[发明专利]一种盘形滚刀刀圈合金及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于钢铁材料领域，具体涉及一种用于盾构机盘形滚刀刀圈的合金及其制备方法。

背景技术

盾构隧道掘进机（简称盾构机）施工具有机械化程度高、施工速度快、安全性高的优点，被广泛应用在矿山、铁路、公路等大型施工建设工程中，盘形滚刀作为挤压破岩掘进的主要刀具，是盾构机中的关键部件和易损部件。滚刀刀圈在整个掘进过程中始终岩石相接触，是掘进和破岩的工作刃，不仅承受盾构机施予的极大推力，而且还要经受岩石中各种较硬物质的剧烈磨损，造成刀圈磨损严重，必须对刀圈进行频繁的更换，而且消耗量很大，降低了盾构机的破岩效率，同时增加了施工成本。

盘形滚刀刀圈的制造难度大、消耗量也极大。刀圈的损坏方式主要有过度磨损、崩刃、断裂，要求刀圈材料不仅具有高的硬度、耐磨性，还要有好的冲击韧性。国外刀圈常采用的材料有X50CrMoV51和4340，国内刀圈常采用9Cr2Mo、6Cr4Mo2W2V、40CrNiMo，这些材料存在耐磨性差或易断裂的问题。近年来，4Cr5MoSiV1（即H13）因其高强高韧性而广泛用于盾构机刀圈。H13钢的成分为：C0.32～0.45%，Si0.80～1.90%，Mn0.20～0.50%，Cr4.75～5.50%，Mo1.10～1.75%，V0.80～1.20%，P≤0.030%，S≤0.030%，余量为Fe。H13钢冶炼一般采用电弧炉冶炼或电弧炉+电渣重熔双联冶炼工艺，工艺复杂且成本较高。国内外专家对H13钢的优化设计进行了大量研究。

渗碳热处理是提高材料硬度和耐磨性的重要方法，常用于低碳合金钢，且随着渗碳层厚度增加韧性降低，但对中碳中合金钢渗碳研究报道较少。现有技术中的渗碳层虽然提高了抗磨损能力和疲劳强度，但是渗层均较浅。

为了满足盾构刀具在恶劣地质条件下的应用，要求盾构刀圈不但硬度高而且韧性好，而韧性与硬度是一对矛盾，目前的报道还不能满足这一要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种盾构机盘形滚刀刀圈合金及制备方法，使盾构刀圈同时硬度高而且韧性好，制备工艺简单、成本低。

本发明提供的盘形滚刀刀圈合金，其化学成分质量百分比为：C0.4～0.46%、Si0.45～1.0%、Mn0.48～0.74%、Cr1.3～5.4%、Mo0.4～1.4%，V0.86～1.33%、Nb0.06～0.54%、Al0～0.05%，Ni0～3%，S≤0.009%、P≤0.03%，余量为Fe。

本发明的盘形滚刀刀圈合金硬度HRC为55～58，冲击韧性15～22J/cm²。

本发明提供的盘形滚刀刀圈合金的制备方法，包括将原料真空感应熔炼、浇注、锻造、球化退火、气体渗碳、真空淬火和二次回火。

作为改进，所述原料采用45号钢，并通过添加中间合金和/或纯金属、还有石墨来调整合金各元素含量。

作为改进，所述真空感应熔炼为，炉内真空度达到20-40Pa，通电加热，炉料温度达到980-1020℃，向炉内充入氩气，使炉内压强达到0.03-0.06MPa，熔炼温度为1600-1650℃。

作为改进，所述锻造为，锻前加热到1255-1265℃保温6.9-7.1小时，开锻温度为1140-1170℃，终锻温度≥900℃，锻造比≥4。

作为改进，所述球化退火为，850-860℃保温3.9-4.1h，降温到735-745℃保温1.9-2.1h。

作为改进，所述气体渗碳，气体渗碳处理渗碳温度为925-935℃，碳势为1.15-1.25%，保温4.9-5.1h；降温到795-805℃，碳势为1.1-1.2%，保温1.9-2.1h。

作为改进，所述真空淬火温度为1030-1060℃，二次回火温度120-540℃。

本发明还提供一种盘形滚刀刀圈，制造盘形滚刀刀圈的材料为上述的盘形滚刀刀圈合金。