梯度硬度盾構滾刀刀圈關鍵技術研究及應用

梁 飛，于慶增

（1.中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650000；2.中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

盾構和TBM 施工對盤形滾刀的設計及制造要求較高，特別是對滾刀刀圈的材料和熱處理工藝的要求更高。隨著盾構和TBM 施工工程增多，復雜地質(zhì)條件難以準確預測，特別是上軟下硬地層中，普通工藝的滾刀刀圈易出現(xiàn)刀圈崩塊、斷裂。目前以海瑞克、龐萬力、羅賓斯、中鐵裝備（維爾特）等刀具品牌主要采用以熱作模具鋼材料（類H13）為主的刀圈，此類刀圈經(jīng)熱處理后刀圈硬度適中，抗沖擊韌性較高，在硬巖和復合地層中，性能表現(xiàn)良好。

日本刀具品牌和國內(nèi)部分刀具品牌對刀圈材料進行分類研究，在熱作模具鋼材料基礎上，對冷作模具鋼（DC-53，DJ-1 等）進行研究和使用。此類刀圈材料經(jīng)熱處理后刀圈硬度高，在軟巖、高磨蝕性巖石和均勻地質(zhì)條件下掘進時，其工作壽命明顯高于熱作模具鋼材料刀圈；但此類刀圈抗沖擊韌性較低，容易出現(xiàn)刀圈崩塊、斷裂。

我國西南某盾構隧道項目使用的19 寸滾刀，圖1采用熱作模具鋼刀圈，洛氏硬度HRC57 左右，出現(xiàn)明顯卷刃現(xiàn)象；圖2 采用冷作模具鋼刀圈，洛氏硬度HRC62 左右，出現(xiàn)刀圈崩塊、斷裂。

圖1 某項目熱作模具鋼刀圈

圖2 某項目冷作模具鋼刀圈

1 研究目標

從破巖的角度來看，一般要求滾刀刀圈洛氏硬度達到HRC57～60，刃口不能太寬，以便貫入巖石破巖，但受到分界面沖擊時刀圈容易崩裂，如圖3 所示。

圖3 適應硬巖地層刀圈

從防止刀圈斷裂的角度看，滾刀刀圈洛氏硬度達到HRC55～56，韌性較好。同時加寬刃口，增加整體抗裂能力，但卻不容易貫入巖石，破巖效果差，如圖4 所示。

圖4 耐沖擊刀圈

對于上軟下硬地層，既要保證刀圈有破巖能力，又要防止刀圈發(fā)生崩塊、斷裂等異常損壞。

針對上軟下硬的地質(zhì)條件，試驗冷作模具鋼刀圈的梯度硬度熱處理工藝，保證刀圈刃部硬度不降低的前提下，降低刀圈內(nèi)孔硬度，提高刀圈整體的抗沖擊性。梯度硬度刀圈，刀圈刃部目標硬度HRC59～61，刀圈芯部目標硬度HRC48～52，如圖5 所示。

圖5 梯度硬度刀圈

2 梯度硬度刀圈制作工藝

主要針對冷作模具鋼刀圈材料進行設計、依據(jù)選定的材料熱處理工藝的試驗研究工作。進行材料的梯度硬度工藝試驗，刀圈硬度檢測、金相分析和沖擊性能檢測，得出適應上軟下硬地層掘進的刀圈材料及熱處理工藝。

冷作模具鋼刀圈材料主要以高碳為主，碳含量和主要合金含量（Mo、V）較H13 材料要高，提高刀圈耐磨性的同時降低了材料的沖擊韌性。冷作模具鋼材料見表1。

表1 刀圈材料成分

2.1 梯度硬度工藝

梯度硬度工藝刀圈工藝路線為：真空爐熱處理→氣體保護回火→內(nèi)孔中頻感應回火→自然冷卻。需要的熱處理設備包括：真空熱處理爐，氣體保護回火爐，中頻感應加熱爐。

采用5 組17 寸刀圈毛坯進行梯度硬度刀圈工藝方案實驗。5 組刀圈毛坯分別采用不同的中頻回火溫度，具體工藝見表2。刀圈內(nèi)孔中頻感應回火過程見圖6 所示。

表2 分組熱處理工藝

圖6 刀圈內(nèi)孔中頻熱處理

2.2 梯度硬度刀圈性能檢測

2.2.1 刀圈硬度檢測

分別從不同工藝熱處理的刀圈上通過線切割加工獲得厚度為10mm 的截面試樣5 組（上下截面平行），試驗面應有較高的光潔度，粗糙度不低于Ra=0.8。結果如圖7 所示：在刀圈截面上，刀圈刃部的洛氏硬度值基本不受中頻回火溫度的影響，均分布在HRC59～61 之間。刀圈芯部的硬度值隨中頻回火溫度的升高逐步下降，中頻回火溫度為570℃時，芯部洛氏硬度為HRC53～54；中頻回火溫度為680 ℃時，芯部洛氏硬度為HRC42～44。

