[发明专利]一种用于盾构机硬质岩掘进的弹硬刀圈及其热处理方法

说明书

本发明提供了一种用于盾构机硬质岩掘进的弹硬刀圈及其热处理方法，所述刀圈从刀刃到刀座分为A、B、C三个区域，区域A部分的金相组织以回火马氏体为主的均匀淬硬层，区域C部分的金相组织以回火屈氏体为主，区域B部分为过渡区域。首先对所述刀圈进行整体淬火和整体回火，然后再对所述刀圈的刀座部分进行局部回火处理，使得所述刀圈的刀刃部分主要为回火马氏体，刀座部分为回火屈氏体。高强度刀刃和弹性刀座匹配，使得所述刀圈兼具高的耐磨性、抗缓冲能力和冲击韧性，同时刀刃处具有残余压应力，增加了刀口的抗疲劳能力，使得所述刀圈具有更高的使用寿命和破岩能力。

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，具体涉及一种用于盾构机硬质岩掘进的弹硬刀圈及其热处理方法。

背景技术

全断面岩石隧道掘进机(简称隧道掘进机或TBM)用于水利地下工程的施工机械装备，是我国装备制造业的标志性产品，由于其结构复杂，技术含量高，目前国际上只有欧美、日本等少数几个国家的企业具有设计能力。随着我国水利、交通、地下工程建设的发展，TBM施工安全、快速、环保等优点，对隧道掘进机的数量需求不仅非常大而且非常迫切。而隧道掘进机刀圈的设计制造在国内尚处于探索阶段，因此加速发展我国隧道掘进机刀圈的研发及产业化势在必行。

刀盘是隧道掘进机的关键部件，具有开挖、稳定掌子面、搅拌渣土等功能，而盘形滚刀刀圈是刀盘上配置的主要破岩刀具，对提高隧道掘进机破岩能力和掘进效率、降低挖掘成本具有重要意义，是影响隧道掘进机掘进性能的决定性因素，滚刀工况恶劣，属于易损件，刀圈的使用出现异常现象或刀圈的刀刃磨损25mm以上则需要更换刀圈，刀圈依赖进口，采购时间长，价格昂贵，对隧道施工工期和施工成本有很大影响，据统计，施工中因为刀圈磨损而更换的刀圈数量达80％，滚刀的检测维修更换所花费的时间占工期的1/3左右，刀具成本占整个工程成本的1/3左右。

目前盾构施工法已经在隧道建造的主流方法，安装在刀盘上的滚刀是全断面盾构机破碎硬质岩石的主要刀具，而刀圈是安装在滚刀刀体上的可拆的刀刃，是滚刀磨损的主要部位。目前刀具磨损而导致的耗费在隧道施工中占据大约20～30％的费用，而且刀具磨损到一定程度后，必须更换新刀具，而刀具更换必然耽误隧道施工时间，根据不完全统计，刀具更换的时间占总施工时间的比例在约5～25％之间。目前，国产刀圈对磨蚀性强的硬质岩石地段施工的使用寿命低。除了整体淬硬的全硬刀圈和梯度硬度刀圈外，在现有技术中也常通过渗碳处理等手段来提高刀圈表面的硬度以期来提高滚刀刀圈的耐磨损性。

中国专利申请201710020201.1通过在刀圈本体的外边缘通过等离子氮化形成有渗氮层，使其兼有优异的切削性能、耐磨性和高冲击韧性等关键性能指标，提高刀具的使用寿命。中国专利申请CN201710195596.9采用激光合金化技术对盾构隧道掘进机滚刀刀圈进行表面强化处理和后续热处理过程，在盾构隧道掘进机滚刀刀圈表面形成弥散分布的纳米颗粒增强合金化层，以满足滚刀刀圈在恶劣服役环境下承受强挤压、大扭矩、强冲击、高磨损等性能要求。这些方法虽然能够提高刀圈的性能，但渗层薄，脆性大，工艺复杂，制造成本高。另外主要注重刀圈表面处的硬度，忽略了刀圈整体性能的提高，不能提高刀圈对硬质岩的破岩能力。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种用于盾构机硬质岩掘进的弹硬刀圈及其热处理方法，高强度刀刃和弹性刀座匹配，使得所述刀圈兼具高的耐磨性、抗缓冲能力和冲击韧性，同时刀刃处具有残余压应力，增加了刀口的抗疲劳能力，使得所述刀圈具有更高的使用寿命和破岩能力。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种用于盾构机硬质岩掘进的弹硬刀圈，其特征在于，所述刀圈从刀刃到刀座分为A、B、C三个区域，区域A部分的金相组织以回火马氏体为主的均匀淬硬层，区域C部分的金相组织以回火屈氏体为主，区域B部分为过渡区域。

进一步地，所述区域A部分的范围为从刀刃刃口向刀座方向延伸30-35mm。