CN108817406A - 一种烧结碳化钨胎体刀圈的配方和制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种烧结碳化钨胎体刀圈的配方和制备工艺，属于盾构刀具技术领域。一种烧结碳化钨胎体刀圈，包括刀圈本体和碳化钨胎体，刀圈本体外圆径向开设若干齿槽，齿槽沿外圆周向均匀分布，每个齿槽、齿顶和刀圈本体外侧壁均烧结填充碳化钨胎体。一种烧结碳化钨胎体刀圈的其配方，包括胎体粉和粘接合金，粘接合金占胎体粉重量的80％～100％。一种烧结碳化钨胎体刀圈的制备工艺，包括：模具制作、刀圈制作、混粉、装料、烧结预热、胎体烧结、冷却、打磨清理。本发明在刀圈本体上烧结碳化钨胎体，利用胎体保护刀圈本体，在保持现有刀具冲击韧性的同时，对刀具材料进一步增强，提高刀具的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及盾构刀具技术领域，具体涉及一种烧结碳化钨胎体刀圈的配方和制备工艺。
背景技术
随着社会的发展和科技的进步，盾构机广泛应用与地下工程及隧道掘进等作业，它不仅工作效率高、安全性能好，而且经济环保。盾构机的刀盘上设置有刀具，盾构机进行掘进作业时大都采用盘形滚刀或齿刀进行破岩，并采用辅助用刮刀进行刮削破碎的岩石以及修刮隧道井壁。在掘进过程中，盾构刀具不仅要承受很大的破岩力，还要经受岩石的长期磨损。然而，刀具的磨损会严重影响掘进机的破岩效率和开挖直径，为此就必须经常更换盾构刀具，这就增加了易损件的消耗量和设备维护的工作量，导致单位开挖成本增加。
因此，针对现有技术存在的问题，应该增加盾构刀具的耐磨性。一种方法是提高刀圈本体的硬度，这势必会降低刀圈韧性。在工程实践中，对于研磨性较强的石英岩、砂岩、风化红岩、断裂砾岩等地层以及复杂性地层，单纯的靠提高刀圈本体的硬度来满足地层的需求，而牺牲刀具的韧性是适得其反的。另一种方法是在盾构刀具本体上镶嵌、焊接或烧结耐磨材料进行增强。这种方法在保持或提高现有刀具冲击韧性的同时，对刀具材料进一步增强。
经检索，公开号CN107761040A，公开日2018.3.6公开了一种盾构刀具用等离子弧堆焊碳化钨刀圈的制作工艺，在刀圈外缘两侧用等离子弧堆焊的方法熔敷有一层耐磨堆焊层，以提高刀圈的耐磨性和抗冲击性，第一，该发明的等离子堆焊工艺过程无量化参数，且刀圈外圆处未堆焊耐磨层，易造成刀圈外圆的基体提前磨损并延伸到刀圈基体内部；第二，该发明的特殊工艺制得的纳米级碳化钨粉末堆焊的耐磨层，适用于切削较粗的含钢筋的桩基，应用范围较局限。本发明提供一种烧结碳化钨胎体刀圈的配方和制备工艺，针对现有技术存在的问题进一步改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题：第一，盾构机在地下工程及隧道掘进作业中，由于盾构刀具耐磨性能差，导致掘进机的破岩效率低、开挖直径小，以及使用寿命低，为此需要经常更换盾构刀具，增加了易损件的消耗量和设备维护的工作量，单位开挖成本增加；第二，公开号CN107761040A，公开日2018.3.6公开了一种盾构刀具用等离子弧堆焊碳化钨刀圈的制作工艺，在刀圈外缘两侧用等离子弧堆焊的方法熔敷有一层耐磨堆焊层，但是该发明的等离子堆焊工艺过程无量化参数，刀圈外圆处未堆焊耐磨层，易造成刀圈外圆的基体提前磨损并延伸到刀圈基体内部，且该发明的特殊工艺制得的纳米级碳化钨粉末堆焊的耐磨层，适用于切削较粗的含钢筋的桩基，应用范围较局限。
本发明的技术方案如下：
一种烧结碳化钨胎体刀圈的配方，包括胎体粉和粘接合金；
碳化钨胎体由所述胎体粉和所述粘接合金烧结而成，所述胎体粉各组分按质量百分比混合而成，包括：粗晶碳化钨45％～50％、球形铸造碳化钨40％～45％、雾化镍粉10％～15％；粗晶碳化钨粒度为70～140目，以质量百分比计，其中，粒度为70～100目的粗晶碳化钨与粒度为100～140目的粗晶碳化钨的比例为2:1；球形铸造碳化钨粒度为70～325目，以质量百分比计，其中，粒度为70～140目的球形铸造碳化钨与粒度为140～200目的球形铸造钨与粒度为200～325目的球形铸造钨的比例为5:3:2；雾化镍粉粒度为70～140目。
所述粘接合金各组分质量百分比为：Cu：50％～56％，Mn：23％～25％，Ni：14％～16％，Zn：7％～9％。
