CN116987972A - 一种盾构机用新型含硼滚刀刀圈材料及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种盾构机用新型含硼滚刀刀圈材料及制备方法，(1)冶炼：冶炼钢水，浇注自耗电极，控制出钢温度；然后采用气氛保护电渣重熔炉，制成电渣钢锭；(2)锻造：将钢锭缓慢加热保温，然后继续加热，经过高温扩散后，进行锻造拔长；将锻棒按照重量要求进行切段，将切段后小锻棒重新加热进行模锻，得到刀圈毛坯；(3)球化退火：将锻坯装炉，并升温，保温，再控温冷却，保温，再次控温冷却，随炉缓冷至出炉空冷至室温，然后进行粗加工，得到粗加工后刀圈；(4)真空热处理：采用真空热处理的方式进行性能热处理，工艺过程包括淬火+两次保护气氛回火；回火后快速风冷到室温；得到刀圈材料。本发明可以提高刀圈的耐磨性。

Description

一种盾构机用新型含硼滚刀刀圈材料及制备方法
技术领域
本发明涉及耐磨钢铁技术领域，具体涉及一种盾构机用新型含硼滚刀刀圈材料及制备方法。
背景技术
滚刀刀圈是盾构机工作的“牙齿”，是消耗量最大的材料。滚刀刀圈我国一直参考德国的材料体系，主要包括两大类，1.2345(相当于我国牌号X50CrMoV5-1)与1.2601(相当于我国牌号Cr12MoV)，前者主要用于岩石地质条件，而后者主要用于泥土或砂石地质条件。Cr12MoV材料是一种冷作模具钢，其特点是硬度较高，但韧性储备不足，在碰到异常地质受到冲击时，容易发生崩齿现象。
对于泥土或砂石地质条件，CN113338982A专利提出了镶齿刀圈，即采用圆柱形硬质合金刀齿安装在刀圈为其开设的安装槽上，且通过焊接固定；安设于安装槽内的圆柱形硬质合金刀齿高于刀圈表面；圆柱形硬质合金刀齿沿滚刀圆周方向分布于滚刀刀圈上，圆柱形硬质合金刀齿顶端为矩形状刃带，带有左倾矩形状刃带的硬质合金刀齿与带有右倾矩形状刃带的硬质合金刀齿交替分布。该技术制造工艺复杂，效率较低，成本较高，而且使用过程中存在崩齿的情况。
发明内容
为了克服以上技术缺陷，本发明的目的在于提供一种盾构机用新型含硼滚刀刀圈材料及制备方法，利用硼在钢中含量较高时，能够形成共晶硼化物，其硬度及稳定性比共晶碳化物更高，更适合作为耐磨相，可以提高刀圈的耐磨性；另外，可以充分利用硼提高材料淬透性的特点，减少合金材料的加入。在性能上，保持硬度不降低的前提下，比Cr12MoV韧性提高1.5倍以上。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种盾构机用新型含硼滚刀刀圈材料，按照质量比各物质的组分为：B(1.00～1.50％)；C(0.35～0.45％)；Cr(11.00～12.5％)；Mn(0.20～0.60％)；Si(0.80～1.20％)；Ni(1.50～2.50％)；V(1.00～1.50％)；Ti(0.15～0.25％；)P(≤0.03％)；S(≤0.005％)；其余为Fe。
一种盾构机用新型含硼滚刀刀圈材料的制备方法，包括以下步骤；
(1)冶炼：冶炼钢水，浇注自耗电极，控制出钢温度；然后采用气氛保护电渣重熔炉，制成电渣钢锭；
(2)锻造：将钢锭缓慢加热保温，然后继续加热，经过高温扩散后，进行锻造拔长；将锻棒按照重量要求进行切段，将切段后小锻棒重新加热进行模锻，得到刀圈毛坯；
(3)球化退火：将锻坯装炉，并升温，保温，再控温冷却，保温，再次控温冷却，随炉缓冷至出炉空冷至室温，然后进行粗加工，得到粗加工后刀圈；
(4)真空热处理：采用真空热处理的方式进行性能热处理，工艺过程包括淬火+两次保护气氛回火；回火后快速风冷到室温；得到刀圈材料。
所述步骤(1)中，采用电弧炉+LF+VD工艺冶炼钢水，出钢温度控制在1500±10℃；然后采用氩气气氛保护电渣重熔炉。
所述步骤(2)中，将钢锭缓慢加热到850℃保温，然后继续加热到1100±10℃，经过高温扩散后，进行锻造拔长，温度低于温度850℃时，停止锻造；将锻棒按照重量要求进行切段，将切段后小锻棒重新加热到1080±10℃进行模锻，锻后快冷到500℃以下。
