专利名称：一种盘形滚刀刀圈及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种用于盾构机隧道掘进用盘形滚刀刀圈的材质、制造方法，进一步涉及硬度呈梯度分布的盘形滚刀刀圈。
背景技术：
盾构机施工具有机械化程度高、施工速度快、安全性高等优点，被广泛应用于地铁、铁路、水电等重大工程的隧道掘进。盾构机在全断面硬岩施工或者上软下硬复合地层施工时，多采用盘形滚刀，工作时盘形滚刀刀圈在盾构机推力下压入岩体使岩石破碎。盘形滚刀作为破岩工具，不仅承受很大的径向破岩力，同时又受到岩石硬矿物相的剧烈磨损。因此滚刀质量直接影响盾构机的掘进速度，是隧道掘进最大的消耗件之一。
滚刀的工作刃，即刀圈，在工作中受到的摩擦力、剪切力和冲击力相当大，刀圈的损坏方式主要有过早磨损、崩刃、断裂。
目前刀圈常采用的材料为4Cr5MoSiVl、40CrNiMo、H13，但这些刀圈在硬岩和上软下硬岩层掘进中，存在耐磨性差或者容易断裂的问题。掘进硬岩和上软下硬岩层要求刀圈具备较好的韧性，以抵抗岩石的冲击，并尽可能提高材料本身的硬度，延长使用寿命。对于一般条件下制备的金属材料而言，硬度和韧性是一对矛盾，硬度提高势必降低材料的韧性， 如刀圈整体硬度达到HRC59以上时，在掘进硬岩时刀圈会产生整体断裂、崩裂现象，而硬度低于HRC55，则刀圈不耐磨。发明内容
本发明的目的在于提供一种硬度高、韧性好，综合性能良好的盘形滚刀刀圈，应用于盾构机盘形滚刀上，适用于盾构机掘进硬岩、上软下硬岩层。同时提供了该盘形滚刀刀圈的材质与制造方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的盘形滚刀刀圈，其成分与质量百分比分别为c 0. 46 0. 56%, Si 0. 80 1. 20%, Mn 0. 20 0. 65%, Cr 5. 00 5. 80%, Mo 1. 15 1. 55%, V 0. 85 1. 40%, Fe 余量；杂质 P 彡 0. 02%, S 彡 0. 01%。
所述盘形滚刀刀圈整体硬度HRC55 61。其制备方法，依次包括原料电炉冶炼， 电渣重熔，预锻，模锻，缓冷，退火，粗加工获得盘形滚刀刀圈粗坯，刀圈粗坯再经高温真空淬火加二次高温回火，低温去应力处理，精加工。这样制造的盘形滚刀刀圈适应硬岩层的掘进。
为适应不同的工作条件，即上软下硬岩层的掘进，作为改进，所述盘形滚刀刀圈的硬度成梯度分布，即工作刃区域HRC55 61，过渡面区域HRC50 57，台阶装配面区域与内圈HRC44 51。其制备方法，依次包括原料电炉冶炼、电渣重熔，预锻，模锻，缓冷，退火，粗加工获得盘形滚刀刀圈粗坯，刀圈粗坯再经高温真空淬火加二次高温回火，中频感应回火处理，低温去应力处理，精加工。
所述退火工艺为以60 80°C /h的速度升温，到890士 10°C时保温5 6 h，以40 60°C /h速度冷却到750士 10°C，再保温4 h，然后以40 60°C /h速度冷却到500°C， 出炉空冷；所述退火后刀圈粗坯硬度< HB 230。
所述高温真空淬火加二次高温回火工艺为首先将刀圈粗坯以<200°C /h速度从室温加热至700°C，保温2h，再将刀圈粗坯以<180°C /h速度加热至870°C，保温1.釙，接着继续升温至1050士20°C保温lh，真空淬火，冷却至60°C以下；然后在540士20°C进行第一次回火，保温3h ；再在525士20°C进行第二次回火，保温2h。
所述中频感应回火处理是将高温真空淬火加二次高温回火后的刀圈粗坯安置于中频感应加热机的回转平台上，采用U型感应线圈并调整线圈相对刀圈的工作刃区域、过渡面区域、台阶装配面区域与内圈的分布密度，对刀圈的工作刃区域、过渡面区域、台阶装配面区域与内圈进行回旋感应加热，使刀圈的硬度呈梯度分布。
作为改进，U型感应线圈相对工作刃区域、过渡面区域、台阶装配面区域与内圈的分布密度为依次递增，所述刀圈的硬度从工作刃、过渡面、台阶装配面及内圈呈递减的梯度分布。