胎体粉与粘接合金按质量百分比计，粘接合金占胎体粉重量80％～100％，即粘接合金和胎体粉的质量比最高可达1:1。
一种烧结碳化钨胎体刀圈的制备工艺，包括以下步骤：
a、模具制作：按图加工模具，包括刀圈本体形状模具和辅助烧结模具；
b、刀圈制作：按图加工刀圈本体外圆周的齿槽；
c、混粉：按配方比例将粉料装入混粉机进行充分混粉，混粉时间为0.5～1小时，粉料混好后装入干燥桶进行保温保存，保存温度为75℃；
d、装料：在振动台上将刀圈本体固定在圈本体形状模具相应空间的位置处，装入粉料，使用振动台进行间歇性振动，将粉料振实，再安装辅助烧结模具；
e、烧结预热：将全套模具放置在预热炉内进行预热，预热温度为280℃～420℃，预热时间为1～2小时；
f、胎体烧结：预热完成后按比例加热粘接合金，然后将全套模具放置在烧结炉中进行烧结，烧结温度为1120℃～1170℃，烧结时间为2～3小时；
g、冷却：烧结完成后将模具移出烧结炉，盖上隔热罩，从模具底部用水冲刷对模具进行降温，使粉料定向凝固结晶形成胎体；
h、打磨清理：将全套模具进行脱模，用风动砂轮打磨胎体表面毛刺飞边。
本发明的有益效果是：本发明一种烧结碳化钨胎体刀圈的配方和制备工艺，在刀圈本体上烧结碳化钨胎体，通过包裹式设计，使得刀圈本体的齿槽及侧边都冶金结合碳化钨胎体，且结合强度高，利用胎体保护刀圈本体，在保持现有刀具冲击韧性的同时，对刀具材料进一步增强，使刀圈难以受到研磨性地层的磨损和冲击，提高刀具的使用寿命。
在设计的胎体配方中，充分利用碳化钨的高耐磨性，化学稳定性的特点以抵抗研磨性地层中石英、砂砾和卵石的磨损和冲击。粗晶碳化钨组织结构均匀，结晶颗粒大，热稳定性好，抗冲击性能高；球形铸造碳化钨外观形状为球状颗粒，组织结构均匀致密，性能稳定，硬度高、耐磨性能好，且通过大小颗粒配合使用，其大颗粒耐磨性能更优，小颗粒则填充其余碳化钨混合的间隙，使其组织更密致，韧性更强，从而提高刀圈的耐磨性能和抗冲击性能。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面通过具体实施方式对本发明进行更详细的说明。
实施例1：
本发明一种烧结碳化钨胎体刀圈，包括圆环状的刀圈本体和碳化钨胎体，所述刀圈本体外圆径向开设若干齿槽，齿槽沿外圆周向均匀分布，每个齿槽、齿顶和刀圈本外侧壁均烧结填充碳化钨胎体。刀圈本体剖断面为变截面的平顶结构，刀圈本体外侧壁为台阶设计，齿槽剖断面为倒梯形结构。
一种烧结碳化钨胎体刀圈的配方，包括胎体粉和粘接合金；
碳化钨胎体4由所述胎体粉和所述粘接合金烧结而成，胎体粉各组分按质量百分比混合而成，包括：粗晶碳化钨45％～50％、球形铸造碳化钨40％～45％、雾化镍粉10％～15％，粗晶碳化钨粒度为70～140目，以质量百分比计，其中，粒度为70～100目的粗晶碳化钨与粒度为100～140目的粗晶碳化钨的比例为2:1；球形铸造碳化钨粒度为70～325目，以质量百分比计，其中，粒度为70～140目的球形铸造碳化钨与粒度为140～200目的球形铸造钨与粒度为200～325目的球形铸造钨的比例为5:3:2；雾化镍粉粒度为70～140目；
粘接合金各组分质量百分比为：Cu：50％～56％，Mn：23％～25％，Ni：14％～16％，Zn：7％～9％。
胎体粉与粘接合金按质量百分比计，粘接合金占胎体粉重量80％～100％，即粘接合金和胎体粉的质量比最高可达1:1。
一种烧结碳化钨胎体刀圈的制备工艺，包括以下步骤：
a、模具制作：按图加工模具，包括刀圈本体1形状模具和辅助烧结模具；
b、刀圈制作：按图加工刀圈本体1外圆周的齿槽2；
c、混粉：按配方比例将粉料装入混粉机进行充分混粉，混粉时间为0.5～1小时，粉料混好后装入干燥桶进行保温保存，保存温度为75℃；
d、装料：在振动台上将刀圈本体1固定在刀圈本体1形状模具相应空间的位置处，装入粉料，使用振动台进行间歇性振动，将粉料振实，再安装辅助烧结模具；
e、烧结预热：将全套模具放置在预热炉内进行预热，预热温度为280℃～420℃，预热时间为1～2小时；
f、胎体烧结：预热完成后按比例加热粘接合金，然后将全套模具放置在烧结炉中进行烧结，烧结温度为1120℃～1170℃，烧结时间为2～3小时；
g、冷却：烧结完成后将模具移出烧结炉，盖上隔热罩，从模具底部用水冲刷对模具进行降温，使粉料定向凝固结晶形成胎体；
