CN110421242A - 一种耐磨合金材料及盾构机耐磨刀圈等离子堆焊工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于盾构刀具技术领域，具体涉及一种耐磨合金材料及盾构机耐磨刀圈等离子堆焊工艺，解决了现有技术中盾构机刀圈耐磨性能差、生产效率低、质量稳定性差的问题，本发明的技术方案是：包括NiCrBSi合金和球形铸造碳化钨，所述NiCrBSi合金质量百分比为35％～45％，所述球形铸造碳化钨质量百分比为55％～65％，等离子堆焊工艺包括a.清洁处理、b.预热处理、c.调整焊机的堆焊工艺参数、d.焊枪定位、e.开始堆焊、f.保温冷却。本发明提高了盾构机刀圈的耐磨性能，延长了刀圈使用寿命，降低了刀圈的消耗量和设备维护的工作量，降低单位开挖成本。本发明适用于盾构机耐磨刀圈的制造。

Description

一种耐磨合金材料及盾构机耐磨刀圈等离子堆焊工艺

技术领域

本发明属于盾构刀具技术领域，具体涉及一种耐磨合金材料及盾构机耐磨刀圈等离子堆焊工艺。

背景技术

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，盾构刀具不仅承受很大的破岩力，同时又经受岩石的长期磨损，刀具的磨损严重地降低了掘进机的破岩效率以及开挖直径，为此必须经常地更换盾构刀具，从而增加了易损件的消耗量和设备维护的工作量，最终使单位开挖成本提高。

为了增加刀具的耐磨性，一种方法是提高刀圈本体的硬度，但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，单纯的靠提高材料的硬度来满足地层的需求，而牺牲了刀具的韧性是适得其反的；另一种方法是在刀具上堆焊一层耐磨层，保持现有刀具冲击韧性或提高冲击韧性的同时，对刀具表面进一步增强。堆焊作为表面增强的一种经济而快速的工艺方法，广泛应用在机械零件的制造及再制造过程中。

现有堆焊方法应用较多的是氧乙炔火焰堆焊和等离子堆焊，其中火焰敷焊工艺需要将基体预热和加热至较高温度，试样受热严重，热影响区大，因此热变形和应力大；反观等离子堆焊基体预热温度较低，且焊枪能量密度高，加热和冷却速度快，热影响区小，热变形和应力小，且快速凝固得到的组织非常细小，因此等离子堆焊层表面光洁度、粘结强度、密实度和塑性都比火焰堆焊层优。等离子堆焊分为手工等离子堆焊和数控等离子堆焊，其中手工等离子堆焊的产品堆焊层焊道明显，对焊层表面到底不平、外观粗糙；此外，手工等离子堆焊工作效率低，劳动强度大，对操作者的技能水平要求较高，堆焊的产品尺寸及质量难以控制。

经检索，中国专利申请(公开号：CN107625501A,公开日：2018.01.19)公开了一种等离子弧堆焊碳化钨刀圈的方法，即在刀圈外缘两侧等离子弧熔敷堆焊碳化钨粉末，以提高刀圈的耐磨性和抗冲击性。该发明的等离子堆焊工艺过程无量化参数；刀圈最大外圆处未堆焊耐磨层，易造成刀圈外圆的本体提前磨损，两侧的耐磨层亦被掏空，使用寿命有限；其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。

发明内容

针对现有技术中盾构机刀圈耐磨性能差、生产效率低、质量稳定性差的问题，本发明提供一种耐磨合金材料及盾构机耐磨刀圈等离子堆焊工艺，其目的在于：提高盾构机刀圈的耐磨性能，延长刀圈使用寿命，提高生产效率，提高质量稳定性。

本发明采用的技术方案如下：

一种耐磨合金材料，包括NiCrBSi合金和球形铸造碳化钨，所述NiCrBSi合金质量百分比为35％～45％，所述球形铸造碳化钨质量百分比为55％～65％。

采用该技术方案后，合金材料更加耐磨，将此合金应用到盾构机刀圈上能够提高盾构机刀圈的耐磨性能，延长刀圈使用寿命，降低刀圈的消耗量和设备维护的工作量，降低单位开挖成本。

