《高性能盤型滾刀刀圈材料及其生產方法》是吉林省維爾特隧道裝備有限公司於2016年10月28日申請的專利，該專利的公布號為CN106566983A，授權公布日為2017年4月19日，發明人是張凌、黃石起、李相吉。
《高性能盤型滾刀刀圈材料及其生產方法》解決了2016年10月之前的技術中增加碳含量，提高硬度造成的韌性下降，在硬岩中使用時刀圈的刃部會出現崩齒、崩裂，嚴重時會出現刀圈斷裂現象的技術問題；該發明刀圈材料的化學成分百分含量為：C:0.35—0.42％，Si:0.8—1.2％，Mn:0.20—0.50％，P＜0.010％，S＜0.005％，Cr:5.00—5.50％，Mo:1.80—2.50％，V:0.80—1.20％，Co:2.00—2.50％，Ni＜0.30％，Fe餘量；通過該發明的滾刀刀圈的材料加工出的滾刀刀圈具有高硬度、高耐磨及具有良好衝擊韌性的優點。
2019年10月，《高性能盤型滾刀刀圈材料及其生產方法》獲得第三屆吉林省專利獎金獎。
（概述圖為《高性能盤型滾刀刀圈材料及其生產方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：高性能盤型滾刀刀圈材料及其生產方法
- 別名：高性能盤型滾刀刀圈材料及生產工藝
- 申請人：吉林省維爾特隧道裝備有限公司
- 申請日：2016年10月28日
- 申請號：2016109665847
- 公布號：CN106566983A
- 公布日：2017年4月19日
- 發明人：張凌、黃石起、李相吉
- 地址：吉林省吉林市永吉經濟開發區重慶街023號
- Int.Cl.：C22C38/02(2006.01)I、C22C38/04(2006.01)I、C22C38/22(2006.01)I、C22C38/24(2006.01)I等
- 代理機構：長春菁華專利商標代理事務所
- 代理人：南小平
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
2016年前隧道掘進機盤型滾刀刀圈的材料大部分採用美國H13（相當於中國國內的4Cr5MoSiV1），其成分含量為：C:0.32—0.45％，Si:0.8—1.2％，Mn:0.20—0.50％，P＜0.03％，S＜0.03％，Cr:4.75—5.50％，Mo:1.10—1.75％，V:0.80—1.20％，Ni＜0.30％；用上述材料生產出的刀圈硬度基本在HRC54—56。具有良好的綜合機械性能，利用電爐冶煉+LF精煉+真空脫氣+電渣重熔的電渣錠加工出的滾刀刀圈，經過熱處理後其硬度可以達到HRC54—56。此硬度值可以滿足對軟岩石的掘進，但遇到硬岩其硬度值達不到要求，刀圈的耐磨性差，刀圈易出現卷邊失效缺陷。
盤型滾刀刀圈要求高硬度，高耐磨性和良好的衝擊韌性，所以2016年前很多企業為了提高刀圈硬度、提高耐磨性，都在上述成分含量基礎上，對部分元素含量進行調整，通過把碳含量的百分比調整為0.45％-0.51％，刀圈加工熱處理後硬度可以提高到HRC56—58，刀圈的耐磨性相應的也有所提高，但其韌性下降，在硬岩中使用時刀圈的刃部會出現崩齒、崩裂，嚴重時會出現刀圈斷裂現象。
發明內容
專利目的
《高性能盤型滾刀刀圈材料及其生產方法》的目的是提供高性能盤型滾刀刀圈材料及其生產工藝，解決2016年10月之前的技術中存在的韌性下降，在硬岩中使用時刀圈的刃部會出現崩齒、崩裂，嚴重時會出現刀圈斷裂現象的技術問題。
技術方案
