唐歡，杜水明

（株洲鉆石鉆掘工具有限公司，湖南 株洲 412000）

1 前言

H13E鋼因其具有良好的熱強(qiáng)性、紅硬性、較高的韌性和抗熱疲勞性能，因而非常適用于制造盾構(gòu)滾刀刀圈。文獻(xiàn)[1]對(duì)滾刀的失效形式及H13鋼刀圈胚做了簡(jiǎn)要分析，文獻(xiàn) [2-3]對(duì)刀圈用5Cr5MoSiV1鋼的熱處理特性及熱處理工藝進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[4]介紹了國內(nèi)外刀圈4Cr5 MoSiV1、40CrNiMo、5Cr5MoSiV、50CrMoV、6Cr4Mo2W2V、9Cr2Mo等材料的化學(xué)成分及熱處理工藝。

由于H13鋼刀圈在盾構(gòu)掘進(jìn)中存在不耐磨、開裂、崩裂等問題，本文通過對(duì)H13鋼的缺點(diǎn)進(jìn)行剖析，并對(duì)改善成分后的H13E鋼的性能進(jìn)行分析和研究，在此基礎(chǔ)上提出一套全面提升H13E材質(zhì)刀圈性能的熱處理工藝。

2 H13E鋼的鍛造及預(yù)備熱處理

金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學(xué)熱處理三大類。根據(jù)加熱介質(zhì)、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類又可區(qū)分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。

2.1 鍛造

H13E鋼是在國產(chǎn)4Cr5MoSiV1基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種全新特鋼。H13E鋼采用了較先進(jìn)的生產(chǎn)工藝技術(shù)，鋼質(zhì)純凈，組織均勻，偏析輕微，等向性好，具有更高的韌性及熱疲勞性能。實(shí)驗(yàn)表明，H13E鋼改鍛后刀圈壽命與改鍛前基本相當(dāng)，因此改鍛意義不大[5]。但對(duì)H13E鋼必須進(jìn)行改鍛，以擊碎大塊非金屬夾雜物，消除碳化物偏析，從而獲得均勻的微觀組織和良好的力學(xué)性能，達(dá)到提高刀圈壽命的目的。

H13E鋼含碳量明顯比4Cr5MoSiV1高，而且合金元素含量高，導(dǎo)熱性差，共晶溫度又較低，易引起過燒。因此，加熱時(shí)要控制好爐溫，且加熱要緩慢均勻。對(duì)于直徑≥φ200 mm的坯料，應(yīng)先在800～900℃區(qū)間預(yù)熱，然后再加熱至始鍛溫度1060～1180℃，使得材料充分奧氏體化。預(yù)熱加熱速度為1.2～1.5 mm/min，高溫加熱速度為0.8～1 mm/min。為保證加熱均勻，坯料在爐膛內(nèi)要翻轉(zhuǎn)180°不少于3次。鍛造時(shí)，采用“二輕一重”鍛造法，進(jìn)行多次拔長鐓粗[6]，總鍛造比≥3，各工序鐓粗比≥2。

2.2 預(yù)備熱處理

H13E鋼常規(guī)預(yù)備熱處理工藝為鍛后球化退火，目的是均勻組織、降低硬度，改善切削性能。由于合金元素的影響，H13E鋼本質(zhì)上為過共析鋼，一般采用等溫球化退火。H13E鋼等溫球化退火工藝為：加熱至845～900℃保溫1 h+l mim/mm，爐冷至720～740℃等溫2 h+l min/mm，隨爐冷至500℃以下出爐空冷，組織為粒狀珠光體[7]（見圖 la），硬度≤250HBS。

H13E鋼通過擴(kuò)散退火及球化退火，能消除一次碳化物，改善偏析，使二次碳化物呈球狀均勻分布在鐵素體基體上，這種微觀組織能顯著提高鋼的橫向沖擊韌性。試驗(yàn)表明，H13E鋼經(jīng)高溫均勻化處理，橫向沖擊功超過95 J，淬火回火態(tài)沖擊功超過23 J，其沖擊功較未擴(kuò)散退火處理的材料提高1倍以上，達(dá)到或接近4Cr5MoSiV1鋼的水平[8]（其沖擊功分別為78 J和23 J）。文獻(xiàn)[9]介紹，H13E鋼通過1060℃×100min油冷+920℃×6 h爐冷+760℃×8 h爐冷的擴(kuò)散退火加球化退火的預(yù)備熱處理，然后經(jīng)常規(guī)淬火+回火處理，模具具有較高的硬度及沖擊韌性和最佳的使用壽命。雖然該工藝時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本稍有增加，但結(jié)合使用壽命對(duì)成本的重要影響考慮，該項(xiàng)工藝成本還是最低的。

H13E鋼也可采用調(diào)質(zhì) （1160℃淬火+720℃回火）代替球化退火[10]。研究表明，隨著奧氏體化溫度升高，H13E鋼硬度及斷裂韌性升高，但沖擊韌性下降。若采用調(diào)質(zhì)作為預(yù)備熱處理，可在幾乎不降低沖擊韌性的條件下得到最大的斷裂韌性，有利于提高H13E刀圈的抗疲勞性能，硬度值也有所提高。

