冷作鋼7Cr5Mo2MnVSi在盾構機滾刀中的應用研究

蘇 薇，劉偉峰

冷作鋼7Cr5Mo2MnVSi在盾構機滾刀中的應用研究

蘇 薇1，劉偉峰2

（1.河南機電職業學院，河南 鄭州 451191；2.壹勝百模具有限公司，北京 102600）

文章介紹了德國和瑞典兩種不同品牌鋼在盾構機滾刀上的工程應用試驗，結果表明，瑞典材料7Cr5Mo2MnVSi（冷作鋼）表現出優良的耐磨性能，突破了盾構機刀圈用熱作鋼的工程慣例，是制造硬巖刀圈的理想材料之一。當然，冷作鋼7Cr5Mo2MnVSi呈現出的優良的力學性能與其材料成分、加工工藝和熱處理工藝是密切相關的，論文詳細介紹了瑞典材料7Cr5Mo2MnVSi獨特的熱處理工藝和加工工藝，為我國制造刀圈提供了參考和借鑒。

盾構機滾刀；冷作鋼；耐磨性；刀圈

前言

目前，我國城市軌道交通行業發展如火如荼，特別是近幾年一直保持快速發展的勢頭。而作為一種在地鐵、鐵路、公路、市政、水電等各隧道工程中廣泛使用的機器，盾構機有著舉足輕重的作用。盾構機作為一種隧道掘進的專用工程機械，其滾刀作為其掘削系統的重要組成部分對盾構機的施工效果有著決定性作用[1]。

1 盾構機滾刀介紹

盾構機刀盤是一個帶有多個進料槽的切削盤體，刀盤上可根據被切削土質的軟硬而選擇安裝硬巖刀具或軟土刀具。

盾構機滾刀的作用是破巖掘進，由刀圈、刀體、刀軸、軸承、金屬浮動密封環等組成，如圖1所示。

圖1 滾刀裝配圖

滾刀嵌置在盾構機的刀盤槽內，在刀盤的推力和扭矩的作用下，刀圈在巖面上切出一系列同心圓溝槽，當推力超過巖石的強度時，刀圈下的巖石直接破碎如圖2所示[2]。滾刀工作時受到劇烈的巖石磨料磨損，消耗量大，是盾構機的易損部件之一，其主要失效形式有刀圈的磨損、斷裂、壓饋及崩刀等，因此刀圈材料應具有足夠的強度、硬度和韌性[3]。

因此，刀圈材料的力學性能是盾構機穩定工作的前提與保證。本文主要介紹冷作鋼模具鋼7Cr5Mo2MnVSi（瑞典某品牌鋼）在刀圈上應用試驗和工藝特點，為我國選擇刀圈材料和改善刀圈材料性能提供參考。

2 試驗

2.1 試驗材料

德國某品牌鋼和瑞典某品牌鋼的化學成分如下表1。

表1 兩種牌號鋼的化學成分

牌號C/%Si/%Mn/%Cr/%Mo/%V/% 德國品牌0.48～0.530.80～1.100.20～0.404.80～5.201.25～1.450.80～1.00 瑞典品牌0.70.20.55.02.30.5

德國品牌的鋼是一種鉻鉬釩錳合金工具鋼，屬于熱作模具鋼。其主要特點有：優良的耐熱沖擊和抗熱疲勞性能、良好的高溫強度、優異的韌性和良好的淬透性、良好的熱處理尺寸穩定性。

鋼錠冶煉方法：電渣重熔（ESR）。

成型工藝：方料鋼錠加熱→模鍛（沖孔、切邊復合進行）→毛坯（留加工余量3 mm）→超聲波探傷（排除內部有裂紋的不良品）→粗加工（留加工余量0.2 mm～0.5 mm）→熱處理（淬火、回火）→精加工→裝配。

德國品牌的鋼（7Cr5Mo2MnVSi）為鉻鉬釩錳合金工具鋼，屬于冷作模具鋼，其具有優良的抗崩角抗開裂性能和良好的耐磨性、高溫回火后的高硬度（>60 HRC）、良好的熱處理尺寸穩定性、極佳的淬透性。

