本发明专利技术涉及一种盘形滚刀刀圈合金，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，其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，制备出的盘形滚刀刀圈渗碳层厚达1mm，渗碳层表面硬度可达到60~63HRC，内部平均硬度大于55HRC，冲击韧性aku达到15~22J/cm2，盾构刀圈不但硬度高而且韧性好。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种盘形滚刀刀圈合金，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，其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，制备出的盘形滚刀刀圈渗碳层厚达1mm，渗碳层表面硬度可达到60~63HRC，内部平均硬度大于55HRC，冲击韧性aku达到15~22J/cm2，盾构刀圈不但硬度高而且韧性好。【专利说明】
/本专利技术属于钢铁材料领域，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。
技术介绍
/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，4Cr5MoSiVl (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%, Mol.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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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%、Μη0.48 ~0.74%, Cr 1.3 ~5.4%、ΜοΟ.4 ~1.4%, V0.86 ~1.33%, Nb0.06 ~0.54%、AlO ~0.05%, NiO ~3%，S 0.009%、P 0.03%,余量为 Fe。本专利技术的盘形滚刀刀圈合金硬度HRC为55~58，冲击韧性15~22J/cm2。本专利技术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 °C，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°C。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°C，终锻温度≥900°C，锻造比≥4。作为改进，所述球化退火为，850-860°C保温3.9-4.1h,降温到735-745°C保温1.9-2.lh。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°C，碳势为 1.1-1.2%，保温 1.9-2.lh。作为改进，所述真空淬火温度为1030_1060°C，二次回火温度120_540°C。本专利技术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。本专利技术的特点在于:(I)采用低成本的45#钢作为主要原料、加入石墨、杂质含量低的中间合金和/或纯金属来调整合金元素的含量，减少了 S、p等杂质元素的含量；加入少量Nb以形成Nb的氮化物或碳氮化物进一步强化，同时阻碍奥氏体化高温热处理时的晶粒长大；(2)采用真空感应炉熔炼，具有合金成分控制精确度高、元素烧损率小、合金成分均匀等优点，获得高纯度的洁净钢；(3)相较主流的洁净钢炼钢工序(电弧炉+真空精炼+电洛重熔)，本专利技术炼钢工序(真空感应熔炼一锻造一球化退火一气体渗碳一真空淬火一二次回火)简单、设备投资少，成本低，容易实现产品材质的多元化；(4)通过对合金成分、锻造加热工艺、渗碳、淬火回火热处理工艺的技术整合研究，实现了高硬度高韧性盾构刀圈材质的制备。本专利技术制备出的盘形滚刀刀圈材质，实现刀圈渗碳层厚达1mm，渗碳层表面硬度可达到60~63HRC，内部平均硬度大于55HRC，冲击韧性aku达到15~22J/cm2，盾构刀圈不但硬度高而且韧性好，解决了韧性与硬度这一对矛盾，可满足冲击岩石磨损等复杂作业条件对盾构机刀圈材料的性能要求。【具体实施方式】在制备本专利技术的盘形滚刀刀圈合金过程中，合金熔清熔炼3min后取样，取样不合格，补加合金元素，至取样合格后开始浇注；锻造温度必须≥900℃，当锻件温度低于900°C时回炉加热保温再锻。下面以实施例具体说明。实施例1按下述步骤制备本专利技术的盘形滚刀刀圈合金和盘形滚刀刀圈。(I)配料:原料选用45#钢、高纯石墨、纯铬、钥铁(含61wt%Mo)、钒铁(含51wt%V)、铌铁(含66wt%Nb)、硅铁(含73wt%Si)中间合金，45#钢的质量要求按国家标准，其它原料中的杂质含量:S ≤0.03%、P ≤ 0.03%。设计合金成分(元素质量百分比)为:C0.45%、Si0.5%、Mn0.65%、Cr5.2%、Mol.4%、V0.8%,Nb0.5%,Fe余量。S、P为杂质，其它均为配入的，各元素烧损分别设定为16%C、3%S1、4%Mn、2%Cr、4%Mo、8%V、13%Nb。按设计成分配料，配料总量约70kg。( 2 )真空感应炉熔炼:填装原料、铸型入炉，关炉后开启机械真空泵，当炉内真空度达30Pa，通电加热，用光学高温计测量炉料温度约1000°C，关闭抽气阀门和真空泵，向炉内充入氩气，炉内压强达到0.06MPa停止通气体，熔炼温度为1600°C，合金熔清继续熔炼3min后取样测量，取样测得合金成分为 C0.46%,Si0.45%、Mn0.6%、Cr5.4%、Μο1.3%,V0.86%、Nb0.54%,S0.0058%,P0.03%,达到了本实验设计的范围(正负误差小于10%)，开始本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种盘形滚刀刀圈合金，其化学成分质量百分比为：C?0.4~0.46%、Si?0.45~?1.0%、Mn?0.48~0.74%、Cr?1.3~5.4%、Mo?0.4~1.4%，V?0.86~1.33%、Nb?0.06~0.54%、Al?0~0.05%，Ni?0~3%，S≤0.009%、P≤0.03%，余量为Fe。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：林国标，张忠键，贺军，王茂青，赵伟朋，马绍宏，刘献良，
申请(专利权)人：株洲硬质合金集团有限公司，株洲钻石钻掘工具有限公司，北京科技大学，
类型：发明
国别省市：
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