本发明涉及金属材料
技术领域：
，特别涉及一种隧道掘进机滚刀刀圈合金材料及其制备方法。
背景技术：
：随着铁路、水利工程长大隧道施工以及地铁施工项目的日渐增多，隧道掘进机(tunnelboringmachine，以下简称tbm)的应用也日渐广泛。tbm的掘进是以一定的推力，通过安装在刀盘前端的盘形滚刀(以下简称滚刀)的刀圈对岩石形成滚动挤压而实现破岩。因此在tbm的掘进过程中，滚刀刀圈的磨损是最为主要的。tbm滚刀的设计制造技术是tbm的核心技术之一，同时，tbm施工中刀具检查、更换、维修等辅助时间和刀具消耗费用占tbm施工总时间与施工总费用的很大比例。一般情况下，tbm施工工程刀具消耗费用约占工程造价的四分之一到五分之一，地质条件不好时，甚至高达三分之一左右。刀具更换时间占总施工时间的比值可达4％～26％。因此，tbm施工过程中刀具质量是制约掘进效率的首要因素，也是降低tbm施工成本的关键问题。滚刀由轴、端盖、浮动密封、轴承、刀圈、档圈、刀体、压板、加油螺栓等组成，其中刀圈是刀具的关键件之一。滚刀在破岩时要承受巨大的载荷和冲击、剧烈的摩擦和高温，各零件尤其是刀圈表面被磨损。滚刀刀圈材料比较成熟的是德国wirth公司、海瑞克公司和美国robbins公司生产的滚刀刀圈。现有的滚刀刀圈多通过渗碳处理的方式在合金材料表层形成一层高硬度渗碳层，以此提高滚刀刀圈的硬度。但是，渗碳层的厚度较薄，仍难以满足滚刀刀圈大磨损量的要求。技术实现要素：有鉴于此，本发明提供了一种tbm滚刀刀圈合金材料及其制备方法。本发明制备得到的滚刀刀圈合金材料硬度高，且韧性好，有助于延长滚刀刀圈的使用寿命。为了达到以上目的，本发明提供了以下技术方案：本发明提供了一种隧道掘进机滚刀刀圈合金材料，按质量含量计，包括：c0.70～0.90％，si1.01～2.00％，mn1.01～2.00％，cr2.00～3.00％，mo1.50～2.00％，ni1.01～2.00％，v0.80～1.50％，nb0.10～0.40，s≤0.03％，p≤0.03％和余量的fe。优选的，所述隧道掘进机滚刀刀圈合金材料的组织为回火马氏体及析出物，所述析出物含有铌的碳化物、钼的碳化物和钒的碳化物。优选的，所述隧道掘进机滚刀刀圈合金材料的晶粒尺寸为80～120μm。本发明提供了上述技术方案所述的隧道掘进机滚刀刀圈合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将合金原料熔炼后进行铸造，得到筒型铸件；(2)将所述步骤(1)得到的筒型铸件进行锻造，得到初坯；(3)将所述步骤(2)得到的初坯进行退火，得到退火初坯；(4)将所述步骤(3)得到的退火初坯进行粗加工，得到初品；(5)将所述步骤(4)得到的初品依次进行淬火和回火，得到隧道掘进机滚刀刀圈合金材料。优选的，所述步骤(1)中熔炼的温度为1600～1650℃，熔炼的方式为电炉熔炼。优选的，所述步骤(2)中锻造的开锻温度为990～1040℃，锻造的终锻温度在900℃以上，锻造的锻造比为1.5以上。优选的，所述步骤(2)锻造前，将所述筒型铸件进行保温处理；所述保温的温度为1090～1140℃，保温的时间为5～6h。优选的，所述步骤(3)中退火包括依次进行的第一退火和第二退火；所述第一退火的温度为850～860℃，第一退火的时间为3.9～4.1h；所述第二退火的温度为715～725℃，第二退火的时间为1.9～2.1h。优选的，所述步骤(5)中淬火的温度为1030～1090℃，淬火的时间为8～10h。优选的，所述步骤(5)中回火的温度为450～580℃，回火的时间为5～6h。本发明提供的隧道掘进机滚刀刀圈合金材料，按质量含量计，包括：c0.70～0.90％，si1.01～2.00％，mn1.01～2.00％，cr2.00～3.00％，mo1.50～2.00％，ni1.01～2.00％，v0.80～1.50％，nb0.10～0.40，s≤0.03％，p≤0.03％和余量的fe。