耐磨涂层及其制备方法、盾构滚刀的刀圈、盾构滚刀和盾构机与流程

本发明涉及工程装备表面处理领域，具体而言，涉及一种耐磨涂层及其制备方法、盾构滚刀的刀圈、盾构滚刀和盾构机。
背景技术：
：盾构滚刀是盾构机刀具的一种，在施工中承担着推进“前锋”的作用。盾构滚刀由刀圈和刀齿组成。刀圈一般选用合金钢作为母材，刀齿为钎焊或镶嵌的硬质合金。硬质合金刀齿起滚压和切削岩土作用，刀圈对硬质合金刀齿起支撑保护作用。受到土质状况和地下水压随机变化的影响，随着施工的不断推进、刀盘的不断转动，盾构滚刀承受着持续和变化的挤压、顶进、刮削、冲击、磨损等多种受力方式，主要表现为刀具的强力磨损与冲击。滚刀刀圈和硬质合金刀齿均受岩石磨损。由于滚刀的破岩效率与滚刀的刃口宽度有关，随着刀圈磨损量的增加，刃口的宽度增加，当达到一定范围时会影响掘进速度，甚至不能再掘进。因此，滚刀的失效形式主要是刀圈磨损、刀圈断裂。其中，滚动刀圈的耐磨性能是滚刀失效的关键。为提高滚刀刀圈的耐磨性，并且在钎焊或镶嵌硬质合金时不产生微裂纹，国内外研究单位和工厂常采用高强度合金钢作为滚刀刀圈材料，经锻造成形、表面渗碳淬火处理来提高耐磨性。但齿跟周围的刀圈仍不会很硬，渗碳深度也不会很深，岩石很容易将渗碳层磨掉，使得刀圈的寿命受到限制。因此，采用表面技术在盾构滚刀刀圈表面制备耐磨涂层具有重要意义。但是，现有盾构滚刀刀圈涂层存在以下问题：采用堆焊法制备刀圈耐磨涂层，虽然可制备较厚的涂层，但堆焊热输出大，堆焊后热应力大，易产生裂纹，极易扩展进母材、使刀圈断裂；目前，常用的涂层硬质相多为大颗粒碳化物或硬质合金，涂层不均匀，易产生局部应力集中，产生微裂纹，导致大颗粒的硬质相在工作过程中易碎裂或脱落；采用常规钎涂法制备耐磨涂层，虽然热应力小，但制备的涂层很薄，涂层中硬质相均布程度较低，刀圈的耐磨性能难以有效提升。有鉴于此，特提出本发明。技术实现要素：本发明的第一目的在于提供一种耐磨涂层，以完全或部分解决上述问题，所述的耐磨涂层采用多道次的、基本相同的、较薄涂层构成了梯度过渡涂层，缓解了堆焊法制备较厚涂层时的热应力问题，一定程度上抑制裂纹的萌生和扩展，同时也有助于提高硬质相金刚石微粉的均布程度，具有热损伤小、硬质相均布、不易脱落的优点。本发明的第二目的在于提供一种所述的耐磨涂层的制备方法，该方法采用激光光斑作为热源，具有加热速率快、母材和金刚石的热影响区小等优点，不会造成过大的热损伤，涂层制备后无需热处理，实现了涂层制备与热处理一体化。本发明的另一个目的在于提供一种盾构滚刀，该盾构滚刀的刀圈表面涂覆有所述的耐磨涂层，有效提升了刀圈的耐磨性能和延长了刀圈的使用寿命。为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：一种耐磨涂层，所述耐磨涂层包括至少两层的、基本相同的钎料涂层；所述钎料涂层由包括按照质量份数计的以下组份制备得到：金刚石微粉3～10份、醇类溶剂2～6份、氟化钠1～5份和镍基钎料81～93份。优选的，所述钎料涂层的涂覆厚度为0.5～0.7mm。优选的，所述钎料涂层由包括按照质量份数计的以下组份制备得到：金刚石微粉5～8份、醇类溶剂3～5份、氟化钠1～3份和镍基钎料80～90份。优选的，所述镍基钎料为bni-2。优选的，所述醇类溶剂选自c8-10的醇类溶剂，更优选的，所述醇类溶剂选自松油醇。本发明所提供的耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：(a)将金刚石微粉、醇类溶剂、氟化钠和镍基钎料的钎料混合物涂覆于基体表面，干燥所述钎料混合物使其失去水分后，在保护气体的条件下，采用激光扫描干燥后的钎料混合物，钎料熔化、铺展后，与基体实现冶金结合，得到钎料涂层；优选的，所述金刚石微粉的粒度为200～325目，更优选为230～270目；优选的，所述镍基钎料为粉状材料，所述粉状材料的粒度为200～300目，更优选为230～270目；(b)任选地重复步骤(a)直到得到预期厚度的耐磨涂层。