本發明涉及盾構機刀具的
技術領域：
，更具體地說，本發明涉及一種隧道盾構施工用滾刀刀圈。
背景技術：
：隨著城市規模的不斷發展和擴大，地鐵已經成為解決大城市和特大城市交通問題的最優方式。現在全世界己有多個國家的多座城市修建了地鐵，運營線路總里程已經達6000Km以上。雖然我國的地鐵相比于西方國家起步較晚，但發展迅速，目前我國的地鐵運營線路總里程已經達到3000Km左右，而且上海和北京的地鐵運營線路里程已經位列城市排名的前兩位，而且建設中以及籌劃修建的地鐵線路眾多，發展勢頭強勁。在地鐵隧道施工方法中，盾構法采用盾構機利用盾殼抵御圍巖壓力的情況下，由刀盤切削前方土體并運至后續運輸系統，通過頂推千斤頂的推力自行前進，同時由快速組拼成環的鋼筋混凝土管片形成隧道主體結構。由于作業面位于底面以下，盾構施工具有以下優點：對周圍環境影響較小，施工中不會引起地下水位降低，而且開挖引起地表沉降較小；掘進速度較快；隧洞成型質量較好；施工環境較好，機械化程度高，具有人性化，噪音小，施工中支護襯砌質量可靠且造價較低；施工穿越河道不受影響，受天氣影響較小；在土質差水位高條件下建設埋深較大的隧道，有較高的技術經濟優越性。尤其是在現代地鐵的隧道施工通常需要穿越建筑物高度密集的城市中心以及城郊地區，受限于城市地面空間條件，盾構施工幾乎成了唯一的選擇；在城市地下工程不斷發展的今天，采用盾構法進行隧道施工越來越廣泛，已經成為地鐵隧道施工的主流技術。雖然，目前盾構施工法已經在城市地鐵建造的主流方法，安裝在刀盤上的滾刀是全斷面盾構機破碎巖石的主要刀具，而刀圈是安裝在滾刀刀體上的可拆的刀刃，是滾刀磨損的主要部位。目前刀具磨損而導致的耗費在隧道施工中占據大約20~30%的費用，而且刀具磨損到一定程度后，必須更換新刀具，而刀具更換必然耽誤隧道施工時間，根據不完全統計，刀具更換的時間占總施工時間的比例在約5~25%之間。目前，國產刀圈對磨蝕性強的巖石地段施工的使用壽命低，為此現有技術中通常通過滲碳處理等手段來提高刀圈表面的硬度以期來提高滾刀刀圈的耐磨損性。技術實現要素：為了解決現有技術中的上述技術問題，本發明的目的在于提供一種隧道盾構施工用滾刀刀圈。為了解決發明所述的技術問題并實現發明目的，本發明采用了以下技術方案：本發明的隧道盾構施工用滾刀刀圈，包括圓盤形的刀圈本體，所述刀圈本體包括用于與刀轂焊接裝配的臺階裝配部以及用于切削的工作刃部，其特征在于：所述刀圈本體的外邊緣通過等離子氮化形成有滲氮層。其中，所述刀圈本體由硬質合金鋼經過鍛造和熱處理工藝制備得到，并且所述硬質合金鋼的元素組成中含有0.46~0.55wt%的C、0.20~0.80wt%的Mn、1.5~3.5wt%的Cr、0.30~0.80wt%的Mo、0.32~0.80wt%的Cu、0.05~0.20wt%的V，余量為Fe以及不可避免的金屬雜質和非金屬雜質。其中，所述硬質合金鋼的元素組成中含有0.48~0.53wt%的C、0.35~0.60wt%的Mn、1.8~3.0wt%的Cr、0.35~0.60wt%的Mo、0.35~0.60wt%的Cu、0.05~0.15wt%的V，余量為Fe以及不可避免的金屬雜質和非金屬雜質。其中，[Cu]/[Mo]的比值在1.0~2.0之間，[Cu]表示Cu的重量百分比，[Mo]表示Mo的重量百分比。其中，所述不可避免的非金屬雜質包括Si、N、S、P和O，并且Si的含量≤0.20wt%，N的含量≤0.010wt%，P的含量≤0.010wt%，S的含量≤0.010wt%，O的含量≤20ppm。