淺談盾構機滾刀材料及其熱處理工藝

王磊 竇玉龍

摘 要： 盾構機作為一種隧道挖掘機，其特點是機械化跟自動化高，施工速度快和安全性高，并且大大節約人力。盾構機刀盤作為機器核心部件起到至關重要的作用，本文就盾構機滾刀材料和熱處理工藝進行探討，詳細分析在熱處理工藝條件下材料的組織和性能特點，為在不同的地質條件下合理的選擇合適的材料及熱處理方法，以下就是詳細說明。

關鍵詞： 盾構機；滾刀；材料；熱處理工藝

一、滾刀工作的介紹以及刀圈失效的原因

（一）滾刀的組成

滾刀由刀體、刀圈、擋圈、端蓋、軸承五大部分組成構成，刀圈是加熱到100～200攝氏度安裝到刀體上，可以隨時進行拆卸更替，擋圈是兩個半圓環，卡入刀體槽內焊成一個圓環。

（二）滾刀的工作原理

盾構機的基本工作原理就是一個圓柱體的鋼組件沿隧洞軸線邊向前推進邊對土壤進行挖掘。滾刀則安裝在盾構機前端，通過推力使其緊貼巖石表面，刀盤旋轉時，滾刀一邊隨著刀盤旋轉，一邊圍繞自身軸心進行旋轉。施工時，若盾構機推力小于巖石強度，會在巖石表面切出一系列同心圓溝槽；當盾構機推力大于巖石本身強度時，巖石會被直接切碎。盾構機破巖原理是將刀刃插入巖石，使巖石表面呈現放射性裂紋，隨后給滾刀施加推力，相鄰滾刀間巖石的裂就會紋延，從而變成碎片崩落，破巖完成。

（三）刀圈失效原因

刀圈失效主要有崩刃、斷刃和過量磨損三種可能性。在破巖工作時，由于刀圈不斷與巖石表面接觸，同時承受著刀盤的推力和扭矩以及巖石表面的摩擦和沖擊力，容易過量磨損。在特殊的環境下的破巖工作可能會加大對刀盤的侵蝕，從而導致斷刃。因為在刀盤與巖石沖擊摩擦的過程中會產生大量的熱量，工作后因為熱脹冷縮可能會導致金屬失去韌性崩刃。

二、刀圈材料的特點分析

盾構刀圈制造流程為下料-鍛造-軟化退火-機械加工-淬火回火-精加工。材料應滿足以下幾點：需要具有足夠高屈服強度，以應對刀刃端因為高應力而發生變形；需要有較高的硬度，提高耐磨性，增強使用壽命；需要有較高的韌性，保證工作時刀圈不會斷裂和崩刃；需要有良好的抗回火性能，這樣提高材料的熱穩定性，從而確保刀圈在摩擦生熱中不變形、硬度降低減少；需要高的熱加工和冷加工性能，這樣制造方便且成本相對較低[2]。以下是刀圈材料成分表：

從表格可以看出，刀圈材料含碳量大多數為0.4%-0.6%，含碳量較高的刀圈在熱處理之后硬度會大大提高，從而延長其使用壽命。常用刀圈材料中含量比較高的元素有Cr、Mo、Ni、W、V等，目的是提高材料熱處理時的淬透性和硬度均勻性，從而進一步提高回火抗力和全相組織熱穩定性。

三、材料熱處理工藝

刀圈材料淬火回火的金相組織由貝氏體、回火馬氏體、碳化物和剩余奧氏體四部分組成，通過研究選擇材料的特性，選擇適合的熱處理溫度，合理的回火次數，從而細化材料的全相組織，以提高刀圈材料的韌性。

鋼材淬火形成馬氏體后，在回火過程中溫度越高，硬度和強度就越低，塑性和韌性越強。但在某些情況下，一定溫度區間內回火韌性指數會隨著回火溫度變化出現低值，從而出現回火脆性。在鋼回火過程中，會出現兩種脆性：一種為在淬火馬氏體溫度為200-400℃中出現，這種脆性大多出現在碳鋼跟合金鋼中，此回火脆性與冷卻速度無關，就算是回火很快冷卻或者在加熱到一定溫度范圍內也無法避免，這種稱為不逆回火脆性。另一種脆性出現在一些合金結構鋼中，在高于600℃的溫度下加熱回火后，并在450-550℃溫度范圍內緩慢冷卻發生脆化；或者是在450-550℃范圍內直接加熱回火發生脆化。這種脆性可以通過600℃以上溫度進行加溫處理，在快速冷卻的方式解處理，這種脆性為逆回火脆性[1]。

以4Cr5MoSiV1為例，作為刀圈制造中比較常見的材料之一，其特點是鉻含量較多，淬透性較好，回火抗力和抗氧化性都比較高[4]。但是模鍛時鍛造溫度區間范圍比較窄，需要嚴格把控鍛造時間，模鍛加熱需要控制在1120-1150℃，開始鍛造溫度在1080-1120℃之間，結束時溫度不能于850℃，否則鋼材會產生裂紋，結束后需要緩慢冷卻并且及時退火。普通退火工藝為845～880℃×2～4h，然后緩冷到500℃左右出爐。而4Cr5MoSiVl為860℃±10℃×2h，降溫到750℃±10℃×4h，500℃左右出爐。淬火加熱時溫度需控制在1020～1050℃，空冷或油冷材料的硬度為HRC55～58。淬火組織由細針和隱針馬氏體、未溶的碳化物和殘余奧氏體組成，需適當的回火提高韌性[3]。淬火后因為合金元素含量較高所以需要進行三次回火，淬火后全相組織中殘余奧氏體含量較高、硬度偏低，淬火后第一次回火可促使部分奧氏體的分解，未分解的奧氏體會轉變為二次馬氏體；第二次回火可以使奧氏體進一步分解，減小奧氏體含量；第三次回火可再一次減少奧氏體含量，進一步提高材料硬度和組織穩定性[5]。

絕大多數刀圈材料經過熱處理后表面硬度可以達到HRC56-60，心部硬度可以達到HRC50-56，在這個硬度區間可以承受較大沖擊力。合理利用淬火回火工藝可以提高刀圈的使用壽命。

總結：盾構機在隧道掘進中發揮著至關重要的作用，是衡量一個國家裝備制造業水平高低的關鍵設備之一，盾構機刀盤的質量直接影響著整個機器乃至整個工程的質量，由于盾構機需要不斷的對巖石進行掘進，所以其刀圈需要具有較強韌性和耐磨損性，以應對盾構機和巖石沖擊力，材料中較高的含碳量和其他必要元素的加入可提升材料的整體硬度跟韌性；在材料熱處理時，材料需要有較高的抗回火性能，提高其熱穩定性，避免回火溫度不合適而造成的材料脆化。

參考文獻

[1]黃旭.盾構機刀盤選型及刀具強度分析[J].傳動技術，2018（02）：28-33.

[2]楊明，熊計，郭智興，萬維財.國內外盾構機刀盤和刀具研究現狀概況[J].工具技術，2013，47（04）：8-11.

[3]黃丙慶.盾構機刀盤設計參數的適應性研究[D].天津大學，2009.

[4]宋云.盾構機刀盤選型及設計理論研究[D].西南交通大學，2009.

[5]李仕宏，呂志峰，劉富來，陸金仁.盾構機用滾刀刀圈材料的分析[J].鑿巖機械氣動工具，2013（04）：34-41.