一种低缺陷滚刀刀圈及其制备方法和掘进机与流程

本发明涉及一种低缺陷滚刀刀圈及其制备方法和掘进机，属于掘进机滚刀刀圈。

背景技术：

1、掘进过程中的地质难以预测，所以tbm(全断面硬岩隧道掘进机，tunnel boringmachine)在掘进过程中，很容易遇到较硬的地层，这会对滚刀瞬间施加很大的应力，造成滚刀刀圈断裂失效，如中天山隧道刀盘旋转过程中频繁与孤石等频繁冲击，造成近300把正、边滚刀断裂，严重影响施工进度。刀圈的断裂失效是由于刀圈内部存在疏松、缩孔或裂纹等缺陷，导致刀圈塑性及韧性较低，刀圈在高压与瞬间冲击载荷的作用下，内部缺陷萌生裂纹并继续扩展，最终断裂。目前使用的滚刀材料主要分为两大类，成分上为中碳的热作模具钢刀圈及成分上为高碳的冷作模具钢，其中冷作模具钢的冲击韧性仅有5-6j/cm2，无法满足日益增长的高强度、高冲击条件下的掘进。

2、cn115522138a公开了一种高强度盾构机滚刀刀圈的制备工艺，其加入了预拉伸和深冷处理步骤，该工艺仅提高了滚刀刀圈的强度，对滚刀塑性、韧性提高有限。

3、cn112080705a公开了一种滚刀刀圈及制备方法，其通过生成vc，使滚刀刀圈的冲击韧性达到20j/cm2，但其仍然是通过传统的镦粗、锻造等工艺获得毛坯刀圈，无法避免刀圈内部出现疏松、缩孔的缺陷，且研究刀圈材料为热作模具钢。

4、因此，针对现有滚刀刀圈内部存在缺陷、韧性不足的问题，提供一种新型的刀圈内部低缺陷的高品质冷作模具滚刀钢刀圈及其制备方法和掘进机已经成为本领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决上述的缺点和不足，本发明的一个目的在于提供一种低缺陷滚刀刀圈。

2、本发明的另一个目的还在于提供以上所述低缺陷滚刀刀圈的制备方法。

3、本发明的又一个目的还在于提供一种掘进机，其包含以上所述的低缺陷滚刀刀圈。

4、为了实现以上目的，一方面，本发明提供了一种低缺陷滚刀刀圈，其中，以所述低缺陷滚刀刀圈的总重量为100％计，其包含c：0.8-0.9％、si:1-1.3％、mn：0.25-0.45％、cr:7.5-8.0％、mo：1.4-1.7％、v：2.2-2.6％、ti：0.04-0.1％、nb：0.02-0.05％、p：≤0.01％、s：≤0.005％及fe余量；且所述低缺陷滚刀刀圈包含有ti-nb微合金化复合相。

5、作为本发明以上所述低缺陷滚刀刀圈的一具体实施方式，其中，所述低缺陷滚刀刀圈的硬度为hrc>60，分布在±0.5hrc，缩孔和/或疏松的体积含量＜0.1％，冲击韧性达10-12j/cm2。

6、相较于传统滚刀刀圈，本发明适当减少低缺陷滚刀刀圈中的c含量，在保证其耐磨性能的同时提高滚刀刀圈的韧性；滚刀刀圈中，过高的cr含量会形成多种碳化物，降低刀圈韧性，因此本发明适当降低低缺陷滚刀刀圈中的cr含量，以提高滚刀刀圈的韧性；本发明提供的低缺陷滚刀刀圈中的钛含量较高，可有效抑制晶粒长大，并且有较强的析出强化效果，可使低缺陷滚刀刀圈具有较高的强度、耐磨性和优良的使用性能，但高含量ti会使滚刀刀圈韧性变差，从而易导致滚刀刀圈在后续加工中断裂，对此本发明于中缺陷滚刀刀圈中加入nb，其与ti可形成ti-nb微合金化复合相，该ti-nb微合金化复合相能够细化晶粒，产生细晶强化，并促使析出碳化物，引起弥散强化，同时析出相可以有效钉扎位错，从而在后续模锻的过程中可积累更多的变形能，提升滚刀刀圈的冲击韧性。

7、另一方面，本发明还提供了以上所述低缺陷滚刀刀圈的制备方法，其中，所述制备方法包括：

8、步骤(1)，原料净化：根据低缺陷滚刀刀圈的化学组成选择相应的原材料并对所述原材料进行熔炼、lf精炼和vd真空除气；

9、步骤(2)，惰性注锭：于惰性气体保护氛围下进行圆环注锭或者圆盘铸锭形成圆环型浇铸钢锭(也可称作圆环注锭毛坯)或者圆盘型浇铸钢锭；

10、步骤(3)，钢锭切割：对所述圆环型浇铸钢锭进行切割，得到切割钢锭；或者将所述圆盘型浇铸钢锭切割后进行镦粗处理和冲孔处理，得到冲孔钢锭；

11、步骤(4)，热等静压：对切割钢锭或者冲孔钢锭进行热等静压后冷却；

12、步骤(5)，刀圈模锻：对热等静压后的钢锭进行锻造，再对锻造后的钢锭进行模锻，得到模锻刀圈；

13、步骤(6)，热处理：先对模锻刀圈加热后进行空冷球化退火处理，再对所得退火刀圈加热后进行油冷淬火处理，最后对所得淬火刀圈加热后进行空冷回火处理，得到所述低缺陷滚刀刀圈。