其中，所述不可避免的金屬雜質包括Ti、Zr和Al，并且Ti的含量≤0.02wt%，Zr的含量≤0.02wt%，Al的含量≤0.05wt%。所述滾刀刀圈通過以下方法制備得到：首先，將合金原料組分進行配料，利用電弧爐冶煉和電渣重熔工藝制備鋼錠，鋼錠經過均質化處理后模鍛并進行機加工，退火后得到刀圈本體毛坯；然后對刀圈本體毛坯進行軟退火、等離子滲氮和熱處理。其中，所述等離子滲氮在含氮氣的氣氛中進行，并且處理溫度為420~580℃，氨氣流量為20~200sccm，處理時間為10~200分鐘。其中，所述熱處理包括在1050~1100℃進行的高溫淬火，并且隨后在550~650℃進行的回火處理。與最接近的現有技術相比，本發明所述的地鐵施工用盾構機刀具具有以下有益效果：本發明的地鐵施工用盾構機刀具兼有優異的切削性能、耐磨性和高沖擊韌性等關鍵性能指標，能顯著提高刀具的使用壽命，從而有利于降低地鐵隧道施工成本和建設周期。附圖說明圖1為本發明的地鐵施工用盾構機刀具的結構示意圖。圖2為實施例5的滾刀刀圈硬質合金鋼的吸收沖擊功與溫度的關系圖。圖3為硬質合金鋼刀圈本體中Si含量與沖擊吸收功的關系圖。圖4為硬質合金鋼刀圈本體中Cu含量與沖擊吸收功的關系圖。具體實施方式以下將結合具體實施例對本發明所述的地鐵施工用盾構機刀具做進一步的闡述，以期對本發明的技術方案做出更完整和清楚的說明。如圖1所示，本發明的隧道盾構施工用滾刀刀圈，包括圓盤形的刀圈本體10，所述刀圈本體10包括用于與刀轂焊接裝配的臺階裝配部11以及用于切削的工作刃部12。所述刀圈本體10通常通過硬質合金鋼制造而成，現有技術通常在硬質合金鋼表面進行滲碳或者碳氮共滲，然而滲碳或碳氮共滲處理雖然可以提高表面硬度，但由于會析出較為粗大的碳化物或碳氮化物，在工作刃部對磨蝕性強的巖石進行掘進的過程中容易在工作刃部的兩側形成微裂紋并使得脆性斷裂的概率大增。為此，本發明在刀圈本體10的外邊緣通過等離子氮化形成有滲氮層13。所述等離子氮化形成的氮化層13能夠為工作刃部12對磨蝕性強的巖石切削時所需要的耐磨性，為工作刃部兩側的磨損提供防護，從而提高滾刀刀圈的使用壽命。關于刀圈本體，現有技術通常采用硬質合金鋼制成，通常采用的硬質合金鋼有4Cr5MoSiV1、5Cr5MoSiV1、40CrNiMo、9Cr2Mo、6Cr4Mo2W2V等，本發明的發明人研究了上述鋼，發現上述鋼均不能滿足對磨蝕性強的巖石切削掘進所需的高韌性和硬度，刀圈在巖石強烈沖擊和摩擦的條件下，容易發生疲勞剝落從而導致脆性破壞。為此本發明的目的在于提供一種具有高韌性和與之匹配硬度的刀圈本體，具體來說其不僅應當具有高水平的韌性和延展性，同時也不得有損于回火穩定性和表面硬度。為此，本發明的刀圈本體加工用硬質合金鋼其雜質含量應很低，不應含有任何粗大的初次碳化物，而且具有良好的淬透性和回火穩定性，同時還應具有良好的PVD涂覆性能和對刀轂良好的焊接性能。本發明的硬質合金鋼具有均勻分布于鋼基體上的彌散碳化物，這種組織結構有利于后續的熱處理。