本发明提供的tbm滚刀刀圈合金材料通过c、mn、si、cr、ni、mo、v、nb等元素的配合，较少的细小的铌、钼和钒的碳化物弥散分布在马氏体基体上，有利于提升材料的韧性；而较高的mo和v含量，保证了材料在所采取的热处理工艺下具有较高的硬度，进而在满足硬度要求的前提下，显著提高合金材料的韧性。本发明提供的制备方法通过锻造结合操作简便的热处理方式(退火-淬火-再回火)，调控相变过程，细化晶粒，得到回火马氏体组织，同时析出少量碳化物，进一步提高tbm滚刀刀圈合金材料的强度和韧性。实施例的结果表明，本发明提供的tbm滚刀刀圈合金材料hrc硬度为59～62，冲击韧性(ak)为6～10j/cm2；本发明提供的滚刀刀圈相比传统wirth刀圈的使用寿命提高20％以上。附图说明图1为实施例1tbm滚刀刀圈合金材料的光学金相照片；图2是实施例1tbm滚刀刀圈合金材料的扫描电镜照片；图3为图2中析出的碳化物的点分析。具体实施方式本发明提供了一种tbm滚刀刀圈合金材料，按质量含量计，包括：c0.70～0.90％，si1.01～2.00％，mn1.01～2.00％，cr2.00～3.00％，mo1.50～2.00％，ni1.01～2.00％，v0.80～1.50％，nb0.10～0.40，s≤0.03％，p≤0.03％和余量的fe。以质量含量计，本发明提供的tbm滚刀刀圈合金材料包括c0.70～0.90％，优选为0.72～0.83％，更优选为0.75～0.80％。在本发明中，所述c含量可以保证基体显微组织为马氏体组织，同时少量的弥散分布碳化物(体积百分数约4％)，进而在提高硬度的同时保证良好的塑韧性。以所述c的质量含量为基准，本发明提供的tbm滚刀刀圈合金材料包括si1.01～2.00％，优选为1.19～1.8％，进一步优选为1.33～1.55％。在本发明中，所述si能促使马氏体的形成，并有固溶强化的作用。以所述c的质量含量为基准，本发明提供的tbm滚刀刀圈合金材料还包括mn1.01～2.00％，优选为1.21～1.9％，进一步优选为1.41～1.62％。在本发明中，所述mn含量可以提高钢的强度和韧度；并且锰可以促进v的溶解，提高v的固溶强化效果，且成本低廉。在本发明中，所述mn和si的协同强化作用能够部分替代传统cr、mo进行强化。以所述c的质量含量为基准，本发明提供的tbm滚刀刀圈合金材料包括cr2.00～3.00％，优选为2.21～2.8％，进一步优选为2.31～2.52％。在本发明中，所述cr能够增加钢的淬透性，同时细化晶粒，提高钢的强度；虽然本发明含有一定的cr元素，但是由于cr含量较低，c元素优先与mo、nb和v等元素形成碳化物，并未形成cr的碳化物，改善了碳化物的形态，这对提高材料的韧性是有利的。以所述c的质量含量为基准，本发明提供的tbm滚刀刀圈合金材料包括mo1.50～2.00％，优选为1.52～1.81％，进一步优选为1.55～1.62％。在本发明中，所述mo与c形成碳化物，并有助于提高钢的强度，提高回火稳定性，改善回火脆性，保证本发明的硬度。以所述c的质量含量为基准，本发明提供的tbm滚刀刀圈合金材料包括ni1.01～2.00％，优选为1.2～1.7％，进一步优选为1.52～1.65％。在本发明中，所述ni能够促进马氏体的形成，并保证本发明的韧性。以所述c的质量含量为基准，本发明提供的tbm滚刀刀圈合金材料包括v0.80～1.50％，优选为1.05～1.45％，进一步优选为1.12～1.24％。在本发明中，所述v与c形成碳化物，并能够细化晶粒，保证本发明的硬度，并且起到固溶强化的作用。