CN110885953A - 一种高强高韧盾构机主驱动螺柱材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高强高韧盾构机主驱动螺柱材料及制备方法，包括以下重量百分比的组分：C：0.11‑0.17%，Si：0.2‑0.4%，Mn：0.38‑0.58%，Cr：1.45‑1.75%，Ni：4.5‑5.2%，W：0.9‑1.3%，V：0.07‑0.12%，稀土元素RE：0.03‑0.04%，Ti：0.04‑0.08%，Nb：0.01‑0.02%，S：≤0.02%，P：≤0.02%，余量为铁。本发明采用酸洗、淬火、回火、滚丝碾牙、去应力处理和表面处理等工艺，对螺柱进行处理，采用碾牙处理，冷加工塑性变形不会对热处理后的组织产生影响，提高了材料的强度和韧性。
Description
技术领域
本发明涉及盾构机领域，具体涉及一种高强高韧盾构机主驱动螺柱材料及制备方法。
背景技术
双头螺柱是盾构机主驱动重要连接部件，配有螺母、垫片的圆柱形双头螺纹紧固件，由两头螺纹与螺杆组成。目前所用的技术为对中碳合金结构钢进行退火、酸洗、抽线、成型、碾牙、热处理等过程。目前在主驱动上使用中螺柱存在强度不够、韧性不足等缺陷，工程应用过程中易出现螺柱疲劳断裂和螺纹变形等强度欠缺问题，因此开发设计一种兼具强度和韧性的螺柱材料及制备方法迫在眉睫。
发明内容
本发明提出了一种高强高韧盾构机主驱动螺柱材料及制备方法，使得主驱动螺柱兼具高强高韧耐腐蚀的特点，解决高载荷冲击、强剪切力作用下螺柱损坏量大的问题。
实现本发明的技术方案是：
一种高强高韧盾构机主驱动螺柱材料，包括以下重量百分比的组分：C：0.11-0.17%，Si：0.2-0.4%，Mn：0.38-0.58%，Cr：1.45-1.75%，Ni：4.5-5.2%，W：0.9-1.3%，V：0.07-0.12%，稀土元素RE（Sc）：0.03-0.04%，Ti：0.04-0.08%，Nb：0.01-0.02%，S：≤0.02%，P：≤0.02%，余量为铁。
本发明选用一种低碳合金钢，较低的碳含量与碳当量保证了热处理后螺柱材料具有较好的韧性抗疲劳性，满足主驱动拉拔螺柱的工况与实际使用情况。
微量元素Nb、V等强碳化物形成元素的加入，可保证钢在碳当量较低时，通过其碳化物、氮化物及碳氮化物质点（尺寸小于5nm）的弥散析出及Nb、V等元素的固溶，细化晶粒，极大提升钢的强度、韧性，特别是低温韧性（对于极端装备高寒地区主驱动螺柱的使用），碳化物、氮化物的形成也巩固了微量元素加入带来沉淀强化的效果。
稀土元素RE(钪Sc）的加入，使得组织晶粒得到明显细化，改善合金的微观组织，使微观组织由粗大树枝晶转变为细小等轴晶，达到细化晶粒的效果，Sc元素和合金元素凝固时，热处理过程中析出次生细小、弥散的合金相，钉扎位错和晶界，阻碍位错的运动和晶界的迁移，显著提高材料的耐腐蚀性，进一步提升材料的抗拉强度和屈服强度，少许降低材料的塑性指标。
所述的高强高韧盾构机主驱动螺柱材料的制备方法，步骤如下：
（1）螺柱毛坯锻造成型，之后粗加工形成棒状粗坯；锻造采用近净成形闭式模锻工艺，高温高压快速成型，保留金属纤维连续性，可获得细小、均匀的晶粒组织，减少组织偏析，提高锻件机械性能，且材料利用率高，节约成本；
具体步骤：预热模具300℃-2h；设置锻压参数（包括锻压速率，坯料参数）；锻压开始，基本成形阶段，凸模向下移动△H1；充满型槽阶段，凸模向下移动△H2；形成纵向毛刺阶段，凸模向下移动△H3；
（2）对步骤（1）得到的棒状粗坯进行酸洗处理；
（3）将步骤（2）酸洗处理后的棒状粗坯依次进行淬火处理和回火处理；
（4）将步骤（3）回火处理后的螺柱粗坯进行精车加工，精车加工后进行滚丝碾牙、去应力处理和表面处理。
所述步骤（2）中酸洗处理的具体过程为：将整个棒状粗坯依次浸入常温、浓度分别为20%，22%，25%的三个盐酸槽数3-5min；目的是去除棒状粗坯表面的氧化膜，之后用清水清除棒材表面的盐酸腐蚀产物。
所述步骤（3）中淬火处理的具体过程为：将棒状粗坯在热处理炉中以100-150℃/h的速度从室温加热至520-580℃，在520-580℃保温40min，再将棒状粗坯以80-100℃/h的速度加热至860±10℃，在860±10℃保温1h，最后采用油淬的方式进行淬火处理，淬火后的表面硬度≥48HRC。