在本發明中，所述硬質合金鋼的基本組成如下：碳的含量控制在0.46~0.55wt%，優選為0.48~0.53wt%，例如可以為0.50wt%；錳的含量控制在0.20~0.80wt%，優選為0.35~0.60wt%，例如可以為0.36wt%；鉻的含量控制在1.5~3.5wt%，優選為1.8~3.0wt%，例如可以為2.0wt%；鉬的含量控制在0.30~0.80wt%，優選為0.35~0.60wt%，例如可以為0.42wt%；銅的含量控制在0.32~0.80wt%，優選為0.35~0.60wt%，例如可以為0.50wt%；釩的含量控制在0.05~0.20wt%，優選為0.05~0.15wt%，例如可以為0.15wt%；余量為Fe以及不可避免的金屬雜質和非金屬雜質，其中所述不可避免的非金屬雜質包括Si、N、S、P和O，并且Si的含量≤0.20wt%，N的含量≤0.010wt%，P的含量≤0.010wt%，S的含量≤0.010wt%，O的含量≤20ppm；所述不可避免的金屬雜質包括Ti、Zr和Al，并且Ti的含量≤0.02wt%，Zr的含量≤0.02wt%，Al的含量≤0.05wt%。在本發明的硬質合金鋼中添加Cu在熱處理后可以提高鋼的硬度，如此可以彌補因Cr和Mo的添加量較少而導致的硬度損失，而同時Cu的加入還可以降低鋼中位錯阻力，有利于鋼基體保持良好的韌性。添加的Cr、Mo和V在保證淬透性的同時，能夠形成MC和M23C6的二次析出碳化物（納米尺度范圍），但如果Cr、Mo的含量超過本發明規定的上限時則有生成初次碳化物的風險，從而降低韌性和延展性。[Cu]/[Mo]的比值在1.0~2.0之間，[Cu]表示Cu的重量百分比，[Mo]表示Mo的重量百分比，將[Cu]/[Mo]的比例設置在上述范圍有利于獲得更高的韌性。Si通常被認為可以提高鋼的固溶強化效果，并可以將晶界碳化物保持得很低，但Si的引入從整體上并不有利于韌性的提高，尤其是在切削加工過程中有形成裂紋的傾向，從而導致有發生剝離脫落的風險，為此在本發明中控制Si的含量在0.2wt%的水平以下，優選控制在0.15wt%即可，進一步降低Si的含量在經濟上不利，而且也無必要。N是促進初次碳化物穩定形成的元素，如果在最終成品中含有這些初次碳化物，會導致沖擊韌性急劇降低，為此在本發明中將N的含量控制在0.01wt%以下的水平，優選低于0.008wt%。O一般均認為是有害元素，其會導致熱脆現象，即因熱疲勞而導致的斷裂現象，為此在本發明中O的含量控制在10ppm以下。S一般也被認為是有害元素，雖然其在有些情況下可用于提高鋼的切割性能，但其對延展性不利而導致塑性降低，并且也會導致沖擊韌性降低，為此最好將S的含量控制在0.01%的水平以下。P可能會引起偏析，嚴重降低塑性、沖擊韌性和可焊性，尤其低溫時發生冷脆，因此P含量不應超過0.01%。Ti、Zr和Al在鋼中有可能于N結合形成初次氮化物和碳氮化物，這些氮化物和碳氮化物在熱處理過程中很難去除，從而會對材料的沖擊韌性有害，為此在本發明中應當將Ti的含量控制在0.02wt%以下，Zr的含量控制在0.02wt%以下，Al的含量控制在0.05wt%以下。本發明的滾刀刀圈可通過以下工藝制備：首先，將合金原料組分進行配料，利用電弧爐冶煉和電渣重熔工藝制備鋼錠，鋼錠經過均質化處理后模鍛并進行機加工，退火后得到刀圈本體毛坯；然后對刀圈本體毛坯進行軟退火、等離子滲氮和熱處理。所述等離子滲氮在含氮氣的氣氛中進行，并且處理溫度為420~580℃，優選為420~500℃，氨氣流量為20~200sccm，處理時間為10~200分鐘。本發明所述的硬質合金鋼屈服強度（經過高溫淬火和兩次高溫回火）可以達到1600~2000MPa，斷裂伸長率為6.0~10.0%，硬度為45~58HRC，沖擊韌性（V型缺口）在-20℃為30~45J。實施例1本實施例涉及滾刀刀圈的制備。