梁君寧，劉宏勛，霍志春

（河北豐維機(jī)械制造有限公，河北 邢臺 054500）

0 引言

隨著一帶一路戰(zhàn)略的成功推進(jìn)，地鐵，隧道等盾構(gòu)機(jī)施工工程不斷增多，盾構(gòu)施工面對的地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，盾構(gòu)機(jī)的刀具選型和刀具的材質(zhì)選擇也變得越來越重要[1]。

盾構(gòu)機(jī)的主要組成部分包括盾殼、刀盤及刀具、刀盤驅(qū)動、推進(jìn)系統(tǒng)、管片拼裝機(jī)、排土機(jī)構(gòu)、后配套裝置、電氣系統(tǒng)和輔助設(shè)備等。盾構(gòu)機(jī)在施工過程中，通過刀盤上的盾構(gòu)刀具對前方巖土進(jìn)行壓裂、刮削，刀具性能和壽命制約著盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率，刀具質(zhì)量的好壞直接影響盾構(gòu)機(jī)工作效率。盾構(gòu)刀具根據(jù)功能分為滾刀和切刀兩類，滾刀用于破巖，切刀主要適用于軟土地層和配合滾刀破巖，盾構(gòu)刀具是盾構(gòu)機(jī)主要易損部件之一，刀具成本占到盾構(gòu)機(jī)成本三分之一。

1 盾構(gòu)刀具性能要求

盾構(gòu)機(jī)在破巖時刀圈不僅承受很大的徑向破巖力，同時又受到巖石硬礦物的劇烈磨損。盾構(gòu)滾刀的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 盾構(gòu)滾刀結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)滾刀失效形式主要有：刀圈斷裂或崩角，刀圈偏磨、刀具竄動和軸承損壞。其中刀圈偏磨、刀具竄動和軸承損壞可以通過軸承選擇、裝配工藝提高和使用操作予以解決。但是刀圈斷裂或崩角主要包括沖擊疲勞斷裂和內(nèi)應(yīng)力破壞，與刀圈材質(zhì)性能直接相關(guān)。遇到巖石的單軸抗壓強(qiáng)度較高，刀圈的自身硬度、前度和剛度比較低時，容易出現(xiàn)刀圈斷裂。沉積巖的抗壓強(qiáng)度一般在51～55MPa。所以刀圈材料需要具有高硬度、高強(qiáng)度及良好的沖擊韌性。盾構(gòu)切刀失效形式主要是磨損。主要原因是盾構(gòu)機(jī)穿越地層主要是粘土砂，其中夾雜的粗砂、礫砂、卵石、砂性土摩擦阻力大，滲透性強(qiáng)，在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)中摩擦阻力增大，對切刀的磨損會比較嚴(yán)重。盾構(gòu)滾刀的刀圈承受嚴(yán)重的沖擊載荷和磨料磨損，因此選用刀圈的材料應(yīng)具有較高的屈服強(qiáng)度，足夠高的硬度，有利于提高耐磨性；具有良好的沖擊韌性，可防止刀圈工作時的斷裂和崩刀；具有良好的抗回火性能；還應(yīng)該具有好的熱加工和冷加工性能，材料成本相對較低、制造方便等。切刀的材質(zhì)應(yīng)具有足夠的硬度，提高耐磨性。

2 盾構(gòu)刀具材料存在的問題

滾刀用鋼在高強(qiáng)度情況下存在韌性不足、制造成本高等缺點(diǎn)[2]。刀圈材料應(yīng)用較多的是硬質(zhì)合金H13。硬質(zhì)合金具有較高的硬度和強(qiáng)度，耐磨性好，可以焊接在盾構(gòu)機(jī)刀具上，用作切刀如齒刀、刮刀和先行刀，也可以鑲嵌在滾刀刀圈上，增加刀具的耐磨性，保證盾構(gòu)施工的長距離掘進(jìn)，降低施工成本。但是硬質(zhì)合金具H13鋼淬火后硬度達(dá)到55HRC。其化學(xué)成分直接影響材料性能。有資料表明鋼中的C的含量不能太低，均勻分布的殘留合金碳化合物和回火馬氏體組織決定著鋼的性能。含5%的Cr的H13鋼具有高的韌度，提高M(jìn)o含量會提高材料的強(qiáng)度。

