高品質TBM滾刀刀圈材料及生產工藝

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

全斷面隧道掘進機（TBM）廣泛應用于隧道工程的建設中。掘進機在掘進過程中，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，通過碾壓作用對巖石進行破碎。滾刀刀圈是TBM施工的關鍵部件和易損部件，在施工過程中工作環境惡劣，消耗量極大，且因刀具失效而造成頻繁停機換刀，增加了施工成本，減慢了施工進度。為減少停機換刀次數，降低刀圈的消耗，吉林省維爾特隧道裝備有限公司開發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，同時又經受巖石中硬礦物相的劇烈摩擦，因此，在掘進過程中會經常發生刀圈失效現象。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，但歸結起來主要與刀圈材料的硬度、耐磨性和沖擊韌性有關。刀圈在工作過程中與堅硬的巖石發生相互間的碰撞、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象的發生，從而提高TBM掘進速度。

2 盤型滾刀刀圈材料

2.1 常用刀圈材料

目前國內外滾刀刀圈的材料主要選用熱作模具鋼，部分企業采用冷作模具鋼制作刀圈。無論采用何種鋼都必須要具備：足夠高的硬度、較高的屈服強度、良好的沖擊韌性和良好的抗回火能力，以此來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；刀圈材料還應該具有良好的熱加工和冷加工性能。國內外常用滾刀刀圈材料化學成分見表1。采用表1中材料加工生產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 國內外常用刀圈材料化學成分（%）

2.2本課題刀圈材料

高性能材料的開發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。常用刀圈材料化學成分中：碳（C）是鋼中最有效的強化元素之一，起到顯著的固溶強化作用；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，是強碳化物形成元素，回火時起到二次硬化作用，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大、細化晶粒，回火時形成碳化物有效強化基體、增強抗磨損能力和延展性；鈷（Co）能提高材料的高溫強度，與鉬同時加入時在回火過程中促進鉬碳化物的析出，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。

通過對國內外常用刀圈材料的研究及對各種元素在鋼中的不同作用的研究和分析，在4Cr5MoSiV1的基礎上，適當調整各元素的含量，再補加一定量的金屬鈷，從而開發出了一種高品質TBM滾刀刀圈材料，其化學成分見表2。

2.3 熔煉工藝

表2 新刀圈材料化學成分

滾刀刀圈的疲勞失效，是裂紋產生、擴展導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，非金屬夾雜物會破壞金屬的連續性，引起應力集中，導致鋼材的各相異性。為了提高刀圈材料的質量和使用性能，提高材料的純凈度、盡量降低有害元素P和S的含量、細化晶粒、降低組織及成分偏析，采用了真空感應爐＋真空電渣重熔的熔煉工藝。

2.3.1 真空感應爐熔煉＋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，并對入爐前的廢鋼料全部進行噴砂處理及烘烤，使入爐廢鋼料保證干燥、表面無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含量。

⑵感應爐出鋼前化學成分的百分含量控制在規定范圍，嚴格控制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確保充分的鎮靜時間，使鋼水中的夾雜物得到充分上浮。

⑶出鋼時鋼包內加入一定量的稀土精煉合金，進一步降低氣體含量、降低非金屬夾雜物、細化晶粒。

⑷把感應爐澆注出的自耗電極棒進行表面精整，利用真空電渣爐進行重熔，生產出電渣錠。

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行重熔，保證生產出的電渣錠最終P≤0.02%，S≤0.005%，并且保證電渣錠的結晶組織均勻致密。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，進行材料的高溫均質化處理，減少材料的成分偏析及組織偏析，細化晶粒，改善和提高材料的熱縮性。

2.3.2 高品質盤型滾刀刀圈材料的各項技術指標檢測結果

材料的化學成分見表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，超聲波檢驗結果見表6。

表3

表4

表5

表6

按GB/T 4162-2008標準進行超聲波檢驗，合格級別A級，材料內部無白點、氣泡、裂紋、夾雜及縮孔等缺陷。

經過上述工藝方案研究開發出的高品質盤型滾刀刀圈材料的各項技術指標檢測結果，完全能夠滿足生產適用于高硬巖層掘進用的滾刀刀圈，用此材料生產出的刀圈表面硬度可以達到60－64 HRC，心部硬度 58－61 HRC，沖擊功 23 J;刀圈的金相組織為：細小針狀馬氏體＋及少量殘余奧氏體，金相圖見圖2。

3 總結

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

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，為了生產出高純凈度、超細晶粒度的鋼材，制定出了真空感應爐熔煉＋真空電渣重熔的熔煉工藝；

⑶電渣爐生產的電渣錠，雖然組織及化學成分比較均勻，但仍存在一定程度的偏析，所以增加了對鋼材的高溫均質化處理工藝，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出的高品質滾刀刀圈，其硬度、耐磨性及韌性等均優于國內外其它品牌刀圈。

參考文獻：

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