优选的，在步骤(a)中，所述激光以co2激光光斑为热源；更优选的，所述激光光斑的直径为12～15mm，扫描速度为200～380mm/min；更优选的，所述保护气体为氩气。优选的，在步骤(a)中，所述干燥为烘干，所述烘干的温度为85～100℃，更优选的，所述烘干的时间为1.5～2h。一种盾构滚刀的刀圈，其表面涂覆有所述的耐磨涂层，优选的，所述耐磨涂层的厚度为5～6mm。一种盾构滚刀，其含有所述的盾构滚刀的刀圈。一种盾构机，其含有所述的盾构滚刀。与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)本发明所提供的一种耐磨涂层，采用多道次的、基本相同的、较薄涂层构成了梯度过渡涂层，缓解了堆焊法制备较厚涂层时的热应力问题，一定程度上抑制裂纹的萌生和扩展，同时也有助于提高硬质相金刚石微粉的均布程度，具有热损伤小、硬质相均布、不易脱落的优点。(2)本发明所提供的一种耐磨涂层的制备方法，采用激光光斑作为热源，具有加热速率快、母材和金刚石的热影响区小等优点，不会造成过大的热损伤，涂层制备后无需热处理，实现了涂层制备与热处理一体化。(3)本发明所提供的一种盾构滚刀，其刀圈表面涂覆有所述的耐磨涂层，有效提升了刀圈的耐磨性能和延长了刀圈的使用寿命。附图说明为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明所提供的耐磨涂层的结构示意图；图2为本发明所提供的盾构滚刀的磨涂层的结构示意图。附图说明：1-耐磨涂层；2-钎料涂层；3-盾构滚刀刀圈。具体实施方式下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。本发明所提供的一种耐磨涂层1，所述耐磨涂层1包括至少两层的、基本相同的钎料涂层2；本发明所提供的一种耐磨涂层1，采用多道次的、基本相同的、较薄涂层构成了梯度过渡涂层，缓解了堆焊法制备较厚涂层时的热应力问题，一定程度上抑制裂纹的萌生和扩展，同时也有助于提高硬质相金刚石微粉的均布程度，具有热损伤小、硬质相均布、不易脱落的优点。所述钎料涂层2由包括按照质量份数计的以下组份制备得到：金刚石微粉3～10份(例如3份、4份、5份、6份、7份、8份、9份、10份)、醇类溶剂2～6份(例如2份、3份、4份、5份、6份)、氟化钠1～5份(例如1份、2份、3份、4份、5份)和镍基钎料81～93份(例如81份、82份、83份、84份、85份、86份、87份、88份、90份、91份、92份、93份)。其中，金刚石微粉有单晶金刚石微粉和多晶金刚石微粉。由于单晶金刚石微粉产量大，应用领域广，行业内一般将金刚石微粉专指单晶金刚石微粉，单晶金刚石微粉是由静压法人造金刚石单晶磨粒，经过粉碎、整形处理，采用超硬材料特殊的工艺方法生产。金刚石微粉硬度高、耐磨性好，可广泛用于切削、磨削、钻探、抛光等。在镍基钎料中添加了金刚石微粉作为硬质相，具有热损伤小，硬质相均布、成本较低等优点，氟化钠起到助熔作用。醇类溶剂可以使各组分很好的结合，有利于涂覆于基体表面。在本发明一些优选的实施例中，控制每层所述钎料涂层2的涂覆厚度为0.5～0.7mm，以提高涂层与基体以及每层钎料涂层2之间的结合力。在本发明一些优选的实施例中，所述钎料涂层2的原料可以进一步进行优选，由包括按照质量份数计的以下组份制备得到：金刚石微粉5～12份、醇类溶剂3～5份、氟化钠1～3份和镍基钎料79～95份。在本发明一些优选的实施例中，所述镍基钎料为bni-2钎料粉。镍基钎料包括ni60、ni60m、ni62、ni45、bni-2等镍基合金粉末，本申请优选为bni-2(bni82crsib)钎料合金粉末，熔点为970℃-1000℃，具备纯度高，杂质少，流动性好，氧含量低等特点。用于高温和动态负荷的钎焊焊料，可用于发动机叶片和钢厂领域的结构件。