由于本发明的刀圈材料成份设计是在热作模具钢的基础上，提高钢的碳量来保证的刀圈的淬硬性，同时使之具备较好的韧性和导热性；增加铬量提高钢材的淬透性、耐磨性和回火稳定性；加入钼细化晶粒、提高韧性和减少钢的回火脆性；添加硅，提高回火稳定性；加钒来细化晶粒进一步提高韧性。从而保证本发明的刀圈材质具有较高的硬度和耐磨性。
在制造方法上，通过电炉冶炼+电渣重熔的冶炼工艺，控制了刀圈中夹杂物及杂质元素；在预锻时不仅将料锻粗，将铸造缺陷充分消除，而且提高了材料的韧性和抗冲击性能。模锻，缓冷、退火，得到刀圈毛坯，再经粗加工，得到刀圈粗坯，其退火硬度要求低于 HB230 ；对刀圈粗坯进行高温真空淬火加二次高温回火工艺，得到整体硬度HRC55 61的刀圈，提高了滚刀刀圈在硬岩、上软下硬岩层的掘进中的使用寿命，减少了换刀次数，降低了施工成本，提高了施工效率。
为适应上软下硬岩层的掘进，作为改进，在高温真空淬火加二次高温回火后、低温去应力处理前，增加中频感应回火处理，通过感应线圈分布密度，这样使得盘形滚刀刀圈的硬度成梯度分布，即工作刃区域HRC55 61，过渡面区域HRC50 57，台阶装配面区域与内圈HRC44 51，使刀圈的同时具备良好的耐磨性和抗冲击性能，提高了使用寿命，减少了换刀次数，降低了施工成本，提高了施工效率。
图1为本发明的盘形滚刀刀圈主剖视图；图2本发明的实施例1、4的刀圈硬度梯度分布示意图； 图3为本发明的实施例1、4的刀圈硬度梯度分布示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明。
实施例1 制造盘形滚刀刀圈的材料主要成份为(wt.% ) =C 0.5，Si 0. 93, Mn 0. 43, Cr 5. 43, Mo 1. 31, V L 0，Fe 余量；杂质(wt. % ) :Ρ 0· 011，S 0.004。
上述材料经过电炉冶炼和电渣重熔后制作铸锭，而后加热制成圆棒料，在4 6锻比下预锻，将料锻粗，然后根据所需的刀圈形状，使用模具将料锻造成型成刀圈毛坯。锻后缓冷并立即退火，退火工艺以60 80°C /h的速度升温，到900°C时保温5 6 h，以40 600C /h速度冷却到750°C在保温4 h，然后以40 60°C /h速度冷却，到500°C出炉，空冷。
冷却后将刀圈毛坯按所需截面形状进行车加工，检测硬度，要求低于HB 230。
对合格毛坯进行热处理——高温真空淬火加二次高温回火。通过真空淬火炉， 对刀圈毛坯淬火，首先将毛坯以<200°C /h速度从室温加热至700°C，保温池，将毛坯以 <180°C /h速度加热至870°C，保温1. 5h，接着继续升温至1050°C，保温lh，最后进行油淬， 冷却至60°C以下即可进行回火处理。第一次进行550°C回火(保温池)，第二次进行530°C 回火(保温池)。检测刀圈，整体表面硬度HRC58-61的为合格刀圈。该盘形滚刀刀圈适用硬岩岩层掘进。
在中频感应加热机上配置回转平台，将回火后的刀圈粗坯安装在回转平台上，使用U型感应线圈，对图1所示刀圈过渡面2、台阶装配面3、内圈进行回旋感应加热，控制刀台阶圈温度650士20°C，加热时间50分钟。随后在220士20°C温度下去应力回火6小时。
对处理后的刀圈粗坯进行端面、内圈精磨，并对其进行表面硬度检测，凡工作刃1 区域HRC58-61，刀圈过渡面2区域HRC53-57，台阶装配面3，内圈HRC46-51即为成品。该硬度梯度分布的盘形滚刀刀圈适用硬岩、上软下硬岩层掘进。
实施例2 制造盘形滚刀刀圈的材料主要成份、冶炼、锻造，退火工艺均同实施例 1，得到刀圈毛坯。
通过真空淬火炉，对刀圈毛坯淬火，首先将毛坯以<200°C /h速度从室温加热至 7000C，保温2h，将毛坯以<180°C /h速度加热至870°C，保温1. 5h，接着继续升温至1030°C， 保温lh，最后进行油淬，冷却至60°C以下即可进行回火处理。
第一次进行530°C回火(保温池)，第二次进行520°C回火(保温池)。检测刀圈，整体表面硬度HRC55-58的为合格刀圈。该盘形滚刀刀圈适用硬岩层掘进。