h、打磨清理：将全套模具进行脱模，用风动砂轮打磨胎体表面毛刺飞边。
实施例2：
根据实施例1所述的一种烧结碳化钨胎体刀圈的配方，其胎体粉各组分按质量百分比混合而成，包括：粗晶碳化钨50％、球形铸造碳化钨40％、雾化镍粉10％，粗晶碳化钨粒度为70～140目，以质量百分比计，其中，粒度为70～100目的粗晶碳化钨与粒度为100～140目的粗晶碳化钨的比例为2:1；球形铸造碳化钨粒度为70～325目，以质量百分比计，其中，粒度为70～140目的球形铸造碳化钨与粒度为140～200目的球形铸造钨与粒度为200～325目的球形铸造钨的比例为5:3:2；雾化镍粉粒度为70～140目；
粘接合金各组分质量百分比为：Cu：52％，Mn：25％，Ni：15％，Zn：8％。
胎体粉与粘接合金按质量百分比计，粘接合金占胎体粉重量100％，即粘接合金和胎体粉的质量比为1:1。
一种烧结碳化钨胎体刀圈的制备工艺，包括以下步骤：
a、模具制作：按图加工模具，包括刀圈本体1形状模具和辅助烧结模具；
b、刀圈制作：按图加工刀圈本体1外圆周的齿槽2，数量为24个；
c、混粉：按配方比例将粉料装入混粉机进行充分混粉，混粉时间为30分钟，粉料混好后装入干燥桶进行保温保存，保存温度为75℃；
d、装料：在振动台上将刀圈本体1固定在刀圈本体1形状模具相应空间的位置处，装入粉料，使用振动台进行间歇性振动，振动3次，每次30秒将粉料振实，再安装辅助烧结模具；
e、烧结预热：将全套模具放置在预热炉内进行预热，预热温度为350℃，预热时间为1小时；
f、胎体烧结：预热完成后按比例加热粘接合金，然后将全套模具放置在烧结炉中进行烧结，烧结温度为1150℃，烧结时间为2小时；
g、冷却：烧结完成后将模具移出烧结炉，盖上隔热罩，从模具底部用水冲刷对模具进行降温，使粉料定向凝固结晶形成胎体；
h、打磨清理：将全套模具进行脱模，用风动砂轮打磨胎体表面毛刺飞边。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在不付出创造性劳动的前提下，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。
Claims (2)
1.一种烧结碳化钨胎体刀圈的配方，其特征在于：包括胎体粉和粘接合金，碳化钨胎体由所述胎体粉和所述粘接合金烧结而成；
胎体粉各组分按质量百分比混合而成，包括：粗晶碳化钨45％～50％、球形铸造碳化钨40％～45％、雾化镍粉10％～15％，粗晶碳化钨粒度为70～140目，以质量百分比计，其中，粒度为70～100目的粗晶碳化钨与粒度为100～140目的粗晶碳化钨的比例为2:1；球形铸造碳化钨粒度为70～325目，以质量百分比计，其中，粒度为70～140目的球形铸造碳化钨与粒度为140～200目的球形铸造钨与粒度为200～325目的球形铸造钨的比例为5:3:2；雾化镍粉粒度为70～140目；
粘接合金各组分按质量百分比铸造而成，包括：Cu：50％～56％，Mn：23％～25％，Ni：14％～16％，Zn：7％～9％；
胎体粉与粘接合金按质量百分比计，粘接合金占胎体粉重量80％～100％，即粘接合金和胎体粉的质量比最高可达1:1。
2.一种烧结碳化钨胎体刀圈的制备工艺，其特征在于：碳化钨胎体的制备工艺包括以下步骤：
a、模具制作：按图加工模具，包括刀圈本体形状模具和辅助烧结模具；
b、刀圈制作：按图加工刀圈本体外圆周的齿槽；
c、混粉：按配方比例将粉料装入混粉机进行充分混粉，混粉时间为0.5～1小时，粉料混好后装入干燥桶进行保温保存，保存温度为75℃；
d、装料：在振动台上将刀圈本体)固定在刀圈本体形状模具相应空间的位置处，装入粉料，使用振动台进行间歇性振动，将粉料振实，再安装辅助烧结模具；
e、烧结预热：将全套模具放置在预热炉内进行预热，预热温度为280℃～420℃，预热时间为1～2小时；
f、胎体烧结：预热完成后按比例加热粘接合金，然后将全套模具放置在烧结炉中进行烧结，烧结温度为1120℃～1170℃，烧结时间为2～3小时；
g、冷却：烧结完成后将模具移出烧结炉，盖上隔热罩，从模具底部用水冲刷对模具进行降温，使粉料定向凝固结晶形成胎体；
h、打磨清理：将全套模具进行脱模，用风动砂轮打磨胎体表面毛刺飞边。
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