可用于铁基、镍基、钴基和特种材料的钎焊。在本发明一些优选的实施例中，所述醇类溶剂选自c8-10的醇类溶剂，更进一步地，采用松油醇将钎料粉调制成焊膏。本发明所提供的耐磨涂层1的制备方法，包括以下步骤：(a)将金刚石微粉、醇类溶剂、氟化钠和镍基钎料的钎料混合物涂覆于基体表面，干燥所述钎料混合物使其失去水分后，在保护气体的条件下，采用激光扫描干燥后的钎料混合物，钎料熔化、铺展后，与基体实现冶金结合，得到钎料涂层2；(b)任选地重复步骤(a)，如图1所示，直到得到预期厚度的耐磨涂层1。本发明所提供的一种耐磨涂层1的制备方法，采用激光光斑作为热源，具有加热速率快、母材和金刚石的热影响区小等优点，不会造成过大的热损伤，涂层制备后无需热处理，实现了涂层制备与热处理一体化。粒度是指颗粒的大小。通常球体颗粒的粒度用直径表示，立方体颗粒的粒度用边长表示。在本发明一些优选的实施例中，优选金刚石微粉的粒度为200～325目，更优选为230～270目，使金刚石微粉在涂层内具有良好的分散性。在本发明一些优选的实施例中，所述镍基钎料的粒度为200～300目，更优选为230～270目，该目数下的镍基钎料与金刚石微粉具有良好的搭配效果，使得原料分散均匀。在本发明一些优选的实施例中，在步骤(a)中，所述激光以co2激光光斑为热源；更优选的，所述激光光斑的直径为12～15mm，扫描速度为200～380mm/min，使钎料迅速熔化、铺展，减少裂纹的产生。在本发明一些优选的实施例中，所述保护气体为氩气。在本发明一些优选的实施例中，在步骤(a)中，所述干燥为烘干，所述烘干的温度为85～100℃，更优选的，所述烘干的时间为1.5～2h。一种盾构滚刀的刀圈，如图2所示，其表面涂覆有所述的耐磨涂层1，优选的，所述耐磨涂层1的厚度为5～6mm。本发明所提供的一种盾构滚刀，其刀圈表面涂覆有所述的耐磨涂层1，涂层厚度可以达到5～6mm，有效提升了刀圈的耐磨性能和延长了刀圈的使用寿命。一种盾构滚刀，其含有所述的盾构滚刀的刀圈。一种盾构机，其含有所述的盾构滚刀。下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。实施例1本实施例所提供的耐磨涂层1的制备方法，具体包括以下步骤：a、按质量份数计算，称取金刚石微粉3份(200～325目)、松油醇3份、氟化钠1份和bni-2钎料粉93份(200～300目)，充分混合、搅拌，制备出膏状钎料混合物备用；b、将膏状钎料混合物均匀涂覆在盾构滚刀刀圈3工作面，控制厚度为0.7mm，冷却晾干后，放入干燥箱，为100℃下烘干1.5h，烘干涂层内部水分；c、将烘干后的盾构滚刀刀圈3固定在耐高温支架上，辅以氩气为保护气体，以直径为15mm的co2激光光斑为热源，扫描速度为380mm/min快速扫描烘干后的钎料混合物，涂层钎料熔化、铺展，与盾构滚刀刀圈3基体实现冶金结合，得到钎料涂层2；d、在步骤c所得到的钎料涂层2的表面，重复步骤b、c，直至涂层厚度达到6mm，即在盾构滚刀刀圈3表面得到一种具梯度的耐磨涂层1。实施例2本实施例所提供的耐磨涂层1的制备方法，具体包括以下步骤：a、按质量份数计算，称取金刚石微粉4份(200～325目)、松油醇4份、氟化钠2份和bni-2钎料粉90份(200～300目)，充分混合、搅拌，制备出膏状钎料混合物备用；b、将膏状钎料混合物均匀涂覆在盾构滚刀刀圈3工作面，控制厚度为0.6mm，冷却晾干后，放入干燥箱，为90℃下烘干1.5h，烘干涂层内部水分；c、将烘干后的盾构滚刀刀圈3固定在耐高温支架上，辅以氩气为保护气体，以直径为13mm的co2激光光斑为热源，扫描速度为230mm/min快速扫描烘干后的钎料混合物，涂层钎料熔化、铺展，与盾构滚刀刀圈3基体实现冶金结合，得到钎料涂层2；d、在步骤c所得到的钎料涂层2的表面，重复步骤b、c，直至涂层厚度达到6mm，即在盾构滚刀刀圈3表面得到一种具梯度的耐磨涂层1。