[发明专利]一种复合强化型盾构机刀圈及工艺方法

说明书

本发明提供了一种复合强化型盾构机刀圈及工艺方法，该滚刀刀圈其刀刃部位结构从内到外包括金属本体、防软化层和强化耐磨层，其制备工艺流程包括刀刃部位下沉加工、激光熔覆防软化层、激光熔覆厚强化耐磨层、刀圈整体淬火热处理、金刚石刀具加工至设计尺寸等，强化后刀圈表面硬度达到HRC65～HRC69。本发明可实现强化层与本体冶金结合、消除表面强化工艺过程对本体的软化程度，强化层厚度高，可有效提高刀圈的服役寿命。

技术领域

本发明属于表面工程技术领域，具体涉及一种复合强化型盾构机刀圈及工艺方法。

背景技术

隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，简称TBM)是集支护、掘进、出渣、换步、保养维修、运输为一体的大型多功能掘进机械。TBM主要用于引水工程、铁路公路交通隧道、煤矿巷道及城市地下轨道全断面施工。TBM从隧道一端进去，从隧道另一端出来时，整座隧道便已建成。盾构机施工过程受到河道、航运以及气候的影响比较小；在隧道施工中，盾构机使用相对方便，而且经济效益较高，能够保证施工的安全；盾构机在出土、掘进等操作时可以实现高度的自动化和智能化；盾构机掘进过程中工作速度较高、效率较高、劳动强度相对较小。隧道的TBM施工是长大隧道建造主要施工方法及发展方向，其高效快速的特点可使工程提前完工，提前创造价值。目前已在我国获得推广应用。

在TBM装备中，滚刀刀圈是碾压岩石，破碎岩石的主要的工作部件，在工作过程中不断的挤压破碎岩石，其刀刃部分将发生严重的损伤，其损伤形式多样化，包括破裂、偏磨、卷刃以及正常均匀磨损，在这些损伤形式中，正常均匀磨损大约占据80％。当刀圈应用于如花岗岩等硬岩中时，刀圈的磨损速度加快，严重时每掘进6m就需要进行一次刀具更换，而更换一次刀具需要5～6h，因此其产生的时间代价比较高，据统计，TBM掘进工程中，因刀具损伤换刀所消耗的时间约占工程施工时间的1/3。因此提高刀圈服役寿命是降低工程造价，提前产生经济效益的主要途径。

H13钢是制作TBM滚刀刀圈的主要材料，为了提高刀圈的服役寿命，国内外设计了多种刀圈，并采用各种强化技术提高刀圈的耐磨性。刀圈结构形式主要有普通型或加厚钢刀圈、镶齿硬质合金刀圈以及镶齿硬质合金并堆焊耐磨硬质合金材料的复合刀圈。这些刀圈分别适应不同的地质环境，比如普通型或加厚钢刀圈主要用于掘进岩土地层、断裂砾岩、砂岩、砂粘土等以及中硬度岩石如大理石、灰岩地层。镶齿硬质合金刀圈适用于掘进坚硬岩石如玄武岩、斑岩及石英地层。镶齿硬质合金并堆焊耐磨硬质合金材料的复合刀圈主要适用于掘进坚硬岩石和高磨蚀性的岩层。对于普通型刀圈，研究人员还采用了各种表面工程技术以提高其耐磨性，如渗氮加淬火工艺。在目前的各种H13钢强化技术中，B、N、C等元素的扩散渗透技术具有强化效果好，但强化层厚度薄、效率低，一旦浅表层磨损，将不再具有良好的耐磨性；镶嵌高硬度耐磨件工艺复杂，成本高，在刀圈工况中不适用，且镶嵌工艺需要钎焊，钎焊层在工作过程中的变形将导致硬质合金脱落；激光熔覆、等离子熔覆技术和堆焊工艺能实现厚涂层、冶金结合等，但在熔覆过程中产生大量的热输入，对H13钢造成回火，引起软化现象。因此目前的各种强化工艺均有其固有缺陷，在高硬度的地质环境中需要研发一款新型的刀圈强化工艺。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术制作刀圈的寿命短、强化层厚度低、易于脱落、本体软化等缺点和不足，提供一种复合强化型盾构机刀圈及工艺方法，延长刀圈的服役寿命，降低更换刀圈的时间代价。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种复合强化型盾构机刀圈，其刀刃部位结构从内到外包括金属本体、防软化层和强化耐磨层。

所述硬岩盾构机用滚刀刀圈最终尺寸符合刀圈原始结构设计，所述防软化层厚度为0.3～1.5mm，防软化层侧面外部的强化耐磨层的厚度为1mm～5mm，刀刃顶部的强化耐磨层的厚度为0.5mm～7.5mm，强化耐磨层厚度比防软化层厚度厚。