TBM 滚刀刀圈材料性能的研究.doc

TBM滚刀刀圈材料性能的研究张占杰I赵金华I吴志生I,刘朴£赵海峰彳，袁国彳 （1.太原科技大学2.北方重工集团有限公司3.东北大学） 摘 要：隧道掘进机破岩的主要T具是刀圈分析了刀圈常见失效形式，选取了两种刀圈， 用肓读光谱仪测定其成分，通过金相和透射电镜比较其显微组织，用维氏硬度计和冲击试验 测定了硬度和冲击功刀圈一的硬度约为700HV,冲击功2〜3J；刀圈二的硬度大于530HV, 冲击功30〜40J比较了其生产工艺的不同，提高材料的纯净化、均匀化和细化晶粒，优化 热处理工艺，刀圈材料在满足高硕度要求时可保证高韧性关键词：TBM滚刀刀圈；失效分析；显微组织；高韧性；热处理隧道全断瓯掘进机（TBM）具有快速、优质、高效、安全、环保的施工特点，近年来广泛 应用于隧道工程建设中随肴城市地铁的兴建和资源需求量的激增，国内对TBM的需求最 越来越大TBM刀盘上的滚刀刀圈，是整套掘进设备中技术含量较高的机械备件，是TBM 施工的关键部件和易损部件在施工过稈中，滚刀的工•作条件极其恶劣，消耗量极大，频繁 的换刀严重地影响了施工进度为减少停机换刀次数，降低圈损耗，开发出更高性能的滚刀 刀圈成为重要的研究方向。

1破岩机理和影响效率的因素TBM刀盘在纵向汕缸施加的推力作用下，将刀盘上的滚刀压入岩石，刀盘在旋转装置 的驱动下带动滚刀绕刀盘中心轴公转，同时各滚刀还绕各白的刀轴H转，实现滚刀在岩面上 的连续滚压刀盘施加给刀圈推力和滚动力（转矩），推力使刀圈压入岩体，滚动力使刀圈滚 压岩体通过滚刀对岩体的挤压和剪切使岩体发生破碎，在岩面上切岀一系列的同心圆滚刀破岩主要分为3个阶段：挤压阶段、起裂阶段和破碎阶段挤压阶段中滚刀在高推 力作用下，切入岩石表面，同时岩面产生局部变形及很高的接触应力在此应力作用下，刀 刃与岩石接触部分的岩体产生粉碎区，即应力核心区此核心区深度越深、范围越大对提高 破岩效率越明显在高应力的作用下进入起裂阶段，当沿粉碎区周边应力大于岩体的抗拉强 度或抗剪强度时，便产生张拉裂缝，此为能否破岩的先决条件在应力核心区下层是应力过 渡区，该区为应力衰减区，对岩体裂缝的产生不起控制性作用在刀刃正下方分布有主裂缝, 由于其方向与破岩方向一致，因此也不能显著地提高破岩效率，但能加大下个循环中压入阶 段应力范伟I破碎阶段过稈中相邻滚刀的间距使起裂阶段产生的裂缝相互连通时，表面部分 岩体便被裂缝分割，形成碎片并脱离开挖面。

影响刀圈破岩效率的因素冇很多，但根据以往T程实践及试验数据，影响破岩效率的因 素主要有：脆性（犁性）和耐磨性脆性（犁性）是对岩石抗压强度、抗拉强度的综合评价，适 用于抗压强度较大（小），而抗拉强度较小（大）岩石；耐磨性頁接关系到盾构机掘进效率，是 对刀具进行寿命及备品估算、工期筹划的主要依据2 TBM滚刀刀圈失效分析刀圈失效在掘进过程中经常发生，严重影响了 TBM工作效率刀圈失效形式主要包括:正常磨损、非正常磨损、卷边、打刃、移位、崩裂等损坏形式刀圈的工作环境和其失效的主要形式表明刀圈应具有高硬度、高耐磨性、高韧性高耐 磨性有助于减少刀圈的磨损量，延长T作时问从而减少停机换刀次数；高韧性能够减少打刃 和崩裂等现象的发生，有助于提高TBM掘进速度一般情况下，材料硬度的提高必然降低 其韧性，而韧性的提高又会降低材料的駛度工稈生产中需要具有高硬度和高韧性的滚刀刀 圈，高韧性刀圈的开发成为刀圈研发的1个重要方向高韧性的TBM滚刀刀圈的开发可考虑以下几方面：1）考虑合金元素Ni,材料中加入一 定量的合金元索Ni,能够同时提高材料强度和韧性；2）从冶炼开始，注意提高钢的纯净化、 均匀化和品粒超细化，可使刀圈材料的强韧性获得大幅提高；3）加强对材料热处理工艺参数的摸索，借鉴吸收先进的工艺措施。