以所述c的质量含量为基准，本发明提供的tbm滚刀刀圈合金材料包括nb0.10～0.40％，优选为0.15～0.35％，进一步优选为0.2～0.3％。在本发明中，所述nb与c形成碳化物，并能够细化晶粒，提高材料的韧性。以所述c的质量含量为基准，在本发明中，所述s的含量≤0.03％，进一步优选为≤0.025％；所述p的含量≤0.03％，进一步优选为≤0.024％。在本发明中，所述p、s是有害元素，在可能的情况下，应尽量减少p和s的含量。按质量含量计，除上述各元素外，本发明提供的tbm滚刀刀圈合金材料包括余量的fe。在本发明中，所述tbm滚刀刀圈合金材料的组织优选为回火马氏体及析出物，所述析出物含有铌的碳化物、钼的碳化物和钒的碳化物。在本发明中，以体积含量计，所述回火马氏体的体积含量优选为92～96％；所述析出物的体积含量优选为4～8％；在本发明中，所述析出物的长度优选为30～50μm，进一步优选为35～48μm，更优选为40～45μm。在本发明中，所述回火马氏体组织保持了较高的硬度水平，具有低位错密度的回火马氏体本身也具有良好的塑韧性。在本发明中，所述tbm滚刀刀圈合金材料的晶粒粒径优选为80～120μm，进一步优选为85～115μm，更优选为90～100μm。本发明通过控制各元素的含量，提升力学性能，在满足工况塑韧性能要求的前提下，显著提高合金材料的强度和韧性。本发明还提供了一种上述技术方案所述tbm滚刀刀圈合金材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将合金原料熔炼后进行铸造，得到筒型铸件；(2)将所述步骤(1)得到的筒型铸件保温后进行锻造，得到初坯；(3)将所述步骤(2)得到的初坯进行退火，得到退火初坯；(4)将所述步骤(3)得到的退火初坯进行粗加工，得到初品；(5)将所述步骤(4)得到的初品依次进行淬火和回火，得到隧道掘进机滚刀刀圈合金材料。本发明将合金原料熔炼后进行铸造，得到筒型铸件。本发明对所述合金原料的种类没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的炼钢的合金原料即可。在本发明中，所述合金原料优选包括废钢、高碳铬铁、低碳铬铁、硅铁、锰铁、钼铁、钒铁、铌铁和镍原料。本发明对各种合金原料的比例没有特殊的限定，能够使最终合金成分满足要求即可。在本发明中，所述熔炼优选为电炉熔炼，无需采用精炼方式通过普通熔炼炉获得熔炼液，便于操作，降低生产成本。本发明对所述熔炼的具体实施方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的炼钢的技术方案即可。在本发明中，所述熔炼的温度优选为1600～1650℃，更优选为1630～1640℃；所述熔炼的时间优选为1.2～1.8h。熔炼完成后，本发明优选向所述熔炼得到的熔炼液中添加铝粉，进行脱氧处理。在本发明中，所述铝粉用量优选为熔炼液质量的0.2～0.3％。在本发明中，所述脱氧处理的温度优选为1600～1620℃，脱氧处理的时间优选为1～3min。本发明在所述脱氧处理过程中，铝粉与熔炼液中o元素发生反应，有效降低熔炼液中o等元素的含量，进一步保证熔体的纯净度。在本发明中，所述铸造优选为砂型铸造或离心铸造；所述铸造用模具优选为环柱型模。在本发明中，所述环柱型模具的尺寸依据所需制备的tbm滚刀刀圈的尺寸选取；所述环形模具的内径优选比目标tbm滚刀刀圈的内径大5～15mm，所述环形模具的外径优选比目标tbm滚刀刀圈的外径大5～15mm。在本发明中，所述铸造的温度与熔炼液的温度一致。得到筒型铸件后，本发明将所述筒型铸件进行锻造，得到初坯。在本发明中，锻造的开锻温度优选为990～1040℃，进一步优选为1000～1030℃，更优选为1010～1015℃；所述锻造的终锻温度优选在900℃以上，进一步优选为920℃；所述锻造的锻造比优选为1.5以上，进一步优选为1.5～2。