唐歡,杜水明
(株洲鉆石鉆掘工具有限公司,湖南 株洲 412000)
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。
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。
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。
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。
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。
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]。
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。
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
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
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.