一种耐磨合金材料、耐磨板及其制备方法与隧道掘进机与流程

本发明涉及隧道施工设备，尤其涉及一种耐磨合金材料、耐磨板及其制备方法与隧道掘进机。

背景技术：

1、在隧道掘进机掘进过程中，主驱动密封系统保护主轴承，避免隧道内高磨蚀性的岩碴进入主轴承系统，对于掘进机的顺利掘进有着重要的意义。但是受隧道内的岩碴影响，密封系统的跑道很容易发生磨损，导致无法保护主轴承。因此，跑道磨损后必须修复，但是受限于隧道内环境，堆焊打磨费时费力，甚至耽误项目工期。因此，目前普遍在掘进机的跑道外面装配一层钴基耐磨板，当耐磨板磨损后可对耐磨板进行更换，以此来大大减少密封系统修复所需时间。

2、然而，随着隧道里程进一步增加，以及隧道岩石的磨蚀性增强，现有钴基耐磨板的耐磨性和寿命不能满足项目要求，长里程隧道甚至需要更换多次耐磨板，延误项目工期。常规生产的耐磨板材料的耐磨性较差，该材料作为co基高温合金材料，合金元素很多，因此轧制窗口很窄，导致实际生产的时候存在很多困难，冷轧轧制容易出现边裂甚至断裂的问题。

3、因此，如何提供一种掘进机主驱动密封跑道耐磨板新材料及制备方法，来提升耐磨板耐磨性，是目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种耐磨合金材料、耐磨板及其制备方法与隧道掘进机。通过在耐磨合金材料中添加b元素和稀土y元素，能够提高耐磨板的耐磨性，并改善塑性，适用于保护掘进机主驱动的密封跑道。

2、为达到上述目的，本发明提供了一种耐磨合金材料，其中，以质量百分比计，所述耐磨板材料的化学成分组成包括：28.0％-35.0％的cr、2.0％-4.5％的ni、3.0％-6.0％的w、0.8％-2.0％的mo、1.0％-1.8％的mn、0.3％-2.0％的si、0.9％-1.5％的c、2.0％-4.0％的fe、0.1％-0.5％的b、0.5％-1.5％的稀土y，余量为co。

3、根据本发明的具体实施方案，优选地，以质量百分比计，所述耐磨合金材料的化学成分组成包括：30.0％-34.0％的cr、3.0％-4.5％的ni、4.0％-6.0％的w、1.3％-2.0％的mo、1.2％-1.6％的mn、1.0％-2.0％的si、1.0％-1.5％的c、3.0％-4.0％的fe、0.1％-0.3％的b、0.8％-1.5％的稀土y，余量为co。

4、本发明的发明人发现，耐磨合金材料的化学成分中的各个元素具有以下作用：

5、co：co作为基体能够在室温下形成fcc晶体结构；

6、cr：cr用于表面稳定化，并有助于在凝固和热处理时形成碳化物，提高耐磨性，但含量过高会降低fcc结构的稳定性，损害合金力学性能；

7、ni：ni作为奥氏体稳定元素，能够抑制co从fcc晶体结构向hcp结构的转变，但过高的ni会导致合金持久强度下降；

8、w和mo：有助于固溶强化，并能够与c形成碳化物；

9、mn和si：有助于增加合金的流动性，提高铸造性能，同时加强熔体脱氧作用；

10、c：能够与其它元素形成碳化物，提高耐磨性，过高会降低塑性；

11、fe：能够提高合金的强度和硬度；

12、稀土元素y：稀土元素有助于在冶炼过程中减少夹杂物，提高耐磨板的强度；此外还能改善热加工过程的塑性，增加锻造单道次变形量，由此能够在原有提升强度基础上，改善碳化物分布，提升耐磨性；

13、b：能够提高合金强度和塑性，此外在钴基合金的基体中，添加0.1-0.5％的b元素有助于在基体上形成硼化物，从而提高耐磨板的耐磨性。

14、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述耐磨合金材料中的碳化物沿轧制方向分布，轧制方向与磨损方向一致。本发明的发明人发现，材料耐磨性低的原因主要是由于提供耐磨性的碳化物的长度较短，而碳化物在服役的过程中的长度方向和磨损方向一致，本发明的技术方案通过温扎来提高压下率，从而促进碳化物沿轧制方向分布，从而获得较长的碳化物，这些沿着轧制方向较长的碳化物能有效抵抗磨料侵入，提升耐磨性。