在本发明中，所述锻造能够改变铸态组织，打碎树枝晶等不利组织，成分均匀化；锻造形成再结晶，实现组织重构，有利于细化基体和析出的碳化物，提高性能。本发明优选在锻造前将所述筒型铸件进行保温处理，所述保温处理的温度优选为1090～1140℃，进一步优选为1100～1130℃，更优选为1120℃；所述保温的时间优选为5～6h，进一步优选为5.5～5.8h。在本发明中，所述保温处理过程能够确保合金成分均匀化，另一方面是考虑加热炉和锻造机工序衔接的时间间隔及冷却时的温降，防止钢坯过烧。得到初坯后，本发明将所述初坯进行退火，得到退火初坯。在本发明中，所述退火优选包括依次进行的第一退火和第二退火。在本发明中，所述第一退火的温度优选为850～860℃，进一步优选为855～858℃，第一退火的时间优选为3.9～4.1h，进一步优选为3.95～4.0h；在本发明中，所述第二退火的温度优选为715～725℃，进一步优选为718～722℃，更优选为720℃；所述第二退火的时间优选为1.9～2.1h，进一步优选为2h。在本发明中，所述第一退火保温之后直接以30～50℃/h的速度冷却到第二退火的保温温度，实现分阶段退火保温；本发明对所述降温的速率没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的降温速率即可。在本发明中，所述第二退火后的冷却方式优选为：以30～50℃/h的速度冷却至500℃后空冷至室温。在本发明中，所述退火能够改善锻后纤维状组织，降低材料强度，利于后续粗加工。得到退火初坯后，本发明将所述退火初坯进行粗加工，得到初品。本发明对所述粗加工的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的粗加工的技术方案即可。在本发明中，所述粗加工优选为机加工。本发明对所述粗加工的尺寸没有特殊的限定，根据使用需求进行调整即可。本发明首先根据tbm滚刀刀圈的目标尺寸进行粗加工，避免后续淬火处理后合金材料硬度太高，增加加工难度。得到初品后，本发明将所述初品依次进行淬火和回火，得到tbm滚刀刀圈合金材料。在本发明中，所述淬火的温度为优选1030～1090℃，进一步优选为1050～1080℃，更优选为1055～1075℃；所述淬火的时间优选为8～10小时。在本发明中，所述淬火优选为用真空高压气体淬火炉淬火，所述淬火真空度优选为0.08～0.12pa，淬火时氮气的压力优选为0.4～0.6mpa。在本发明中，所述淬火冷却至的温度优选为70～100℃；在本发明中，回火具体在预抽真空回火炉中进行，所述回火的温度优选为450～580℃，进一步优选为480～550℃，更优选为500～520℃；所述回火的时间优选为5～6小时。在本发明中，所述回火冷却至的温度优选为380～420℃。在本发明中，针对上述技术方案所述成分，在所述淬火温度下进行保温后再淬火会得到马氏体组织，在随后的回火过程中，马氏体转变为塑韧性较好的回火马氏体；在本发明中，cr的加入量较少，而mo、v和nb的加入量较多，因此在合金凝固时优先形成钼、钒和铌的碳化物，这些碳化物细小弥散分布，对提高材料的韧性是有利的。回火后，本发明优选将所述回火得到的回火坯体进行精加工，得到tbm滚刀刀圈合金材料。本发明经过精加工过程使得所得的合金材料尺寸更为规整，所得的tbm滚刀刀圈合金材料即为tbm滚刀刀圈，可直接使用。在本发明中，本发明对所述精加工的具体实施方式没有特殊要求，采用本领域技术人员所熟知的精加工方式即可；在本发明的实施例中，所述精加工具体为机加工。本发明对所述粗加工的尺寸没有特殊的限定，根据使用需求进行调整即可。