实施例3本实施例所提供的耐磨涂层1的制备方法，具体包括以下步骤：a、按质量份数计算，称取金刚石微粉5份(230～270目)、松油醇5份、氟化钠3份和bni-2钎料粉87份(200～300目)，充分混合、搅拌，制备出膏状钎料混合物备用；b、将膏状钎料混合物均匀涂覆在盾构滚刀刀圈3工作面，控制厚度为0.5mm，冷却晾干后，放入干燥箱，为85℃下烘干2h，烘干涂层内部水分；c、将烘干后的盾构滚刀刀圈3固定在耐高温支架上，辅以氩气为保护气体，以直径为12mm的co2激光光斑为热源，扫描速度为200mm/min快速扫描烘干后的钎料混合物，涂层钎料熔化、铺展，与盾构滚刀刀圈3基体实现冶金结合，得到钎料涂层2；d、在步骤c所得到的钎料涂层2的表面，重复步骤b、c，直至涂层厚度达到5mm，即在盾构滚刀刀圈3表面得到一种具梯度的耐磨涂层1。实施例4本实施例所提供的耐磨涂层1的制备方法，具体包括以下步骤：a、按质量份数计算，称取金刚石微粉6份(200～325目)、松油醇3份、氟化钠1份和bni-2钎料粉90份(200～300目)，充分混合、搅拌，制备出膏状钎料混合物备用；b、将膏状钎料混合物均匀涂覆在盾构滚刀刀圈3工作面，控制厚度为0.5mm，冷却晾干后，放入干燥箱，为95℃下烘干2h，烘干涂层内部水分；c、将烘干后的盾构滚刀刀圈3固定在耐高温支架上，辅以氩气为保护气体，以直径为14mm的co2激光光斑为热源，扫描速度为280mm/min快速扫描烘干后的钎料混合物，涂层钎料熔化、铺展，与盾构滚刀刀圈3基体实现冶金结合，得到钎料涂层2；d、在步骤c所得到的钎料涂层2的表面，重复步骤b、c，直至涂层厚度达到6mm，即在盾构滚刀刀圈3表面得到一种具梯度的耐磨涂层1。实施例5本实施例所提供的耐磨涂层1的制备方法，具体包括以下步骤：a、按质量份数计算，称取金刚石微粉7份(230～270目)、松油醇4份、氟化钠2份和bni-2钎料粉92份(200～300目)，充分混合、搅拌，制备出膏状钎料混合物备用；b、将膏状钎料混合物均匀涂覆在盾构滚刀刀圈3工作面，控制厚度为0.7mm，冷却晾干后，放入干燥箱，为85℃下烘干2h，烘干涂层内部水分；c、将烘干后的盾构滚刀刀圈3固定在耐高温支架上，辅以氩气为保护气体，以直径为15mm的co2激光光斑为热源，扫描速度为300mm/min快速扫描烘干后的钎料混合物，涂层钎料熔化、铺展，与盾构滚刀刀圈3基体实现冶金结合，得到钎料涂层2；d、在步骤c所得到的钎料涂层2的表面，重复步骤b、c，直至涂层厚度达到6mm，即在盾构滚刀刀圈3表面得到一种具梯度的耐磨涂层1。实施例6本实施例所提供的耐磨涂层1的制备方法，具体包括以下步骤：a、按质量份数计算，称取金刚石微粉8份(200～325目)、松油醇5份、氟化钠3份和bni-2钎料粉84份(200～300目)，充分混合、搅拌，制备出膏状钎料混合物备用；b、将膏状钎料混合物均匀涂覆在盾构滚刀刀圈3工作面，控制厚度为0.7mm，冷却晾干后，放入干燥箱，为100℃下烘干1.5h，烘干涂层内部水分；c、将烘干后的盾构滚刀刀圈3固定在耐高温支架上，辅以氩气为保护气体，以直径为12mm的co2激光光斑为热源，扫描速度为330mm/min快速扫描烘干后的钎料混合物，涂层钎料熔化、铺展，与盾构滚刀刀圈3基体实现冶金结合，得到钎料涂层2；d、在步骤c所得到的钎料涂层2的表面，重复步骤b、c，直至涂层厚度达到6mm，即在盾构滚刀刀圈3表面得到一种具梯度的耐磨涂层1。实施例7本实施例所提供的耐磨涂层1的制备方法，具体包括以下步骤：a、按质量份数计算，称取金刚石微粉9份(230～270目)、松油醇2份、氟化钠1份和bni-2钎料粉88份(230～270目)，充分混合、搅拌，制备出膏状钎料混合物备用；b、将膏状钎料混合物均匀涂覆在盾构滚刀刀圈3工作面，控制厚度为0.5mm，冷却晾干后，放入干燥箱，为85℃下烘干2h，烘干涂层内部水分；c、将烘干后的盾构滚刀刀圈3固定在耐高温支架上，辅以氩气为保护气体，以直径为15mm的co2激光光斑为热源，扫描速度为350mm/min快速扫描烘干后的钎料混合物，涂层钎料熔化、铺展，与盾构滚刀刀圈3基体实现冶金结合，得到钎料涂层2；d、在步骤c所得到的钎料涂层2的表面，重复步骤b、c，直至涂层厚度达到5mm，即在盾构滚刀刀圈3表面得到一种具梯度的耐磨涂层1。