3 TBM滚刀刀材料的性能TBM刀圈需要有高硬度、高耐磨性、良好的冲击韧性、一定的抗I川火性能和较好的加 工工艺性能由于材料硬度的提高会降低韧性，日前TBM刀圈材料朝着两个方向发展：… 是以单纯追求高硬度为H标，这种刀圈韧性较并，适丿IJ于硬岩中较软的地质情况；另一方向 是在一定硬度的基础上追求较高的韧性，这种材料虽然硬度稍低些，但由于韧性较高，适用 于复杂的和特别驶的地质情况国际上TBM刀圈主要以美国Robbins和徳国Wirth为代表Robbins采用AISI4340钢，成分与国内4OCrNiMo钢相近，具有较高韧性Wirth采用徳国材料DIN 17350中的X50CrVM05— 1钢号，是高硬度刀圈的代表国内研究Wirth较多，而 研究Robbins相对较少，施T过程中需要的刀圈大量依靠讲口來满足目前，国内刀圈在高硬度方面做的较好，在高韧性方面差距较大在工程实践中，对于 一些研磨性较强的砂岩、断裂砾岩等地层，单纯的靠提高材料的驶度来满足地层的需求，而 牺牲了刀具的韧性是适得其反的国内急需研究具有高韧性的TBM刀圈来满足工程需要， 实现国产化，以取代进口，降低施T成木木文选取了国内高硬度代表刀圈(1号)与国外高 韧性代表刀圈Robbins(2号)进行对比，比较了它们在成分、组织、力学性能等方瓯的茅异。

3. 1化学成分采用直读光谱仪分别测定了 1号和2号刀圈试样成分可以发现，2号加入了较多的合金 元素Ni来满足强度和韧性的要求1号+(0(C)较高，且合金元素多，有利于提高淬透性的 元素多；2号中cd(C)较低,合金元素总量较少而含Ni较多,2号中(o(Si)、co(Cr)、co(Al)较 低，在锻造及热处理过程中易发生氧化脱碳，因此应尽量避免在氧化性气氛中加热3. 2显微组织 3. 2. 1金相分析考虑到淬透性因素，在1号、2号刀圈中心部位制取试样，经质量浓度为4%的硝酸酒 精溶液腐蚀示，在光学显微镜下的组织形貌可以看到明显的原奥氏体晶界，晶粒大小不均, 直径分布在5〜30gmZ间；为针状马氏体形貌，原奥氏体晶界不明显，组织形貌比较均匀 2号奥氏体晶界不明显，与冋火温度有一定关系，冋火温度高，碳化物在晶界大量析出，经 腐蚀后容易观察到原奥氏体晶界3. 2. 2TEM 分析用电火花数控线切割从1号、2号试样中心取样，手T减薄并双喷后在FEITecnaiG2F、 20型透射电镜下观测其微观组织，可以看到，两者经冋火后均保留有一定的板条特征，板 条上和板条间有大量的碳化物析出1号马氏体板条比2号粗大，马氏体板条束间的夹角也 比校大；在两者板条上均析出大量不连续的棒状碳化物和点状碳化物，同时都出现了方形 TiN析出物，能谱分析显示1号中co(Ti)较多，2号中含有较多Ti和Fe。