3 鐵基復(fù)合材料的性能

復(fù)合材料是由兩種或兩種以上材料，即基體材料和增強(qiáng)材料復(fù)合而成的一種多相材料[3]。復(fù)合材料可根據(jù)材料使用性能和環(huán)境要求進(jìn)行設(shè)計，選擇不同的基體和增強(qiáng)材料和制造工藝，即按需制造，獲得的特定的性能。滿足使用需要的剛度、硬度、抗疲勞性能。鐵基復(fù)合材料是依據(jù)基體材料分類的一種復(fù)合材料。很多學(xué)者和企業(yè)展開了鐵基復(fù)合材料的研究與研制，獲得了各種高性能鐵基復(fù)合材料。

魏俊哲等采用原生反應(yīng)的方法獲得了NbC增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料，認(rèn)為NbC陶瓷顆粒形貌為標(biāo)準(zhǔn)的立方體，NbC/Fe陶瓷層的顯微硬度是鐵基體的3～4倍[4]。燒結(jié)高鉻鑄鐵基體在鑄造過程中發(fā)生重熔，與鑄造高鉻鑄鐵基體呈冶金結(jié)合，耐磨性能達(dá)到高鉻鑄鐵的3倍以上。將該復(fù)合材料應(yīng)用于制備磨輥件，經(jīng)過5000h服役，柱狀區(qū)和復(fù)合區(qū)在磨輥半徑方向上的磨損量分別為8.2mm、5.9mm，預(yù)計壽命可達(dá)到高鉻鑄鐵磨輥的2倍以上[5]。

刀具材質(zhì)采用鐵基復(fù)合材料硬度達(dá)到60HRC；與傳統(tǒng)鋼鐵材料比較，刀具材料表面耐磨性能提高10倍；在耐磨性、高溫性能及抗疲勞性能方面，鐵基復(fù)合材料優(yōu)于相應(yīng)的鑄鐵材料。

4 鐵基復(fù)合材料的制備

鐵基復(fù)合材料的制備方法在理論學(xué)界與工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)取得長足進(jìn)步，主要由連續(xù)澆注外層成形法、粉末冶金法、電渣重熔法、鑄造法、離心鑄造法和原位反應(yīng)合成法等各種制備工藝方法。以鐵基復(fù)合材料制備在國家專利局網(wǎng)站上就搜索出發(fā)明專利30多條。

在鐵基復(fù)合材料的鑄造法制造過程中，基體中由加入的相應(yīng)元素之間的反應(yīng)或合金固溶體中的某種組分中與加入元素或化合物之間的反應(yīng)生成。顆粒增強(qiáng)物在真空狀態(tài)下與液態(tài)金屬均勻快速的融合，減少顆粒物的析出現(xiàn)象，使顆粒物均勻分布在金屬中，提高復(fù)合材料性能[6]。增強(qiáng)顆?？梢砸怨簿У姆绞綇幕w中凝固析出，原位合成復(fù)合材料中基體與增強(qiáng)材料間的相容性好，界面干凈、結(jié)合牢固，特別當(dāng)增強(qiáng)材料與基體有共格或半共格關(guān)系時，能非常有效的傳遞應(yīng)力，界面上不生成有害的反應(yīng)產(chǎn)物，制備的復(fù)合材料具有優(yōu)異的性能。

北京交通大學(xué)的邱勇等提出了“隨流混合+高壓復(fù)合”技術(shù)，并采用此方法成功制備了復(fù)合效果良好的ZTA/KmTBCr26抗磨復(fù)合材料，提高了復(fù)合材料的耐磨性能[7]。

5 結(jié)語

經(jīng)過研究分析，可以根據(jù)盾構(gòu)刀具需要的性能，設(shè)計增強(qiáng)材料的組分，獲得具備足夠的硬度和耐磨性能復(fù)合材料，應(yīng)用在盾構(gòu)機(jī)刀具上能夠滿足性能要求，提高刀具壽命，降低盾構(gòu)機(jī)成本。