优选的，所述NiCrBSi合金中各组分的所占的质量百分比：Cr为10％～15％，B为1.5％～3％，Si为2％～4％，C为0～0.6％，Fe为0～5％，其余为Ni。

采用该技术方案后，耐磨合金材料的耐磨性能更好。

优选的，所述NiCrBSi合金和球形铸造碳化钨的筛分粒度均为45μm～150μm，球形铸造碳化钨中，粒度D为125μm≤D＜150μm的占20％～30％，75μm≤D＜125μm的占55％～65％，45μm≤D＜75μm的占10％～20％。

采用该技术方案后，能够提高堆焊过程中的送粉效率，同时可以使堆焊层更均匀，而且优化设计了碳化钨颗粒大小和比例，使得颗粒缝隙填充更饱满，组织结构致密，能够提高刀圈的耐磨性能和抗冲击韧性。

优选的，所述NiCrBSi合金经雾化处理为球状，所述球形铸造碳化钨经球化处理为球状。

采用该技术方案后，球状设计的碳化钨性能稳定，具有更高的抗裂纹能力。

优选的，所述NiCrBSi合金硬度大于HRC40，所述球形铸造碳化钨显微硬度不小于2700HV。

采用该技术方案后，耐磨合金材料的硬度高，耐磨性能更好。

一种利用所述的耐磨合金材料制备盾构机耐磨刀圈的等离子堆焊工艺，包括以下步骤：

a.清洁处理：对刀圈外缘进行喷砂处理，去除刀圈外缘表面的锈斑、油污和氧化皮；

b.预热处理：对刀圈本体进行加热；

c.调整焊机的堆焊工艺参数；

d.焊枪定位：使等离子焊枪与刀圈外缘侧面保持垂直，并距离刀圈外缘侧面10～15mm；

e.开始堆焊：对刀圈刀刃和外刀圈缘两侧进行等离子堆焊；

f.保温冷却：将刀圈本体放入保温箱，使用陶瓷纤维保温棉遮盖缓冷，待刀圈本体温度冷却至低于150℃后进行空冷。

采用等离子堆焊工艺，耐磨合金材料与刀圈基体结合强度高，堆焊熔覆速度快，稀释率低，而且快速凝固得到的组织非常细小，表面光洁度、粘结强度、密实度和韧性高，并且通过包裹式设计，使得刀圈本体外缘的两侧及顶部均冶金结合耐磨碳化钨合金，结合强度高，耐磨碳化钨合金能够保护刀圈本体，有效保证了盾构刀具在掘进研磨性较强的石英岩、砂岩、风化红岩、断裂砾岩等地层和复杂性地层时，具有更高的耐磨性和更长的使用寿命，降低了更换或维修成本。

优选的，步骤b中的预热温度为350℃～400℃。

采用该技术方案后，刀圈基体预热温度较低，焊枪能量密度高，加热和冷却速度快，热影响区小，热变形和应力小。

优选的，步骤c中的堆焊工艺参数为：转弧电流为100～150A，维弧电流为25～35A，电压为28～32V，等离子气体流量为8～10SCFH，保护气体流量为16～20SCFH，送粉气体流量为8～10SCFH，送粉速度为10～20g/min，堆焊速度为300～500mm/min。

采用该技术方案后，适当的电流确保刀圈基体热影响区小、稀释率低，适当的气体流量、送粉速度和堆焊速度确保堆焊层组织致密无气孔、表面成型美观。

优选的，包括可编程的数控等离子堆焊装置，所述数控等离子堆焊装置包含焊接机械手1、焊接变位机2和数字化等离子焊机3。

采用该技术方案后，把人为的不可控因素转化为可控制的设备参数，由此获得的堆焊层质量稳定可靠，堆焊层外观平整，同时大大提高工作效率，改善作业条件，减轻操作者的劳动强度，适合批量化的盾构刀具生产。

