技术领域

本发明属于盾构机刀具材料技术领域，涉及耐磨盾构机滚刀刀具及其制备方法。

背景技术

盾构机是隧道挖掘机的一种，而盾构机刀具则是在盾构机工作过程中直接与岩石泥土等接触的零件之一。盾构机滚刀是盾构机诸多刀具的一种，盾构机的刀具状态直接影响盾构机的掘进效率，而盾构机刀具的使用寿命则极大的影响盾构机的工作效率和使用成本。有资料显示在盾构的刀具失效行为中70％都是由磨损引起的，因此盾构机滚刀的耐磨性提高显得至关重要。

现在国内使用的盾构机滚刀钢材主要为9Cr2Mo、5Cr5MoSiV1、5Cr5MoV等，但是仍然有耐磨性差、使用寿命短等问题。国内许多学者也通过研发新钢种、新热处理工艺以及合金化等提升盾构机滚刀的耐磨性，但随着合金硬度的上升和硬质相的加入钢材的耐冲击性能和韧性明显下降，硬度较高低韧性的滚刀由于韧性断裂产生的微观断裂导致材料磨损。

刘晓洁等(铸铁与铌丝原位生成NbCP/Fe复合材料，刘晓洁等，《材料热处理工艺》，2010年)利用Nb丝搭建骨架，然后将熔融铸铁浇铸到Nb丝形成的骨架中，铌丝与碳原子原位反应生成NbC颗粒增强铸铁复合材料，可以提高耐磨性和强韧性，该复合材料可以用于盾构机刀具。但增强相/基体相界是复合材料薄弱的地方，容易出现裂纹、孔隙、浸润性不足等问题；现有技术在1400℃下浇铸铸铁，对浇铸后的微观组织进行观察，发现有部分铌丝周围出现孔洞，结合不佳。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种耐磨盾构机滚刀刀具，解决了现有盾构机滚刀刀具不能同时具备高耐磨性和良好韧性的问题。

本发明所采用的第一技术方案是，耐磨盾构机滚刀刀具，由球墨铸铁基体和梯度束状结构增强相组成，梯度束状结构增强相一部分为圆环状，分布在滚刀刀具中心，另一部分沿滚刀刀具径向分布，梯度束状结构增强相由中心铌丝与周围碳化铌陶瓷颗粒构成。

本发明的第二个目的是提供一种耐磨盾构机滚刀刀具的制备方法，浇铸液采用球墨铸铁可以得到均匀的NbC，防止增强体向某一方向异常生长，同时球磨铸铁还能改善流动性降低铸造缺陷的产生。

本发明所采用的第二技术方案是，耐磨盾构机滚刀刀具的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备盾构机滚刀刀具的ESP泡沫消失模白模；

步骤2：沿刀具中央将整块消失模白模切割成两半；

步骤3：制备铌丝圈，铌丝圈由中心圆环和外侧铌丝组成，外侧铌丝沿中心圆环径向分布；

步骤4：将铌丝圈放入两半消失模白模中间，然后胶合两半消失模白模；

步骤5：在消失模白模表面涂刷耐火涂料并烘干，然后将消失模装箱，在箱内填充干砂震实；

步骤6：将球墨铸铁金属液在1680℃-1760℃浇铸入消失模内，浇铸过程中在金属液内加入2-7wt.％的铬和1-5wt.％的铌以及1-5wt.％的稀土，待冷却后即获得耐磨盾构机滚刀刀具铸件；

步骤7：将刀具铸件加热至1000～1150℃保温0.5h～2h，然后随炉冷却至室温，即获得耐磨盾构机滚刀刀具。

其中，ESP泡沫消失模白模密度为20～25kg/m3。

步骤2中，采用电热丝切割的方式将整块消失模白模切割成两半。

步骤3中，制备铌丝圈，包括先剪取一截铌丝焊接成中心圆环，然后剪取若干铌丝均匀焊接在中心圆环外侧，中心圆环直径大于盾构机滚刀刀具内径，小于盾构机滚刀刀具外径。

铌丝直径为1mm～5mm，纯度为99.7-99.9％。

步骤4中，在将铌丝圈放入两半消失模白模中间前，先对铌丝圈依次进行打磨、酸洗、流水冲洗，去除表面氧化层和油污。

步骤4中，采用消失模冷胶胶合两半消失模白模。

步骤4中，将铌丝圈放入两半消失模白模中间，使外侧铌丝伸出消失模白模5mm～10mm。

本发明的有益效果是：

(1)本发明第一方面的构思为：优选铸造基体为球墨铸铁，球墨铸铁其中存在特殊的球状石墨相比于其他铸铁具有更好的减磨自润滑性能，更好的可加工性能、以及更好的综合性能。球墨铸铁它具有球状石墨，相对于普通铸铁的片层状石墨，在铌丝—黑色金属预制体保温处理中球墨铸铁能提供更加均匀的碳分布，避免3D束状多级构型增强体向某一方向异常生长。同时本技术要求在1min完成浇铸，浇铸完成铸件冷却至500℃落砂将铸件清理出箱。避免钛丝长时间处于较高的温度，防止因Nb丝反应而造成的3D束状多级构型增强体制备失败，而过早落砂会导致工件在冷却工程中出现裂纹和变形等缺陷。而落砂时间延迟不仅降低效率还会导致工件中的铌丝被过分反应。