实施例8本实施例所提供的耐磨涂层1的制备方法，具体包括以下步骤：a、按质量份数计算，称取金刚石微粉10份(200～325目)、松油醇6份、氟化钠5份和bni-2钎料粉81份(200～300目)，充分混合、搅拌，制备出膏状钎料混合物备用；b、将膏状钎料混合物均匀涂覆在盾构滚刀刀圈3工作面，控制厚度为0.5～0.7mm，冷却晾干后，放入干燥箱，为99℃下烘干2h，烘干涂层内部水分；c、将烘干后的盾构滚刀刀圈3固定在耐高温支架上，辅以氩气为保护气体，以直径为15mm的co2激光光斑为热源，扫描速度为350mm/min快速扫描烘干后的钎料混合物，涂层钎料熔化、铺展，与盾构滚刀刀圈3基体实现冶金结合，得到钎料涂层2；d、在步骤c所得到的钎料涂层2的表面，重复步骤b、c，直至涂层厚度达到6mm，即在盾构滚刀刀圈3表面得到一种具梯度的耐磨涂层1。实施例9-16是刀圈具有由实施例1-8所制备得到的耐磨涂层1的盾构滚刀。对比例1本对比例的涂层材料和涂层厚度同实施例1，只是制备方法不同。制备方法：将涂层材料充分混合、搅拌，制备出膏状混合物，将膏状混合物涂覆在刀圈工作面，控制厚度为6mm，采用堆焊法制备该涂层。对比例2本对比例的涂层材料同实施例1，只是制备方法不同。制备方法：将涂层材料充分混合、搅拌，制备出膏状混合物，将膏状混合物涂覆在刀圈工作面，控制厚度为0.5mm，采用堆焊法制备第一层涂层，在第一涂层表面接着涂覆0.5mm厚的膏状混合物，接着堆焊制备第二层涂层，在第二涂层表面再次涂覆0.5mm厚的膏状混合物，再次堆焊制备第三涂层，依次类推，直至涂层厚度达到要求。对比例3本对比例的涂层材料同实施例1，只是制备方法略有不同，将多次涂覆改成一次涂覆成总厚度6mm，进行炉中钎涂。对比例4无涂层。实验例为了对比说明本发明实施例和比较例的涂层耐磨性能差别，选取同种规格刀圈进行试验：外径100mm，厚度7mm的tbm盘形滚刀刀圈，材质为h13钢。在这同规格的tbm盘形滚刀刀圈上，采取实施例1-8和比较例1-3的方法，制备厚涂层的滚刀刀圈，涂层厚度控制在5mm。以不同涂层刀圈为试验对象，进行磨损试验。试验是在自主研制的磨损试验台上进行，试验岩石采用tbm工程中常见的花岗岩岩石，岩石尺寸为1000mm×500mm×300mm。将岩石固定在试验台的工作台上，刀圈通过键连接安装在驱动轴上，通过液压马达带动驱动轴实现回转运动，驱动轴的转速为20r/min，试验时间均为3h。尽量保证试验过程中刀圈与岩石间的平均接触应力相同。测试磨损试验后刀圈的磨损量，结果如表1所示。表1磨损试验后刀圈的磨损量与涂层分析结果磨损试验/3h磨损量/g分析结果实施例14.62厚涂层完好，金刚石无烧损实施例24.55厚涂层完好，金刚石无烧损实施例34.37厚涂层完好，金刚石无烧损实施例44.23厚涂层完好，金刚石无烧损实施例53.84厚涂层完好，金刚石无烧损实施例63.68厚涂层完好，金刚石无烧损实施例73.45厚涂层完好，金刚石无烧损实施例83.26厚涂层完好，金刚石无烧损对比例110.65刀圈基体变形，表面金刚石轻微热损伤对比例213.54刀圈严重变形，金刚石几乎完全烧损对比例39.32刀圈轻微变形，金刚石部分烧损对比例414.45无涂层实验结果表明，从表1中对比可见，采用本申请所提供的耐磨涂层所制备的刀圈耐磨性能更好，显著提高了刀具的使用寿命。尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。当前第1页12