《高性能盤型滾刀刀圈材料及其生產方法》的高性能盤型滾刀刀圈材料的成分及重量百分比為：C:0.35—0.42％，Si:0.8—1.2％，Mn:0.20—0.50％，P＜0.010％，S＜0.005％，Cr:5.00—5.50％，Mo:1.80—2.50％，V:0.80—1.20％，Co:2.00—2.50％，Ni＜0.30％，Fe餘量。
優選的，該發明高性能盤型滾刀刀圈材料的成分及重量百分比為：C:0.39％，Si:0.98％，Mn:0.42％，P:0.009，S:0.004％，Cr:5.32％，Mo:2.14％，V:1.04％，Co:2.38％，Ni:0.23％，Fe餘量。
優選的，該發明高性能盤型滾刀刀圈材料的成分及重量百分比為：C:0.36％，Si:0.86％，Mn:0.31％，P:0.007％，S:0.005％，Cr:5.02％，Mo:1.84％，V:0.87％，Co:2.13％，Ni:0.27％，Fe餘量。
優選的，該發明高性能盤型滾刀刀圈材料的成分及重量百分比為：C:0.41％，Si:1.17％，Mn:0.45％，P:0.001％，S:0.004％，Cr:5.43％，Mo:2.46％，V:1.16％，Co:2.47％，Ni:0.18％，Fe餘量。
用該發明中的高性能盤型滾刀刀圈材料生產盤型滾刀刀圈的生產方法包括以下步驟：
步驟一：真空感應爐熔煉高性能盤型滾刀刀圈材料其化學成分及百分含量按C:0.35—0.42％，Si:0.8—1.2％，Mn:0.20—0.50％，P＜0.010％，S＜0.005％，Cr:5.0—5.50％，Mo:1.80—2.50％，V:0.80—1.20％，Co:2.00—2.50％，Fe餘量進行配料；並熔煉出自耗電極棒；
步驟二：對自耗電極棒表面進行精整；
步驟三：通過真空電渣爐進行電渣重熔；
步驟四：真空電渣爐中生產出的電渣錠，脫模後立即進行高溫均質化處理，把電渣錠加熱到1260℃，保溫24小時，保溫結束後隨爐冷卻到500℃以下出爐空冷。經過高溫均質化處理減少了晶內的成分偏析及組織偏析、細化了晶粒，改善和提高了材料的熱縮性。
步驟五：將在步驟四中得到的電渣錠經初鍛、精鍛、加工熱處理後得到高硬度、高耐磨及具有良好衝擊韌性的滾刀刀圈。
在所述步驟一中，在真空感應爐熔煉出自耗電極棒具體為：對入爐前的H13廢鋼料全部進行噴砂處理及烘烤；在熔煉後期的精煉過程中進行多次扒渣、造渣；在出鋼過程中進行脫氧；澆注前確保鋼水在鋼包內有充分的鎮靜時間，使鋼水中的夾雜物得到充分上浮。
有益效果
《高性能盤型滾刀刀圈材料及其生產方法》的有益技術效果：該發明的新型刀圈材料在保證原有H13鋼中碳、矽、錳的含量保持不變，鉻的百分含量為5.0—5.50％，鉬的百分含量在原有1.10—1.75％的基礎上調整到1.80—2.30％，提高鉬的含量可以進一步提高材料的淬透性、降低鋼材的回火脆性、改善鋼的延展性、韌性並提高耐磨性；加入新的元素鈷，其百分含量為2.00—2.50％，改善和提高鋼材的熱強性及高溫硬度，並與鋼中較高含量的鉬等相互作用得到良好的綜合力學性能，使其具有超強韌性；用此材料加工出的滾刀刀圈的硬度由HRC54-HRC56，提高到了HRC58-HRC60；滾刀刀圈的衝擊功由8焦—10焦提高到14焦-16焦；新型材料嚴格控制了P、S等雜質含量（P＜0.01％、S＜0.005％），提高了材料的純淨度，從而有利於改善和提高刀圈的衝擊韌性；鈷的加入顯著提高耐氧化性和紅硬性，大大提高材料的耐磨性；改善和提高了刀圈的綜合力學性能，延長了刀圈的使用壽命；該發明的新型滾刀刀圈材料生產出的盤型滾刀刀圈具有高硬度、高耐磨性及良好衝擊韌性的滾刀刀圈材料；
