一种高强韧性盾构机刀片材料及其处理工艺的制作方法

1.本发明盾构机的配件制造，具体涉及盾构机头刀具及制造工艺。


背景技术：

2.盾构机是城市隧道掘进的重要设备，其机械化程度复杂、制造难度大，相关技术早年间一直被西方发达国家牢牢垄断。直到最近这些年，我国在盾构机的各个细分领域逐步取得突破，打破了国外一项又一项的技术垄断。盾构机刀片(其结构如图1和图2所示)作为盾构机上的消耗件，更换频繁、用量大，即使是单个刀片的价格依然不菲，因而使用成本很高。
3.盾构机刀片的国产化研究已初步取得一定的成果，目前国产盾构机刀片的性能已接近于进口刀片的性能，能适用于我国大部分地质情况。但施工单位在我国西南地区采用盾构机掘进隧道作业时发现，受当地喀斯特地质环境的影响，盾构机头安装国产刀片后，一般掘进40-45米即需要更换一盘刀片(一盘共三十多个刀片，国产刀片单价大约为3万元/个)；而在遇到花岗岩地质环境时，国产刀片已不能胜任，必须安装瑞士进口刀片(瑞士刀片单价为4-5万元/个)，且一般掘进10多米后即需更换一盘，这无疑大大拉高了隧道掘进作业的成本。
4.为了继续克服以上不利局面，研究人员急需进一步提高国产刀片的屈服强度、抗拉强度、冲击韧性、耐磨性等关键技术指标，使国产刀片的性能能达到或者超过进口刀片的性能，完全突破国外在盾构机刀片领域对我们的技术封锁。


