張凌，黃石起，方亮，薄航

（吉林省維爾特隧道裝備有限公司，吉林 吉林市 132011）

0 前言

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）廣泛應(yīng)用于隧道工程的建設(shè)中。掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過程中，刀盤上的滾刀刀圈與巖石直接接觸，刀圈在縱向推力的作用下，通過碾壓作用對(duì)巖石進(jìn)行破碎。滾刀刀圈是TBM施工的關(guān)鍵部件和易損部件，在施工過程中工作環(huán)境惡劣，消耗量極大，且因刀具失效而造成頻繁停機(jī)換刀，增加了施工成本，減慢了施工進(jìn)度。為減少停機(jī)換刀次數(shù)，降低刀圈的消耗，吉林省維爾特隧道裝備有限公司開發(fā)出了高性能滾刀刀圈材料。

1 盤型滾刀刀圈的失效分析

盤型滾刀刀圈在破巖過程中，不僅承受到很大的徑向破巖力，同時(shí)又經(jīng)受巖石中硬礦物相的劇烈摩擦，因此，在掘進(jìn)過程中會(huì)經(jīng)常發(fā)生刀圈失效現(xiàn)象。刀圈失效形式多種多樣，主要包括：正常磨損、非正常磨損、卷邊、打刃、位移、崩裂等損壞形式。

刀圈在工作中的失效形式雖然比較多，但歸結(jié)起來(lái)主要與刀圈材料的硬度、耐磨性和沖擊韌性有關(guān)。刀圈在工作過程中與堅(jiān)硬的巖石發(fā)生相互間的碰撞、擠壓及摩擦，因此刀圈必須具有高硬度、高耐磨性、高韌性。具有高硬度才能保證刀圈不發(fā)生壓潰變形；具有高耐磨性有助于減少刀圈的磨損量，提高刀圈的使用壽命；具有高韌性才能夠減少打刃和崩裂等失效現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高TBM掘進(jìn)速度。

2 盤型滾刀刀圈材料

2.1 常用刀圈材料

目前國(guó)內(nèi)外滾刀刀圈的材料主要選用熱作模具鋼，部分企業(yè)采用冷作模具鋼制作刀圈。無(wú)論采用何種鋼都必須要具備：足夠高的硬度、較高的屈服強(qiáng)度、良好的沖擊韌性和良好的抗回火能力，以此來(lái)保證刀圈在使用過程中減少磨損，防止打刃、崩裂及其他失效；刀圈材料還應(yīng)該具有良好的熱加工和冷加工性能。國(guó)內(nèi)外常用滾刀刀圈材料化學(xué)成分見表1。采用表1中材料加工生產(chǎn)出的刀圈表面硬度在56－60 HRC，心部硬度 52－56HRC，沖擊功在 7－12J。

表1 國(guó)內(nèi)外常用刀圈材料化學(xué)成分（%）

2.2本課題刀圈材料

高性能材料的開發(fā)涉及刀圈材料的成分、冶煉、鍛造、熱處理等一系列過程，合理的化學(xué)成分配比是保證材料高性能的先決條件。常用刀圈材料化學(xué)成分中：碳（C）是鋼中最有效的強(qiáng)化元素之一，起到顯著的固溶強(qiáng)化作用；鉻（Cr）能提高鋼的淬透性，增加材料的硬度和耐磨性；鉬能（Mo）提高鋼的淬透性，是強(qiáng)碳化物形成元素，回火時(shí)起到二次硬化作用，從而提高硬度和耐磨性；釩（V）能在鋼的奧氏體化過程中控制晶粒長(zhǎng)大、細(xì)化晶粒，回火時(shí)形成碳化物有效強(qiáng)化基體、增強(qiáng)抗磨損能力和延展性；鈷（Co）能提高材料的高溫強(qiáng)度，與鉬同時(shí)加入時(shí)在回火過程中促進(jìn)鉬碳化物的析出，增加彌散硬化效果，因此可以提高二次硬化效果，從而提高耐磨性。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外常用刀圈材料的研究及對(duì)各種元素在鋼中的不同作用的研究和分析，在4Cr5MoSiV1的基礎(chǔ)上，適當(dāng)調(diào)整各元素的含量，再補(bǔ)加一定量的金屬鈷，從而開發(fā)出了一種高品質(zhì)TBM滾刀刀圈材料，其化學(xué)成分見表2。

2.3 熔煉工藝

表2 新刀圈材料化學(xué)成分

滾刀刀圈的疲勞失效，是裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展導(dǎo)致刀圈最終斷裂的過程。影響鋼材疲勞性能的因素很多，但材料中的非金屬夾雜物含量是重要因素，非金屬夾雜物會(huì)破壞金屬的連續(xù)性，引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致鋼材的各相異性。為了提高刀圈材料的質(zhì)量和使用性能，提高材料的純凈度、盡量降低有害元素P和S的含量、細(xì)化晶粒、降低組織及成分偏析，采用了真空感應(yīng)爐＋真空電渣重熔的熔煉工藝。