优选的，所述的焊接机械手1为六轴焊接机械手，具有离线编程软件及在线导入程序的功能，所述的焊接变位机2为两轴焊接变位机，具有倾反和旋转两个功能，所述的数字化等离子焊机3具有可视化编辑及存储等离子堆焊参数的功能。

采用该技术方案后，可根据盾构刀具3D模型进行离线的等离子堆焊工艺编辑和等离子堆焊轨迹程序编程，即根据盾构刀具的设计形成整套工艺规程，便于固化工艺及质量控制，适合系列化的盾构刀具生产。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.优化耐磨合金材料的配方，增加了耐磨合金材料的耐磨性，将此合金材料应用到盾构机刀圈上能够提高盾构机刀圈的耐磨性能，延长刀圈使用寿命，降低刀圈的消耗量和设备维护的工作量，降低单位开挖成本。

2.优化NiCrBSi合金中各组分的含量，耐磨合金材料的耐磨性能更好。

3.NiCrBSi合金和球形铸造碳化钨的筛分粒度均为45μm～150μm，能够提高堆焊过程中的送粉效率，同时可以使堆焊层更均匀。球形铸造碳化钨中，球形铸造碳化钨中，粒度D为125μm≤D＜150μm的占20％～30％，75μm≤D＜125μm的占55％～65％，45μm≤D＜75μm的占10％～20％。优化设计碳化钨颗粒大小和比例，使得颗粒缝隙填充更饱满，组织结构致密，能够提高刀圈的耐磨性能和抗冲击韧性。

4.NiCrBSi合金和球形铸造碳化钨经均处理为球状，球状设计的碳化钨性能稳定，具有更高的抗裂纹能力。

5.NiCrBSi合金硬度大于HRC40，球形铸造碳化钨显微硬度不小于2700HV，耐磨合金材料的硬度高，耐磨性能更好。

6.采用等离子堆焊工艺，耐磨合金材料与刀圈基体结合强度高，堆焊熔覆速度快，稀释率低，而且快速凝固得到的组织非常细小，表面光洁度、粘结强度、密实度和韧性高，并且通过包裹式设计，使得刀圈本体外缘的两侧及顶部均冶金结合耐磨碳化钨合金，结合强度高，耐磨碳化钨合金能够保护刀圈本体，有效保证了盾构刀具在掘进研磨性较强的石英岩、砂岩、风化红岩、断裂砾岩等地层和复杂性地层时，具有更高的耐磨性和更长的使用寿命，降低了更换或维修成本。

7.刀圈基体预热温度较低，焊枪能量密度高，加热和冷却速度快，热影响区小，热变形和应力小。

8.适当的电流确保刀圈基体热影响区小、稀释率低，适当的气体流量、送粉速度和堆焊速度确保堆焊层组织致密无气孔、表面成型美观。

9.采用可编程的数控等离子堆焊装置，把人为的不可控因素转化为可控制的设备参数，由此获得的堆焊层质量稳定可靠，堆焊层外观平整，同时大大提高工作效率，改善作业条件，减轻操作者的劳动强度，适合批量化的盾构刀具生产。

10.可根据盾构刀具3D模型进行离线的等离子堆焊工艺编辑和等离子堆焊轨迹程序编程，即根据盾构刀具的设计形成整套工艺规程，便于固化工艺及质量控制，适合系列化的盾构刀具生产。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是镍基球形碳化钨合金堆焊层的SEM照片；

图2是数控等离子堆焊示意图；

图3是刀圈结构示意图；

图4是刀圈剖面图；

图5是压裂试验后常规铸造碳化钨堆焊层的显微照片；

图6是压裂试验后本发明耐磨合金材料堆焊层的显微照片。

其中，1-焊接机械手，2-焊接变位机，3-数字化等离子焊机，4-刀圈本体，5-耐磨合金材料。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合图1、图2对本发明作详细说明。