3 H13E鋼的熱處理工藝

盾構(gòu)刀圈的制造工藝一般為：下料——鍛造——球化退火——機(jī)械加工——熱處理——精加工。本文主要針對(duì)刀圈的整體熱處理工藝，包括：退火、正火、淬火和回火四種基本工藝進(jìn)行介紹。

3.1 淬火

H13E鋼淬火工藝一般要進(jìn)行兩次預(yù)熱[7]：第一次為 650℃×(30 min+l min/mm)，第二次為850℃×(10 min+0.5 min/mm)，達(dá)到預(yù)熱溫度后，再升溫至奧氏體化溫度，避免造成過大的熱應(yīng)力，防止變形開裂，并能有效地促進(jìn)奧氏體均勻化。

H13E鋼較合適的淬火溫度[7]為1060℃×(20～25 s/mm)。淬火后組織為淬火馬氏體 （見圖ld）。對(duì)于盾構(gòu)刀圈，要求紅硬性高，可采用上限溫度淬火。對(duì)于盾構(gòu)刀圈，要求良好的強(qiáng)韌性及耐磨性，可采用下限溫度淬火。H13E鋼淬火加熱后要在高溫時(shí)立即淬火，不宜停留時(shí)間太長，否則過冷奧氏體在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)緩冷時(shí)會(huì)從中直接析出碳化物，使沖擊韌性下降[10]。

3.2 回火

H13E鋼淬火后冷至100℃左右應(yīng)立即回火并回火二次以上。425～500℃為回火脆性區(qū)，為避免該溫度區(qū)間，一次回火溫度一般為520～540C。一次回火后的組織為回火馬氏體 （見圖lb）。二次回火溫度選擇一般取決于刀圈的工作條件及硬度要求。對(duì)于不同巖層選擇不同硬度的刀圈，二次回火溫度根據(jù)不同的地質(zhì)刀圈硬度要求而不同。二次回火后的組織為回火馬氏體+少量索氏體（見圖lc）。硬度是確定回火溫度的重要依據(jù)，具體關(guān)系見表1所示。

圖1 H13E不同熱處理工藝后微觀組織

表1 H13E刀圈回火溫度與硬度的關(guān)系[9]

一般刀圈的硬度要求為56～58 HRC，硬度越高，熱疲勞性能越好，但韌性變差，一般取硬度≤58HRC，最佳為55HRC。對(duì)于熱疲勞性能要求高的可取上限58 HRC；對(duì)于韌性要求高的可取下限55HRC。大尺寸刀圈淬火后難以得到高硬度，同時(shí)為保證韌性，硬度一般取下限。

采用H13E鋼制作的刀圈，由于其成分偏析，經(jīng)常規(guī)處理后會(huì)出現(xiàn)回火不足及殘余奧氏體帶狀組織，導(dǎo)致熱疲勞性能下降，使刀圈出現(xiàn)早期破壞。適當(dāng)提高回火溫度(600℃)可消除帶狀組織。因此采用常規(guī)處理工藝時(shí)，設(shè)計(jì)硬度指標(biāo)可提高2～3 HRC，以便降低回火溫度。改鍛后經(jīng)過擴(kuò)散退火及球化退火預(yù)備熱處理，能夠改善帶狀組織，提高性能。

3.3 退火

H13E鋼淬透性良好，在硬度為60～62 HRC時(shí)，沖擊韌性極低，脆性極高。鑒于國內(nèi)盾構(gòu)施工刀圈異常失效形式多為開裂和崩刃，對(duì)H13E鋼制刀圈進(jìn)行硬度梯度化處理，能有效改善刀圈的使用性能。

（1）退火刀圈內(nèi)圈退火工藝

H13E內(nèi)圈采用局部加熱的辦法，使得內(nèi)圈表面溫度達(dá)到840-860℃，迅速放進(jìn)回火爐回火4h，回火溫度520±10℃。實(shí)測(cè)后刀圈內(nèi)表面硬度45-50HRC，能達(dá)到較為理想的狀態(tài)。

（2）退火刀圈的性能

鋼制刀圈硬度一般控制在55-58 HRC，刀圈硬度高，則其抗沖擊能力下降、耐磨性略有提升。因此在硬質(zhì)巖或軟硬極不均勻的巖層采用下限硬度刀圈，提高刀圈的抗崩刃能力；在強(qiáng)風(fēng)化等軟質(zhì)巖層采用上限硬度刀圈，體現(xiàn)其耐磨性。

梯度化刀圈能確保刀圈刃部具有極高的硬度60-62HRC（見圖2），這種硬度能有效對(duì)抗外部極其惡劣的工作環(huán)境（即石英砂含量極高的地層）。同時(shí)內(nèi)圈部位的硬度為45-50HRC，這樣的硬度能保證極好的抗沖擊性能，有效吸收外界沖擊力，防止刀圈整體開裂和崩刃。中部硬度為53-58 HRC，自由過渡，呈梯度變化，這樣當(dāng)遇到石英砂含量較高時(shí)，需要刀圈既具備良好耐磨性同時(shí)地層含有孤石漂石需要刀圈具備優(yōu)良抗沖擊韌性的時(shí)候，這種刀圈的優(yōu)勢(shì)就凸顯出來。同時(shí)在盾構(gòu)大推力大貫入度情況下也不容易出現(xiàn)刀圈開裂的現(xiàn)象。

