[發明專利]一種復合強化型盾構機刀圈及工藝方法

有效

• 申請號: 202011104463.4
• 申請日: 2020-10-15
• 公開（公告）號: CN112342367B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 李勇;劉福廣;米紫昊;韓天鵬;楊二娟;劉剛
• 申請（專利權）人: 西安熱工研究院有限公司
• 主分類號: B23P15/28
• 分類號: B23P15/28;B23P15/00;C23C24/10;E21D9/08;C21D10/00;C21D9/00;C21D1/18
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

本發明提供了一種復合強化型盾構機刀圈及工藝方法，該滾刀刀圈其刀刃部位結構從內到外包括金屬本體、防軟化層和強化耐磨層，其制備工藝流程包括刀刃部位下沉加工、激光熔覆防軟化層、激光熔覆厚強化耐磨層、刀圈整體淬火熱處理、金剛石刀具加工至設計尺寸等，強化后刀圈表面硬度達到HRC65～HRC69。本發明可實現強化層與本體冶金結合、消除表面強化工藝過程對本體的軟化程度，強化層厚度高，可有效提高刀圈的服役壽命。

技術領域

本發明屬于表面工程技術領域，具體涉及一種復合強化型盾構機刀圈及工藝方法。

背景技術

隧道掘進機(Tunnel Boring Machine，簡稱TBM)是集支護、掘進、出渣、換步、保養維修、運輸為一體的大型多功能掘進機械。TBM主要用于引水工程、鐵路公路交通隧道、煤礦巷道及城市地下軌道全斷面施工。TBM從隧道一端進去，從隧道另一端出來時，整座隧道便已建成。盾構機施工過程受到河道、航運以及氣候的影響比較小；在隧道施工中，盾構機使用相對方便，而且經濟效益較高，能夠保證施工的安全；盾構機在出土、掘進等操作時可以實現高度的自動化和智能化；盾構機掘進過程中工作速度較高、效率較高、勞動強度相對較小。隧道的TBM施工是長大隧道建造主要施工方法及發展方向，其高效快速的特點可使工程提前完工，提前創造價值。目前已在我國獲得推廣應用。

在TBM裝備中，滾刀刀圈是碾壓巖石，破碎巖石的主要的工作部件，在工作過程中不斷的擠壓破碎巖石，其刀刃部分將發生嚴重的損傷，其損傷形式多樣化，包括破裂、偏磨、卷刃以及正常均勻磨損，在這些損傷形式中，正常均勻磨損大約占據80％。當刀圈應用于如花崗巖等硬巖中時，刀圈的磨損速度加快，嚴重時每掘進6m就需要進行一次刀具更換，而更換一次刀具需要5～6h，因此其產生的時間代價比較高，據統計，TBM掘進工程中，因刀具損傷換刀所消耗的時間約占工程施工時間的1/3。因此提高刀圈服役壽命是降低工程造價，提前產生經濟效益的主要途徑。

H13鋼是制作TBM滾刀刀圈的主要材料，為了提高刀圈的服役壽命，國內外設計了多種刀圈，并采用各種強化技術提高刀圈的耐磨性。刀圈結構形式主要有普通型或加厚鋼刀圈、鑲齒硬質合金刀圈以及鑲齒硬質合金并堆焊耐磨硬質合金材料的復合刀圈。這些刀圈分別適應不同的地質環境，比如普通型或加厚鋼刀圈主要用于掘進巖土地層、斷裂礫巖、砂巖、砂粘土等以及中硬度巖石如大理石、灰巖地層。鑲齒硬質合金刀圈適用于掘進堅硬巖石如玄武巖、斑巖及石英地層。鑲齒硬質合金并堆焊耐磨硬質合金材料的復合刀圈主要適用于掘進堅硬巖石和高磨蝕性的巖層。對于普通型刀圈，研究人員還采用了各種表面工程技術以提高其耐磨性，如滲氮加淬火工藝。在目前的各種H13鋼強化技術中，B、N、C等元素的擴散滲透技術具有強化效果好，但強化層厚度薄、效率低，一旦淺表層磨損，將不再具有良好的耐磨性；鑲嵌高硬度耐磨件工藝復雜，成本高，在刀圈工況中不適用，且鑲嵌工藝需要釬焊，釬焊層在工作過程中的變形將導致硬質合金脫落；激光熔覆、等離子熔覆技術和堆焊工藝能實現厚涂層、冶金結合等，但在熔覆過程中產生大量的熱輸入，對H13鋼造成回火，引起軟化現象。因此目前的各種強化工藝均有其固有缺陷，在高硬度的地質環境中需要研發一款新型的刀圈強化工藝。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術制作刀圈的壽命短、強化層厚度低、易于脫落、本體軟化等缺點和不足，提供一種復合強化型盾構機刀圈及工藝方法，延長刀圈的服役壽命，降低更換刀圈的時間代價。

為達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：

一種復合強化型盾構機刀圈，其刀刃部位結構從內到外包括金屬本體、防軟化層和強化耐磨層。

所述硬巖盾構機用滾刀刀圈最終尺寸符合刀圈原始結構設計，所述防軟化層厚度為0.3～1.5mm，防軟化層側面外部的強化耐磨層的厚度為1mm～5mm，刀刃頂部的強化耐磨層的厚度為0.5mm～7.5mm，強化耐磨層厚度比防軟化層厚度厚。