实施例一

一种耐磨合金材料，包括NiCrBSi合金和球形铸造碳化钨，所述NiCrBSi合金质量百分比为35％，所述球形铸造碳化钨质量百分比为65％。这样设置能够提高盾构机刀圈的耐磨性能，延长刀圈使用寿命。

对本实施例的耐磨合金材料进行往复滑动磨损试验和冲滑复合磨损试验：

①往复滑动磨损试验：往复摩擦次数N＝2000次，本实施例的堆焊层磨痕宽度为0.39mm，现有技术中常用的H13模具钢磨痕宽度0.67mm，对比能够看出本实施例的合金材料耐磨性能更好。

②冲滑复合磨损试验：冲击磨损次数N＝15000次，本实施例的堆焊层冲击区和滑动区无明显磨痕，现有技术中常用的H13模具钢磨痕深度为1.23μm，对比能够看出本实施例的合金材料耐磨性能更好。

所述NiCrBSi合金中各组分的所占的质量百分比：Cr为11％，B为2％，Si为2％，C为0.3％，Fe为4％，其余为Ni。

所述NiCrBSi合金和球形铸造碳化钨的筛分粒度均为45μm～150μm。

所述球形铸造碳化钨中，粒度D为125μm≤D＜150μm的占20％，75μm≤D＜125μm的占65％，45μm≤D＜75μm的占15％。这样设置能够提高堆焊过程中的送粉效率，同时可以使堆焊层更均匀，而且优化设计了碳化钨颗粒大小和比例，使得颗粒缝隙填充更饱满，组织结构致密，适当降低刀圈基体硬度(硬度为HRC45-50)，提高刀圈基体韧性，冲击功27-30J，提高了刀圈的耐磨性能和抗冲击韧性。

所述NiCrBSi合金经雾化处理为球状，所述球形铸造碳化钨经球化处理为球状。球状设计的碳化钨性能稳定，具有更高的抗裂纹能力。图5为常规铸造的碳化钨堆焊层，图6为本申请耐磨合金材料堆焊层，在相同条件下，常规铸造的碳化钨堆焊层出现了裂纹，而本申请耐磨合金材料堆焊层却没有裂纹。

本实施例中，所述NiCrBSi合金硬度为HRC42，所述球形铸造碳化钨显微硬度为2700HV。

一种盾构机耐磨刀圈等离子堆焊工艺，包括以下步骤：

a.清洁处理：对刀圈外缘进行喷砂处理，去除刀圈外缘表面的锈斑、油污和氧化皮，然后使用压缩空气清理刀圈本体上残留的细砂；

b.预热处理：对刀圈本体进行加热，预热温度为350℃～400℃；

c.调整焊机的堆焊工艺参数：转弧电流为100～150A，维弧电流为25～35A，电压为28～32V，等离子气体流量为8～10SCFH，保护气体流量为16～20SCFH，送粉气体流量为8～10SCFH，送粉速度为10～20g/min，堆焊速度为300～500mm/min；

d.焊枪定位：将焊枪对准刀圈刀刃，调整焊接变位机和等离子焊枪，使等离子焊枪与刀圈外缘侧面保持垂直，并距离刀圈外缘侧面10～15mm；

e.开始堆焊：首先，启动数控堆焊程序，固定在焊接机械手上的等离子焊枪随堆焊轨迹程序往复摆动，刀圈本体随焊接变位机进行圆周转动，等离子焊枪的等离子束将耐磨合金粉末和刀圈刀刃迅速加热并一起熔化、混合、扩散，等离子束离开后合金熔池自激冷却，形成一层高性能的耐磨堆焊层；然后，调整焊接变位机至水平转台，调用程序继续堆焊刀圈外缘顶部；最后，翻转刀圈本体，调用程序继续堆焊刀圈外圆的另一侧面；

f.保温冷却：将刀圈本体放入保温箱子，使用陶瓷纤维保温棉遮盖缓冷，待刀圈本体温度冷却至低于150℃后，揭开保温棉进行空冷。

所述盾构机耐磨刀圈等离子堆焊工艺包括可编程的数控等离子堆焊装置，所述数控等离子堆焊装置包含焊接机械手1、焊接变位机2和数字化等离子焊机3。

所述焊接机械手1为六轴焊接机械手，具有离线编程软件及在线导入程序的功能，所述的焊接变位机2为两轴焊接变位机，具有倾反和旋转两个功能，所述的数字化等离子焊机3具有可视化编辑及存储等离子堆焊参数的功能。