技术实现要素：

5.本发明首先提供一种高强韧性盾构机刀片材料，其关键在于由以下重量百分比的元素构成：c：0.45％-0.7％；si：0.9％-1.2％；mn：0.3％-0.6％；s：≤0.01％；cr：4.0％-6.0％；v：0.4％-0.8％；cu：0.08％-0.15％；ni：0.4％-0.8％；mo：1.0％-1.6％；nb：0.2％-0.4％；fe：bal.。
6.其次，本发明还提供一种高强韧性盾构机刀片的处理工艺，其要点是包括以下步骤：
7.步骤一、电炉熔炼，浇铸成10寸以上的钢锭；
8.步骤二、加热至1150℃进行锻造，终锻温度大于950℃，得到圆坯或方坯；
9.步骤三、钢材锻后进行退火，退火温度850-900℃，保温3-4h，再以每小时30℃的速度进行炉冷退火，冷至500℃以下后进行空冷；
10.步骤四、下料，加热至1160-1180℃，进行刀片成型的锻造，控制锻造时每次的变形量小于20％，终锻温度为900℃，锻后进行炉冷；
11.步骤五、锻坯机加工，得到刀片坯件；
12.步骤六、将刀片坯件随炉升温至750℃，保温3-4h，再随炉冷却，进行去应力退火；
13.步骤七、将退火后的所述刀片坯件加热至1020-1080℃，保温时间为t1min，之后进
行油冷，淬火油温度为50-60℃；
14.所述刀片坯件的有效厚度为lmm，t1＝10min/mm*l；
15.步骤八、将淬火后的所述刀片坯件置于盐浴炉中加热至560-580℃，保温t2 s，取出后再次放入淬火油冷却；
16.t2＝(18-21)s/mm*l；
17.步骤九、对所述刀片坯件进行精加工；
18.步骤十、精加工后进行去应力回火；
19.步骤十一、将所述刀片坯件置于炉中，向炉内通入天然气和氨气，加热至580℃并保温8h以上，进行s-c-n三元共渗，取出空冷，得成品。
附图说明
20.图1为盾构机刀片的结构示意图；
21.图2为图1的俯视图；
22.图3a为对试验材料
④
进行等效晶粒尺寸分析结果图；
23.图3b为根据图3a统计得到的等效晶粒尺寸分布图；
24.图4a为对试验材料
④
进行晶界角分析结果图；
25.图4b为根据图4a统计得到的晶界角分布图；
26.图5a为对试验材料
④
进行马氏体相和奥氏体相占比分析结果图；
27.图5b为根据图5a统计得到的马氏体相和奥氏体相占比分布图；
28.图6为在试验材料
④
上选取的第一处位置的透射电镜分析结果图；
29.图7为在试验材料
④
上选取的第二处位置的透射电镜分析结果图；
30.图8为在试验材料
④
上选取的第三处位置的透射电镜分析结果图。
具体实施方式
31.以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
32.实施例1-实施例4：
33.一种高强韧性盾构机刀片材料，分别按照表1的元素组成：
34.表1、实施例1-4的元素构成(重量百分比/wt％)
[0035] csimnscrvcunimonbfe实施例10.450.90.30.014.00.40.080.41.00.2bal.实施例20.71.20.60.016.00.80.150.81.60.4bal.实施例30.51.00.50.0054.50.50.120.51.20.3bal.实施例40.61.10.40.015.00.60.100.61.40.3bal.
[0036]
实施例5：
[0037]
一种高强韧性盾构机刀片的处理工艺，按以下步骤进行：
[0038]
步骤一、采用电炉分别熔炼实施例1、2、3所记载元素组成的钢水，浇铸成10寸以上的钢锭；
[0039]
步骤二、加热至1150℃进行锻造，终锻温度大于950℃，得到圆坯或方坯；
[0040]
步骤三、钢材锻后进行退火，退火温度850-900℃，保温3-4h，再以每小时30℃的速
度进行炉冷退火，冷至500℃以下后进行空冷；
[0041]
步骤四、下料，加热至1160-1180℃，进行刀片成型的锻造，控制锻造时每次的变形量小于20％，终锻温度为900℃，锻后进行炉冷；
[0042]
步骤五、锻坯机加工，得到刀片坯件；
[0043]
步骤六、将刀片坯件随炉升温至750℃，保温3-4h，再随炉冷却，进行去应力退火；
[0044]
步骤七、将退火后的所述刀片坯件加热至1020-1080℃后进行保温，保温时间为t1 min，之后进行油冷，淬火油温度为50-60℃；
[0045]
所述刀片坯件的有效厚度为l mm，保温时间t1＝10min/mm*l；
[0046]
步骤八、将淬火后的所述刀片坯件置于盐浴炉中加热至560-580℃，保温t2 s，取出后再次放入淬火油冷却；
[0047]
t2＝(18-21)s/mm*l；
[0048]
步骤九、对所述刀片坯件进行精加工；