該生產方法中廢鋼料全部使用H13廢模具料，並對入爐前的廢鋼料全部進行噴砂處理及烘烤，使入爐廢鋼料保證乾燥、表面無銹及其他泥沙等雜物，從而保證熔煉鋼液的純淨度及低的雜質含量；感應爐出鋼前化學成分的百分含量控制在步驟1中的規定範圍，嚴格控制P、S含量；在熔煉後期的精煉過程中要做到多次扒渣、造渣提高鋼水的純淨度；在出鋼過程中要做好終脫氧；澆注前鋼水在鋼包內確保充分的鎮靜時間，使鋼水中的夾雜物得到充分上浮；經過真空感應爐熔煉和真空電渣重熔後得到的電渣錠，其有害元素P的含量小於0.01％、S的含量小於0.005％；真空電渣爐中生產出的電渣錠，在脫模後立即進行高溫均質化處理，把電渣錠加熱到1260℃，保溫24小時，保溫結束後隨爐冷卻到500℃以下出爐空冷。經過高溫均質化處理減少了晶內的成分偏析及組織偏析、細化了晶粒，改善和提高了材料的熱縮性；電渣錠經初鍛、精鍛、加工熱處理後得到高硬度、高耐磨及具有良好衝擊韌性的滾刀刀圈。
附圖說明
圖1為《高性能盤型滾刀刀圈材料及其生產方法》的新型滾到刀圈生產工藝的流程圖；
圖2為該發明在具體實施例中代號為1的盤型滾刀刀圈材料的金相組織圖；
圖3為該發明在具體實施例中代號為2的盤型滾刀刀圈材料的金相組織圖；
圖4為該發明在具體實施例中代號為3的盤型滾刀刀圈材料的金相組織圖；
圖5為該發明在具體實施例中H13鋼的盤型滾刀刀圈材料的金相組織圖。
權利要求
1.高性能盤型滾刀刀圈材料，其特徵在於，高性能盤型滾刀刀圈材料的成分及重量百分比為：C:0.35—0.42％，Si:0.8—1.2％，Mn:0.20—0.50％，P＜0.010％，S＜0.005％，Cr:5.00—5.50％，Mo:1.80—2.50％，V:0.80—1.20％，Co:2.00—2.50％，Ni＜0.30％，Fe餘量。
2.根據權利要求1所述的新型盤型滾刀刀圈材料，其特徵在於，高性能盤型滾刀刀圈材料的成分及重量百分比為：C:0.39％，Si:0.98％，Mn:0.42％，P:0.009，S:0.004％，Cr:5.32％，Mo:2.14％，V:1.04％，Co:2.38％，Ni:0.23％，Fe餘量。
3.根據權利要求1所述的新型盤型滾刀刀圈材料，其特徵在於，高性能盤型滾刀刀圈材料的成分及重量百分比為：C:0.36％，Si:0.86％，Mn:0.31％，P:0.007％，S:0.005％，Cr:5.02％，Mo:1.84％，V:0.87％，Co:2.13％，Ni:0.27％，Fe餘量。
4.根據權利要求1所述的新型盤型滾刀刀圈材料，其特徵在於，高性能盤型滾刀刀圈材料的成分及重量百分比為：C:0.41％，Si:1.17％，Mn:0.45％，P:0.001％，S:0.004％，Cr:5.43％，Mo:2.46％，V:1.16％，Co:2.47％，Ni:0.18％，Fe餘量。
5.根據權利要求1所述的高性能盤型滾刀刀圈材料，其特徵在於，用該發明中的新型刀圈材料加工盤型滾刀刀圈的生產方法包括以下步驟：
步驟一：步驟一：真空感應爐熔煉高性能盤型滾刀刀圈材料其化學成分及百分含量按C:0.35—0.42％，Si:0.8—1.2％，Mn:0.20—0.50％，P＜0.010％，S＜0.005％，Cr:5.0—5.50％，Mo:1.80—2.50％，V:0.80—1.20％，Co:2.00—2.50％，Fe餘量進行配料；並熔煉出自耗電極棒；
步驟二：對自耗電極棒表面進行精整；
步驟三：通過真空電渣爐進行電渣重熔；
步驟四：真空電渣爐中生產出的電渣錠，脫模後立即進行高溫均質化處理，把電渣錠加熱到1260℃，保溫24小時，保溫結束後隨爐冷卻到500℃以下出爐空冷。經過高溫均質化處理減少了晶內的成分偏析及組織偏析、細化了晶粒，改善和提高了材料的熱縮性。
