩散退火7h，原材料开坯时反复镦拔，锻成圆钢坯。
2、第一次超细化与球化退火处理：将圆钢坯送回加热炉中进行加热至1060℃后出炉，将加热后的圆钢胚整体快速浸入水中，停留6s后快速出水，在空气中冷却6s后再快速入水，直至圆钢坯温度降低至650℃，然后将圆钢胚放入热处理炉在890℃温度下保温6h，然后降温至750℃继续保温5h进行球化退火，经球化退火处理后控制圆钢胚中一次块状碳化物尺寸≤10um，金相组织达到图谱北美压铸模金相标准-NADCA-207-2003的AS2级，得到TD2T合金圆钢坯材料；
3、将TD2T合金圆钢坯材料锯成单件，对单件进行加热，经锻造粗加工成硬岩TBM刀圈工件。
4、第二次超细化与球化退火处理：将锻造粗加工成的硬岩TBM刀圈工件置于加热炉中加热至1080℃后出炉，将工件放至空气中快速冷却至650℃，然后将工件放入热处理炉在880℃温度下保温5h，然后降温至750℃继续保温5h进行球化退火，退火保温时间与热处理炉大小、工件大小和装炉量成正比。球化退火后工件材料的金相组织如图4所示，达到图谱北美压铸模金相标准-NADCA-207-2003的AS3级。
5、粗加工后调质处理：将工件在1050℃温度下保温3h进行淬火，然后加热至550℃保温5h回火。调质后的硬岩TBM刀圈工件材料金相组织达到HS2级。
6、对调质后的硬岩TBM刀圈工件进行精加工得到高韧性和高耐磨的硬岩TBM盾构刀圈产品。
对比例1
常规H13E合金钢材料制备TBM盾构刀圈
合金钢材料(H13E)由以下重量百分比的元素组成：C：0.45％；Si：1.2％；Mn：0.5％；P：≤0.03％；S：≤0.03％；Cr：4.75％；Mo：1.75％；V：1.0％；余量为铁。该合金钢材料用于制备硬岩TBM盾构刀圈的制备工艺如下：
1、按上述质量比将各元素混合材料冶炼成型，对冶炼得到的合金钢原材料经过高温扩散退火，锻成圆钢后进行球化退火处理，得到H13E合金钢材料。
2、将H13E合金钢材料锯成单件，对单件进行加热，经锻造粗加工成硬岩TBM刀圈。
3、球化退火处理：将步骤2锻造粗加工成型的硬岩TBM刀圈工件在860℃温度下保温5h，然后降温至740℃继续保温5h进行球化退火，退火保温时间与热处理炉大小、工件大小和装炉量成正比；球化退火后的材料金相组织如图5所示，由图5可知球化退火后工件材料的金相组织达到图谱北美压铸模金相标准-NADCA-207-2003的AS7级；
4、粗加工后调质处理：将工件在1060℃温度下保温3h进行淬火，然后加热至550℃退火5h进行回火，回火保温时间与热处理炉大小、工件大小和装炉量成正比；调质后的工件材料金相组织如图6所示，由图6可知调质后金相达到HS7级。
5、对步骤4调质后的工件进行精加工得到高韧性和高耐磨的硬岩TBM盾构刀圈产品，该高韧性和高耐磨的硬岩TBM盾构刀圈产品的金相组织如图7所示：该产品材料存在明显块状碳化物聚集组织，有较明显的碳化物析出的组织缺陷，产品材料金相组织不均匀。
实验例1
TBM盾构刀圈产品性能测试
对实施例1～3和对比例1制得的TBM盾构刀圈产品进行本体取样，按照GB/T 228、GB/T228对1个Φ10的拉伸试样和3个AKU2冲击试样进行机械性能检测，按照图谱北美压铸模金相标准-NADCA-207-2003对金相组织进行评级，结果如表1所示。
表1各产品的主要机械性能
由表1可知，实施例1和实施例2制得的TBM盾构刀圈产品晶粒度等级和组织细化级别(HRC)相较于常规H13E制备得到的产品(对比例1)有显著提升，使得本发明制得的TBM盾构刀圈产品在确保57-61HRC的高硬度要求下提高冲击韧性AKU2至平均值22J以上，同时早相同行程下磨损量相比常规H13E产品下降40％以上，耐磨度得到了有效提升，TBM盾构刀圈产品的使用寿命能够明显提升，降本增效效果显著。
尽管结合了优选实施例对本发明进行了说明，但本发明并不局限于上述实施例，应当理解所附权利要求概括了本发明的范围。在本发明构思的指导下，本领域的技术人员应当意识到，对本发明的各实施例方案所进行的一定的改变，都将被本发明的权利要求书的精神和范围所覆盖。
Claims (3)
1.一种硬岩TBM盾构刀圈材料，其特征在于，由以下重量百分比的元素组成：C：0.5~0.85%；Si：0.2~0.5%；Mn：0.4~0.7%；P：≤0.01%；S：≤0.01%；Cr：5.5~6.5%；Ni：0.1~0.5%；Mo：2.1~2.7%；V：0.9~1.5%；Cu：≤0.2%；As：≤0.002%；Pb：≤0.002%；N：≤100ppm；H：≤2ppm；余量为铁；所述材料用于制备硬岩TBM盾构刀圈；
所述的材料制备硬岩TBM盾构刀圈的制备工艺包括以下步骤：
S1、按质量比将材料冶炼成型，对冶炼得到的合金钢原材料经过高温扩散退火、原材料开坯时反复镦拔，锻成圆钢坯；
S2、第一次超细化与球化退火处理：将步骤S1得到的圆钢坯送回加热炉中进行加热至1050~1080℃后出炉，将加热后的圆钢胚反复快速入水出水，直至圆钢坯温度降低至550~650℃，然后将圆钢胚放入热处理炉在860~890℃温度下保温3~5h，然后降温至710~750℃继续保温5~8h进行球化退火，控制圆钢胚中一次块状碳化物尺寸≤10um；
S3、将步骤S2中经第一次超细化与球化退火处理的圆钢胚锯成单件，对单件进行加热，经锻造成形为硬岩TBM刀圈工件；
S4、第二次超细化与球化退火处理：将步骤S3锻造粗加工成的工件置于加热炉中加热至1050~1080℃后出炉，将工件放至空气中快速冷却至550~650℃，然后将工件放入热处理炉在860~890℃温度下保温3~5h，然后降温至710~750℃继续保温5~8h进行球化退火；
S5、粗加工后调质处理：将工件在1020~1060℃温度下保温3~5h再进行淬火，然后加热至510~560℃保温5~8h进行回火；
S6、对步骤S4调质后的工件进行精加工得到产品硬岩TBM盾构刀圈；
所述步骤S2和步骤S4中经球化退火处理后金相组织需达到图谱北美压铸模金相标准-NADCA-207-2003的AS3级及以上；
所述步骤S5中经调质后金相需达到HS2级及以上。
2.根据权利要求1所述的硬岩TBM盾构刀圈材料，其特征在于，所述步骤S2中圆钢胚快速入水出水过程为：将圆钢坯整体快速浸入水中，停留6s后快速出水，在空气中冷却6~10s后再快速入水。
3.根据权利要求1所述的硬岩TBM盾构刀圈材料，其特征在于，所述步骤S2、步骤S4和步骤S5中退火保温时间与球化退火炉大小、工件大小和装炉量成正比。
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