圖2 梯度刀圈示意圖

4 工程應(yīng)用

案例一：在中鐵三局南京地鐵項(xiàng)目中，線路呈S形曲線，最大坡度為30‰，最小坡度為3‰。區(qū)間最大埋深約22.8米，最小埋深約8.4米。采用兩臺(tái)直徑為φ6420德國產(chǎn)海瑞克復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，刀具配置見表1。地質(zhì)情況為全斷面砂巖，夾雜少量砂卵石，巖石單軸抗壓強(qiáng)度為30-50 MPa，石英含量高達(dá)85%，普通刀圈硬度56-57 HRC，掘進(jìn)距離為60-80環(huán)。而采用特制梯度刀圈 （刃口硬度60-62 HRC）實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)距離220環(huán)的成績，未出現(xiàn)崩刃和開裂的現(xiàn)象。

普通刀圈在遇到砂卵石地層的強(qiáng)力磨損和沖擊后，出現(xiàn)了刀圈不耐磨，刀圈崩刃及刀圈開裂三種問題（見圖3）。且這三種問題導(dǎo)致的滾刀失效比例超過60%，梯度化熱處理刀圈的使用效果良好，很大程度上提高了滾刀使用壽命（見圖4）。

案例二：在莞穗城際中鐵十八局項(xiàng)目中，采用德國海瑞克直徑8.83 m土壓平衡盾構(gòu)，區(qū)間隧道最大線路縱坡為30‰，隧道頂部最小埋深8.6 m，最大埋深40 m，地層軟硬不均非常嚴(yán)重，多處出現(xiàn)掘進(jìn)掌子面上部為全風(fēng)化花崗巖，下部為中微風(fēng)化花崗巖的情況，巖石最大抗壓強(qiáng)度140 MPa，隧道上方有民屋、河道、繁華市區(qū)高層建筑物等，存在著巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。施工中采用新型梯度刀圈有效解決了刀圈崩塊和開裂現(xiàn)象，保證了工程安全，刀具布置見表2。

由圖5、圖6可以看出：通過梯度化熱處理，刀圈崩刃及刀圈開裂現(xiàn)象較標(biāo)準(zhǔn)刀圈明顯改善。

表1 刀具配置表

圖3 標(biāo)準(zhǔn)刀圈使用后效果

圖4 梯度刀圈使用后效果

表2 刀具配置表

圖5 標(biāo)準(zhǔn)刀圈使用后效果

圖6 梯度刀圈使用后效果

5 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超大直徑、超長距離隧道盾構(gòu)掘進(jìn)施工越來越多，刀具的正常使用是順利、安全施工的保證。由于盾構(gòu)機(jī)復(fù)雜的工作環(huán)境，采用梯度刀圈可有效解決刀具過早失效問題，但仍應(yīng)繼續(xù)針對(duì)熱處理設(shè)備、工裝進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)工藝方法進(jìn)行改進(jìn)，尋求一條更為簡(jiǎn)潔、穩(wěn)定的途徑，實(shí)現(xiàn)刀圈硬度梯度化分布的特性。在我國熱處理及材料落后于西方的現(xiàn)實(shí)情況下，實(shí)現(xiàn)另辟蹊徑，異曲同工。

參考文獻(xiàn)：

[1]張占普，杜文華等.盾構(gòu)滾刀的實(shí)效分析及H13E刀圈坯新材料[J].河北冶金，2011(10)：16-18.

[2]陳磊.TBM滾刀刀圈用5Cr5MoSiVl鋼的熱處理特性研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2012.

[3]白小波.具有硬度梯度的刀圈材料的熱處理工藝研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2012.

[4]程巨強(qiáng)，盾構(gòu)滾刀材料及其熱處理工藝[J].建筑機(jī)械，2015(2)：96-99.

[5]于廣洋.H13鋼模坯取消改鍛工藝試驗(yàn)[J].輕合金加工技術(shù)，1998，26(3)：30-34.

[6]黃春峰.新型熱作模具鋼H13的熱加工工藝研究[J].緞壓技術(shù)，1995(2)：8-13.

[7]朱宗元.我國熱作模具鋼性能數(shù)據(jù)集（續(xù)Ⅺ）[J].機(jī)械工程材料，2001，25(12)：36-40.

[8]唐文軍，吳曉春，閔永安，等，高溫均勻化對(duì)H13鋼強(qiáng)韌性的影響[J].上海金屬，2002，24(2)：14-17.

[9]李茅坪.H13鋼的熱處理改進(jìn)[J].金屬熱處理，2003(3)：56-59.

[10]黃春峰.國外新型熱作模具鋼及其熱處理[J].模具技術(shù)，2000(3)：89-93.