一种用于滚刀刀圈的熔覆材料、熔覆层与滚刀刀圈的制作方法

本发明涉及一种用于滚刀刀圈的熔覆材料、熔覆层与滚刀刀圈，属于工程装备表面处理领域。

背景技术：

1、在隧道、地铁等地下工程开挖过程中，隧道掘进机的刀盘带动滚刀转动，主要依靠滚刀刀圈挤压岩石实现破岩，如果滚刀刀圈不能满足性能和寿命要求，不得不频繁换刀，不仅刀具成本大大增加，还会增加换刀时间，甚至延误项目工期，因此滚刀刀圈的性能和寿命对地下工程建设有着重要影响。

2、滚刀刀圈的材质以超高强钢为主，但是在极硬岩或者高磨蚀性地层，刀圈还是会发生严重磨损导致失效和更换。表面处理工艺可以实现基体材料的表面强化，提高工件的寿命。在各种表面处理工艺中，电镀镀层薄、且结合力弱，热喷涂容易导致金刚石烧蚀和石墨化，化学气相沉积得到的镀层薄、且成本高昂限制了应用。激光熔覆具有与基底结合强度高，熔覆层致密等优点，可以通过在工件表面激光熔覆耐磨粉末形成耐磨熔覆层进而增加工件的耐磨性和寿命，近年来应用范围越来越广。在各种耐磨材料中，金刚石的硬度最高，耐磨性最好。但是，激光熔覆金刚石颗粒却容易使得金刚石在高温下发生形态转变，部分转变为石墨，导致熔覆层硬度下降，耐磨性不足。

3、因此，有必要开发一种新的滚刀刀圈的激光熔覆材料，以提高滚刀刀圈的耐磨性能和使用寿命。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种滚刀刀圈的激光熔覆材料，采用该激光熔覆材料所得到的熔覆层具有较高的硬度和耐磨性。

2、为达到上述目的，本发明提供了一种用于滚刀刀圈的熔覆材料，其中，以质量百分比计，该用于滚刀刀圈的熔覆材料的成分组成包括：

3、10-20％的包覆金刚石、2-5％的mos2、2-5％的b、1-4％的si、5-22％的硬质相、5-17％的cr、40-60％的co或ni或fe；

4、所述硬质相包括wc、tic、tin、vc、nbc中的一种或两种以上的组合，优选为wc；

5、其中，所述包覆金刚石是外部包覆fe的金刚石粉末，其中，以所述包覆金刚石的质量为100％计，所述金刚石的占比为20-40％，fe的占比为60-80％。

6、根据本发明的具体实施方案，在上述用于滚刀刀圈的熔覆材料中，金刚石的耐磨性最强，可以显著增加熔覆层的硬度和耐磨性；此外，金刚石微粉具有大比表面积效应，摩擦系数下降明显，具有很好的减摩作用；

7、mos2具有低的摩擦系数，可以有效减摩；

8、b主要起脱氧和结渣的作用，在激光熔覆过程中优先与合金粉末中的氧及材料表面的氧化物发生反应生成低熔点的硼硅酸盐从而保护其它元素，此外还具有良好的自润滑性能，可以降低摩擦系数，提高耐磨性；但b含量过多容易产生裂纹；

9、si主要起脱氧和结渣的作用；

10、wc颗粒作为硬质相，可以显著增加熔覆层的耐磨性、熔点高、断裂韧性高、导热系数高，可以减少对金刚石的热影响，但wc含量过高容易导致开裂；本发明通过采用金刚石和wc两种硬质相，能够避免单一硬质相含量过高容易导致开裂，提升滚刀刀圈寿命；

11、cr能够提高熔覆层的抗氧化性和热强性；

12、co作为粘结相，此外，co基合金涂层具有较好的自熔性、耐高温、耐热冲击性能。

13、fe作为包覆层材料，比热容较高，且熔点较高，可以在熔覆层中吸热熔化，减少或避免高温对金刚石的影响，而且成本较低。

14、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述包覆金刚石是通过以下方法制备的：

15、将fe熔化后，从上向下倒出，利用喷嘴在fe溶液下方将金刚石颗粒喷出，使金刚石颗粒表面包裹一层fe，然后马上用盐水冷却，得到包覆金刚石颗粒；优选地，所述喷出方向与水平方向的夹角为20°-45°。

