一種盤形滾刀刀圈合金及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種盤形滾刀刀圈合金，成分質(zhì)量百分比為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%，余量為Fe，其制備方法包括將原料真空感應熔煉、澆注、鍛造、球化退火、氣體滲碳、真空淬火和二次回火，制備出的盤形滾刀刀圈滲碳層厚達1mm，滲碳層表面硬度可達到60~63HRC，內(nèi)部平均硬度大于55HRC，沖擊韌性aku達到15~22J/cm2，盾構刀圈不但硬度高而且韌性好。
【專利說明】一種盤形滾刀刀圈合金及其制備方法
【技術領域】/
[0001]本發(fā)明屬于鋼鐵材料領域，具體涉及一種用于盾構機盤形滾刀刀圈的合金及其制備方法。
【背景技術】/
[0002]盾構隧道掘進機(簡稱盾構機)施工具有機械化程度高、施工速度快、安全性高的優(yōu)點，被廣泛應用在礦山、鐵路、公路等大型施工建設工程中，盤形滾刀作為擠壓破巖掘進的主要刀具，是盾構機中的關鍵部件和易損部件。滾刀刀圈在整個掘進過程中始終巖石相接觸，是掘進和破巖的工作刃，不僅承受盾構機施予的極大推力，而且還要經(jīng)受巖石中各種較硬物質(zhì)的劇烈磨損，造成刀圈磨損嚴重，必須對刀圈進行頻繁的更換，而且消耗量很大，降低了盾構機的破巖效率，同時增加了施工成本。
[0003]盤形滾刀刀圈的制造難度大、消耗量也極大。刀圈的損壞方式主要有過度磨損、崩刃、斷裂,要求刀圈材料不僅具有高的硬度、耐磨性,還要有好的沖擊韌性。國外刀圈常采用的材料有X50CrMoV51和4340，國內(nèi)刀圈常采用9Cr2Mo、6Cr4Mo2W2V、40CrNiMo，這些材料存在耐磨性差或易斷裂的問題。近年來，4Cr5MoSiVl (即H13)因其高強高韌性而廣泛用于盾構機刀圈。H13 鋼的成分為: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%,余量為 Fe。H13 鋼冶煉一般采用電弧爐冶煉或電弧爐+電渣重熔雙聯(lián)冶煉工藝，工藝復雜且成本較高。國內(nèi)外專家對H13鋼的優(yōu)化設計進行了大量研究。
[0004]滲碳熱處理是提高材料硬度和耐磨性的重要方法，常用于低碳合金鋼，且隨著滲碳層厚度增加韌性降低，但對中碳中合金鋼滲碳研究報道較少?，F(xiàn)有技術中的滲碳層雖然提高了抗磨損能力和疲勞強度，但是滲層均較淺。
[0005]為了滿足盾構刀具在惡劣地質(zhì)條件下的應用，要求盾構刀圈不但硬度高而且韌性好，而韌性與硬度是一對矛盾，目前的報道還不能滿足這一要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種盾構機盤形滾刀刀圈合金及制備方法，使盾構刀圈同時硬度高而且韌性好，制備工藝簡單、成本低。
[0007]本發(fā)明提供的盤形滾刀刀圈合金，其化學成分質(zhì)量百分比為: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%,余量為 Fe。
[0008]本發(fā)明的盤形滾刀刀圈合金硬度HRC為55~58，沖擊韌性15~22J/cm2。
[0009]本發(fā)明提供的盤形滾刀刀圈合金的制備方法，包括將原料真空感應熔煉、澆注、鍛造、球化退火、氣體滲碳、真空淬火和二次回火。
[0010]作為改進，所述原料采用45號鋼，并通過添加中間合金和/或純金屬、還有石墨來調(diào)整合金各元素含量。[0011]作為改進，所述真空感應熔煉為，爐內(nèi)真空度達到20-40Pa，通電加熱，爐料溫度達到980-1020 °C，向爐內(nèi)充入氬氣，使爐內(nèi)壓強達到0.03-0.06MPa,熔煉溫度為:1600-1650°C。