該滾刀刀圈的制備包括以下步驟：①鋼錠熔煉以滾刀刀圈的化學元素組成進行配料，配料后將原料放入電弧爐中進行熔煉，熔煉溫度為1600±30℃，取樣測試合金成分為：0.46wt%的C、0.50wt%的Mn、2.1wt%的Cr、0.52wt%的Mo、0.60wt%的Cu、0.12wt%的V、0.10wt%的Si、0.01wt%的N、0.01wt%的P、0.008的S、0.01wt%的Ti、0.008wt%的Zr、0.02wt%的Al，余量基本為Fe，開始澆注得到鑄錠，然后經過電渣重熔得到鋼錠。②鍛造加工：均質化：在1260±20℃保溫8~20小時，使合金元素充分擴散，成分均勻化。開鍛溫度：1150℃；終鍛溫度：850℃；鍛造比6，多次鐓粗拔長，經鐓粗、沖孔、擴孔、模鍛成型得到刀圈毛坯。③軟退火將刀圈毛坯加熱到900℃保溫4~6小時，以0.5~1.0℃/min的冷卻速度降溫至750℃保溫4h，爐冷至500℃出爐空冷至室溫。④等離子滲氮將軟退火后的刀圈毛坯放入離子氮化爐中，抽真空至1×10-3Pa，在處理溫度為480℃，氨氣流量為50sccm的條件下處理30分鐘。⑤熱處理將等離子滲氮后的刀圈毛坯升溫到1100℃（加熱時分階段預熱，先加熱到750℃保溫2小時，溫度均勻后再升溫到1100℃），保溫2小時，油冷至室溫，然后在加熱爐中進行兩次高溫回火，每次的回火溫度均為600℃（保溫時間為2小時），得到本實施例的滾刀刀圈。實施例2本實施例涉及滾刀刀圈的制備。該滾刀刀圈的制備包括以下步驟：①鋼錠熔煉以滾刀刀圈的化學元素組成進行配料，配料后將原料放入電弧爐中進行熔煉，熔煉溫度為1600±30℃，取樣測試合金成分為：0.53wt%的C、0.35wt%的Mn、1.8wt%的Cr、0.39wt%的Mo、0.55wt%的Cu、0.15wt%的V、0.12wt%的Si、0.01wt%的N、0.03wt%的P、0.008的S、0.01wt%的Ti、0.008wt%的Zr、0.02wt%的Al，余量基本為Fe，開始澆注得到鑄錠，然后經過電渣重熔得到鋼錠。②鍛造加工：均質化：在1260±20℃保溫8~20小時，使合金元素充分擴散，成分均勻化。開鍛溫度：1150℃；終鍛溫度：850℃；鍛造比6，多次鐓粗拔長，經鐓粗、沖孔、擴孔、模鍛成型得到刀圈毛坯。③軟退火將刀圈毛坯加熱到900℃保溫4~6小時，以0.5~1.0℃/min的冷卻速度降溫至750℃保溫4h，爐冷至500℃出爐空冷至室溫。④等離子滲氮將軟退火后的刀圈毛坯放入離子氮化爐中，抽真空至1×10-3Pa，在處理溫度為480℃，氨氣流量為50sccm的條件下處理30分鐘。⑤熱處理將等離子滲氮后的刀圈毛坯升溫到1100℃（加熱時分階段預熱，先加熱到750℃保溫2小時，溫度均勻后再升溫到1100℃），保溫2小時，油冷至室溫，然后在加熱爐中進行兩次高溫回火，每次的回火溫度均為600℃（保溫時間為2小時），得到本實施例的滾刀刀圈。實施例3本實施例涉及滾刀刀圈的制備。該滾刀刀圈的制備包括以下步驟：①鋼錠熔煉以滾刀刀圈的化學元素組成進行配料，配料后將原料放入電弧爐中進行熔煉，熔煉溫度為1600±30℃，取樣測試合金成分為：0.51wt%的C、0.63wt%的Mn、2.7wt%的Cr、0.32wt%的Mo、0.60wt%的Cu、0.13wt%的V、0.08wt%的Si、0.01wt%的N、0.03wt%的P、0.008的S、0.01wt%的Ti、0.008wt%的Zr、0.02wt%的Al，余量基本為Fe，開始澆注得到鑄錠，然后經過電渣重熔得到鋼錠。