(2)本发明第二方面的优化构思为：同时在浇铸过程中为减少缺陷和促进球化添加一定量的稀土。稀土一方面可促进石墨球化，另一方面克服硫以及杂质元素的影响以保证石墨的球化效果，稀土加入铁水中能显著的提高铁水的流动性，并减少偏析和热裂等铸造缺陷。在浇铸球墨铸铁金属的过程中分别添加铬和铌，其中铬元素的添加为滚刀刀具在潮湿含水的环境下工作时提供不错的耐蚀和防锈性能。同时铬元素会与碳元素形成M7C3碳化物，在一定程度可以改善刀具的耐磨性能。而铌元素的添加改善球墨铸铁金属液与增强体的浸润性，提高增强体与基体的界面结合强度。并且铌元素的加入会将M7C3中部分Cr元素置换出并重新形成M23C6的碳化物。而先析出的Cr元素会在晶界处富集进一步提高刀具的耐蚀性能，而M7C3、M23C6会在后期保温过程中对基体组织形成弥散强化，从改善基体的力学性能。

(3)本发明第三方面的优化构思为：通过浇铸温度的优化实现增强相/基体相界的均匀过渡。优化浇铸温度以达到对NbC生成的有益效果，在1680℃-1760℃下将铸铁液进行浇铸，能有效减少铌丝周围出现孔洞，提高结合力，还能降低二次保温裂纹发生率。通过实验发现，在1760℃以上浇铸，凝固后铌丝大量反应，生成NbC致密层厚度>60μm，在二次保温过程中产生裂纹机率增加45％，且过厚的初始NbC致密层阻碍了基体C原子扩散，使NbC层生长速度显著降低。在1680℃以下将铸铁液浇铸，出现浇不足，7％的铌丝周围出现孔洞，结合不佳。同时浇铸结束温度不低于1350℃，浇铸结束温度过低会导致石墨难以球化、前后组织成分差异等缺陷。

(4)利用消失模铸造近终成形和原位自生NbC增强相优势，在消失模制备预制体参数最优化的基础上，利用Fe-Nb-C体系中元素扩散驱动力差异、Nb-C之间较强的结合力以及Fe的熔融传质，尤其是C原子的快速扩散和浓度梯度等在铌丝周围形成纳/微米尺度NbC颗粒，并与基体耦合形成NbC/Fe梯度束状结构实现非均匀构型钢铁基复合材料简单有效制备；优选的当基体、NbC颗粒与铌丝的比例达到50：40：10时，复合材料在提升强度和耐磨性的同时并不会损坏材料原有韧性。同时采用消失模铸造可以灵活多变的排布丝材，同时不受模具的限制，可针对特定结构在需要的特定位置通过提高插丝密度的方式实现在局部区域的强化。

附图说明

图1是本发明耐磨盾构机滚刀刀具的制备方法中铌丝圈的结构示意图；

图2是本发明耐磨盾构机滚刀刀具的制备方法中铌丝圈与消失模白模组合的过程示意图；

图3是本发明实施例1制备的耐磨盾构机滚刀刀具中梯度束状结构增强相的扫描电镜图；

图4是本发明实施例2制备的耐磨盾构机滚刀刀具中梯度束状结构增强相的扫描电镜图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

一种耐磨盾构机滚刀刀具的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备盾构机滚刀刀具的ESP泡沫消失模白模，ESP泡沫消失模白模密度为24kg/m3；

步骤2：采用电热丝切割的方式沿刀具中央将整块消失模白模切割成两半；

步骤3：参照图1，制备铌丝圈，包括先剪取一截铌丝焊接成中心圆环，然后剪取若干铌丝均匀焊接在中心圆环外侧，外侧铌丝沿中心圆环径向分布，中心圆环直径大于盾构机滚刀刀具内径，小于盾构机滚刀刀具外径，铌丝直径为1mm，纯度为99.9％；