为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的tbm滚刀刀圈合金材料及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。实施例1:(1)按目标合金成分分质量百分比为：c0.72％，si1.19％，mn1.41％，cr2.23％，mo1.62％，ni1.02％，v1.12％，nb0.26％，s0.027％，p0.024％，余量为fe，配制各废钢、高碳铬铁、低碳铬铁、硅铁、锰铁、钼铁、钒铁、铌铁和镍原料，采用中频熔化炉熔炼在1650℃温度下将原料熔融为铁液；(2)向铁液中加入铝粉，加入量为铁液重量的0.08％，进行脱氧处理；(3)镇静除渣后，在1580℃温度下将铁液浇入砂型中，得到筒型铸件；(4)对筒型铸件表面的残余铁液进行清理，清理完成后，进行锻造。锻造时，锻前加热到1140℃保温5小时，开锻温度为1040℃，终锻温度≥900℃，锻造比1.8；(5)将锻件进行球化退火，具体工艺为：将锻件置于860℃保温4.0h，降温到720℃保温2.0h，随后以30℃/h的速度冷却到500℃时出炉空冷；(6)将退火后的毛坯进行粗加工；(7)将粗加工后的毛坯进行真空淬火和二次回火处理，真空淬火温度为1080℃，保温时间为10h，然后水冷至70℃；二次回火温度为550℃，二次回火时间为6h；二次回火后空冷至400℃；(8)二次回火处理后，进行精加工，得到tbm滚刀刀圈。实施例2:(1)按目标合金成分分质量百分比为：c0.79％，si1.33％，mn1.62％，cr2.51％，mo1.81％，ni1.35％，v1.05％，nb0.16％，s0.025％，p0.027％，余量为fe，配制各废钢、高碳铬铁、低碳铬铁、硅铁、锰铁、钼铁、钒铁、铌铁和镍原料，采用中频熔化炉熔炼在1630℃温度下将原料熔融为铁液；(2)向铁液中加入铝粉，加入量为铁液重量的0.12％，进行脱氧处理；(3)镇静除渣后，在1560℃温度下将铁液浇入砂型中，得到筒型铸件；(4)对筒型铸件表面的残余铁液进行清理，清理完成后，进行锻造。锻造时，锻前加热到1120℃保温6小时，开锻温度为1020℃，终锻温度≥900℃，锻造比1.8；(5)将锻件进行球化退火，具体工艺为：850℃保温4.0h，降温到710℃保温2.0h，随后以30℃/h的速度冷却到500℃时出炉空冷；(6)将退火后的毛坯进行粗加工；(7)将粗加工后的毛坯进行真空淬火和二次回火处理，真空淬火温度为1060℃，保温时间为10h，然后水冷至70℃；二次回火温度为550℃，二次回火时间为6h；二次回火后空冷至420℃；(8)精加工，得到tbm滚刀刀圈。实施例3:(1)按目标合金成分分质量百分比为：c0.83％，si1.55％，mn1.21％，cr2.72％，mo1.50％，ni1.55％，v1.24％，nb0.20％，s0.020％，p0.025％，余量为fe，配制各废钢、高碳铬铁、低碳铬铁、硅铁、锰铁、钼铁、钒铁、铌铁和镍原料，采用中频熔化炉熔炼在1660℃温度下将原料熔融为铁液；(2)向铁液中加入铝粉，加入量为铁液重量的0.10％，进行脱氧处理；(3)镇静除渣后，在1550℃温度下将铁液浇入砂型中，得到筒型铸件；(4)对筒型铸件表面的残余铁液进行清理，清理完成后，进行锻造。锻造时，锻前加热到1120℃保温6小时，开锻温度为1010℃，终锻温度≥900℃，锻造比1.8；(5)将锻件进行球化退火，具体工艺为：850℃保温4.0h，降温到720℃保温2.0h，随后以30℃/h的速度冷却到500℃时出炉空冷；(6)将退火后的毛坯进行粗加工；(7)将粗加工后的毛坯进行真空淬火和二次回火处理，真空淬火温度为1050℃，保温时间为10h，然后水冷至70℃；二次回火温度为580℃，二次回火时间为6h；二次回火后空冷至400℃；(8)精加工，得到tbm滚刀刀圈。