所述步骤（3）中回火处理的具体过程为：将棒状粗坯在热处理炉中进行510±10℃的高温回火，保温3h，回火后的表面硬度≥33HRC。
所述步骤（4）精车加工，加工精度外圆公差0.01--0.02mm，粗糙度1.6μm。对热处理后的螺柱粗坯进行精车加工，目的是去除热处理后螺柱粗坯表面由于氧化而造成的脱碳层。
所述步骤（4）中精车加工后使用超声波探伤仪对螺柱粗坯表层及芯部进行裂纹、夹杂物等的检测、定位及评估，确认是否满足技术指标。
滚丝碾牙的具体过程为，冷加工过程将一块牙板固定，领一块活动牙板带动产品移动，利用挤压使产品产生塑性变形，形成所需螺纹。
所述步骤（4）中去应力处理的具体过程为：在气氛保护炉中进行去应力处理，炉温180±10℃，回火时间30-50min。
所述步骤（4）中表面处理的具体过程为，采用PVD、CVD或真空离子镀膜技术对去应力处理后的螺柱进行表面处理，镀锌或镀锌铬涂层，厚度为50～80μm，提高表面硬度及疲劳性能，提高耐蚀性。提高螺柱表面强度及耐腐蚀性。
本发明的有益效果是：
1）开发设计一种低碳中合金结构钢，加入Nb、V、Ti微量合金元素，在降低碳含量的基础上细化晶粒，改善合金钢韧性，形成碳、氮化物的弥散强化作用提升零件强度，进而兼具良好强度和韧性；加入稀土元素钪，可明显提高材料的耐腐蚀性；
2）先热处理后滚丝碾牙处理，减少冷加工塑性变形对热处理后的组织产生的影响，进而最大程度降低先滚丝碾牙后热处理带来组织的变化、造成螺纹性能的不稳定；
3）本发明采用对调质后的材料进行滚丝碾牙处理，后对整体部件进行气氛保护去应力处理，消除滚丝碾牙后螺纹部位产生的大量应力集中点，消除芯部区域产生的分布不均的残余应力；
4）采用PVD、CVD或真空离子镀膜技术对精加工后的螺柱进行表面处理，提升螺柱材料表面强度，在真空环境下对螺柱、螺纹表面进行离子注入，注入N、Cr离子，在表面析出碳化物、氮化物等，增加表面硬度提高表面强度，提升抗疲劳性能。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种高强高韧盾构机主驱动螺柱材料，包括以下重量百分比的组分：C：0.11%，Si：0.2%，Mn：0.38%，Cr：1.45%，Ni：4.5%，W：0.9%，V：0.07%，Sc：0.03%，Ti：0.04%，Nb：0.01%，S：≤0.02%，P：≤0.02%，余量为铁。
所述的高强高韧盾构机主驱动螺柱材料的制备方法，步骤如下：
（1）螺柱毛坯锻造成型，之后粗加工形成棒状粗坯；具体步骤：预热模具300℃-2h；设置锻压参数（包括锻压速率，坯料参数）；锻压开始，基本成形阶段，凸模向下移动△H1；充满型槽阶段，凸模向下移动△H2；形成纵向毛刺阶段，凸模向下移动△H3；
（2）对步骤（1）得到的棒状粗坯进行酸洗处理；将整个棒状粗坯依次浸入常温、浓度分别为20%，22%，25%的三个盐酸槽3min，酸洗后水洗；
（3）将步骤（2）酸洗处理后的棒状粗坯依次进行淬火处理和回火处理；
淬火处理的具体过程为：将棒状粗坯在热处理炉中以100℃/h的速度从室温加热至520℃，在520℃保温40min，再将棒状粗坯以80℃/h的速度加热至850℃，在850℃保温1h，最后采用油淬的方式进行淬火处理，淬火后的表面硬度≥48HRC；
回火处理的具体过程为：将棒状粗坯在热处理炉中进行500℃的高温回火，保温3h，回火后的表面硬度≥33HRC；
（4）将步骤（3）回火处理后的螺柱粗坯进行精车加工，加工精度外圆公差0.01mm，粗糙度1.6μm，精车加工后使用超声波探伤仪对螺柱粗坯表层及芯部进行检测、定位及评估，确认是否满足技术指标；精车加工后进行滚丝碾牙、去应力处理和表面处理；
去应力处理的具体过程为：在气氛保护炉中去应力处理，炉温170℃，回火时间30min；
所述步骤（4）中表面处理的具体过程为，采用PVD、CVD或真空离子镀膜技术对去应力处理后的螺柱进行表面处理，镀锌或镀锌铬涂层，涂层厚度为50μm。
实施例2
一种高强高韧盾构机主驱动螺柱材料，包括以下重量百分比的组分：C：0.15%，Si：0.3%，Mn：0.4%，Cr：1.55%，Ni：5.0%，W：1.1%，V：0.09%，Sc：0.035%，Ti：0.06%，Nb：0.015%，S：≤0.02%，P：≤0.02%，余量为铁。
所述的高强高韧盾构机主驱动螺柱材料的制备方法，步骤如下：
