胡建平，唐 亮，馬作強(qiáng)

(北京固本科技有限公司，北京 100081)

0 引言

盾構(gòu)刀具是盾構(gòu)機(jī)的重要組成部分，也是盾構(gòu)機(jī)磨損最嚴(yán)重的部件。文獻(xiàn)［1－2］指出盾構(gòu)刀具的磨損屬于典型的磨粒磨損和沖擊磨損。盾構(gòu)刀具一般選用16Mn鋼作為母材，刀具工作端釬焊碳化鎢硬質(zhì)合金［3］，硬質(zhì)合金起到切削巖土的作用，16Mn鋼對(duì)硬質(zhì)合金起到支撐保護(hù)作用。16Mn鋼強(qiáng)度高，硬度低，耐磨性差。對(duì)于工作段釬焊硬質(zhì)合金部位的16Mn鋼，由于受到釬焊過(guò)程高溫加熱導(dǎo)致硬度降低的影響，更易被磨損。盾構(gòu)刀具母材磨損后，硬質(zhì)合金失去了支撐體，造成硬質(zhì)合金的脫落，導(dǎo)致刀具的失效。為了延長(zhǎng)刀具使用壽命，盾構(gòu)刀具生產(chǎn)廠會(huì)考慮在刀具硬質(zhì)合金周圍的母體上堆焊耐磨層［4］。本文根據(jù)盾構(gòu)刀具的磨損原理和特點(diǎn)，選取了適合于沖擊磨損和磨粒磨損的4種耐磨堆焊材料(2種焊條、2種焊絲)，采用手工電弧焊和二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊對(duì)4種材料分別進(jìn)行實(shí)際焊接操作，并觀察和記錄4種材料的電弧穩(wěn)定性、外觀成型和焊接裂紋等情況以比較其工藝性;對(duì)4種材料的堆焊試樣進(jìn)行硬度測(cè)試;進(jìn)行落球試驗(yàn)以對(duì)比其抗脫落性;進(jìn)行磨粒磨損試驗(yàn)以對(duì)比其耐磨性。在對(duì)4種耐磨堆焊材料做了詳細(xì)的試驗(yàn)比較后，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，合理選擇了一種最適合盾構(gòu)刀具耐磨處理的堆焊材料。

1 盾構(gòu)刀具常用堆焊材料

合理地選擇堆焊材料，可使堆焊耐磨層更好地保護(hù)刀具，使盾構(gòu)刀具堆焊件具有較長(zhǎng)的使用壽命。根據(jù)盾構(gòu)刀具的磨損形式，選擇適合于沖擊磨損和磨粒磨損的堆焊材料，選取市場(chǎng)上4種型號(hào)的堆焊材料:天津生產(chǎn)的高鉻鑄鐵堆焊材料，牌號(hào)為 YD628和YD888;山東生產(chǎn)的馬氏體堆焊材料，牌號(hào)為YD212;北京固本生產(chǎn)的碳化鎢堆焊材料，牌號(hào)為KB600。焊條(YD628、YD212)使用的焊接方法為手工電弧焊，焊絲(YD888、KB600)使用的焊接方法為二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。

2 堆焊材料的工藝性比較

每種堆焊材料配合適當(dāng)?shù)亩押腹に?，才能發(fā)揮出最佳效果。堆焊工藝參數(shù)如表1所示。堆焊工藝性比較如表2所示。

表1 堆焊工藝參數(shù)Table 1 Parameters of submerged arc welding

表2 堆焊材料工藝性比較Table 2 Submerged arc welding technologies

由表2可知:1)YD628屬于石墨型焊條［5］，焊后焊縫淬硬性大，裂紋寬度和深度大，不適合使用。2)其他3種型號(hào)堆焊材料中，YD888和YD212母材預(yù)熱溫度較高，焊工勞動(dòng)強(qiáng)度大;KB600焊絲母材預(yù)熱溫度較低，可減輕焊工勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 堆焊材料性能分析

3.1 硬度測(cè)試

在盾構(gòu)刀具的制造過(guò)程中，總是先堆焊耐磨材料，再感應(yīng)加熱釬焊硬質(zhì)合金［6］，這樣由于釬焊過(guò)程對(duì)堆焊層起到焊后退火的作用，導(dǎo)致堆焊層硬度大大下降，耐磨性大大降低。因此，對(duì)于盾構(gòu)刀具，在選擇堆焊材料時(shí)要以感應(yīng)加熱后堆焊層的硬度和耐磨性，作為選擇適于盾構(gòu)刀具生產(chǎn)和應(yīng)用的堆焊材料重要依據(jù)。將200 mm×90 mm×60 mm的16Mn鋼焊前預(yù)熱350℃后，再分別將YD628、YD888和YD212堆焊到工件表面。將同樣規(guī)格的工件預(yù)熱到150℃后，堆焊KB600焊絲。為減少母材對(duì)工件的稀釋作用，選擇堆焊3層。堆焊后再將工件感應(yīng)加熱到950℃，保溫2 h后在靜止的空氣中冷卻，最后打磨拋光測(cè)試宏觀洛氏硬度值。4種型號(hào)堆焊材料試樣熱處理后的硬度測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 950℃后堆焊材料硬度值比較Table 3 Hardness of welding wires after 950℃brazing

由表3可知:1)所選擇的4種堆焊材料，除KB600外，硬度均低于50 HRC。2)YD212硬度低于40 HRC，無(wú)法有效保護(hù)刀具硬質(zhì)合金。3)對(duì)于YD888和YD628，熱處理后硬度下降18%，只能達(dá)到45 HRC左右，低于50 HRC。王智慧等［7］對(duì)高鉻堆焊合金熱處理后的硬度和耐磨性研究結(jié)果表明，熱處理后高鉻堆焊金屬硬度下降25%，耐磨性下降32%，故高鉻堆焊合金也不能很好地保護(hù)硬質(zhì)合金。從熱處理后對(duì)試樣的硬度測(cè)試結(jié)果來(lái)看，只有KB600熱處理后硬度大于55 HRC。

