一种盾构机刀圈钢及其制备方法
阅读说明：本技术 一种盾构机刀圈钢及其制备方法 (Shield tunneling machine cutter ring steel and preparation method thereof ) 是由 傅永平 于 2021-09-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种盾构机刀圈钢及其制备方法,所述盾构机刀圈钢的化学成分质量百分比为：C:0.48％～0.80％、Cr:3.2％～5.8％、Ni:0.8％～3.5％、Mo:2.5％～4.5％、B:0.002％～0.01％、Co:0.5％～2.5％、V:0.5％～2.0％、Si:≤1.0％、Mn:≤1.0％、Nb:≤0.5％,余量为Fe和不可避免的杂质。本发明通过对盾构机刀圈钢原料中各组成成分的选择和调控,以及加工工艺的改善,使制备得到的盾构机刀圈钢硬度(HRC)可达62～66之间,冲击韧性在≥22J/cm～(2)之间,并且耐磨性能优异。(The invention discloses a shield machine cutter ring steel and a preparation method thereof, wherein the shield machine cutter ring steel comprises the following chemical components in percentage by mass: 0.48 to 0.80 percent of C, 3.2 to 5.8 percent of Cr, 0.8 to 3.5 percent of Ni, 2.5 to 4.5 percent of Mo, 0.002 to 0.01 percent of B, 0.5 to 2.5 percent of Co, 0.5 to 2.0 percent of V, less than or equal to 1.0 percent of Si, less than or equal to 1.0 percent of Mn, less than or equal to 0.5 percent of Nb, and the balance of Fe and inevitable impurities. According to the invention, through selection and regulation of each component in the shield machine cutter ring steel raw material and improvement of the processing technology, the Hardness (HRC) of the prepared shield machine cutter ring steel can reach 62-66, and the impact toughness is more than or equal to 22J/cm 2 And excellent wear resistance.)
技术领域
本发明涉及工程装备技术领域，具体涉及一种盾构机刀圈钢及其制备方法。
背景技术
盾构机刀圈是隧道挖掘专用设备，在工作时直接接触岩石表面，在承受刀盘对它的推力和扭矩的同时，还要接受岩石的强烈冲击和磨损，以及复杂的地下环境对刀圈的腐蚀。因此盾构机刀圈其极易产生磨损、崩刀或断裂的情况，是挖掘过程中最易损坏的零部件，也是制约掘进效率的瓶颈。现有的盾构机刀圈材料在保证韧性的同时不能兼顾高硬度和高耐磨性的要求，导致工作时需频繁更换刀圈，不仅提高了施工成本，也大大降低了盾构机的工作效率。
中国专利CN108060353A公开了一种盾构机盘形滚刀刀圈合金，其特征在于，构成该合金的化学成分质量百分比为：C:0.6～0.8％、Si:0.9～1.1％、Mn:0.3～0.4％、Cr:6～8％、Mo:2.22～3.00％、V:1.8～2.1％，余量为Fe和不可避免的杂质；制备工艺包括熔炼、浇注、锻造和热处理。但该专利制备的盾构机盘形滚刀刀圈合金的耐磨性能不佳。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种盾构机刀圈钢及其制备方法，以解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种盾构机刀圈钢，所述盾构机刀圈钢的化学成分质量百分比为：C:0.48％～0.80％、Cr:3.2％～5.8％、Ni:0.8％～3.5％、Mo:2.5％～4.5％、B:0.002％～0.01％、Co:0.5％～2.5％、V:0.5％～2.0％、Si:≤1.0％、Mn:≤1.0％、Nb:≤0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质。