步驟五：將在步驟四中得到的電渣錠經初鍛、精鍛、加工熱處理後得到高硬度、高耐磨及具有良好衝擊韌性的滾刀刀圈。
6.根據權利要求4所述的高性能盤型滾刀刀圈材料，其特徵在於，在所述步驟一中，在真空感應爐熔煉出自耗電極棒具體為：對入爐前的H13廢鋼料全部進行噴砂處理及烘烤；在熔煉後期的精煉過程中進行多次扒渣、造渣；在出鋼過程中進行脫氧；澆注前確保鋼水在鋼包內有充分的鎮靜時間，使鋼水中的夾雜物得到充分上浮。
實施方式
參見附圖1，該發明的目的是提供新型滾到刀圈材料及其生產工藝，解決2016年10月之前的技術中增加碳含量，提高硬度造成的韌性下降，在硬岩中使用時刀圈的刃部會出現崩齒、崩裂，嚴重時會出現刀圈斷裂現象的技術問題。
該發明高性能盤型滾刀刀圈材料的成分及重量百分比為：C:0.35—0.42％，Si:0.8—1.2％，Mn:0.20—0.50％，P＜0.010％，S＜0.005％，Cr:5.00—5.50％，Mo:1.80—2.50％，V:0.80—1.20％，Co:2.00—2.50％，Ni＜0.30％，Fe餘量。
優選的，該發明高性能盤型滾刀刀圈材料的成分及重量百分比為：C:0.39％，Si:0.98％，Mn:0.42％，P:0.009，S:0.004％，Cr:5.32％，Mo:2.14％，V:1.04％，Co:2.38％，Ni:0.23％，Fe餘量。
優選的，該發明高性能盤型滾刀刀圈材料的成分及重量百分比為：C:0.36％，Si:0.86％，Mn:0.31％，P:0.007％，S:0.005％，Cr:5.02％，Mo:1.84％，V:0.87％，Co:2.13％，Ni:0.27％，Fe餘量。
優選的，該發明高性能盤型滾刀刀圈材料的成分及重量百分比為：C:0.41％，Si:1.17％，Mn:0.45％，P:0.001％，S:0.004％，Cr:5.43％，Mo:2.46％，V:1.16％，Co:2.47％，Ni:0.18％，Fe餘量。
用該發明中的新型刀圈材料加工盤型滾刀刀圈的生產方法包括以下步驟：
步驟一：真空感應爐熔煉高性能盤型滾刀刀圈材料其化學成分及百分含量按C:0.35—0.42％，Si:0.8—1.2％，Mn:0.20—0.50％，P＜0.010％，S＜0.005％，Cr:5.0—5.50％，Mo:1.80—2.50％，V:0.80—1.20％，Co:2.00—2.50％，Fe餘量進行配料；並熔煉出自耗電極棒；
步驟二：對自耗電極棒表面進行精整；
步驟三：通過真空電渣爐進行電渣重熔；
步驟四：真空電渣爐中生產出的電渣錠，脫模後立即進行高溫均質化處理，把電渣錠加熱到1260℃，保溫24小時，保溫結束後隨爐冷卻到500℃以下出爐空冷；經過高溫均質化處理減少了晶內的成分偏析及組織偏析、細化了晶粒，改善和提高了材料的熱縮性。
步驟五：將在步驟四中得到的電渣錠經初鍛、精鍛、加工熱處理後得到高硬度、高耐磨及具有良好衝擊韌性的滾刀刀圈。
在所述步驟一中，在真空感應爐熔煉出自耗電極棒具體為：對入爐前的H13廢鋼料全部進行噴砂處理及烘烤；在熔煉後期的精煉過程中進行多次扒渣、造渣；在出鋼過程中進行脫氧；澆注前確保鋼水在鋼包內有充分的鎮靜時間，使鋼水中的夾雜物得到充分上浮。
具體實施例二：該實施例與實施例1的區別在於，鈷的重量百分比為2.00％。
具體實施例三：該實施例與實施例1的區別在於，鈷的重量百分比為2.5％。
具體實施例四：該實施例與實施例1的區別在於，鈷的重量百分比為2.25％。