所述步骤(3)中，将锻坯在250～350℃装炉，并升温至700～800℃，保温8～20h，再控温冷却至600～700℃，保温8～15h，再次控温冷却至500摄氏度后，随炉缓冷至350～450℃出炉空冷至室温。
所述步骤(4)中，真空淬火温度为1000～1100℃，保温时间为90～150min，油淬；回火温度200～250℃，保温时间为120～200min。
进一步的，采用以上工艺后，最终得到的刀圈材料在组织上主要是大部分板条状回火马氏体和高硬度的硼化物耐磨相；然后进行最终的精加工，得到可以装机的刀圈产品。
本发明的有益效果。
(1)耐磨相不同。Cr12MoV材料中，耐磨相主要是塑性变形破碎了的共晶碳化物，显微硬度在HV1600左右；而本发明的含硼材料，耐磨相是塑性变形破碎了的共晶硼化物，显微硬度在HV2000左右，所以本发明的耐磨相具有更高的显微硬度，更适合作为耐磨相来供刀圈使用。
(2)基体组织不同。Cr12MoV材料成分中，C含量为1.45～1.70％，高的C含量除了形成共晶碳化物，还会导致基体碳含量较高，使基体热处理后基本是脆性较高的片状马氏体，使材料的韧性不高；而本发明的含硼材料，C含量处于中碳范围，热处理后是大部分的韧性较好的板条状马氏体和少部分韧性较差的片状马氏体，所以材料的韧性会明显提高。
(3)本发明材料的硬度可达59～63HRC，与Cr12MoV材料硬度(59～61HRC)相当且有所提高，冲击韧度在20～30J/cm2(10*10*55mm无缺口试样)，是Cr12MoV材料冲击韧度的2倍以上，因此可以明显降低刀圈使用过程中的崩刀现象。
综上所述，采用本发明的含硼刀圈材料，可以在保持宏观硬度不变的基础上，由于耐磨相硬度的提高，可以提高刀圈的使用寿命，而且由于基体组织的变化，可以使刀圈具有更高的韧性，从而可以减少施工过程中的异常地质带来的刀圈断裂情况。
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。
(1)冶炼：采用电弧炉+LF+VD工艺冶炼钢水，浇注自耗电极，出钢温度控制在1500±10℃；然后采用氩气气氛保护电渣重熔炉，制成电渣钢锭。
(2)锻造：将钢锭缓慢加热到850℃保温，然后继续加热到1100±10℃，经过高温扩散后，进行锻造拔长，温度低于温度850℃时，停止锻造；将锻棒按照重量要求进行切段，将切段后小锻棒重新加热到1080±10℃进行模锻，锻后快冷到500℃以下。
(3)球化退火：将锻坯在250～350℃装炉，并升温至700～800℃，保温8～20h，再控温冷却至600～700℃，保温8～15h，再次控温冷却至500摄氏度后，随炉缓冷至350～450℃出炉空冷至室温。
(4)真空热处理：采用真空热处理的方式进行性能热处理，工艺过程包括淬火+两次保护气氛回火。真空淬火温度为1000～1100℃，保温时间为90～150min，油淬；回火温度200～250℃，保温时间为120～200min，回火后快速风冷到室温。
采用以上工艺后，最终得到的刀圈材料在组织上主要是大部分板条状回火马氏体和高硬度的硼化物耐磨相。
实施案例一
采用成分：C0.35％，B1.44％，Si 0.96％，Mn 0.37％，Cr 11.50％，V 1.25％，P0.017％，S 0.002％，Ni 1.80％，Ti 0.22，Fe(余量)。采用上述(1)的方式进行冶炼；锻造前进行1100℃高温扩散处理，保温时间根据钢锭直径计算；然后按照上述方式(2)进行锻造、模锻，制成刀圈；刀圈冷却到500°以下后进行球化退火，球化退火温度750℃，等温温度670℃，控温冷却速度均小于30℃/h；对刀圈进行真空热处理，真空淬火温度为1050℃，保温时间为120min，采用油淬；两次回火温度均为200℃，保温时间为180min，回火后快速风冷到室温。两次回火后硬度58-60HRC，冲击韧度25～30J/cm2(10*10*55mm无缺口试样)。
实施案例二