实施例二

一种耐磨合金材料，包括NiCrBSi合金和球形铸造碳化钨，所述NiCrBSi合金质量百分比为45％，所述球形铸造碳化钨质量百分比为55％。这样设置能够提高盾构机刀圈的耐磨性能，延长刀圈使用寿命。

对本实施例的耐磨合金材料进行往复滑动磨损试验和冲滑复合磨损试验：

①往复滑动磨损试验：往复摩擦次数N＝2000次，本实施例的堆焊层磨痕宽度为0.37mm，现有技术中常用的H13模具钢磨痕宽度0.67mm，对比能够看出本实施例的合金材料耐磨性能更好。

②冲滑复合磨损试验：冲击磨损次数N＝15000次，本实施例的堆焊层冲击区和滑动区无明显磨痕，现有技术中常用的H13模具钢磨痕深度为1.23μm，对比能够看出本实施例的合金材料耐磨性能更好。

所述NiCrBSi合金中各组分的所占的质量百分比：Cr为15％，B为3％，Si为3.5％，C为0.6％，Fe为5％，其余为Ni。

所述NiCrBSi合金和球形铸造碳化钨的筛分粒度均为45μm～150μm。

所述球形铸造碳化钨中，粒度D为125μm≤D＜150μm的占30％，75μm≤D＜125μm的占60％，45μm≤D＜75μm的占10％。这样设置能够提高堆焊过程中的送粉效率，同时可以使堆焊层更均匀，而且优化设计了碳化钨颗粒大小和比例，使得颗粒缝隙填充更饱满，组织结构致密，适当降低刀圈基体硬度(硬度为HRC45-50)，提高刀圈基体韧性，冲击功29-33J，提高了刀圈的耐磨性能和抗冲击韧性。

所述NiCrBSi合金经雾化处理为球状，所述球形铸造碳化钨经球化处理为球状。球状设计的碳化钨性能稳定，具有更高的抗裂纹能力，参见图5和图6。

所述NiCrBSi合金硬度大于HRC48，所述球形铸造碳化钨显微硬度为2750HV。

一种盾构机耐磨刀圈等离子堆焊工艺，包括以下步骤：

a.清洁处理：对刀圈外缘进行喷砂处理，去除刀圈外缘表面的锈斑、油污和氧化皮，然后使用压缩空气清理刀圈本体上残留的细砂；

b.预热处理：对刀圈本体进行加热，预热温度为350℃～400℃；

c.调整焊机的堆焊工艺参数：转弧电流为100～150A，维弧电流为25～35A，电压为28～32V，等离子气体流量为8～10SCFH，保护气体流量为16～20SCFH，送粉气体流量为8～10SCFH，送粉速度为10～20g/min，堆焊速度为300～500mm/min；

d.焊枪定位：将焊枪对准刀圈刀刃，调整焊接变位机和等离子焊枪，使等离子焊枪与刀圈外缘侧面保持垂直，并距离刀圈外缘侧面10～15mm；

e.开始堆焊：首先，启动数控堆焊程序，固定在焊接机械手上的等离子焊枪随堆焊轨迹程序往复摆动，刀圈本体随焊接变位机进行圆周转动，等离子焊枪的等离子束将耐磨合金粉末和刀圈刀刃迅速加热并一起熔化、混合、扩散，等离子束离开后合金熔池自激冷却，形成一层高性能的耐磨堆焊层；然后，调整焊接变位机至水平转台，调用程序继续堆焊刀圈外缘顶部；最后，翻转刀圈本体，调用程序继续堆焊刀圈外圆的另一侧面；

