一种用于盾构机掘进的高韧耐磨滚刀刀圈的复合改性工艺制造技术

本发明专利技术公开一种用于盾构机掘进的高韧耐磨滚刀刀圈的复合改性工艺，步骤一：滚刀刀圈基体采用中碳合金钢材料，用热锻工艺制备毛坯；步骤二：将步骤一得到的毛坯进行渗碳淬火处理，然后进行油冷；步骤三：将步骤二油冷后的刀圈进行高温回火处理，使淬火后的不稳定马氏体完全转化成回火马氏体；步骤四：将步骤三高温回火后的刀圈进行表面感应淬火；步骤五：将步骤四感应淬火后的刀圈进行低温回火处理；步骤六：将步骤五低温回火后的刀圈进行表层超声冲击改性，得到复合改性的刀圈

【技术实现步骤摘要】
一种用于盾构机掘进的高韧耐磨滚刀刀圈的复合改性工艺


[0001]本专利技术涉及材料表面改性技术
，特别涉及一种用于盾构机掘进的高韧耐磨滚刀刀圈的复合改性工艺
。

技术介绍

[0002]盾构机作为开挖隧道的专业设备，掘进过程中滚刀刀圈承受巨大的冲击
、
摩擦
、
高压应力等复杂载荷作用，导致刀圈出现崩裂
、
磨损
、
卷边等形式的失效
。
目前盾构机滚刀刀圈存在的问题是硬度与冲击韧性较难良好匹配，大部分工艺利用热处理等方式，通过提高滚刀的硬度从而增强滚刀的抗磨损能力，但同时也降低了滚刀的抗冲击能力，无法承受较高的冲击载荷，最终因滚刀韧性不足导致出现崩刃和刀圈断裂
。
滚刀刀圈为盾构机的关键构件，其维护成本最高，因此研发高性能长寿命的盾构机滚刀刀圈，对于降低盾构机施工成本
、
提高施工效率具有十分重要的意义
。
[0003]中国专利申请
CN201710903630.3
通过对淬火后刀圈本体进行整体回火与局部回火，使得刀圈兼具耐磨性
、
抗缓冲能力和冲击韧性，提高破岩能力
。
[0004]中国专利申请
CN202010897638.5
和
CN202210963344.7
在铸造的合金钢基体钢液加入耐磨颗粒，采用离心铸造的方式浇注再进行高温锻造及退火处理得到滚刀刀圈毛坯，再将得到的毛坯后续加工处理得到复合滚刀刀圈，实现了耐磨颗粒在刀圈的梯度分布，使得兼具刀圈硬性及韧性
。
这些方法虽然能保留滚刀本身的冲击韧性，但滚刀刀圈材料分布不均匀，对耐磨性提高程度小，并不能有效提高滚刀寿命
。
[0005]中国专利申请
CN201710020201.1
通过对刀圈外边缘等离子渗氮形成有渗氮层，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
。
[0006]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，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
。
[0007]中国专利申请中国专利申请
CN201911098806.8
通过机器人增材制造技术在滚刀刀圈表面熔覆合金层，提高了滚刀刀圈表面的硬度
、
韧性和耐磨损性能，有效减少了磨损量，提高了抗冲击性能，延长了滚刀刀圈的服役周期
。
[0008]中国专利申请
CN201811130116.1
采用激光喷涂将金刚石粉末喷涂到刀圈基体的外圆周表面，使刀圈基体具有极高的韧性，金刚石耐磨层具有很高的抗压强度
、
硬度和耐磨性高，提高寿命
。
这些方法虽然能够提高刀圈的性能，但表层强化层薄，脆性大
。
另外主要注重刀圈表面硬度，忽略了刀圈整体抗冲击性能，不能提高刀圈对硬质岩的破岩能力
。
[0009]针对背景中盾构机滚刀表层硬化层薄，硬度与冲击韧性难同时兼具，导致滚刀刀圈冲击韧性和耐磨性不足的问题，本专利技术提供了一种用于盾构机掘进的高韧耐磨滚刀刀圈及其高能复合改性工艺，以克服上述问题
。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的在于提供一种用于盾构机掘进的高韧耐磨滚刀刀圈的复合改性工艺，构造梯度结构滚刀刀圈，使得滚刀刀圈兼具高的耐磨性
、
抗缓冲能力和冲击韧性
。
[0011]为达成上述目的，本专利技术的解决方案为：一种用于盾构机掘进的高韧耐磨滚刀刀圈的复合改性工艺，包括以下步骤：