步骤4：使用钢丝轮手持立式打磨机，将铌丝圈的焊接处打磨光滑，随后使用盐酸溶液淋洗两次，除去表面氧化膜和油污，后流水冲洗，最后放入烘箱50℃烘干0.5h；将铌丝圈放入两半消失模白模中间，使外侧铌丝伸出消失模白模5mm，用于在浇铸过程中固定铌丝圈，最后采用消失模冷胶胶合两半消失模白模(参见图2)；

步骤5：在消失模白模表面涂刷耐火涂料，并用烘箱于70℃烘干12小时，重复涂刷耐火涂料并烘干操作一次，然后将消失模装箱，在箱内填充干砂震实；

步骤6：将球墨铸铁金属液在1680℃浇注入消失模内，将铬、铌、稀土分别融化，浇铸过程中在金属液内加入熔融态7wt.％的铬和5wt.％的铌以及2wt.％的稀土，浇铸完成温度为1360℃，待工件冷却至500℃立即落砂清理出箱后即获得耐磨盾构机滚刀刀具铸件；

步骤7：将刀具铸件加热至1000℃保温0.5h，然后随炉冷却至室温，采用机械加工的方式去除铸件表面多余Nb丝，即获得耐磨盾构机滚刀刀具。

对实施例1制备的耐磨盾构机滚刀刀具中梯度束状结构增强相内部结构进行电子显微观察，其扫描电镜图片如图3所示，从图中可以看出，采用本发明方法制备的耐磨盾构机滚刀刀具中梯度束状结构增强相包括中心铌丝，铌丝外侧为致密的碳化铌陶瓷层，碳化铌陶瓷层外侧依次分布有纳米级碳化铌陶瓷颗粒和微米级碳化铌陶瓷颗粒，相邻陶瓷颗粒之间为球墨铸铁基体，该特殊结构有助于在提升材料强度的同时，不降低材料的韧性，致密NbC与NbC/Fe构成的整体增强层厚度为246μm。

实施例2

一种耐磨盾构机滚刀刀具的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备盾构机滚刀刀具的ESP泡沫消失模白模，ESP泡沫消失模白模密度为22kg/m3；

步骤2：采用电热丝切割的方式沿刀具中央将整块消失模白模切割成两半；

步骤3：制备铌丝圈，包括先剪取一截铌丝焊接成中心圆环，然后剪取若干铌丝均匀焊接在中心圆环外侧，外侧铌丝沿中心圆环径向分布，中心圆环直径大于盾构机滚刀刀具内径，小于盾构机滚刀刀具外径，铌丝直径为2mm，纯度为99.9％；

步骤4：使用钢丝轮手持立式打磨机，将铌丝圈的焊接处打磨光滑，随后使用盐酸溶液淋洗两次，除去表面氧化膜和油污，后流水冲洗，最后放入烘箱50℃烘干0.5h；将铌丝圈放入两半消失模白模中间，使外侧铌丝伸出消失模白模5mm，用于在浇铸过程中固定铌丝圈，最后采用消失模冷胶胶合两半消失模白模；

步骤5：在消失模白模表面涂刷耐火涂料，并用烘箱于70℃烘干12小时，重复涂刷耐火涂料并烘干操作一次，然后将消失模装箱，在箱内填充干砂震实；

步骤6：将球墨铸铁金属液在1760℃浇注入消失模内，将铬、铌、稀土分别融化，浇铸过程中在金属液内加入熔融态7wt.％的铬和5wt.％的铌以及2wt.％的稀土，浇铸完成温度为1390℃，待工件冷却至500℃立即落砂清理出箱后即获得耐磨盾构机滚刀刀具铸件；

步骤7：将刀具铸件加热至1000℃保温0.5h，然后随炉冷却至室温，采用机械加工的方式去除铸件表面多余Nb丝，即获得耐磨盾构机滚刀刀具。

对实施例2制备的耐磨盾构机滚刀刀具中梯度束状结构增强相内部结构进行电子显微观察，其扫描电镜图片如图4所示，从图中可以看出，采用本发明方法制备的耐磨盾构机滚刀刀具中梯度束状结构增强相包括中心铌丝，铌丝外侧为致密的碳化铌陶瓷层，碳化铌陶瓷层外侧依次分布有纳米级碳化铌陶瓷颗粒和微米级碳化铌陶瓷颗粒，相邻陶瓷颗粒之间为球墨铸铁基体，该特殊结构有助于在提升材料强度的同时，不降低材料的韧性，致密NbC与NbC/Fe构成的整体增强层厚度为305μm。

对实施例1-2制备的耐磨盾构机滚刀刀具中致密碳化铌陶瓷层进行硬度测定，其显微维氏硬度在1800HV0.1～2000HV0.1之间。对比实施例1-2制备的耐磨盾构机滚刀刀具中梯度束状结构增强相扫描电镜图片，发现随着保温温度的上升，纯致密NbC层与NbC/Fe复合层厚度随之增加。

