一種盾構刀具應用鐵基復合材料的理論淺析

梁君寧，劉宏勛，霍志春

（河北豐維機械制造有限公，河北 邢臺 054500）

0 引言

隨著一帶一路戰略的成功推進，地鐵，隧道等盾構機施工工程不斷增多，盾構施工面對的地質條件越來越復雜，盾構機的刀具選型和刀具的材質選擇也變得越來越重要[1]。

盾構機的主要組成部分包括盾殼、刀盤及刀具、刀盤驅動、推進系統、管片拼裝機、排土機構、后配套裝置、電氣系統和輔助設備等。盾構機在施工過程中，通過刀盤上的盾構刀具對前方巖土進行壓裂、刮削，刀具性能和壽命制約著盾構機的掘進效率，刀具質量的好壞直接影響盾構機工作效率。盾構刀具根據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，盾構刀具是盾構機主要易損部件之一，刀具成本占到盾構機成本三分之一。

1 盾構刀具性能要求

盾構機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。盾構滾刀的結構示意圖見圖1。

圖1 盾構滾刀結構

盾構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應力破壞，與刀圈材質性能直接相關。遇到巖石的單軸抗壓強度較高，刀圈的自身硬度、前度和剛度比較低時，容易出現刀圈斷裂。沉積巖的抗壓強度一般在51～55MPa。所以刀圈材料需要具有高硬度、高強度及良好的沖擊韌性。盾構切刀失效形式主要是磨損。主要原因是盾構機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，在盾構機推進中摩擦阻力增大，對切刀的磨損會比較嚴重。盾構滾刀的刀圈承受嚴重的沖擊載荷和磨料磨損，因此選用刀圈的材料應具有較高的屈服強度，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。切刀的材質應具有足夠的硬度，提高耐磨性。

2 盾構刀具材料存在的問題

滾刀用鋼在高強度情況下存在韌性不足、制造成本高等缺點[2]。刀圈材料應用較多的是硬質合金H13。硬質合金具有較高的硬度和強度，耐磨性好，可以焊接在盾構機刀具上，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，保證盾構施工的長距離掘進，降低施工成本。但是硬質合金具H13鋼淬火后硬度達到55HRC。其化學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Mo含量會提高材料的強度。

3 鐵基復合材料的性能

復合材料是由兩種或兩種以上材料，即基體材料和增強材料復合而成的一種多相材料[3]。復合材料可根據材料使用性能和環境要求進行設計，選擇不同的基體和增強材料和制造工藝，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。鐵基復合材料是依據基體材料分類的一種復合材料。很多學者和企業展開了鐵基復合材料的研究與研制，獲得了各種高性能鐵基復合材料。

魏俊哲等采用原生反應的方法獲得了NbC增強鐵基復合材料，認為NbC陶瓷顆粒形貌為標準的立方體，NbC/Fe陶瓷層的顯微硬度是鐵基體的3～4倍[4]。燒結高鉻鑄鐵基體在鑄造過程中發生重熔，與鑄造高鉻鑄鐵基體呈冶金結合，耐磨性能達到高鉻鑄鐵的3倍以上。將該復合材料應用于制備磨輥件，經過5000h服役，柱狀區和復合區在磨輥半徑方向上的磨損量分別為8.2mm、5.9mm，預計壽命可達到高鉻鑄鐵磨輥的2倍以上[5]。

刀具材質采用鐵基復合材料硬度達到60HRC；與傳統鋼鐵材料比較，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，鐵基復合材料優于相應的鑄鐵材料。

4 鐵基復合材料的制備

鐵基復合材料的制備方法在理論學界與工業生產中已經取得長足進步，主要由連續澆注外層成形法、粉末冶金法、電渣重熔法、鑄造法、離心鑄造法和原位反應合成法等各種制備工藝方法。以鐵基復合材料制備在國家專利局網站上就搜索出發明專利30多條。

在鐵基復合材料的鑄造法制造過程中，基體中由加入的相應元素之間的反應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生成。顆粒增強物在真空狀態下與液態金屬均勻快速的融合，減少顆粒物的析出現象，使顆粒物均勻分布在金屬中，提高復合材料性能[6]。增強顆?？梢砸怨簿У姆绞綇幕w中凝固析出，原位合成復合材料中基體與增強材料間的相容性好，界面干凈、結合牢固，特別當增強材料與基體有共格或半共格關系時，能非常有效的傳遞應力，界面上不生成有害的反應產物，制備的復合材料具有優異的性能。

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

5 結語

經過研究分析，可以根據盾構刀具需要的性能，設計增強材料的組分，獲得具備足夠的硬度和耐磨性能復合材料，應用在盾構機刀具上能夠滿足性能要求，提高刀具壽命，降低盾構機成本。