具體實施例五：該實施例與實施例1的區別在於，優選的，鉬的重量百分比為1.80％。
具體實施例六：該實施例與實施例1的區別在於，鉬的重量百分比為2.30％。
具體實施例七：該實施例與實施例1的區別在於，鉬的重量百分比為2.15％。
具體實施例八：該實施例與實施例1的區別在於，鉻的重量百分比為5.00％。
具體實施例九：該實施例與實施例1的區別在於，鉻的重量百分比為5.50％。
具體實施例十:該實施例與實施例1的區別在於，鉻的重量百分比為5.25％。
具體實施例十一：該實施例的區別在於，鈷的重量百分比為2.00％，鉬的重量百分比為1.80％。
具體實施例十二：該實施例與實施例1的區別在於，鈷的重量百分比為2.00％，鉬的重量百分比為2.30％。
具體實施例十三：該實施例與實施例1的區別在於，鈷的重量百分比為2.00％，鉬的重量百分比為2.15％。
具體實施例十四：該實施例與實施例1的區別在於，鈷的重量百分比為2.00％，鉻的重量百分比為5.00％。
具體實施例十五：該實施例與實施例1的區別在於，鈷的重量百分比為2.00％，鉻的重量百分比為5.50％。
具體實施例十六：該實施例與實施例1的區別在於，鈷的重量百分比為2.00％，鉻的重量百分比為5.25％。
具體實施例十七：該實施例與實施例1的區別在於，鈷的重量百分比為2.00％，鉬的重量百分比為1.80％，鉻的重量百分比為5.00％。
具體實施例十八：該實施例與實施例1的區別在於，鈷的重量百分比為2.00％，鉬的重量百分比為1.80％，鉻的重量百分比為5.50％。
具體實施例十九：該實施例與實施例1的區別在於，鈷的重量百分比為2.00％，鉬的重量百分比為1.80％，鉻的重量百分比為5.25％。
具體實施例二十：該實施例與實施例1的區別在於，鈷的重量百分比為2.00％，鉬的重量百分比為2.50％，鉻的重量百分比為5.00％。
具體實施例二十一：該實施例與實施例1的區別在於，鈷的重量百分比為2.00％，鉬的重量百分比為2.50％，鉻的重量百分比為5.50％。
具體實施例二十二：該實施例與實施例1的區別在於，鈷的重量百分比為2.00％，鉬的重量百分比為2.50％，鉻的重量百分比為5.25％。
具體實施例二十三：該實施例與實施例1的區別在於，鈷的重量百分比為2.00％，鉬的重量百分比為2.35％，鉻的重量百分比為5.00％。
具體實施例二十四：該實施例與實施例1的區別在於，鈷的重量百分比為2.00％，鉬的重量百分比為2.35％，鉻的重量百分比為5.50％。
具體實施例二十五：該實施例與實施例1的區別在於，鈷的重量百分比為2.00％，鉬的重量百分比為2.35％，鉻的重量百分比為5.25％。
對具體實施例二至具體實施例二十五的盤型滾刀刀圈材料加工滾刀刀圈的生產方法與實施例一唯一不同的是：在步驟一中的配料過程中，按照各具體實施例中的成分重量百分比進行配料。
刀圈進行了各項性能檢測，其結果詳見下表：
代號 | C％ | Si％ | Mn％ | P％ | S％ | Cr％ | Mo％ | V％ | Co％ | Ni％ |
1 | 0.39 | 0.98 | 0.42 | 0.009 | 0.004 | 5.32 | 2.14 | 1.04 | 2.38 | 0.23 |
2 | 0.36 | 0.86 | 0.31 | 0.007 | 0.005 | 5.02 | 1.84 | 0.87 | 2.13 | 0.27 |
3 | 0.41 | 1.17 | 0.45 | 0.001 | 0.004 | 5.43 | 2.46 | 1.16 | 2.47 | 0.18 |