用实施例1、2和3中得到的17吋滚刀的刀圈，并从刀圈上截取标准v型冲击韧性试样，试样尺寸为10mm×10mm×55mm。与传统的wirth17吋刀圈实测的成分和性能进行对比，对比结果如表1所示。表1对比例及不同实施例的滚刀刀圈成分及性能对实施例1得到的tbm滚刀刀圈合金材料进行光学金相观察和扫描电镜观察；其中，光学金相照片如图1所示，扫描电镜照片如图2所示，其中，扫描电镜照片中析出物的扫描点分析结果如图3所示。结合图1～3可知，所得到的tbm滚刀刀圈合金材料的组织中含有回火马氏体，还含有弥散分布及铌的碳化物、钼的碳化物和钒的碳化物组成的析出物，没有析出铬的碳化物。实施例4按照实施例1的方式制备滚刀刀圈，区别在于：熔炼配料时所依据的目标合金组成为：c0.70％，si1.01％，mn2.00％，cr3.00％，mo1.50％，ni1.01％，v1.50％，nb0.22％，s0.026％，p0.025％，余量为fe；在完成脱氧后，采用包底冲入法对铁液进行变质处理，变质剂为占铁液重量0.3％的粒度小于10mm的钇基重稀土颗粒；锻造过程中，锻造比为1.5。实施例5按照实施例2的方式制备滚刀刀圈，区别在于：熔炼配料时所依据的目标合金组成为：c0.87％，si1.01％，mn2.00％，cr2.40％，mo1.55％，ni1.8％，v1.00％，nb0.21％，s0.027％，p0.024％，余量为fe；在完成脱氧后，采用包底冲入法对铁液进行变质处理，变质剂为占铁液重量0.4％的粒度小于10mm的钇基重稀土颗粒；锻造过程中，锻造比为1.6。实施例6按照实施例3的方式制备滚刀刀圈，区别在于：熔炼配料时所依据的目标合金组成为：c0.84％，si1.55％，mn1.45％，cr3.00％，mo2.00％，ni2.0％，v1.50％，nb0.11％，s0.022％，p0.021％，余量为fe；在完成脱氧后，采用包底冲入法对铁液进行变质处理，变质剂为占铁液重量0.4％的粒度小于10mm的钇基重稀土颗粒；锻造过程中，锻造比为1.6。对实施例2～6得到的滚刀刀圈分别进行光学金相观察和扫描电镜观察；结果均与实施例1的测试结果类似，可得所得到的tbm滚刀刀圈合金材料的组织中含有回火马氏体，还含有弥散分布及铌的碳化物、钼的碳化物和钒的碳化物组成的析出物，没有析出铬的碳化物。实施例2～6中析出物的体积分数分别为5.4％、5.6％、4.1％、6.7％和6.2％。实施例4～6得的滚刀刀圈的冲击韧性分别为8.9、6.7和7.2；hrc硬度分别为59.4、61.8和61.5。在实验室比较wirth公司刀圈材料与我们研制的滚刀刀圈材料的耐磨性，我们采用橡胶轮磨损试验机进行磨损试验。在同一刀圈上取三个样进行试验。试样尺寸：50×20×6(mm)，载荷7kg，橡胶轮旋转速度240rpm，橡胶轮直径176mm，橡胶轮硬度60(邵尔式)，石英砂粒度40-80目，石英砂流量约590g/min(400ml/min)，磨损时间250s，橡胶轮总转数约1000转。试验数据如表2所示：表2橡胶轮磨损试验数据试样平均失重(毫克)磨损率提高百分比(％)实例1261.625.1实例2271.322.3实例3275.221.2实例426424.4实例5245.129.8实例6261.525.1wirth刀圈349.2由表2的数据可知，实施例1～6滚刀刀圈的使用寿命比传统wirth刀圈的使用寿命分别提高25.1％、22.3％、21.2％、24.4％、29.8％、25.1％，表明：本发明提供的滚刀刀圈相比传统wirth刀圈的使用寿命提高20％以上。由以上对比例及实施例可以看出，本发明提供的滚刀刀圈具有硬度高、韧性好特点。本发明提供的制备方法简单经济，产品质量稳定。以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12