16、根据本发明的具体实施方案，优选地，所述金刚石颗粒的粒径为150-325目。

17、根据本发明的具体实施方案，优选地，利用喷嘴喷出金刚石颗粒时的速度为5-15m/s。

18、本发明还提供了一种熔覆层，其中，该熔覆层是以上述用于滚刀刀圈的熔覆材料通过激光熔覆制备的，所述熔覆层的厚度为0.5-2mm。

19、根据本发明的具体实施方案，优选地，上述熔覆层的制备过程包括以下具体步骤：

20、对滚刀刀圈基体进行预热；

21、将用于滚刀刀圈的熔覆材料制成的激光熔覆粉末涂覆于经过预热的滚刀刀圈基体的表面，然后进行激光熔覆形成熔覆层；

22、对经过激光熔覆之后的滚刀刀圈进行保温处理，然后进行空冷，以去除残余应力。

23、根据本发明的具体实施方案，优选地，在上述熔覆层的制备过程中，所述预热的温度为200-300℃，保温时间为1-3h。

24、根据本发明的具体实施方案，优选地，在上述熔覆层的制备过程中，激光熔覆的激光功率为1-3kw，激光光斑直径为3-10mm，扫描速度为150-300mm/min，保护气体为氩气。

25、根据本发明的具体实施方案，优选地，在上述熔覆层的制备过程中，所述保温处理的温度为220-350℃，保温时间为1-4h。

26、根据本发明的具体实施方案，优选地，熔覆层的制备过程可以包括以下具体步骤：

27、步骤一：对刀圈基体进行预处理，表面磨抛之后用无水乙醇清洗；

28、步骤二：将金刚石颗粒和粉末材料进行超声清洗处理；

29、步骤三：制备包覆金刚石材料，包覆材料为fe颗粒，将fe熔化后，从上向下倒出，利用喷嘴在fe溶液下方将金刚石颗粒喷出，使金刚石表面包裹一层fe，然后马上用盐水冷却，得到包覆金刚石的颗粒；其中，金刚石颗粒的粒径为150-325目；喷嘴喷射液体的速度为5-15m/s；

30、步骤四：制备熔覆粉末，熔覆材料的各种成分混合均匀，放入球磨机进行研磨，研磨时间30-90min，得到激光熔覆粉末，然后放入干燥箱干燥，温度为120-200℃，保温时间为30-60min；

31、步骤五：将刀圈基体进行预热避免熔覆层开裂，预热温度为200-300℃，保温时间为1-3h；

32、步骤六：进行激光熔覆，利用激光在刀圈基体材料上将步骤四得到的激光熔覆粉末进行激光熔覆，其中，激光功率为1-3kw，激光光斑直径为3-10mm，扫描速度为150-300mm/min，熔覆层厚度为0.5-2mm，保护气体为氩气；

33、步骤七：将激光熔覆后的刀圈在热处理炉中进行保温以去除残余应力，保温温度为220-350℃，保温时间为1-4h，然后空冷。

34、本发明还提供了一种滚刀刀圈，其中，该滚刀刀圈的表面具有上述熔覆层。

35、在本发明提供的用于滚刀刀圈的熔覆材料中，表面包覆有fe的金刚石颗粒能够降低激光熔覆时金刚石的热输入，降低激光熔覆时金刚石的温度，减少或者避免激光熔覆产生的高温对金刚石硬度和耐磨性的影响，可以有效增加刀圈熔覆层的硬度和耐磨性；mos2粉末可以有效减摩，从而减少滚刀刀圈的磨损；其它元素熔点高，导热系数高，可以有效降低金刚石的温度，减少或者避免金刚石向石墨的转化。此外，本发明采用金刚石和wc两种硬质相，能够避免单一硬质相含量过高容易导致开裂，提升滚刀刀圈寿命。滚刀破岩后产生的岩碴会附着在滚刀表面，降低破岩效率，还容易导致滚刀偏磨，采用本发明的熔覆材料在刀圈表面形成熔覆层，能够减少滚刀表面与岩碴等的粘附，减少滚刀的偏磨。此外，滚刀在破岩的时候会产生振动冲击，容易导致滚刀刀圈断裂失效，本发明所提供的熔覆层能够减小滚刀破岩带来的振动，有助于减少滚刀异常损坏，保障设备安全。

36、本发明通过液态fe和喷射出的金刚石结合，在金刚石颗粒外包覆fe，能够降低激光熔覆时金刚石的温度，减少或者避免激光熔覆产生的高温对金刚石硬度和耐磨性的影响。而且金刚石微粉的粒度小，比表面积较大，在化学镀、电镀等表面镀覆过程中镀层不均匀，镀后颗粒容易团聚，影响使用。本发明利用喷嘴在金刚石表面包覆一层铁液，随后迅速冷却，包覆金刚石分布均匀，不容易团聚，能够解决金刚石微粉所存在的问题。

37、本发明通过在刀圈表面激光熔覆包含金刚石的熔覆材料，具有与基底的结合强度高、熔覆层致密等优点，且加热速率快，热影响区小，不会对滚刀刀圈造成过大的热损伤。带有本发明的熔覆层的刀圈还能减少滚刀表面与岩碴等的粘附，减少滚刀的偏磨。此外，本发明还能通过熔覆层减小滚刀破岩带来的振动，保障掘进设备的安全。