（1）螺柱毛坯锻造成型，之后粗加工形成棒状粗坯；具体步骤：预热模具300℃-2h；设置锻压参数（包括锻压速率，坯料参数）；锻压开始，基本成形阶段，凸模向下移动△H1；充满型槽阶段，凸模向下移动△H2；形成纵向毛刺阶段，凸模向下移动△H3；
（2）对步骤（1）得到的棒状粗坯进行酸洗处理；将整个棒状粗坯依次浸入常温、浓度分别为20%，22%，25%的三个盐酸槽4min，酸洗后水洗；
（3）将步骤（2）酸洗处理后的棒状粗坯依次进行淬火处理和回火处理；
淬火处理的具体过程为：将棒状粗坯在热处理炉中以120℃/h的速度从室温加热至550℃，在550℃保温40min，再将棒状粗坯以90℃/h的速度加热至860℃，在860℃保温1h，最后采用油淬的方式进行淬火处理，淬火后的表面硬度≥48HRC；
回火处理的具体过程为：将棒状粗坯在热处理炉中进行510℃的高温回火，保温3h，回火后的表面硬度≥33HRC；
（4）将步骤（3）回火处理后的螺柱粗坯进行精车加工，加工精度外圆公差0.02mm，粗糙度1.6μm，精车加工后使用超声波探伤仪对螺柱粗坯表层及芯部进行检测、定位及评估，确认是否满足技术指标；精车加工后进行滚丝碾牙、去应力处理和表面处理；
去应力处理的具体过程为：在气氛保护炉中去应力处理，炉温180℃，回火时间40min；
所述步骤（4）中表面处理的具体过程为，采用PVD、CVD或真空离子镀膜技术对去应力处理后的螺柱进行表面处理，镀锌或镀锌铬涂层，涂层厚度为70μm。
实施例3
一种高强高韧盾构机主驱动螺柱材料，包括以下重量百分比的组分：C：0.17%，Si：0.4%，Mn：0.58%，Cr：1.75%，Ni：5.2%，W：1.3%，V：0.12%，Sc：0.04%，Ti：0.08%，Nb：0.02%，S：≤0.02%，P：≤0.02%，余量为铁。
所述的高强高韧盾构机主驱动螺柱材料的制备方法，步骤如下：
（1）螺柱毛坯锻造成型，之后粗加工形成棒状粗坯；具体步骤：预热模具300℃-2h；设置锻压参数（包括锻压速率，坯料参数）；锻压开始，基本成形阶段，凸模向下移动△H1；充满型槽阶段，凸模向下移动△H2；形成纵向毛刺阶段，凸模向下移动△H3；
（2）对步骤（1）得到的棒状粗坯进行酸洗处理；将整个棒状粗坯依次浸入常温、浓度分别为20%，22%，25%的三个盐酸槽3-5min，酸洗后水洗；
（3）将步骤（2）酸洗处理后的棒状粗坯依次进行淬火处理和回火处理；
淬火处理的具体过程为：将棒状粗坯在热处理炉中以150℃/h的速度从室温加热至580℃，在580℃保温40min，再将棒状粗坯以80-100℃/h的速度加热至870℃，在870℃保温1h，最后采用油淬的方式进行淬火处理，淬火后的表面硬度≥48HRC；
回火处理的具体过程为：将棒状粗坯在热处理炉中进行520℃的高温回火，保温3h，回火后的表面硬度≥33HRC；
（4）将步骤（3）回火处理后的螺柱粗坯进行精车加工，加工精度外圆公差0.02mm，粗糙度1.6μm，精车加工后使用超声波探伤仪对螺柱粗坯表层及芯部进行检测、定位及评估，确认是否满足技术指标；精车加工后进行滚丝碾牙、去应力处理和表面处理；
去应力处理的具体过程为：在气氛保护炉中进行去应力处理，炉温190℃，回火时间50min；
所述步骤（4）中表面处理的具体过程为，采用PVD、CVD或真空离子镀膜技术对去应力处理后的螺柱进行表面处理，镀锌或镀锌铬涂层，涂层厚度为80μm。
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，凡在本发明的精神和原则之内，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 (10)
1.一种高强高韧盾构机主驱动螺柱材料，其特征在于包括以下重量百分比的组分：C：0.11-0.17%，Si：0.2-0.4%，Mn：0.38-0.58%，Cr：1.45-1.75%，Ni：4.5-5.2%，W：0.9-1.3%，V：0.07-0.12%，稀土元素RE：0.03-0.04%，Ti：0.04-0.08%，Nb：0.01-0.02%，S：≤0.02%，P：≤0.02%，余量为铁。
2.根据权利要求1所述的高强高韧盾构机主驱动螺柱材料，其特征在于：所述稀土元素RE为Sc。
3.权利要求1或2所述的高强高韧盾构机主驱动螺柱材料的制备方法，其特征在于步骤如下：