②鍛造：均質化：在1260±20℃保溫8~20小時，使合金元素充分擴散，成分均勻化。開鍛溫度：1150℃；終鍛溫度：850℃；鍛造比6，多次鐓粗拔長，經鐓粗、沖孔、擴孔、模鍛成型得到刀圈毛坯。③軟退火將刀圈毛坯加熱到900℃保溫4~6小時，以0.5~1.0℃/min的冷卻速度降溫至750℃保溫4h，爐冷至500℃出爐空冷至室溫。④等離子滲氮將軟退火后的刀圈毛坯放入離子氮化爐中，抽真空至1×10-3Pa，在處理溫度為480℃，氨氣流量為50sccm的條件下處理30分鐘。⑤熱處理將等離子滲氮后的刀圈毛坯升溫到1100℃（加熱時分階段預熱，先加熱到750℃保溫2小時，溫度均勻后再升溫到1100℃），保溫2小時，油冷至室溫，然后在加熱爐中進行兩次高溫回火，每次的回火溫度均為600℃（保溫時間為2小時），得到本實施例的滾刀刀圈。實施例4本實施例涉及滾刀刀圈的制備。該滾刀刀圈的制備包括以下步驟：①鋼錠熔煉以滾刀刀圈的化學元素組成進行配料，配料后將原料放入電弧爐中進行熔煉，熔煉溫度為1600±30℃，取樣測試合金成分為：0.48wt%的C、0.32wt%的Mn、1.8wt%的Cr、0.60wt%的Mo、0.60wt%的Cu、0.18wt%的V、0.10wt%的Si、0.01wt%的N、0.03wt%的P、0.008的S、0.01wt%的Ti、0.008wt%的Zr、0.02wt%的Al，余量基本為Fe，開始澆注得到鑄錠，然后經過電渣重熔得到鋼錠。②鍛造：均質化：在1260±20℃保溫8~20小時，使合金元素充分擴散，成分均勻化。開鍛溫度：1150℃；終鍛溫度：850℃；鍛造比6，多次鐓粗拔長，經鐓粗、沖孔、擴孔、模鍛成型得到刀圈毛坯。③軟退火將刀圈毛坯加熱到900℃保溫4~6小時，以0.5~1.0℃/min的冷卻速度降溫至750℃保溫4h，爐冷至500℃出爐空冷至室溫。④等離子滲氮將軟退火后的刀圈毛坯放入離子氮化爐中，抽真空至1×10-3Pa，在處理溫度為480℃，氨氣流量為50sccm的條件下處理30分鐘。⑤熱處理將等離子滲氮后的刀圈毛坯升溫到1100℃（加熱時分階段預熱，先加熱到750℃保溫2小時，溫度均勻后再升溫到1100℃），保溫2小時，油冷至室溫，然后在加熱爐中進行兩次高溫回火，每次的回火溫度均為600℃（保溫時間為2小時），得到本實施例的滾刀刀圈。實施例5本實施例涉及滾刀刀圈的制備。該滾刀刀圈的制備包括以下步驟：①鋼錠熔煉以滾刀刀圈的化學元素組成進行配料，配料后將原料放入電弧爐中進行熔煉，熔煉溫度為1600±30℃，取樣測試合金成分為：0.50wt%的C、0.36wt%的Mn、2.0wt%的Cr、0.42wt%的Mo、0.50wt%的Cu、0.12wt%的V、0.10wt%的Si、0.01wt%的N、0.03wt%的P、0.008的S、0.01wt%的Ti、0.008wt%的Zr、0.02wt%的Al，余量基本為Fe，開始澆注得到鑄錠，然后經過電渣重熔得到鋼錠。②鍛造：均質化：在1260±20℃保溫8~20小時，使合金元素充分擴散，成分均勻化。開鍛溫度：1150℃；終鍛溫度：850℃；鍛造比6，多次鐓粗拔長，經鐓粗、沖孔、擴孔、模鍛成型得到刀圈毛坯。③軟退火將刀圈毛坯加熱到900℃保溫4~6小時，以0.5~1.0℃/min的冷卻速度降溫至750℃保溫4h，爐冷至500℃出爐空冷至室溫。