f.保温冷却：将刀圈本体放入保温箱子，使用陶瓷纤维保温棉遮盖缓冷，待刀圈本体温度冷却至低于150℃后，揭开保温棉进行空冷。

所述盾构机耐磨刀圈等离子堆焊工艺包括可编程的数控等离子堆焊装置，所述数控等离子堆焊装置包含焊接机械手1、焊接变位机2和数字化等离子焊机3。

所述焊接机械手1为六轴焊接机械手，具有离线编程软件及在线导入程序的功能，所述的焊接变位机2为两轴焊接变位机，具有倾反和旋转两个功能，所述的数字化等离子焊机3具有可视化编辑及存储等离子堆焊参数的功能。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种耐磨合金材料，其特征在于：包括NiCrBSi合金和球形铸造碳化钨，所述NiCrBSi合金质量百分比为35％～45％，所述球形铸造碳化钨质量百分比为55％～65％。

2.如权利要求1所述的一种耐磨合金材料，其特征在于，所述NiCrBSi合金中各组分的所占的质量百分比：Cr为10％～15％，B为1.5％～3％，Si为2％～4％，C为0～0.6％，Fe为0～5％，其余为Ni。

3.如权利要求1所述的一种耐磨合金材料，其特征在于，所述NiCrBSi合金和球形铸造碳化钨的筛分粒度均为45μm～150μm，球形铸造碳化钨中，粒度D为125μm≤D＜150μm的占20％～30％，75μm≤D＜125μm的占55％～65％，45μm≤D＜75μm的占10％～20％。

4.如权利要求1所述的一种耐磨合金材料，其特征在于，所述NiCrBSi合金经雾化处理为球状，所述球形铸造碳化钨经球化处理为球状。

5.如权利要求1所述的一种耐磨合金材料，其特征在于，所述NiCrBSi合金硬度大于HRC40，所述球形铸造碳化钨显微硬度不小于2700HV。

6.一种利用权利要求1～6任一权利要求所述的耐磨合金材料制备盾构机耐磨刀圈的等离子堆焊工艺，其特征在于，包括以下步骤：

a.清洁处理：对刀圈外缘进行喷砂处理，去除刀圈外缘表面的锈斑、油污和氧化皮；

b.预热处理：对刀圈本体进行加热；

c.调整焊机的堆焊工艺参数；

d.焊枪定位：使等离子焊枪与刀圈外缘侧面保持垂直，并距离刀圈外缘侧面10～15mm；

e.开始堆焊：对刀圈刀刃和外刀圈缘两侧进行等离子堆焊；

f.保温冷却：将刀圈本体放入保温箱，使用陶瓷纤维保温棉遮盖缓冷，待刀圈本体温度冷却至低于150℃后进行空冷。

7.如权利要求6所述的一种盾构机耐磨刀圈等离子堆焊工艺，其特征在于，步骤b中的预热温度为350℃～400℃。

8.如权利要求6所述的一种盾构机耐磨刀圈等离子堆焊工艺，其特征在于，步骤c中的堆焊工艺参数为：转弧电流为100～150A，维弧电流为25～35A，电压为28～32V，等离子气体流量为8～10SCFH，保护气体流量为16～20SCFH，送粉气体流量为8～10SCFH，送粉速度为10～20g/min，堆焊速度为300～500mm/min。

9.如权利要求6所述的一种盾构机耐磨刀圈等离子堆焊工艺，其特征在于，包括可编程的数控等离子堆焊装置，所述数控等离子堆焊装置包含焊接机械手(1)、焊接变位机(2)和数字化等离子焊机(3)。

10.如权利要求9所述的一种盾构机耐磨刀圈等离子堆焊工艺，其特征在于，所述的焊接机械手(1)为六轴焊接机械手，具有离线编程软件及在线导入程序的功能，所述的焊接变位机(2)为两轴焊接变位机，具有倾反和旋转两个功能，所述的数字化等离子焊机(3)具有可视化编辑及存储等离子堆焊参数的功能。