冶煉方法：電渣重熔（ESR）。

成型工藝：標準圓棒→鋸切下料→加熱→墩粗→預鍛→沖孔→輾環→退火→超聲波探傷（排除內部有裂紋的不良品）→粗加工→真空熱處理→精加工→裝配。

選料與下料原則：高度與直徑比小于2，1.6～1.7最佳。

輾環毛坯尺寸要求：預留加工余量3 mm～5 mm。

粗加工后尺寸要求：預留加工余量0.2 mm～0.5 mm。

2.2 實驗條件

在刀盤上選取5個對應的位置，以德國品牌和瑞典品牌兩種不同材料的滾刀刀圈，進行掘進施工，工況條件相同，均為新疆北屯市紅色花崗巖，并記錄一定的掘進距離下各位置的滾刀的刀圈磨損量。

2.3 試驗結果

表2給出了5個工作位置不同掘進距離對應的磨損量，將表2中的數據進一步處理，得出不同位置單位磨損量對應的掘進距離，如圖3所示。從圖3可以看出，兩種材料單位磨損量瑞典品牌鋼的掘進距離遠大于德國品牌鋼的掘進距離，抗磨性能瑞典品牌鋼約是德國品牌鋼的2倍，相比德國品牌鋼，在滿足工程使用強度、韌性的條件下，抗磨性能更好。

表2 試驗數據

序號50#51#52#53#54# 瑞典材料掘進距離/m49.149.169.769.769.7 瑞典材料磨損量/mm55977 德國材料掘進距離/m76.576.555.955.955.9 德國材料磨損量/mm1713131211

圖3 兩種材料抗磨性能對比

3 結果分析

瑞典品牌鋼之所以具有優越的抗崩性能和抗磨性能，是因為它的材料成分、加工工藝和熱處理工藝不同。

3.1 合金元素對材料性能的影響

瑞典材料7Cr5Mo2MnVSi的含碳量高達0.7%，較高的含碳量可以提高熱處理后刀圈材料的硬度，保證耐磨性能和使用壽命。

瑞典材料7Cr5Mo2MnVSi模具鋼中，Cr元素含量達5%，使材料具有較高的淬透性并阻止碳元素石墨化。7Cr5Mo2MnVSi在較高回火溫度下，形成彌散分布的特殊碳化物，鉬（Mo）有二次硬化作用，能夠提高鋼的熱強性和蠕變強度，確保高溫回火的穩定性。釩（V）含量較低，主要是提高模具鋼的淬透性、耐磨性。 錳（Mn）在鋼中熔于鐵素體和滲碳體，使鋼的強度、硬度提高。此外由于Mn和S的親和力大于鐵與硫的親和力，可以奪走部分有害物質硫，形成高熔點的MnS（高于1 600 ℃），從而減輕S對鋼的有害作用。硅（Si）含量較低，主要固溶于基體中，除了提高鋼的淬透性外，還有助于提高在高溫回火過程中析出特殊碳化物的彌散度，可使二次硬化峰增高，因而硅對提高基體的強度及回火抗力有利[4]。

7Cr5Mo2MnVSi中的合金元素，對硬度的影響較小，主要是為了提高熱處理時的淬透性，提高刀圈截面硬度的均勻性，提高回火抗力及全相組織的熱穩定性[5]。

3.2 加工工藝

為防止墩裂，改鍛前先預熱650 ℃～750 ℃，再加熱到1 030 ℃，保溫2小時，此時該材料具有最佳塑性，能夠避免在墩粗過程中端部、中心開裂。輾環后終鍛溫度要求，不低于800 ℃，然后進行退火，以細化晶粒、均勻組織、消除組織缺陷、改善切削加工性能，消除應力、穩定尺寸。