[0012]步骤一：滚刀刀圈基体采用中碳合金钢材料，用热锻工艺制备毛坯；
[0013]步骤二：将步骤一得到的毛坯进行渗碳淬火处理，然后进行油冷；
[0014]步骤三：将步骤二油冷后的刀圈进行高温回火处理，使淬火后的不稳定马氏体完全转化成回火马氏体；
[0015]步骤四：将步骤三高温回火后的刀圈进行表面感应淬火；
[0016]步骤五：将步骤四感应淬火后的刀圈进行低温回火处理；
[0017]步骤六：将步骤五低温回火后的刀圈进行表层超声冲击改性，得到复合改性的刀圈
。
[0018]进一步，步骤二中，仅对步骤一得到的毛坯进行淬火处理；在步骤五与步骤六之间对低温回火后的刀圈的渗氮处理
。
[0019]进一步，所述复合改性刀圈的材质为
4Cr5MoSiV1、40CrNiMo、47Cr5MoSiVl
或
7Cr7Mo2V2Si。
[0020]进一步，所述复合改性刀圈从刀刃表层到底座分为
A、B、C、D
四个区域，区域
A
为高能改性层，区域
B
为相变层，区域
C
为过渡层，区域
D
为底座层
。
[0021]进一步，步骤二中，所述毛坯渗碳淬火阶段温度为
920
‑
1000℃
，渗碳时间为
6h
，得到的刀圈相变层
B
厚度大于
3mm。
[0022]进一步，步骤三中，高温回火温度为
550
‑
650℃。
[0023]进一步，步骤四中，感应淬火得到刀圈刀刃表层淬硬深度大于
5mm
，最高硬度大于
800HV。
[0024]进一步，步骤五中，低温回火温度不小于
300℃。
[0025]进一步，步骤六中，超声冲击改性频率为
20
‑
25kHz
，载荷为
900
‑
1500N
，进给量为
0.1mm/r
，转速为
200rpm
，得到的刀圈复合改性层
A
硬度大于
1050HV
，同时表层刀刃处具有超高的残余压应力和超细有效晶粒场
。
[0026]采用上述方案后，本专利技术的有益效果在于：
[0027]本专利技术通过高能复合改性工艺构造梯度结构滚刀刀圈，得到同时具备硬度与冲击韧性的复合改性刀圈
。
[0028]该工艺运用渗碳渗氮等热处理工艺和超声冲击改性，得到高硬刀刃和高韧刀座，即表面高硬度心部高韧性的刀圈，整体构成梯度结构，使得滚刀刀圈兼具高的耐磨性
、
抗缓冲能力和冲击韧性，同时刀刃处具有超高的残余压应力和超细有效晶粒场，使得滚刀刀圈具有更高的服役寿命
。
附图说明
[0029]图1是本专利技术一实施例复合改性刀圈本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于盾构机掘进的高韧耐磨滚刀刀圈的复合改性工艺，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：滚刀刀圈基体采用中碳合金钢材料，用热锻工艺制备毛坯；步骤二：将步骤一得到的毛坯进行渗碳淬火处理，然后进行油冷；步骤三：将步骤二油冷后的刀圈进行高温回火处理，使淬火后的不稳定马氏体完全转化成回火马氏体；步骤四：将步骤三高温回火后的刀圈进行表面感应淬火；步骤五：将步骤四感应淬火后的刀圈进行低温回火处理；步骤六：将步骤五低温回火后的刀圈进行表层超声冲击改性，得到复合改性的刀圈
。2.
如权利要求1所述的一种用于盾构机掘进的高韧耐磨滚刀刀圈的复合改性工艺，其特征在于：步骤二中，仅对步骤一得到的毛坯进行淬火处理；在步骤五与步骤六之间对低温回火后的刀圈的渗氮处理
。3.
如权利要求1所述的一种用于盾构机掘进的高韧耐磨滚刀刀圈的复合改性工艺，其特征在于：所述刀圈的材质为
4Cr5MoSiV1、40CrNiMo、47Cr5MoSiVl
或
7Cr7Mo2V2Si。4.
如权利要求1所述的一种用于盾构机掘进的高韧耐磨滚刀刀圈的复合改性工艺，其特征在于：所述刀圈从刀刃表层到底座分为
A、B、C、D
四个区域，区域
A
为高能改性层，区域
B
为相变层，区域
C
为过渡层，区域
D
为底座层
。5.
如权利要求4所述的一种用于盾构机掘进的高韧耐磨滚...

【专利技术属性】
技术研发人员：李毅，许焕彬，许志龙，郭必成，蒋清山，陈秀玉，陈俊英，程俊，
申请(专利权)人：集美大学，
类型：发明
国别省市：