2.3.1 真空感應(yīng)爐熔煉＋真空電渣重熔工藝

⑴中頻爐所用的廢鋼料全部采用H13廢刀圈料，并對(duì)入爐前的廢鋼料全部進(jìn)行噴砂處理及烘烤，使入爐廢鋼料保證干燥、表面無(wú)銹及其他泥沙等雜物，從而保證熔煉鋼液的純凈度及低的雜質(zhì)含量。

⑵感應(yīng)爐出鋼前化學(xué)成分的百分含量控制在規(guī)定范圍，嚴(yán)格控制P、S含量；在熔煉后期的精煉過程中要做到多次扒渣、造渣，提高鋼水的純凈度；在出鋼過程中要做好終脫氧；澆注前鋼水在鋼包內(nèi)確保充分的鎮(zhèn)靜時(shí)間，使鋼水中的夾雜物得到充分上浮。

⑶出鋼時(shí)鋼包內(nèi)加入一定量的稀土精煉合金，進(jìn)一步降低氣體含量、降低非金屬夾雜物、細(xì)化晶粒。

⑷把感應(yīng)爐澆注出的自耗電極棒進(jìn)行表面精整，利用真空電渣爐進(jìn)行重熔，生產(chǎn)出電渣錠。

⑸電渣重熔使用新型的CA73型37渣；充填比確定為0.48；采用合理的供電曲線進(jìn)行重熔，保證生產(chǎn)出的電渣錠最終P≤0.02%，S≤0.005%，并且保證電渣錠的結(jié)晶組織均勻致密。電渣重熔供電工藝曲線見圖1。

圖1 電渣爐的供電工藝曲線

⑹電渣錠脫模后立即用退火爐加熱到1260℃，保溫24小時(shí)，進(jìn)行材料的高溫均質(zhì)化處理，減少材料的成分偏析及組織偏析，細(xì)化晶粒，改善和提高材料的熱縮性。

2.3.2 高品質(zhì)盤型滾刀刀圈材料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

材料的化學(xué)成分見表3，氣量體含量見表4，非金屬夾雜物見表5，低倍組織見圖2，超聲波檢驗(yàn)結(jié)果見表6。

表3

表4

表5

表6

按GB/T 4162-2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)，合格級(jí)別A級(jí)，材料內(nèi)部無(wú)白點(diǎn)、氣泡、裂紋、夾雜及縮孔等缺陷。

經(jīng)過上述工藝方案研究開發(fā)出的高品質(zhì)盤型滾刀刀圈材料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果，完全能夠滿足生產(chǎn)適用于高硬巖層掘進(jìn)用的滾刀刀圈，用此材料生產(chǎn)出的刀圈表面硬度可以達(dá)到60－64 HRC，心部硬度 58－61 HRC，沖擊功 23 J;刀圈的金相組織為：細(xì)小針狀馬氏體＋及少量殘余奧氏體，金相圖見圖2。

3 總結(jié)

⑴合理的化學(xué)成分是材料具有優(yōu)良性能的先決條件，是開發(fā)具有更高硬度、耐磨性及韌性刀圈的基礎(chǔ)。通過對(duì)常規(guī)材料制作的刀圈在使用過程中失效原因的分析，研究和開發(fā)出了具有更高硬度、耐磨性及韌性的高品質(zhì)刀圈材料；

⑵鋼的熔煉工藝很大程度上影響材料的組織、材料的純凈度及有害夾雜物的含量，為了生產(chǎn)出高純凈度、超細(xì)晶粒度的鋼材，制定出了真空感應(yīng)爐熔煉＋真空電渣重熔的熔煉工藝；

⑶電渣爐生產(chǎn)的電渣錠，雖然組織及化學(xué)成分比較均勻，但仍存在一定程度的偏析，所以增加了對(duì)鋼材的高溫均質(zhì)化處理工藝，最大限度的降低組織及成分偏析。

吉林省隧道裝備有限公司開發(fā)出的高品質(zhì)滾刀刀圈，其硬度、耐磨性及韌性等均優(yōu)于國(guó)內(nèi)外其它品牌刀圈。

參考文獻(xiàn)：

[1]張占杰.高性能TBM滾刀刀圈材料及工藝的開發(fā)與應(yīng)用[D].太原科技大學(xué)，2013.

[2]林晏民.H13鋼電渣工藝對(duì)電耗影響的研究[J].南方金屬，2006(1).

[3]姚鳳祥，楊明.提高電渣錠表面質(zhì)量的控制措施[J].大型鑄鍛件，2007（6）.