退火工藝要求：

（1）鍛后空冷到500 ℃～600 ℃。

（2）重新加熱到700 ℃保溫12個小時。

（3）空冷到室溫。

（4）再次加熱到820 ℃熱透后保溫2小時。

（5）以10 ℃/h的速度冷卻到650 ℃，空冷。

（6）最終硬度180 HB～215 HB（不高于230 HB）。

為避免氧化，建議以上空冷均盡可能在爐內冷卻。

瑞典材料7Cr5Mo2MnVSi的刀圈采用輾環加工。輾環加工使刀圈內部組織致密、晶粒細小、金屬纖維沿圓周方向連續分布，流線分布合理，其機械強度、耐磨性和疲勞壽命明顯高于其他鍛造和機械加工生產的環件[6]。

3.3 熱處理工藝

熱處理工藝如圖4所示，預熱兩個階段分別為：650 ℃和850 ℃，分別保溫50分鐘以確保熱透；奧氏體化處理溫度，1 010 ℃，保溫95分鐘，使工件內部溫度均勻一致，以獲得良好的加熱組織。真空爐氮氣冷卻（高速及充足過壓氣體），淬火速度越快越好，但不能造成嚴重的變形和破裂，冷卻速度1.1 ℃/S；冷卻至50 ℃～70 ℃應立即回火，第一次回火后進行一次超深冷處理，然后再進行兩次回火，每次回火必須冷卻至室溫，綜合調整了材料的硬度和韌性，使工件具有良好的綜合力學性能，以滿足工況使用要求。

圖4 刀圈熱處理工藝

4 結論

滾刀刀圈作為盾構機的關鍵部件，在掘進過程中容易損壞、失效，刀圈材料的綜合力學性能是盾構機穩定工作的前提與保證[7]。工程試驗表明，瑞典某品牌材料冷作鋼（7Cr5Mo2MnVSi）是制造硬巖刀圈的理想材料之一，突破了盾構機刀圈用熱作鋼的工程慣例，同時也為我國新鋼種的發現提供了指導和借鑒。

[1] 燕云,李錚,岳彩超,等.盾構機滾刀刀圈材料H13E鋼高溫拉伸性能研究[J].模具制造,2018,18(09):86-90.

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[3] 程巨強.盾構滾刀材料及其熱處理工藝[J].建筑機械,2015 (02):96-100.

[4] 葉宏.金屬材料與熱處理[M].北京:化學工業出版社,2011.

[5] 胡怡,顧紅星,張國利.TBM盤形滾刀的失效分析[J].金屬熱處理,2002(01):55-56.

[6] 趙海燕,張恒.0.9C-9Mn-2Cr-Mo中錳耐磨鋼的沖擊滾動復合磨損性能[J].特殊鋼,2018,39(06):47-50.

[7] 陳磊,閆洪,胡志,等.國內盾構機滾刀磨損的研究概況[J].熱處理技術與裝備,2011,32(03):52-56.

Application Research of Cold-worked Steel 7Cr5Mo2MnVSi in Shield Machine Hob

SU Wei1, LIU Weifeng2

( 1.Henan Mechanical and Electrical Vocational College, Henan Zhengzhou 451191;2.Yishengbai Mould Steel Co., Ltd., Beijing 102600 )

This paper introduces the engineering application test of two different German and Swedish brands of steel on the Shield hob. The results show that the Swedish material 7Cr5Mo2MnVSi(cold-worked steel) shows excellent wear resistance and breaks through the engineering practice of hot steel for the blade ring of the shield machine. It is one of the ideal materials for making hard rock cutter ring. Of course, the excellent mechanical properties of cold-worked steel 7Cr5Mo2MnVSi are closely related to its material composition, processing process and heat treatment process. The paper describes in detail the unique heat treatment process and processing process of Swedish material 7Cr5Mo2MnVSi. It provides reference and reference for China's manufacturing of hob ring.

Shield hob;Cold-worked steel;Wear resistance;Hob ring

TG142.7

A

1671-7988(2022)02-132-04

TG142.7

A

1671-7988(2022)02-132-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.030

蘇薇，就職于河南機電職業學院。