3.2 抗脫落能力測(cè)試

盾構(gòu)刀具在施工過(guò)程中，會(huì)遇到大的沖擊磨損，如果所使用的堆焊層在施工中受到?jīng)_擊而脫落，硬質(zhì)合金就會(huì)失去抗沖擊保護(hù)。文獻(xiàn)［8］中闡述了沖擊對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀具耐磨堆焊層的影響。落球試驗(yàn)采用7.5 kg的鉛球由1 m高處自由下落，對(duì)堆焊層進(jìn)行沖擊［8］。試驗(yàn)表明，YD628和YD888堆焊層在沖擊中發(fā)生脫落(主要因?yàn)?種焊結(jié)材料都屬于高鉻合金，淬硬傾向大，容易脫落)，YD212和KB600試樣的堆焊層未發(fā)生脫落現(xiàn)象。

3.3 耐磨性試驗(yàn)

將950℃感應(yīng)加熱后的4種堆焊材料堆焊的試樣鋼板，采用線切割，制作尺寸為55 mm×25 mm×12 mm的磨粒磨損試樣。磨粒磨損試驗(yàn)采用MLS－225型濕式橡膠輪磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)參數(shù)為:橡膠輪轉(zhuǎn)速為240 r/min、橡膠輪邵爾硬度為60、載荷為100 N，磨料為0.212～0.425 mm的石英砂。試驗(yàn)時(shí)將磨料放入試驗(yàn)機(jī)，首先對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)磨，預(yù)磨1 000 r后取出試樣對(duì)樣品稱重并記錄數(shù)據(jù);之后對(duì)試樣進(jìn)行精磨6 000 r，試驗(yàn)后再對(duì)試樣稱重并記錄數(shù)據(jù)，2次質(zhì)量差即為試驗(yàn)過(guò)程中試樣的磨損量。磨損量越大，耐磨性越差;磨損量越小，耐磨性越好。本實(shí)驗(yàn)以950℃感應(yīng)加熱后16Mn材料作為標(biāo)準(zhǔn)試樣，其他材料的相對(duì)耐磨性ε=標(biāo)準(zhǔn)試樣磨損量/試樣磨損量。950℃熱處理后磨粒磨損結(jié)果見(jiàn)表4。堆焊材料相對(duì)耐磨性比較見(jiàn)圖1。

表4 950℃熱處理后磨粒磨損結(jié)果Table 4 Wearing results of wearing grains after 950℃brazing

圖1 堆焊材料相對(duì)耐磨性比較Fig.1 Relative wearing resistance of submerged arc welding wires

由表4和圖1可知，在相同磨損條件下，KB600堆焊層的耐磨性是YD888和YD628的2倍，是YD212的4倍。KB600在耐磨性方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

4 實(shí)際應(yīng)用

南昌齒輪有限責(zé)任公司盾構(gòu)刀具分公司對(duì)KB600的性能做了實(shí)際測(cè)試。由于刀具體積大，為減少裂紋，降低開(kāi)裂傾向，首先焊前對(duì)刀具進(jìn)行150℃預(yù)熱，堆焊KB600耐磨焊絲，焊后將刀具放于保溫箱中自然冷卻;然后對(duì)堆焊成型的刀具進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱，加熱溫度達(dá)到950℃后對(duì)刀具進(jìn)行硬質(zhì)合金釬焊，焊后刀具保溫2 h，待自然冷卻后，測(cè)試堆焊層的硬度大于55 HRC。將焊有KB600的盾構(gòu)刀具安裝于盾構(gòu)機(jī)，并在南昌隧道建設(shè)中進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。結(jié)果表明，采用KB600耐磨處理的刀具，掘進(jìn)距離能提高2～3倍。KB600焊后刀具形貌見(jiàn)圖2。

圖2 KB600焊后刀具形貌Fig.2 Cutting tool welded by KB600 welding wires

5 結(jié)論與建議

1)通過(guò)對(duì)焊條和焊絲2種堆焊材料的使用對(duì)比發(fā)現(xiàn)，焊絲使用的二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接方法與焊條使用的手工電弧焊接方法相比，焊絲生產(chǎn)效率為焊條的2倍以上，具有高效率、低能耗、低勞動(dòng)力成本和高的材料利用率等優(yōu)點(diǎn)［9］;而且焊絲堆焊后刀具刀體堆焊變形量小，堆焊層形狀尺寸較規(guī)則，堆焊質(zhì)量穩(wěn)定，比手工焊條堆焊具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

2)根據(jù)盾構(gòu)刀具生產(chǎn)過(guò)程中高溫釬焊的特點(diǎn)，對(duì)所選堆焊材料進(jìn)行了高溫釬焊后硬度和耐磨性試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，950℃感應(yīng)加熱后，KB600堆焊層硬度大于55 HRC，與相同條件下的16Mn相比，耐磨性提高10倍。

3)通過(guò)落球沖擊試驗(yàn)對(duì)所選材料進(jìn)行了抗脫落性能試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，高鉻合金的堆焊材料抗脫落性能相對(duì)較差，YD212和KB600焊縫具有優(yōu)良的抗脫落性能。

根據(jù)對(duì)4種堆焊材料950℃感應(yīng)加熱后的硬度、抗脫落性以及耐磨性試驗(yàn)結(jié)果等因素的綜合考慮，推薦使用北京固本的KB600型耐磨焊絲。

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