[0012]作為改進，所述鍛造為，鍛前加熱到1255-1265℃保溫6.9-7.1小時，開鍛溫度為1140-1170°C，終鍛溫度≥900°C，鍛造比≥4。
[0013]作為改進，所述球化退火為，850-860°C保溫3.9-4.1h,降溫到735-745°C保溫1.9-2.lh。
[0014]作為改進，所述氣體滲碳，氣體滲碳處理滲碳溫度為925-935 ?，碳勢為
1.15-1.25%，保溫 4.9-5.1h ;降溫到 795_805°C，碳勢為 1.1-1.2%，保溫 1.9-2.lh。
[0015]作為改進，所述真空淬火溫度為1030_1060°C，二次回火溫度120_540°C。
[0016]本發(fā)明還提供一種盤形滾刀刀圈，制造盤形滾刀刀圈的材料為上述的盤形滾刀刀
圈合金。
[0017]本發(fā)明的特點在于:(I)采用低成本的45#鋼作為主要原料、加入石墨、雜質(zhì)含量低的中間合金和/或純金屬來調(diào)整合金元素的含量，減少了 S、p等雜質(zhì)元素的含量；加入少量Nb以形成Nb的氮化物或碳氮化物進一步強化，同時阻礙奧氏體化高溫熱處理時的晶粒長大；(2)采用真空感應爐熔煉，具有合金成分控制精確度高、元素燒損率小、合金成分均勻等優(yōu)點，獲得高純度的潔凈鋼；(3)相較主流的潔凈鋼煉鋼工序(電弧爐+真空精煉+電洛重熔)，本發(fā)明煉鋼工序(真空感應熔煉一鍛造一球化退火一氣體滲碳一真空淬火一二次回火)簡單、設備投資少，成本低，容易實現(xiàn)產(chǎn)品材質(zhì)的多元化；(4)通過對合金成分、鍛造加熱工藝、滲碳、淬火回火熱處理工藝的技術整合研究，實現(xiàn)了高硬度高韌性盾構刀圈材質(zhì)的制備。
[0018]本發(fā)明制備出的盤形滾刀刀圈材質(zhì)，實現(xiàn)刀圈滲碳層厚達1mm，滲碳層表面硬度可達到60~63HRC，內(nèi)部平均硬度大于55HRC，沖擊韌性aku達到15~22J/cm2，盾構刀圈不但硬度高而且韌性好，解決了韌性與硬度這一對矛盾，可滿足沖擊巖石磨損等復雜作業(yè)條件對盾構機刀圈材料的性能要求。
【具體實施方式】
[0019]在制備本發(fā)明的盤形滾刀刀圈合金過程中，合金熔清熔煉3min后取樣，取樣不合格，補加合金元素，至取樣合格后開始澆注；鍛造溫度必須≥900℃，當鍛件溫度低于900°C時回爐加熱保溫再鍛。下面以實施例具體說明。
[0020]實施例1
[0021]按下述步驟制備本發(fā)明的盤形滾刀刀圈合金和盤形滾刀刀圈。
[0022](I)配料:
[0023]原料選用45#鋼、高純石墨、純鉻、鑰鐵(含61wt%Mo)、釩鐵(含51wt%V)、鈮鐵(含66wt%Nb)、硅鐵(含73wt%Si)中間合金，45#鋼的質(zhì)量要求按國家標準，其它原料中的雜質(zhì)含量:S ≤0.03%、P ≤ 0.03%。
[0024]設計合金成分(元素質(zhì)量百分比)為:C0.45%、Si0.5%、Mn0.65%、Cr5.2%、Mol.4%、V0.8%,Nb0.5%,Fe余量。S、P為雜質(zhì)，其它均為配入的，各元素燒損分別設定為16%C、3%S1、4%Mn、2%Cr、4%Mo、8%V、13%Nb。按設計成分配料，配料總量約70kg。[0025]( 2 )真空感應爐熔煉:
[0026]填裝原料、鑄型入爐，關爐后開啟機械真空泵，當爐內(nèi)真空度達30Pa，通電加熱，用光學高溫計測量爐料溫度約1000°C，關閉抽氣閥門和真空泵，向爐內(nèi)充入氬氣，爐內(nèi)壓強達到0.06MPa停止通氣體，熔煉溫度為1600°C，合金熔清繼續(xù)熔煉3min后取樣測量，取樣測得合金成分為 C0.46%,Si0.45%、Mn0.6%、Cr5.4%、Μο1.3%,V0.86%、Nb0.54%,S0.0058%,P0.03%,達到了本實驗設計的范圍(正負誤差小于10%)，開始澆注，澆注溫度1580°C，澆入鋼錠模成鑄錠，30分鐘后開爐蓋，取出鑄型，切掉冒口。
[0027](3)鍛造:
[0028]鍛前加熱:1260°C保溫7小時，使合金元素充分擴散，成分均勻化。
[0029]開鍛溫度:1140°C ;終鍛溫度:900°C ;鍛造比4，多次鐓粗拔長。
[0030]按照上述鍛造工藝鍛造刀圈毛坯，刀圈毛坯主要尺寸為:外徑439.5mm、內(nèi)徑278.5_，內(nèi)圈高度84_，經(jīng)鐓粗、沖孔、擴孔、模鍛成型，中間經(jīng)2次加熱。
[0031](4)球化退火:
[0032]將鍛件和鍛造后的余料入爐進行球化退火，860°C保溫4h，降溫到740°C保溫2h，爐冷至550°C出爐空冷至室溫。
[0033](5)氣體滲碳:
[0034]將退火后的刀圈鍛造毛還和余料切割成的14mmX 14mmX70mm合金試樣進行噴砂
處理，將表面打磨光亮，去除氧化皮與油污。
`[0035]采用高碳勢高溫滲碳，在密封箱式爐內(nèi)采用甲醇滴注式氣氛進行滲碳處理，載氣為甲醇，富化氣為天然氣，天然氣為管道用氣，碳勢為1.2%C，滲碳溫度為930°C，保溫5h ;溫度降為800°C，碳勢調(diào)為1.15%，保溫2h后空冷至室溫。
[0036](6)真空淬火和二次回火:
[0037]滲碳處理后試樣在真空淬火爐內(nèi)進行淬火，淬火溫度1050°C(加熱時分階段預熱，先加熱到850°C保溫30min，溫度均勻后再升溫到淬火溫度保溫)，保溫1.5h，油冷至室溫，立即采用箱式電阻爐進行高溫回火，回火工藝為540°C X4h+510°C X4h 二次回火，回火兩次冷卻均采用取出空氣冷卻，得到用于盾構機的盤形滾刀刀圈。
[0038]制得的盤形滾刀刀圈，取三個樣，按標準方法測得合金滲碳層表面平均硬度分別達到61.2,62.3,63.1HRC,內(nèi)部基體平均硬度(距離表面5mm處)分別達57.4、58、56HRC ;取三個沖擊韌性試樣，按標準方法測得沖擊韌性值aku為15.4、16.4、18.8J/cm2。根據(jù)顯微硬度和顯微組織成分的分析，滲碳層厚度約1mm。
[0039]實施例2
[0040]按實施例1的方法制備本發(fā)明的盤形滾刀刀圈合金和盤形滾刀刀圈，各工藝參數(shù)和得到的產(chǎn)品的參數(shù)見表1，不同之處在于:
[0041]原料選用45號鋼、高純石墨、純鉻、純鎳、純鋁、鑰鐵(含61wt%Mo)、釩鐵(含51wt%V)、銀鐵(含66wt%Nb)、娃鐵(含73wt%Si)中間合金。設計合金成分(元素質(zhì)量百分比)為:C0.43%、Si0.7%、Mn0.75%、Crl.3%、Mo0.45%、V0.9%、Nb0.06%、A10.05%、Ni3%,各元素燒損分別設定為 16%C、3%S1、4%Mn、2%Cr、2%N1、4%Mo、8%V、13%A1、13%Nb。
[0042]合金熔清繼續(xù)熔煉3min后取樣測量，分析結果Mn、Mo含量不合格，計算補加相應的中間合金，熔清后保溫lOmin，再取樣測得合金成分為C0.4%, Si0.69%、Mn0.74%、Crl.3%、Mo0.42%、V0.96%、Nb0.06%、Al0.01%、Ni3%, S0.0062%、P0.028%,達到了本實驗設計的范圍(正負誤差小于10%，除Al外，Al主要作為脫氧劑)，開始澆注。
[0043]實施例3