其中，碳会提高钢的强度和硬度，但会降低塑性韧性，为了保证盾构机刀圈钢的工作要求，故将碳含量控制在0.48～0.8％之间；Cr是碳化物形成元素，在钢中与Fe形成无限固溶体，较高含量的Cr元素可以显著提高本发明钢材的抗高温氧化性能，保持热强性、硬度和耐磨性，延长模具的使用寿命，故将Cr的含量在3.2～5.8％之间；Ni与Cr元素协同，提高钢的抗高温、抗氧化性能，降低开裂问题；较高含量的Mo元素能增强盾构机刀圈钢的强度和耐磨性能力，并促进晶粒细化，改善其抗服役能力，增强其加工性能；Si的含量过高会导致钢的塑性、延展性和韧性下降，本发明将硅的含量控制在≤1.0％。
进一步地，上述盾构机刀圈钢的化学成分质量百分比为：C:0.52％～0.75％、Cr:3.8％～5.0％、Ni:1.1％～3.0％、Mo:3.1％～3.9％、B:0.004％～0.008％、Co:1.1％～1.9％、V:0.9％～1.6％、Si:≤0.5％、Mn:≤0.5％、Nb:≤0.2％，余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步地，上述盾构机刀圈钢的化学成分质量百分比为：C:0.64％、Cr:4.5％、Ni:2.2％、Mo:2.5～4.5％、B:0.006％、Co:1.5％、V:1.2％、Si:≤1.0％、Mn:≤1.0％、Nb:≤0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明的另一发明目的在于提供一种盾构机刀圈钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，按照上述盾构机刀圈钢的化学成分质量百分比，采用非真空感应和电渣重熔，再经锻造，制成毛坯；
步骤二，将工件加热至1050℃～1100℃，保温2小时～3小时，再转到淬火液中进行等温淬火，淬火液的温度为320℃～415℃，时间为90分钟～150分钟，然后回火处理，得到盾构机刀圈钢。
进一步地，步骤二中，上述淬火液的原料包括：硝酸钾6％～12％、硝酸钠15％～22％、亚硝酸钠20％～32％，余量为水。
进一步地，步骤二中，所述回火处理的次数为2次，回火处理的温度为550℃～600℃，回火后风冷，第一次回火保温时间为180分钟～210分钟，第二次回火保温时间为120分钟～150分钟。
进一步地，上述盾构机刀圈钢在热处理后在表面涂覆耐磨涂层。
进一步地，上述耐磨涂层的原料包括：石榴石微粉10份～20份、Co粉3份～8份、TiC2.5份～6份、TiN1.2份～3.5份、氟化钠0.5份～1.5份份、赤胶4份～12份、无水乙醇3份～18份。选用不同粒径范围的TiC、TiN，通过添加适量纳米TiC和TiN，对金属陶瓷材料的宏观力学性能进行改善，提高了其力学性能和耐磨性。
进一步地，上述TiC为粒径在≤0.1μm的纳米TiC和粒径在1～5μm的TiC以重量比(2.5～14):100混合的混合物；上述TiN为粒径在≤0.1μm的纳米TiN和粒径在1～5μm的TiN以重量比(4～15):100混合的混合物。
进一步地，上述耐磨涂层的具体涂覆工艺包括：按重量份将耐磨涂层的石榴石微粉、Co粉、TiC和TiN置于真空球磨机中低速球磨6～10小时，加入上述重量份的氟化钠、赤胶和无水乙醇，搅拌混合均匀，得到混合物；将热处理后的盾构机刀圈钢打磨干净，再将混合物涂覆于盾构机刀圈钢表面，干燥后采用激光扫描混合物，激光光斑的直径为6～12mm，扫描速度为160～250mm/min；再放到箱式炉内，160～220℃处理2小时，完成。
从上述的技术方案可以看出，本发明的优点是：
1.本发明通过对盾构机刀圈钢原料中各组成成分的选择和调控，以及加工工艺的改善，使制备得到的盾构机刀圈钢硬度(HRC)可达62～66之间，冲击韧性≥22J/cm2之间，并且耐磨性能优异；
2.本发明制备的盾构机刀圈钢在钢体基础上涂覆有耐磨层，可以提高盾构机刀圈钢的硬度和耐磨性能，大大提高了盾构机刀圈钢的使用寿命，经济效益高，适合大规模推广。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将对本发明作进一步详细的说明。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
一种盾构机刀圈钢及其制备方法
盾构机刀圈钢的化学成分质量百分比为：C:0.52％、Cr:3.8％、Ni:2.1％、Mo:3.1％、B:0.004％、Co:1.1％、V:1.4％、Si:≤0.5％、Mn:≤1.0％、Nb:≤0.2％，余量为Fe和不可避免的杂质。