在中频感应加热机上配置回转平台，将回火后的刀圈粗坯安装在回转平台上，使用U型感应线圈，对图1所示刀圈过渡面2、台阶装配面3、内圈进行回旋感应加热，控制刀台阶圈温度630士20°C，加热时间50分钟。随后在220士20°C温度下去应力回火6小时。
对处理后的刀圈粗坯进行端面、内圈精磨，并对其进行表面硬度检测，凡工作刃1 区域HRC55-58，刀圈过渡面2区域HRC50-54，台阶装配面3，内圈HRC44-49即为成品。该硬度梯度分布的盘形滚刀刀圈适用硬岩、上软下硬岩层掘进。
实施例3 制造盘形滚刀刀圈的材料主要成份为(wt. % ) =C 0. 48，Si 0. 97，Mn 0. 40，Cr 5. 30，Mo 1. 28，V 0. 97，Fe 余量，杂质:P 0. 02，S 0. 003。
上述材料经过电炉冶炼和电渣重熔后制作铸锭，而后加热制成圆棒料，在4 6锻比下将料锻粗，然后根据所需的刀圈形状，使用模具将料锻造成型成刀圈毛坯。锻后缓冷并立即退火，退火工艺以60 80°C /h的速度升温，到890°C时保温5 6 h，以40 60°C / h速度冷却到740°C在保温4 h，然后以40 60°C /h速度冷却，到500°C出炉，空冷。
冷却后将刀圈毛坯按所需截面形状进行车加工，检测硬度，要求低于HB 230。对合格毛坯进行热处理。
通过真空淬火炉，对刀圈毛坯淬火，首先将毛坯以<200°C /h速度从室温加热至7000C，保温2h，将毛坯以<180°C /h速度加热至870°C，保温1. 5h，接着继续升温至1050°C， 保温lh，最后进行油淬，冷却至60°C以下即可进行回火处理。
第一次进行550°C回火(保温池)，第二次进行530°C回火(保温池)。检测刀圈，整体表面硬度HRC55-58的为合格刀圈。该盘形滚刀刀圈适用硬岩层掘进。
在中频感应加热机上配置回转平台，将回火后的刀圈粗坯安装在回转平台上，使用U型感应线圈，对图1所示刀圈过渡面2、台阶装配面3、内圈进行回旋感应加热，控制刀台阶圈温度630士20°C，加热时间50分钟。随后在220士20°C温度下去应力回火6小时。
对处理后的刀圈粗坯进行端面、内圈精磨，并对其进行表面硬度检测，凡工作刃1 区域HRC55-58，刀圈过渡面2区域HRC50-54，台阶装配面3，内圈HRC44-49即为成品。该硬度梯度分布的盘形滚刀刀圈适用硬岩、上软下硬岩层掘进。
实施例4 制造盘形滚刀刀圈的材料主要成份为(wt.% ) =C 0.55，Si 0. 83, Mn 0. 30，Cr 5. 70，Mo 1. 43，V 1. 10，Fe 余量；杂质 P 0. 015，S 0. 004。
上述材料经过电炉冶炼和电渣重熔后制作铸锭，而后加热制成圆棒料，在4 6锻比下将料锻粗，然后根据所需的刀圈形状，使用模具将料锻造成型成刀圈毛坯。锻后缓冷并立即退火，退火工艺以60 80°C /h的速度升温，到880°C时保温5 6 h，以40 60°C / h速度冷却到760°C在保温4 h，然后以40 60°C /h速度冷却，到500°C出炉，空冷。
冷却后将刀圈毛坯按所需截面形状进行车加工，检测硬度，要求低于HB 230。对合格毛坯进行热处理。
通过真空淬火炉，对刀圈毛坯淬火，首先将毛坯以<200°C /h速度从室温加热至 7000C，保温2h，将毛坯以<180°C /h速度加热至870°C，保温1. 5h，接着继续升温至1050°C， 保温lh，最后进行油淬，冷却至60°C以下即可进行回火处理。
第一次进行560 士。C回火(保温汕)，第二次进行540°C回火(保温浊)。检测刀圈， 整体表面硬度HRC58-61的为合格刀圈。该盘形滚刀刀圈适用岩层掘进。
在中频感应加热机上配置回转平台，将回火后的刀圈粗坯安装在回转平台上，使用U型感应线圈，对图1所示刀圈过渡面2、台阶装配面3、内圈进行回旋感应加热，控制刀台阶圈温度650士20°C，加热时间50分钟。随后在220士20°C温度下去应力回火6小时。
对处理后的刀圈粗坯进行端面、内圈精磨，并对其进行表面硬度检测，凡工作刃1 区域HRC58-61，刀圈过渡面2区域HRC53-57，台阶装配面3，内圈HRC46-51即为成品。该硬度梯度分布的盘形滚刀刀圈适用硬岩、上软下硬岩层掘进。