14、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，步骤(1)中，lf精炼采用不间断扩散脱氧的方式进行，lf精炼的时间≥40min，白渣保持时间≥30min及离站前含硫量≤0.005wt％、含磷量≤0.01wt％。

15、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，步骤(1)中，所述vd真空除气为在68-70mpa的压力下保持20min以上，软吹时间>10min。

16、本发明以上所述制备方法的步骤(1)中，lf(ladle furnace，钢包炉)精炼及vd真空除气均为炉外精炼，即步骤(1)在熔炼的基础上，于另外一个容器中进行精炼，用以脱硫、脱氧和脱磷等，从而实现去除相关杂质的目的。另，步骤(1)中，lf精炼采用不间断扩散脱氧的方式进行可以保持熔渣还原性。此外，本发明采用lf精炼和vd真空除气对原材料进行净化，同时通过延长白渣持续/保持时间控制非金属夹杂物充分上浮，降低p、s等含量以及通过适当延长真空除气的时间，降低母材中的气体含量，从而减少因气体聚集而造成的偏析。

17、本发明对所使用的原材料不做具体要求，可根据实际作业需要进行合理选择，只要保证使用的原材料及其配比最终能获得具有如上化学组成的低缺陷滚刀刀圈即可。

18、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，步骤(2)中，所述圆环型浇铸钢锭的内径d锭内＝d内+(1-5)l，外径d锭外＝d外-(3-10)l，其中，d内为低缺陷滚刀刀圈的内径，d外为低缺陷滚刀刀圈的外径，l取1-5mm，且圆环型浇铸钢锭的内径与低缺陷滚刀刀圈的内径的差值比圆环型浇铸钢锭的外径与低缺陷滚刀刀圈的外径的差值小(1-5)l。其中，计算d锭内和d锭外时使用的l值可相同，也可以不同。

19、本发明对以上所述制备方法步骤(2)中使用的惰性气体不做具体要求，可根据现场实际作业需要进行合理选择。例如，在本发明的一些实施例中，所述惰性气体包括氩气等。

20、本发明以上所述制备方法步骤(2)中于惰性环境直接浇铸圆环注锭，并考虑模锻过程中的材料损失，以成品低缺陷滚刀刀圈尺寸定制化制定圆环型浇铸钢锭的尺寸，可以保证钢锭在后续模锻中的充型性能；此外，圆环注锭大幅缩减了常规滚刀刀圈使用的圆柱钢坯(实心)进行冲孔及扩孔等工序所需的时间，提升了生产效率。

21、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，步骤(3)中，对所述圆环型浇铸钢锭进行切割包括：先根据低缺陷滚刀刀圈的体积计算切割高度，再判断切割高度是否满足：60mm≤dh≤90mm，若满足，则直接对圆环型浇铸钢锭进行切割；若不满足，则返回步骤(2)重新设计圆环型浇铸钢锭的内径及外径直至切割高度满足要求后再对圆环型浇铸钢锭进行切割。

22、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，步骤(3)中，根据低缺陷滚刀刀圈的体积按照如下式1)计算切割高度：

23、

24、式1)中，dh为切割高度，v成为低缺陷滚刀刀圈的体积，d锭内为圆环型浇铸钢锭的内径，d锭外为圆环型浇铸钢锭的外径，l取值范围为1.05-1.15。

25、本发明以上所述制备方法步骤(3)中的切割高度与后续刀圈模锻过程密切相关，当切割钢锭高度过高时，模锻过程中易造成原材料自身折叠现象产生，使得组织不均匀；而当切割钢锭高度过低时，容易出现成型不完整现象。

26、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，步骤(2)中，所述圆盘型浇铸钢锭的直径其中，d1为圆盘型浇铸钢锭的直径，v成为低缺陷滚刀刀圈的体积。

27、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，步骤(3)中，将所述圆盘型浇铸钢锭切割包括：

28、先根据圆盘型浇铸钢锭的直径和镦粗比按照如下式2)计算切割高度，再按照所述切割高度对所述圆盘型浇铸钢锭进行切割；

29、l1＝m*d1  式2)；

30、式2)中，d1为圆盘型浇铸钢锭的直径，m为镦粗比，即步骤(3)进行的镦粗处理过程所控制的镦粗比，取值范围为1.5-2。

31、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，步骤(3)中，镦粗处理包括：将切割后的圆盘型浇铸钢锭加热至1150-1200℃进行镦粗处理。