15、本发明还提供了一种耐磨板，其中，该耐磨板是以上述耐磨合金材料通过热轧、温轧的方法制备的。

16、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述耐磨板的硬度≥34hrc，磨损10h后的磨损失重≤0.6g。更优选地，所述耐磨板的硬度为34-37hrc，磨损10h后的磨损失重为0.48-0.59g。

17、本发明还提供了上述耐磨板的制备方法，其中，该制备方法包括以下步骤：按照上述耐磨合金材料进行冶炼、电渣重熔得到铸锭；对所述铸锭依次进行均匀化处理、开坯锻造、热轧、温轧、固溶热处理、时效热处理，去除表面的氧化物，得到耐磨板。

18、在上述制备方法中，优选地，所述冶炼的过程为通过真空感应冶炼成为电极棒。所述电渣重熔得到铸锭的过程能够进一步提升纯净度、减轻偏析、改善结晶状态，避免出现冶金缺陷，以获得高洁净度、结晶组织良好、化学成分精确的合金铸锭。

19、在上述制备方法中，优选地，所述均匀化处理的保温温度为1260-1280℃，保温时间为10-12h。在本发明中，该过程通过长时间的高温热处理能够消除元素偏析和偏析相。

20、在上述制备方法中，优选地，所述开坯锻造的加热温度为1200-1250℃，保温时间为1-3h，锻造比为3.0-5.5。

21、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述热轧的总的压下率为40％-60％，轧制前的保温温度为1200-1250℃，轧制前的保温时间为30-90min。更优选地，所述热轧的总的压下率为50％-60％，轧制前的保温温度为1220-1250℃，轧制前的保温时间为30-60min。所述轧制的道次为1道及以上。

22、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述温轧的总的压下率为30％-70％，轧制前的保温温度为720-780℃，轧制前的保温时间为10-30min。更优选地，所述温轧的总的压下率为30％-50％，轧制前的保温温度为720-760℃，轧制前的保温时间为20-30min。所述轧制的道次为1道及以上。在本发明中，温轧取代冷轧，有助于降低轧制载荷，进而能够采用更大的压下率。通过大的压下率控制碳化物形状，能够实现碳化物沿着轧向分布，从而有效抵抗磨粒在轧制方向的侵入，提高耐磨性。

23、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述固溶热处理的固溶温度为1200-1250℃，保温时间为20-120min，之后空冷至室温。更优选地，所述固溶热处理的固溶温度为1220-1250℃，保温时间为20-60min。在本发明中，固溶热处理能够将钢液凝固，并将在随后的冷却过程中析出的碳化物、以及在塑性变形过程中进一步析出的碳化物或粗大强化相，都尽量溶解到基体中，以得到单相组织，为后续沉淀时效析出均匀细小的强化相做准备。

24、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述时效热处理的时效温度为750-820℃，保温时间为2-5h，之后空冷至室温。更优选地，所述时效热处理的时效温度为750-780℃，保温时间为180-300min。在本发明中，时效处理的目的是进一步析出细小的碳化物，使强化相数量增加，进一步提高强度。

25、在上述制备方法中，优选地，所述去除表面的氧化物的方法包括喷丸处理和/或机加工等表面去除方式。该方法能够去除热处理后板表面的氧化铁皮物，保证表面质量。

26、本发明还提供了一种隧道掘进机，其中，该隧道掘进机的主驱动密封跑道外侧设有上述耐磨板。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

28、(1)本发明提供的耐磨合金材料中，在钴基合金的基体上添加了0.1-0.5％的b元素，有助于在基体上形成硼化物，提高耐磨板的耐磨性。此外，稀土有助于在冶炼过程中减少夹杂物，提高耐磨板的强度，并能够改善塑性，增加锻造单道次变形量。

29、(2)本发明提供的耐磨板的制备方法，通过温轧取代冷轧，有助于降低轧制载荷，进而实现更大的压下率。进一步地，采用大的锻造和热轧压下量，能够使碳化物沿着轧制方向比较长，从而可以抵抗磨粒的侵入，提高耐磨性。

30、(3)本发明采用元素+工艺改善的方法进行优化，通过特定的合金元素一方面可以提升耐磨性，另一方面可以改善塑性；进而结合温轧的工艺，可以实现更大的压下率，促进碳化物沿轧制方向的分布，后续热处理有助于进一步促进碳化物的分布，从而提高耐磨性。