[0044]按實施例1的方法制備本發(fā)明的盤形滾刀刀圈合金和盤形滾刀刀圈，各工藝參數(shù)和得到的產(chǎn)品的參數(shù)見表1，不同之處在于:
[0045]原料選用45鋼、高純石墨、純鉻、純鋁、鑰鐵(含61wt%Mo)、釩鐵(含51wt%V)、鈮鐵(含66wt%Nb)、硅鐵(含73wt%Si)中間合金。設計合金成分(元素質(zhì)量百分比)為:C0.44%、Sil%、Mn0.5%、Cr5.3%、Mol.5%、V1.4%、Nb0.25%、A10.05%,各元素燒損分別設定為 16%C、3%S1、4%Mn、2%Cr、4%Mo、8%V、13%A1、13%Nb。
[0046]合金熔清繼續(xù)熔煉3min后取樣測量，分析結果C、V、A1含量不合格，計算補加相應的中間合金，熔清后保溫lmin，再取樣測得合金成分為C0.45%、Sil.0%、Mn0.48%、Cr5.2%、Mol.4%, V1.33%,Nb0.24%,A10.05%、S0.008%,P0.013%，達到了本實驗設計的范圍(正負誤差小于10%)，開始澆注。
[0047]表1
[0048]`
【權利要求】
1.一種盤形滾刀刀圈合金，其化學成分質(zhì)量百分比為:c 0.r0.46%, 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%,余量為 Fe。
2.根據(jù)權利要求1所述的盤形滾刀刀圈合金，其特征在于合金硬度HRC為55飛8，沖擊韌性 15~22J/cm2。
3.—種如權利要求1或2所述的盤形滾刀刀圈合金的制備方法，包括將原料真空感應熔煉、澆注、鍛造、球化退火、氣體滲碳、真空淬火和二次回火。
4.根據(jù)權利要求3所述的盤形滾刀刀圈合金的制備方法，其特征在于所述原料采用45號鋼，并通過添加中間合金和/或純金屬、還有石墨來調(diào)整合金各元素含量。
5.根據(jù)權利要求3或4所述的盤形滾刀刀圈合金的制備方法，其特征在于所述真空感應熔煉為，爐內(nèi)真空度達到20-40Pa，通電加熱，爐料溫度達到980-1020°C，向爐內(nèi)充入氬氣，使爐內(nèi)壓強達到0.03-0.06MPa，熔煉溫度為1600-1650°C。
6.根據(jù)權利要求3或4所述的盤形滾刀刀圈合金的制備方法，其特征在于所述鍛造為，鍛前加熱到1255-1265°C保溫6.9-7.1小時，開鍛溫度為1140_1170°C，終鍛溫度≤900°C，鍛造比≤4。
7.根據(jù)權利要求3或4所述的盤形滾刀刀圈合金的制備方法，其特征在于所述球化退火為，850-860°C保溫 3.9-4.1h,降溫到 735-745°C保溫 1.9-2.1h。
8.根據(jù)權利要求3或4所述的盤形滾刀刀圈合金的制備方法，其特征在于所述氣體滲碳，氣體滲碳處理滲碳溫度為925-935 °C，碳勢為1.15-1.25%，保溫4.9-5.1h ；降溫到795-805°C，碳勢為 1.1-1.2%，保溫 1.9-2.1h0
9.根據(jù)權利要求3或4所述的盤形滾刀刀圈合金的制備方法，其特征在于所述真空淬火溫度為1030-1060°C，二次回火溫度120-540°C。
10.一種盤形滾刀刀圈，其特征在于制造所述盤形滾刀刀圈的材料為權利要求1或2所述的盤形滾刀刀圈合金。
【文檔編號】C22C38/48GK103484783SQ201310489566
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月18日 優(yōu)先權日:2013年10月18日
【發(fā)明者】林國標, 張忠鍵, 賀軍, 王茂青, 趙偉朋, 馬紹宏, 劉獻良 申請人:株洲硬質(zhì)合金集團有限公司, 株洲鉆石鉆掘工具有限公司, 北京科技大學