板条马氏体的存在 使刀圈在获得较高硬度的同时具有一定的韧性，析出的大量碳化物，增加了材料的耐磨性3. 3力学性能3. 3. 1硬度将刀圈截面从上白下依次分为刃部、中部和基体3个部分，理想的刀圈是刃部具有较高 的硬度，基体具有较高的韧性和一定的硬度刃部的高硬度可以满足切削性能要求，在掘进 过稈中不会发生压溃变形；基体适当降低硬度，提高韧性，有利于在掘进过稈中吸收冲击功, 不易发生脆性断裂采用HV—50AVickers Hardness Tester(试验加载力98N,加载时间10s)测硬度，在刀圈 截面各部分选点测定其维氏硕度值显示，1号硕度约700HV,分布较均匀,说明材料具有较 好的淬透性；2号硬度从刃部到基体表现出逐渐降低的趋势，仍具有较高硬度，说明也具有 良好的淬透性1号试样硬度明显大于2号的硬度，与其含碳量较高和合金元素对基体的强 化有关2号刀圈基体相对与刃部的硬度都有一定程度的降低，可能与刀圈材料的加工和安 装过稈有一定关系刀圈是通过热拼装的方式安装到滚刀上，安装过程相当于经历了一次低 温退火，对于回火温度较低的刀圈材料基体硬度有较大影响3. 3. 2协性冲击韧性试验用10mmxl0mmx55mm的标准CVN试样，并按GB / T229—1994《金属 夏比冲击试验方法》进行，采用Instron 9250 HV型冲击试验机分别测试了 1号和2号试样 在0°C下的冲击功，结果发现，2号冲击功为30〜40J, 1号冲击功为2〜3J, 2号的冲击韧 性明显优于1号的冲击韧性，这与其co（C）较低、合金元素总量较少及Ni对材料韧性的提高 有关。

3. 4生产工艺当材料中含有较多的强碳化物形成元素V、Mo等时，热处理过程中C与强碳化物形成 元索相结合，I叫火过程中提高抗I叫火性，提高材料的冋火温度1号刀圈材料含有较多的强 碳化物元素Mo、V,在保证硬度要求的前提下，可以采用较高的冋火温度；2号刀圈含有 的强碳化物形成元素较少，因此冋火过程中不能够采用高温冋火，貝能采用比较低的I川火温 度参考40CrNi2Mo的热处理丁艺，回火温度应该在200〜300°CZ间若材料在淬火过程中发生氧化脱碳，将严重影响材料的使用性能氧化使工件尺寸减少, 有效承载血积降低，表面粗糙度增加，还会造成软点或驶度不足；表面脱碳使淬火麻丁•件的 硬度与耐磨性降低，强度下降明显，还易形成淬火裂纹，因此应有效减少氧化脱碳现象的发 生淬火过稈中若采用真空加热淬火，既能够有效抑制脱碳氧化的发生，还能够提高热处理 质量，使工件表面光亮洁净，因此在刀圈的生产过程中需要采用真空淬火丁艺4生产高性能TBM滚刀刀圈的建议工稈实践的需要促进了人们对刀圈材料和生产丁•艺的研究，从TBM的发明、盘型滚刀 的出现，到目前大直径滚刀的研制，Robbins公司都走在了世界的前列目前国内外都己经 认识到单纯追求高硬度的局限性和开发高韧性滚刀刀圈的必要性，高水平TBM刀圈的研制 主要集中在材料的冶金性能和热处理T艺两个方面，努力使刀圈材料具有高硬度、高韧性、 高耐磨性、一定的抗冋火性能和良好的冷热加工丁艺性能成为重要的性能指标。

面对国内外刀圈研制方面的巨大差距，为研制出高水平TBM滚刀刀圈，服务于国产化 需要，一定要合理借鉴吸收国内外的成功经验，同时乂要大腹提出新想法，尝试新工艺，才 有可能实现跨越式发展可以从以下几方血考虑：1） 材料方面：吸收国内外成分选择的优点，既要实现元素的最佳配比，还丿、'、/：大胆•尝试加 入其他元素（如稀土元素），同时严格控制S、P等杂质元素，提高材料的纯净度2） 工艺方面：生产过稈中采用过程控制思想，以控制品粒度为核心，以减少白由（0（H） 为重点，提高刀圈强度和韧性；尝试深冷处理、表血处理等T艺手段3） 其他方面：从刀圈的研制生产到最终的安装使用，包括失效刀圈的处理都应该进行科 学系统的管理，高性能刀圈的开发与使用需要引入精确的数字化管理5结论1） 刀圈材料向着高硬度和高韧性两个方向发展，在高硬度前提下追求高韧性是刀圈材料 发展的重要方向2） 比较了国内外刀圈材料在化学成分、显微组织、力学性能、生产丁■艺等方面的差异， 国内急需开发出具有高韧性的TBM滚刀刀圈3） 提出了 TBM刀圈的研究主要集中在材料的冶金性能和热处理工艺方面，要努力提高 刀圈材料的纯净化、均匀化和晶粒细化。