④等離子滲氮將軟退火后的刀圈毛坯放入離子氮化爐中，抽真空至1×10-3Pa，在處理溫度為480℃，氨氣流量為50sccm的條件下處理30分鐘。⑤熱處理將等離子滲氮后的刀圈毛坯升溫到1100℃（加熱時分階段預熱，先加熱到750℃保溫2小時，溫度均勻后再升溫到1100℃），保溫2小時，油冷至室溫，然后在加熱爐中進行兩次高溫回火，每次的回火溫度均為600℃（保溫時間為2小時），得到本實施例的滾刀刀圈。比較例1與實施例5相比，不同之處在于本比較例的滾刀刀圈的化學元素組成為0.50wt%的C、0.36wt%的Mn、2.0wt%的Cr、0.51wt%的Mo、0.50wt%的V、0.10wt%的Si、0.01wt%的N、0.03wt%的P、0.008的S、0.01wt%的Ti、0.003wt%的Zr、0.02wt%的Al，余量基本為Fe。對實施例1~5以及比較例1得到的硬質合金鋼滾刀刀圈的刃部以及內圈部進行取樣，加工為20mm×20mm×10mm的試樣測試其硬度。按照標準GB/T229-2007加工尺寸為10mm×10mm×55mm的沖擊試樣（V形缺口），利用沖擊試驗機測量刀圈材料在-20℃下的沖擊吸收功，結果如表1所示。表1實施例1實施例2實施例3實施例4實施例5比較例1刃部硬度（HRC）565758575757芯部硬度（HRC）454747464648沖擊吸收功（J）423335394312對實施例5制備的硬質合金鋼滾刀刀圈的芯部取沖擊試樣（按照標準GB/T229-2007加工尺寸為10mm×10mm×55mm，V型缺口）測量其沖擊吸收功與溫度的關系，結果圖2所示。比較例2與實施例5相比(Si含量為0.10%)，不同之處在于Si的含量不同，在本比較例中Si的含量分別為0.30wt%，0.50wt%，0.60wt%和0.80wt%。對上述不同Si含量的滾刀刀圈，按照標準GB/T229-2007加工尺寸為10mm×10mm×55mm的沖擊試樣（V形缺口），利用沖擊試驗機測量刀圈材料分別在0℃和-20℃下的沖擊吸收功，結果如圖3所示。比較例3與實施例5相比(Cu含量為0.50%)，不同之處在于Cu的含量不同，在本比較例中Cu的含量分別為0.20wt%，1.2wt%，1.5wt%，和1.8wt%。對上述不同Cu含量的刀圈本體，按照標準GB/T229-2007加工尺寸為10mm×10mm×55mm的沖擊試樣（V形缺口），利用沖擊試驗機測量刀圈材料分別在0℃和-20℃下的沖擊吸收功，結果如圖4所示。比較例4與實施例5相比區別在于采用氣體滲碳步驟替代其中的等離子滲氮處理。氣體滲碳在甲醇氣氛中進行，滲碳溫度為950℃，在碳勢為1.2%C的條件下保溫時間為3小時，降溫至850℃，在碳勢為1.1%C的條件下保溫時間為2小時，然后空冷至室溫。采用比較例4的滾刀刀圈對云母巖（SiO2含量為55~70wt%）進行掘進模擬實驗，每開挖1000方巖石平均所消耗的上述刀具為6~12把，并且刀刃兩側的磨損較大。而采用實施例1~5的滾刀刀圈能夠減少兩側的點磨損，每開挖1000方巖石平均所消耗的上述刀具減少為5~6把。采用本發明的滾刀刀圈發生斷裂的概率顯著降低，對失效的刀具進行表面處理并重新涂覆硬質防護涂層可以重新進行利用。對于本領域的普通技術人員而言，具體實施例只是對本發明進行了示例性描述，顯然本發明具體實現并不受上述方式的限制，只要采用了本發明的方法構思和技術方案進行的各種非實質性的改進，或未經改進將本發明的構思和技術方案直接應用于其它場合的，均在本發明的保護范圍之內。當前第1頁1 2 3