代號 | A | B | C | D | DS | ||||
細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | ||
1 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 | 0 | 0 | 0.5 | 0 | 0 |
2 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 0 | 0 | 0 | 0.5 | 0 | 0 |
3 | 0. .5 | 0.5 | 0. 5 | 0.5 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 | 0 |
其中：A為硫化物；B為氧化鋁；C為矽酸鹽；D為球狀氧化物；DS為單顆粒夾雜物。
代號 | 抗拉強度σb （兆帕） | 屈服強度σs（兆帕） | 伸長率δ （%） | 斷面收縮率Ψ （%） | 衝擊功（焦） | 硬度HRC |
1 | 2078 | 1850 | 14 | 14 | 16 | 58—60 |
2 | 2052 | 1823 | 12 | 13 | 15 | 58—60 |
3 | 2062 | 1834 | 14 | 14 | 16 | 58—60 |
參見附圖2、3和4，成品刀圈的金相組織:金相評級2—3級，組織為細針狀回火馬氏體+極少量殘餘奧氏體；
通過上述實驗數據可得出：滾刀刀圈的硬度由HRC54-HRC56，提高到了HRC58-HRC60；滾刀刀圈的衝擊功由8焦—10焦提高到14焦-16焦；新型材料嚴格控制了P、S等雜質含量（P＜0.01％、S＜0.005％），提高了材料的純淨度，從而有利於改善和提高刀圈的衝擊韌性；鈷的加入顯著提高耐氧化性和紅硬性，大大提高材料的耐磨性；改善和提高了刀圈的綜合力學性能，延長了刀圈的使用壽命。
H13鋼生產出的滾刀刀圈的各項性能如下表：
代號 | C％ | Si％ | Mn％ | P％ | S％ | Cr％ | Mo％ | V％ | Ni％ |
H13鋼 | 0.41 | 0.94 | 0.47 | 0.019 | 0.009 | 5.17 | 1 .54 | 1 .06 | 0.17 |
代號 | A | B | C | D | DS | ||||
細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | 細系 | 粗系 | ||
H13鋼 | 1.0 | 0.5 | 1.0 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | 1.0 | 0.5 | 0.5 |
代號 | 抗拉強度σb （兆帕） | 屈服強度σs（兆帕） | 伸長率δ （%） | 斷面收縮率Ψ （%） | 衝擊功（焦） | 硬度HRC |
H13鋼 | 1874 | 850 | 13 | 11 | 10 | 54—56 |
參見附圖5，H13鋼成品刀圈的金相組織：金相評級4級，組織為針狀回火馬氏體+少量殘餘奧氏體。從表1-3與表4-6一一對比，以及附圖2-4與附圖5一一對比中可得出，新材料的非金屬夾雜物含量遠低於H13鋼；新材料生產的成品刀圈金相組織比H13鋼的金相組織，馬氏體的形狀更加細小，殘餘奧氏體的含量更加少；從力學性能看新材料的各項性能指標都高於H13鋼。
榮譽表彰
2019年10月，《高性能盤型滾刀刀圈材料及其生產方法》獲得第三屆吉林省專利獎金獎。