圖7 刀圈內(nèi)孔硬度變化規(guī)律

2.2.2 刀圈沖擊性能檢測

在刀圈截面上，沿縱向切取，打磨，制備5組沖擊試樣（試樣規(guī)格：10mm×10mm×55mm，U2 形缺口，尺寸偏差≤0.07mm）。在環(huán)境溫度為23℃的條件下，進行沖擊試驗。結果如圖8 所示：刀圈刃部沖擊功基本不受中頻回火溫度的影響，平均8～10J；刀圈芯部沖擊功隨中頻回火溫度的升高逐步升高，中頻回火溫度為570℃時，芯部沖擊功為10～13J；中頻回火溫度為680℃時，芯部沖擊功為18～22J。

圖8 刀圈內(nèi)孔沖擊韌性變化規(guī)律

2.2.3 刀圈金相分析

在刀圈刃部和芯部截面分別切取25mm×25mm 的金相試樣，經(jīng)磨去表面割痕后（磨去約0.2mm），打磨、拋光、4%硝酸酒精溶液腐蝕處理后，進行顯微組織觀察。刀圈刃部和芯部的顯微組織看出，刀圈刃部和芯部的顯微組織中幾乎無偏析現(xiàn)象；刀圈組織主要由回火托氏體+回火索氏體+共晶碳化物。

2.2.4 刀圈中頻感應回火熱處理后的結果分析

1）中頻回火溫度在630～680℃時，刀圈內(nèi)孔回火后硬度下降明顯。

2）中頻回火溫度在630～680℃時，刀圈內(nèi)孔沖擊功提高較多。

3）中頻回火處理后刀圈金相組織細化。

從試驗結果分析，刀圈內(nèi)孔加熱溫度到630℃左右，徑向高溫影響區(qū)域約20mm。加熱到630℃后自然冷卻到室溫為最優(yōu)的梯度硬度刀圈中頻處理方案。

3 工業(yè)試驗

為了試驗自制17 寸梯度硬度刀圈滾刀在復合地層、上軟下硬地層掘進的性能，在廣州21 號線某段進行了工業(yè)試驗。試驗段開挖直徑?6280mm，試驗時掘進至960 環(huán)，盾構穿越地層主要為強、微風化花崗巖、砂巖，孤石，上軟下硬，巖石最大強度為90MPa?，F(xiàn)項目部使用配置滾刀為國產(chǎn)知名品牌，如圖9、圖10 所示，刀具損壞形式多為刀圈斷裂、弦磨和崩刃。為確保刀圈的抗沖擊性，降低刀圈出現(xiàn)斷裂、崩刃等異常損壞的概率，現(xiàn)項目使用的刀圈是H13 材料，刀圈熱處理洛氏硬度在HRC53～55 之間。采用這種刀圈雖然可以大幅降低刀圈異常損壞的概率，但刀圈硬度的降低，造成刀圈耐磨性不足，掘進壽命的降低。

圖9 刀圈斷裂

圖10 刀圈斷裂、弦磨

針對此段地質(zhì)條件，試驗刀圈采用冷作模具鋼材料，刀圈刃寬設計為25mm，按優(yōu)化的梯度硬度熱處理工藝，得到試驗刀圈刃部洛氏硬度HRC59～60，刀圈內(nèi)孔洛氏硬度HRC46～50。

在試驗過程中，4 把試驗滾刀分別安裝于刀盤的17#刀位，18#刀位、27#刀位、36#刀位，其余滾刀為國產(chǎn)知名品牌刀具。

第一批次安裝于刀盤17#刀位1 把，18#刀位1 把，從實驗開始，已累計掘進42 環(huán)（63m），帶壓進倉檢查刀具，項目部更換了刀盤正面共14 把滾刀，同時將安裝在17#、18#位置的試驗滾刀換下檢查試驗效果，試驗滾刀磨損7mm，沒有發(fā)生異常損壞現(xiàn)象，未發(fā)生偏磨，滾刀整體性能良好。

第二批次安裝于刀盤27#刀位1 把，36#刀位1 把，同時項目部更換了邊緣位置的3 把滾刀，正面滾刀6 把。試驗滾刀掘進了60 環(huán)，滾刀整體均勻磨損，未出現(xiàn)偏磨、崩刃、軸承密封失效等異常損壞現(xiàn)象。安裝在27#刀位的滾刀磨損10mm，安裝在36#刀位的滾刀磨損11mm。平均壽命達到其他品牌刀具壽命的1.6 倍左右。更換的17#和36#刀位的滾刀如圖11、12 所示。

圖11 更換的17#刀位滾刀

圖12 更換的36#刀位滾刀

4 結論與展望

試驗結果表明：采用冷作模具鋼刀圈，并進行梯度硬度工藝處理，在上軟下硬地層滾刀刀圈無異常損壞出現(xiàn)，平均壽命達到其他品牌刀具壽命的1.6 倍以上，為上軟下硬地層滾刀刀圈配置提供新的工藝解決方案。