[发明专利]一种盘形滚刀刀圈及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于盾构机隧道掘进用盘形滚刀刀圈的材质、制造方法，进一步涉及硬度呈梯度分布的盘形滚刀刀圈。

背景技术

盾构机施工具有机械化程度高、施工速度快、安全性高等优点，被广泛应用于地铁、铁路、水电等重大工程的隧道掘进。盾构机在全断面硬岩施工或者上软下硬复合地层施工时，多采用盘形滚刀，工作时盘形滚刀刀圈在盾构机推力下压入岩体使岩石破碎。盘形滚刀作为破岩工具，不仅承受很大的径向破岩力，同时又受到岩石硬矿物相的剧烈磨损。因此滚刀质量直接影响盾构机的掘进速度，是隧道掘进最大的消耗件之一。

滚刀的工作刃，即刀圈，在工作中受到的摩擦力、剪切力和冲击力相当大，刀圈的损坏方式主要有过早磨损、崩刃、断裂。

目前刀圈常采用的材料为4Cr5MoSiV1、40CrNiMo、H13，但这些刀圈在硬岩和上软下硬岩层掘进中，存在耐磨性差或者容易断裂的问题。掘进硬岩和上软下硬岩层要求刀圈具备较好的韧性，以抵抗岩石的冲击，并尽可能提高材料本身的硬度，延长使用寿命。对于一般条件下制备的金属材料而言，硬度和韧性是一对矛盾，硬度提高势必降低材料的韧性，如刀圈整体硬度达到HRC59以上时，在掘进硬岩时刀圈会产生整体断裂、崩裂现象，而硬度低于HRC55，则刀圈不耐磨。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硬度高、韧性好，综合性能良好的盘形滚刀刀圈，应用于盾构机盘形滚刀上，适用于盾构机掘进硬岩、上软下硬岩层。同时提供了该盘形滚刀刀圈的材质与制造方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：盘形滚刀刀圈，其成分与质量百分比分别为：C  0.46～0.56%，Si 0.80～1.20%，Mn 0.20～0.65%，Cr 5.00～5.80%，Mo 1.15～1.55%，V 0.85～1.40%，Fe 余量；杂质P≤0.02%，S≤0.01%。

所述盘形滚刀刀圈整体硬度HRC55～61。其制备方法，依次包括原料电炉冶炼，电渣重熔，预锻，模锻，缓冷，退火，粗加工获得盘形滚刀刀圈粗坯，刀圈粗坯再经高温真空淬火加二次高温回火，低温去应力处理，精加工。这样制造的盘形滚刀刀圈适应硬岩层的掘进。

为适应不同的工作条件，即上软下硬岩层的掘进，作为改进，所述盘形滚刀刀圈的硬度成梯度分布，即工作刃区域HRC55～61，过渡面区域HRC50～57，台阶装配面区域与内圈HRC44～51。其制备方法，依次包括原料电炉冶炼、电渣重熔，预锻，模锻，缓冷，退火，粗加工获得盘形滚刀刀圈粗坯，刀圈粗坯再经高温真空淬火加二次高温回火，中频感应回火处理，低温去应力处理，精加工。

所述退火工艺为：以60～80℃/h的速度升温，到890±10℃时保温5～6 h，以40～60℃/h速度冷却到750±10℃，再保温4 h，然后以40～60℃/h速度冷却到500℃，出炉空冷；所述退火后刀圈粗坯硬度＜HB 230。

所述高温真空淬火加二次高温回火工艺为：首先将刀圈粗坯以<200℃/h速度从室温加热至700℃，保温2h，再将刀圈粗坯以<180℃/h速度加热至870℃，保温1.5h，接着继续升温至1050±20℃保温1h,真空淬火，冷却至60℃以下；然后在540±20℃进行第一次回火，保温3h；再在525±20℃进行第二次回火，保温2h。

所述中频感应回火处理是将高温真空淬火加二次高温回火后的刀圈粗坯安置于中频感应加热机的回转平台上，采用U型感应线圈并调整线圈相对刀圈的工作刃区域、过渡面区域、台阶装配面区域与内圈的分布密度，对刀圈的工作刃区域、过渡面区域、台阶装配面区域与内圈进行回旋感应加热，使刀圈的硬度呈梯度分布。

作为改进，U型感应线圈相对工作刃区域、过渡面区域、台阶装配面区域与内圈的分布密度为依次递增，所述刀圈的硬度从工作刃、过渡面、台阶装配面及内圈呈递减的梯度分布。

由于本发明的刀圈材料成份设计是在热作模具钢的基础上，提高钢的碳量来保证的刀圈的淬硬性，同时使之具备较好的韧性和导热性；增加铬量提高钢材的淬透性、耐磨性和回火稳定性；加入钼细化晶粒、提高韧性和减少钢的回火脆性；添加硅，提高回火稳定性；加钒来细化晶粒进一步提高韧性。从而保证本发明的刀圈材质具有较高的硬度和耐磨性。