32、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，步骤(3)中，所述冲孔钢锭的内径大于低缺陷滚刀刀圈的内径，其外径小于低缺陷滚刀刀圈的外径，且冲孔钢锭的内径与低缺陷滚刀刀圈的内径的差值比冲孔钢锭的外径与低缺陷滚刀刀圈的外径的差值小10-30mm，冲孔钢锭的高度为60-90mm。

33、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，步骤(4)中，所述热等静压的温度为1000-1100℃，压强为100-150mpa及时间为1-4h。其中，热等静压过程中使用的工艺参数与低缺陷滚刀刀圈的化学组成息息相关。

34、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，步骤(4)中，所述冷却包括：热等静压结束后，先以30-60℃/min的冷却速度冷却至700-800℃，再以10-30℃/min的冷却速度冷却至室温。

35、本发明以上所述制备方法步骤(4)中对切割钢锭进行热等静压，具体操作为将待处理的钢锭放置于完全密闭的容器，如热等静压机中，等温状态下对工件各方向施加同等压力，同时施以高温，温度保持在滚刀刀圈的塑性变形范围内，在高温高压双重作用下，钢锭内部材料通过蠕变和变形将内部孔洞和疏松压实，压实表面可以扩散连接，从而使金属制品更致密、更均匀，提高铸件的断裂韧性、疲劳性能等可靠性指标。

36、热等静压后采用较快的冷却速度将钢锭冷却，有效避免了在致密处理后的冷却过程中出现析出物及晶粒长大的现象，改变冷却操作，缩短了生产周期，并在一定范围内加速冷却可以获得较大的过冷度，增加形核率，从而细化组织，为后续模锻及热处理做好组织准备。

37、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，步骤(5)中，所述锻造的温度为1150-1200℃。

38、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，步骤(5)中，所述模锻包括将锻造后的钢锭放置进下模并通过压机下压上模对钢锭进行模锻，其中，所述下压的速度为20-80mm/s。

39、本发明以上所述制备方法步骤(5)中使用的模锻工艺可以使整体金属在模具内发生精确的塑性流动，克服了普通轧环工艺所存在的局部不变形的问题，有利于提升金属组织的致密性，使其具有较好的力学性能。

40、作为本发明以上所述制备方法的一具体实施方式，步骤(6)中，所述热处理包括：先将模锻刀圈加热至840-860℃，保温2-4h后空冷进行球化退火处理，再将所得退火刀圈加热至1010-1050℃，保温1-2h后油冷进行淬火处理，最后将所得淬火刀圈加热至500-530℃，保温1-1.5h后空冷进行回火处理，其中，所述回火处理的次数为3次。

41、又一方面，本发明还提供了一种掘进机，其包含以上所述的低缺陷滚刀刀圈。

42、与现有技术相比，本发明所能达成的有益技术效果包括：

43、相较于传统滚刀刀圈，本发明通过减少低缺陷滚刀刀圈中的c及cr含量，并添加高含量的ti及相对应的nb，使ti和nb形成ti-nb微合金化复合相。在提高滚刀刀圈强度、保证耐磨性的同时增加了滚刀刀圈的冲击韧性，从而保证了后续机械加工过程中材料的可加工性。

44、制备低缺陷滚刀刀圈过程中采用lf精炼+vd真空除气对原材料进行净化，可以有效降低原材料的杂质含量，从而提高组织均匀性和钢材中洁净度水平。

45、制备低缺陷滚刀刀圈过程中通过对钢锭进行热等静压并控制冷却速度，获得了具有高组织致密度、低疏松、低空洞缺陷的刀圈毛坯，且内部组织纯净度高，有效提升了滚刀刀圈的冲击韧性，改善了滚刀刀圈的耐磨性能，使得滚刀刀圈更适应于复杂的交变地层，从而可以减少换刀次数，提升掘进效率。

46、制备低缺陷滚刀刀圈过程中采用惰性圆环注锭及刀圈模锻代替传统的冲孔、扩孔及轧环，大幅减少了滚刀刀圈制造流程，在模锻过程中滚刀刀圈产生整体变形，使滚刀刀圈组织进一步致密。

47、本发明提供的低缺陷滚刀刀圈的硬度为hrc>60，分布在±0.5hrc，材料硬度具有很好的一致性；缩孔、疏松体积含量＜0.1％，表明刀圈实现了均匀致密化，具有良好的冶金质量；采用夏比u2缺口获得的冲击韧性达10-12j/cm2。本发明在滚刀刀圈硬度基本不变的情况下，有效提升了低缺陷滚刀刀圈的硬度分布均匀性、降低了其缩孔、缩松体积含量及大幅提升了其冲击韧性。