对比例1

一种耐磨盾构机滚刀刀具的制备方法，具体包括如下步骤：

步骤1：制备刀具ESP消失模白模，ESP泡沫的密度为24kg/m3；

步骤2：在消失模表面涂刷商用球墨铸铁浇铸耐火涂料，并用烘箱于70℃烘干12小时，重复涂刷耐火涂料并烘干操作一次，后将消失模装箱且在箱内填充干砂震实。

步骤3：在球墨铸铁金属液中加入纯度为99.9％的铌粉，以确保可以原位生成体积分数为20％的碳化铌颗粒；

步骤4：将步骤3中金属液在1680℃浇注入消失模内，获得耐磨盾构机滚刀刀具。

对实施例1、对比例1制备的耐磨盾构机滚刀刀具进行电火花线切割，制备成拉伸试样，进行拉伸实验，实施例1试样沿铌丝方向为拉伸方向，对比例1中刀具的拉伸强度为480MPa，实施例1中刀具的拉伸强度为530MPa，同时本刀具延伸率未出现显著下降，此结果表明，与在铁基体中添加碳化铌颗粒、原位生成碳化铌颗粒的方法相比，采用本发明方法制备的耐磨盾构机滚刀刀具性能更加优良。

对比例2

一种耐磨盾构机滚刀刀具的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备盾构机滚刀刀具的ESP泡沫消失模白模，ESP泡沫消失模白模密度为24kg/m3；

步骤2：采用电热丝切割的方式沿刀具中央将整块消失模白模切割成两半；

步骤3：制备铌丝圈，包括先剪取一截铌丝焊接成中心圆环，然后剪取若干铌丝均匀焊接在中心圆环外侧，外侧铌丝沿中心圆环径向分布，中心圆环直径大于盾构机滚刀刀具内径，小于盾构机滚刀刀具外径，铌丝直径为1mm，纯度为99.9％；

步骤4：使用钢丝轮手持立式打磨机，将铌丝圈的焊接处打磨光滑，随后使用盐酸溶液淋洗两次，除去表面氧化膜和油污，后流水冲洗，最后放入烘箱50℃烘干0.5h；将铌丝圈放入两半消失模白模中间，使外侧铌丝伸出消失模白模5mm，用于在浇铸过程中固定铌丝圈，最后采用消失模冷胶胶合两半消失模白模；

步骤5：在消失模白模表面涂刷耐火涂料，并用烘箱于70℃烘干12小时，重复涂刷耐火涂料并烘干操作一次，然后将消失模装箱，在箱内填充干砂震实；

步骤6：将白口铸铁金属液在1680℃浇注入消失模内，浇铸过程中在金属液内加入7wt.％的铬和5wt.％的铌以及2wt.％的稀土，浇铸完成温度为1360℃，待工件冷却至500℃立即落砂清理出箱后即获得耐磨盾构机滚刀刀具铸件；

步骤7：将刀具铸件加热至1000℃保温0.5h，然后随炉冷却至室温，采用机械加工的方式去除铸件表面多余Nb丝，即获得耐磨盾构机滚刀刀具。

对实施例1、对比例2的微观组织进行观察，发现，球墨铸铁浇铸NbC分布更加均匀，不会向某一方向异常生长。同时由于球墨铸铁改善合金的流动性，铸造缺陷显著降低。而白口铸铁浇铸形成的NbC相比而言尺寸没有那么均匀，会在某一方向显著异常生长。同时组织中铸造缺陷也比较多。

对比例3

步骤6中没有添加稀土、Cr和Nb，其余均与实施例1相同。

对比例3由于熔融液体的流动性和浸润性不足，增强体与金属基体的界面有较多孔隙、分层，界面结合不佳。同时耐磨和耐蚀性也没有实施例1优异。随着铌元素的加入，改善增强体与基体的浸润性，增强体与基体界面处无孔洞等明显缺陷。

对比例4

步骤6中在1500℃浇铸，其余均与实施例1相同。

对比例4由于浇铸温度过低，铌丝周围出现孔洞，这些孔洞将提高二次保温裂纹发生率。通过实验发现，在1760℃以上浇铸，凝固后铌丝大量反应，生成NbC致密层厚度>60μm，在二次保温过程中产生裂纹机率增加45％，且过厚的初始NbC致密层阻碍了基体C原子扩散，使NbC层生长速度显著降低。在1680℃以下将铸铁液浇铸，出现浇不足，7％的铌丝周围出现孔洞，结合不佳。同时浇铸结束温度不低于1350℃，浇铸结束温度过低会导致石墨难以球化、前后组织成分差异等缺陷。