盾构机刀圈钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，按照上述盾构机刀圈钢的化学成分质量百分比，采用非真空感应和电渣重熔，再经锻造，制成毛坯；
步骤二，将工件加热至1075℃，保温2.5小时，再转到淬火液中进行等温淬火，淬火液的温度为370℃，时间为120分钟，然后回火处理；上述淬火液的原料包括：硝酸钾9％、硝酸钠18％、亚硝酸钠26％，余量为水；上述回火处理的次数为2次，回火处理的温度为600℃，回火后风冷，第一次回火保温时间为195分钟，第二次回火保温时间为135分钟；
步骤三，按重量份将耐磨涂层的石榴石微粉15份、Co粉5.5份、TiC4.2份和TiN2.3份置于真空球磨机中低速球磨8小时，加入上述重量份的氟化钠1.0、赤胶8份和无水乙醇10.5份，搅拌混合均匀，得到混合物；将热处理后的盾构机刀圈钢打磨干净，再将混合物涂覆于盾构机刀圈钢表面，干燥后采用激光扫描混合物，激光光斑的直径为9mm，扫描速度为200mm/min；再放到箱式炉内，190℃处理2小时，得到盾构机刀圈钢；
上述TiC为粒径在≤0.1μm的纳米TiC和粒径在1～5μm的TiC以重量比8:100混合的混合物；上述TiN为粒径在≤0.1μm的纳米TiN和粒径在1～5μm的TiN以重量比10:100混合的混合物。
实施例2
一种盾构机刀圈钢及其制备方法
盾构机刀圈钢的化学成分质量百分比为：C:0.48％、Cr:3.2％、Ni:0.8％、Mo:2.5％、B:0.002％、Co:0.5％、V:0.5％、Si:≤1.0％、Mn:≤1.0％、Nb:≤0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质。
盾构机刀圈钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，按照上述盾构机刀圈钢的化学成分质量百分比，采用非真空感应和电渣重熔，再经锻造，制成毛坯；
步骤二，将工件加热至1050℃，保温2小时，再转到淬火液中进行等温淬火，淬火液的温度为320℃，时间为90分钟，然后回火处理；上述淬火液的原料包括：硝酸钾6％、硝酸钠15％、亚硝酸钠20％，余量为水；上述回火处理的次数为2次，回火处理的温度为550℃，回火后风冷，第一次回火保温时间为180分钟，第二次回火保温时间为120分钟；
步骤三，按重量份将耐磨涂层的石榴石微粉10份、Co粉3份、TiC2.5份和TiN1.2份置于真空球磨机中低速球磨6小时，加入上述重量份的氟化钠0.5份、赤胶4份和无水乙醇3份，搅拌混合均匀，得到混合物；将热处理后的盾构机刀圈钢打磨干净，再将混合物涂覆于盾构机刀圈钢表面，干燥后采用激光扫描混合物，激光光斑的直径为6mm，扫描速度为160mm/min；再放到箱式炉内，160℃处理2小时，得到盾构机刀圈钢。
上述TiC为粒径在≤0.1μm的纳米TiC和粒径在1～5μm的TiC以重量比2.5:100混合的混合物；上述TiN为粒径在≤0.1μm的纳米TiN和粒径在1～5μm的TiN以重量比4:100混合的混合物。
实施例3
一种盾构机刀圈钢及其制备方法
盾构机刀圈钢的化学成分质量百分比为：C:0.80％、Cr:5.8％、Ni:3.5％、Mo:4.5％、B:0.01％、Co:2.5％、V:2.0％、Si:≤0.5％、Mn:≤0.5％、Nb:≤0.3％，余量为Fe和不可避免的杂质。
盾构机刀圈钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，按照上述盾构机刀圈钢的化学成分质量百分比，采用非真空感应和电渣重熔，再经锻造，制成毛坯；
步骤二，将工件加热至1100℃，保温3小时，再转到淬火液中进行等温淬火，淬火液的温度为415℃，时间为150分钟，然后回火处理；上述淬火液的原料包括：硝酸钾12％、硝酸钠22％、亚硝酸钠32％，余量为水；上述回火处理的次数为2次，回火处理的温度为585℃，回火后风冷，第一次回火保温时间为210分钟，第二次回火保温时间为150分钟；
步骤三，按重量份将耐磨涂层的石榴石微粉20份、Co粉8份、TiC6份和TiN3.5份置于真空球磨机中低速球磨10小时，加入上述重量份的氟化钠1.5份、赤胶12份和无水乙醇18份，搅拌混合均匀，得到混合物；将热处理后的盾构机刀圈钢打磨干净，再将混合物涂覆于盾构机刀圈钢表面，干燥后采用激光扫描混合物，激光光斑的直径为12mm，扫描速度为250mm/min；再放到箱式炉内，220℃处理2小时，得到盾构机刀圈钢。
上述TiC为粒径在≤0.1μm的纳米TiC和粒径在1～5μm的TiC以重量比14:100混合的混合物；上述TiN为粒径在≤0.1μm的纳米TiN和粒径在1～5μm的TiN以重量比15:100混合的混合物。
实施例4
一种盾构机刀圈钢及其制备方法