权利要求
1.一种盘形滚刀刀圈，其成分与质量百分比分别为c 0. 46 0. 56%，Si 0.80 1. 20%, Mn 0. 20 0. 65%, Cr 5. 00 5. 80%, Mo 1. 15 1. 55%, V 0. 85 1. 40%, Fe 余量； 杂质 P ( 0. 02%, S 彡 0. 01%。
2.根据权利要求1所述的盘形滚刀刀圈，其特征在于所述盘形滚刀刀圈整体硬度 HRC55 61。
3.根据权利要求2所述的盘形滚刀刀圈的制备方法，依次包括原料电炉冶炼，电渣重熔，预锻，模锻，缓冷，退火，粗加工获得盘形滚刀刀圈粗坯，刀圈粗坯再经高温真空淬火加二次高温回火，低温去应力处理，精加工。
4.根据权利要求1所述的盘形滚刀刀圈，其特征在于所述盘形滚刀刀圈工作刃区域 HRC55 61，过渡面区域HRC50 57，台阶装配面区域与内圈HRC44 51。
5.根据权利要求4所述的盘形滚刀刀圈的制备方法，依次包括原料电炉冶炼、电渣重熔，预锻，模锻，缓冷，退火，粗加工获得盘形滚刀刀圈粗坯，刀圈粗坯再经高温真空淬火加二次高温回火，中频感应回火处理，低温去应力处理，精加工。
6.根据权利要求3或5所述的盘形滚刀刀圈的制备方法，其特征在于所述退火工艺为 以60 80°C /h的速度升温，到890士 10°C时保温5 6 h，以40 60°C /h速度冷却到 750士 10°C，再保温4 h，然后以40 60°C /h速度冷却到500°C，出炉空冷；所述退火后刀圈粗坯硬度< HB 230。
7.根据权利要求3或5所述的盘形滚刀刀圈的制备方法，其特征在于所述高温真空淬火加二次高温回火工艺为首先将刀圈粗坯以<200°C /h速度从室温加热至700°C，保温 2h，再将刀圈粗坯以<180°C /h速度加热至870°C，保温1.5h，接着继续升温至1050士20°C 保温lh，真空淬火，冷却至60°C以下；然后在540士20°C进行第一次回火，保温池；再在 525士20°C进行第二次回火，保温浊。
8.根据权利要求5所述的盘形滚刀刀圈的制备方法，其特征在于所述中频感应回火处理是将高温真空淬火加二次高温回火后的刀圈粗坯安置于中频感应加热机的回转平台上， 采用U型感应线圈并调整线圈相对刀圈的工作刃区域、过渡面区域、台阶装配面区域与内圈的分布密度，对刀圈的工作刃区域、过渡面区域、台阶装配面区域与内圈进行回旋感应加热，使刀圈的硬度呈梯度分布。
9.根据权利要求8所述的盘形滚刀刀圈的制备方法，其特征在于U型感应线圈相对工作刃区域、过渡面区域、台阶装配面区域与内圈的分布密度为依次递增，所述刀圈的硬度从工作刃、过渡面、台阶装配面及内圈呈递减的梯度分布。
10.1根据权利要求8或9所述的盘形滚刀刀圈的制备方法，其特征在于感应加热控制刀台阶圈温度650士20°C，加热时间50 60分钟，随后在220士20°C温度下去应力回火4 6小时。
全文摘要
本发明公开了一种硬度高、韧性好，综合性能良好的盘形滚刀刀圈，其成分为C0.46～0.56%，Si0.80～1.20%，Mn0.20～0.65%，Cr5.00～5.80%，Mo1.15～1.55%，V0.85～1.40%，Fe余量；杂质P≤0.02%，S≤0.01%；刀圈整体硬度HRC55～61，抑或硬度成梯度分布，即工作刃区域HRC55～61，过渡面区域HRC50～57，台阶装配面区域与内圈HRC44～51；其制备方法，依次包括原料电炉冶炼，电渣重熔，预锻，模锻，缓冷，退火，粗加工获得盘形滚刀刀圈粗坯，刀圈粗坯再经高温真空淬火加二次高温回火，低温去应力处理，精加工，获得整体硬度HRC55～61的刀圈，适应于盾构机在硬岩层的掘进；或在低温去应力处理前增加中频感应回火处理，获得硬度成梯度分布的刀圈，适应于上软下硬岩层的掘进。
文档编号C21D8/00GK102517502SQ20121001232
公开日2012年6月27日 申请日期2012年1月16日 优先权日2012年1月16日
发明者唐欢, 谢俊杰, 谢幸林, 邓小和, 马绍宏 申请人:株洲钻石钻掘工具有限公司