采用成分：C 0.44％，B1.45％，Si 0.95％，Mn 0.35％，Cr 11.70％，V 1.24％，P0.014，S 0.003，Ni 1.87，Ti 0.22，Fe(余量)。采用上述(1)的方式进行冶炼；锻造前进行1100℃高温扩散处理，保温时间根据钢锭直径计算；然后按照上述方式(2)进行锻造、模锻，制成刀圈；刀圈冷却到500°以下后进行球化退火，球化退火温度770℃，等温温度650℃，控温冷却速度均小于30℃/h；对刀圈进行真空热处理，真空淬火温度为1050℃，保温时间为120min，采用油淬；两次回火温度均为200℃，保温时间为180min，回火后快速风冷到室温。两次回火后硬度61-63HRC，冲击韧度20～25J/cm2(10*10*55mm无缺口试样)。

Claims (7)

1.一种盾构机用新型含硼滚刀刀圈材料，其特征在于，按照质量比各物质的组分为：B(1.00～1.50％)；C(0.35～0.45％)；Cr(11.00～12.5％)；Mn(0.20～0.60％)；Si(0.80～1.20％)；Ni(1.50～2.50％)；V(1.00～1.50％)；Ti(0.15～0.25％)；P(≤0.03％)；S(≤0.005％)；其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种盾构机用新型含硼滚刀刀圈材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；
(1)冶炼：冶炼钢水，浇注自耗电极，控制出钢温度；然后采用气氛保护电渣重熔炉，制成电渣钢锭；
(2)锻造：将钢锭缓慢加热保温，然后继续加热，经过高温扩散后，进行锻造拔长；将锻棒按照重量要求进行切段，将切段后小锻棒重新加热进行模锻，得到刀圈毛坯；
(3)球化退火：将锻坯装炉，并升温，保温，再控温冷却，保温，再次控温冷却，随炉缓冷至出炉空冷至室温，然后进行粗加工，得到粗加工后刀圈；
(4)真空热处理：采用真空热处理的方式进行性能热处理，工艺过程包括淬火+两次保护气氛回火；回火后快速风冷到室温；得到刀圈材料。
3.根据权利要求2所述的一种盾构机用新型含硼滚刀刀圈材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，采用电弧炉+LF+VD工艺冶炼钢水，出钢温度控制在1500±10℃；然后采用氩气气氛保护电渣重熔炉。
4.根据权利要求2所述的一种盾构机用新型含硼滚刀刀圈材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，将钢锭缓慢加热到850℃保温，然后继续加热到1100±10℃，经过高温扩散后，进行锻造拔长，温度低于温度850℃时，停止锻造；将锻棒按照重量要求进行切段，将切段后小锻棒重新加热到1080±10℃进行模锻，锻后快冷到500℃以下。
5.根据权利要求2所述的一种盾构机用新型含硼滚刀刀圈材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，将锻坯在250～350℃装炉，并升温至700～800℃，保温8～20h，再控温冷却至600～700℃，保温8～15h，再次控温冷却至500摄氏度后，随炉缓冷至350～450℃出炉空冷至室温。
6.根据权利要求2所述的一种盾构机用新型含硼滚刀刀圈材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，真空淬火温度为1000～1100℃，保温时间为90～150min，油淬；回火温度200～250℃，保温时间为120～200min。
7.根据权利要求2所述的一种盾构机用新型含硼滚刀刀圈材料的制备方法，其特征在于，采用以上工艺后，最终得到的刀圈材料在组织上主要是大部分板条状回火马氏体和高硬度的硼化物耐磨相；然后进行最终的精加工，得到可以装机的刀圈产品。
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