[0049]
步骤十、精加工后进行去应力回火；具体为，将刀片坯件加热至250-300℃，保温时间大于1小时，取出后空冷至室温；
[0050]
步骤十一、将所述刀片坯件置于炉中，向炉内通入天然气和氨气，加热至580℃并保温8h以上，进行s-c-n三元共渗，取出空冷，得成品；
[0051]
所述步骤十一中，所述天然气的流量为1-2m3/h，所述氨气的流量2-3m3/h。
[0052]
实施例6：
[0053]
一种高强韧性盾构机刀片的处理工艺，按以下步骤进行：
[0054]
步骤一、采用电炉分别熔炼实施例1、2、3、4所记载元素组成的钢水，浇铸成10寸以上的钢锭；
[0055]
步骤二、加热至1150℃进行锻造，终锻温度大于950℃，得到圆坯或方坯；
[0056]
步骤三、钢材锻后进行退火，退火温度865
±
2℃，保温3.5h，再以每小时30℃的速度进行炉冷退火，冷至500℃以下后进行空冷；
[0057]
步骤四、下料，加热至1172
±
1℃，进行刀片成型的锻造，控制锻造时每次的变形量小于20％，终锻温度为900℃，锻后进行炉冷；
[0058]
步骤五、锻坯机加工，得到刀片坯件；
[0059]
步骤六、将刀片坯件随炉升温至750℃，保温3.5h，再随炉冷却，进行去应力退火；
[0060]
步骤七、将退火后的所述刀片坯件加热至1050
±
1℃，保温时间为t1 min，之后进行油冷，淬火油温度为58℃；
[0061]
所述刀片坯件的有效厚度为l mm，保温时间t1＝10min/mm*l；
[0062]
步骤八、将淬火后的所述刀片坯件置于盐浴炉中加热至570
±
1℃，保温t2 s，取出后再次放入淬火油冷却；
[0063]
t2＝20s/mm*l；
[0064]
步骤九、对所述刀片坯件进行精加工；
[0065]
步骤十、将精加工后的刀片坯件加热至280
±
1℃，保温2小时，取出后空冷至室温；
[0066]
步骤十一、将所述刀片坯件置于炉中，向炉内通入天然气和氨气，所述天然气的流量为1.2m3/h，所述氨气的流量2.5m3/h，加热至580℃并保温8h，进行s-c-n三元共渗，取出空冷；实施例1、2、3、4对应元素的钢水分别制得试验刀片
①
、
②
、
③
、
④
。
[0067]
性能测试试验：
[0068]
以试验刀片
①
、
②
、
③
、
④
和瑞士进口刀片为分析对象，采用相同的测试标准分别进行取样分析，测试试验材料
①
、
②
、
③
、
④
(分别取自试验刀片
①
、
②
、
③
、
④
)和对比材料(取自瑞士进口刀片)的屈服强度σs、抗拉强度σb、延伸率δ、断面收缩率ψ、冲击韧性ak、维氏硬度hv等性能指标。
[0069]
一、瑞士进口刀片元素分析
[0070]
采用hcs-140红外碳硫分析仪，执行标准《gb/t 201223-2006》；采用icp-aes发射光谱仪，执行标准《gb/t 20125-2006》，分析测得对比材料的元素构成如表2：
[0071]
表2、对比材料的元素构成(重量百分比/wt％)
[0072] csimnscrvcunimofe对比材料0.61.090.330.015.020.910.090.121.24bal.
[0073]
二、力学性能测试结果
[0074]
表3、试验材料和对比材料的力学性能测试结果
[0075][0076]
通过上表可以看出，试验材料
①
、
②
、
③
、
④
的屈服强度σs、抗拉强度σb、断面收缩率ψ、冲击韧性ak、维氏硬度hv均优于对比材料，而试验材料
④
的延伸率δ也优于对比材料的延伸率。
[0077]
三、ebsd及tem分析
[0078]
对试验材料
④
进行ebsd分析，等效晶粒尺寸分析统计结果如图3a、图3b所示；晶界角分析统计结果如图4a、图4b所示；马氏体相奥氏体相占比分析统计结果如图5a、图5b所示；对试验材料
④
进行透射电镜分析，结果如图6、7、8所示。
[0079]
ebsd分析表明试验材料
④
组织为细密的淬火回火组织，组织中有少量的残留奥氏体，而残留奥氏体组织有利于改善材料的韧性，残留奥氏体组织接近百分之六，马氏体组织有百分之九十四，进一步的透射电镜鉴定分析表明，组织为细密的孪晶马氏体和板条马氏体，以板条马氏体为主，板条较细，且有钛、铜的纳米析出物。
[0080]
有益效果：本发明提供的技术方案，通过调整元素成分和用量、优化制造工艺，制得的盾构机刀片具有优异的屈服强度、抗拉强度、断面收缩率、冲击韧性、硬度等力学性能，已达到甚至超过国外进口刀片的性能指标，实现了盾构机高质量刀片的国产化，进一步突破了国外的技术封锁。
[0081]
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。