（1）螺柱毛坯锻造成型，之后粗加工形成棒状粗坯；
（2）对步骤（1）得到的棒状粗坯进行酸洗处理；
（3）将步骤（2）酸洗处理后的棒状粗坯依次进行淬火处理和回火处理；
（4）将步骤（3）回火处理后的螺柱粗坯进行精车加工，精车加工后进行滚丝碾牙、去应力处理和表面处理。
4.根据权利要求3所述的高强高韧盾构机主驱动螺柱材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中酸洗处理的具体过程为：将整个棒状粗坯依次浸入常温、浓度分别为20%、22%、25%的三个盐酸槽中3-5min酸洗，酸洗后水洗。
5.根据权利要求3所述的高强高韧盾构机主驱动螺柱材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中淬火处理的具体过程为：将棒状粗坯在热处理炉中以100-150℃/h的速度从室温加热至520-580℃，在520-580℃保温40min，再将棒状粗坯以80-100℃/h的速度加热至860±10℃，在860±10℃保温1h，最后采用油淬的方式进行淬火处理，淬火后的表面硬度≥48HRC。
6.根据权利要求3所述的高强高韧盾构机主驱动螺柱材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中回火处理的具体过程为：将棒状粗坯在热处理炉中进行510±10℃的高温回火，保温3h，回火后的表面硬度≥33HRC。
7.根据权利要求3所述的高强高韧盾构机主驱动螺柱材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）精车加工，加工精度外圆公差0.01-0.02mm，粗糙度1.6μm。
8.根据权利要求3所述的高强高韧盾构机主驱动螺柱材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中精车加工后使用超声波探伤仪对螺柱粗坯表层及芯部进行检测、定位及评估，确认是否满足技术指标。
9.根据权利要求3所述的高强高韧盾构机主驱动螺柱材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中去应力处理的具体过程为：在气氛保护炉中进行去应力处理，炉温180±10℃，回火时间30-50min。
10.根据权利要求3所述的高强高韧盾构机主驱动螺柱材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中表面处理的具体过程为，采用PVD、CVD或真空离子镀膜技术对去应力处理后的螺柱进行表面处理，镀锌或镀锌铬涂层，涂层厚度为50-80μm。
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Denomination of invention: A material and preparation method for main driving stud of shield machine with high strength and high toughness Effective date of registration: 20221226 Granted publication date: 20201120 Pledgee: China Construction Bank Corporation Zhengzhou Railway Sub Branch Pledgor: CHINA RAILWAY ENGINEERING EQUIPMENT GROUP Co.,Ltd. Registration number: Y2022980029005 |
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Granted publication date: 20201120 Pledgee: China Construction Bank Corporation Zhengzhou Railway Sub Branch Pledgor: CHINA RAILWAY ENGINEERING EQUIPMENT GROUP Co.,Ltd. Registration number: Y2022980029005 |