盾构机刀圈钢的化学成分质量百分比为：C:0.58％、Cr:4.5％、Ni:3.0％、Mo:3.9％、B:0.008％、Co:1.9％、V:1.6％、Si:≤0.5％、Mn:≤1.0％、Nb:≤0.2％，余量为Fe和不可避免的杂质。
盾构机刀圈钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，按照上述盾构机刀圈钢的化学成分质量百分比，采用非真空感应和电渣重熔，再经锻造，制成毛坯；
步骤二，将工件加热至1070℃，保温3小时，再转到淬火液中进行等温淬火，淬火液的温度为350℃，时间为110分钟，然后回火处理；上述淬火液的原料包括：硝酸钾10％、硝酸钠16％、亚硝酸钠22％，余量为水；上述回火处理的次数为2次，回火处理的温度为565℃，回火后风冷，第一次回火保温时间为185分钟，第二次回火保温时间为145分钟；
步骤三，按重量份将耐磨涂层的石榴石微粉12份、Co粉7份、TiC5份和TiN1.5份置于真空球磨机中低速球磨9小时，加入上述重量份的氟化钠0.7份、赤胶10份和无水乙醇5份，搅拌混合均匀，得到混合物；将热处理后的盾构机刀圈钢打磨干净，再将混合物涂覆于盾构机刀圈钢表面，干燥后采用激光扫描混合物，激光光斑的直径为10mm，扫描速度为180mm/min；再放到箱式炉内，170℃处理2小时，得到盾构机刀圈钢。
上述TiC为粒径在≤0.1μm的纳米TiC和粒径在1～5μm的TiC以重量比5:100混合的混合物；上述TiN为粒径在≤0.1μm的纳米TiN和粒径在1～5μm的TiN以重量比12:100混合的混合物。
实施例5
一种盾构机刀圈钢及其制备方法
盾构机刀圈钢的化学成分质量百分比为：C:0.60％、Cr:5.2％、Ni:0.80％、Mo:1.6％、B:0.002％、Co:0.50％、V:1.0％、Si:0.8％、Mn:0.4％、Nb:≤0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质。
盾构机刀圈钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，按照上述盾构机刀圈钢的化学成分质量百分比，采用非真空感应和电渣重熔，再经锻造，制成毛坯；
步骤二，将工件加热至1090℃，保温2.5小时，再转到淬火液中进行等温淬火，淬火液的温度为400℃，时间为130分钟，然后回火处理；上述淬火液的原料包括：硝酸钾7％、硝酸钠17％、亚硝酸钠30％，余量为水；上述回火处理的次数为2次，回火处理的温度为560℃，回火后风冷，第一次回火保温时间为200分钟，第二次回火保温时间为145分钟；
步骤三，按重量份将耐磨涂层的石榴石微粉18份、Co粉4份、TiC3.5份和TiN3.0份置于真空球磨机中低速球磨9小时，加入上述重量份的氟化钠1.2份、赤胶5份和无水乙醇16份，搅拌混合均匀，得到混合物；将热处理后的盾构机刀圈钢打磨干净，再将混合物涂覆于盾构机刀圈钢表面，干燥后采用激光扫描混合物，激光光斑的直径为7mm，扫描速度为180mm/min；再放到箱式炉内，210℃处理2小时，得到盾构机刀圈钢。
上述TiC为粒径在≤0.1μm的纳米TiC和粒径在1～5μm的TiC以重量比12:100混合的混合物；上述TiN为粒径在≤0.1μm的纳米TiN和粒径在1～5μm的TiN以重量比6:100混合的混合物。
实施例6
一种盾构机刀圈钢及其制备方法
盾构机刀圈钢的化学成分质量百分比为：C:0.64％、Cr:5.6％、Ni:1.2％、Mo:2.0％、B:0.004％、Co:0.80％、V:1.2％、Si:1.0％、Mn:0.6％、Nb:≤0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质。
盾构机刀圈钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，按照上述盾构机刀圈钢的化学成分质量百分比，采用非真空感应和电渣重熔，再经锻造，制成毛坯；
步骤二，将工件加热至1060℃，保温2小时，再转到淬火液中进行等温淬火，淬火液的温度为345℃，时间为100分钟，然后回火处理，得到盾构机刀圈钢。
上述淬火液的原料包括：硝酸钾9％、硝酸钠18％、亚硝酸钠26％，余量为水；上述回火处理的次数为2次，回火处理的温度为550℃，回火后风冷，第一次回火保温时间为190分钟，第二次回火保温时间为125分钟。
实验例
为了进一步说明本发明的技术进步性，现采用实验进一步说明。
实验方法：对本发明制备的盾构机刀圈钢进行性能测试，结果如表1所示。
表1
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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