巖石隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀刀圈試制與耐磨性試驗(yàn)

何政律，何恩光

（1.北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141；2.沈陽(yáng)建筑大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

隨著地下交通的建設(shè)與發(fā)展，隧道掘進(jìn)機(jī)已經(jīng)愈發(fā)廣泛地應(yīng)用于隧道建設(shè)[1]。其中巖石隧道掘進(jìn)機(jī)是通過旋轉(zhuǎn)刀盤并推進(jìn)，使?jié)L刀擠壓破碎巖石的[2]，其破巖效果不僅受滾刀的貫入度和進(jìn)給速度影響[3]，也會(huì)因滾刀的磨損而變差。滾刀的刀圈受高擠壓、強(qiáng)沖擊作用易產(chǎn)生磨損[4]。為提高刀圈的使用壽命，陳歡等[5]制定了刀圈用DC53鋼的熱處理工藝；張力等[6]開展了激光淬火化表面織構(gòu)對(duì)刀圈摩擦磨損影響的研究；于慶增等[7]分析了具有不同硬度梯度的熱處理工藝對(duì)刀圈組織和力學(xué)性能的影響分析；廖劍平[8]開展了刀圈材料5Cr5MoWVSi 熱處理工藝及性能研究；王文超等[9]開展了LD 鋼（7Cr7Mo2V2Si）冷作模具鋼在刀圈中的應(yīng)用研究；鄭祿鵬等[10]開展了用H13E 材料鍛造刀圈成形工藝研究；張鵬[11]開展了刀圈用KX6454 鋼的熱處理工藝及性能研究。

分析上述研究?jī)?nèi)容，刀圈所采用的材質(zhì)主要有H13、DC53、LD、9Cr2Mo 等。施工企業(yè)更多的是關(guān)注刀圈的硬度指標(biāo)，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，也要求刀圈表面硬度指標(biāo)應(yīng)為58～62HRC，而KU2≥10J 即可。然而，一些進(jìn)口的滾刀，其刀圈硬度并未達(dá)到上述硬度指標(biāo)，確具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。分析原因，主要是刀圈硬度應(yīng)與巖石的力學(xué)性能指標(biāo)相匹配。夏毅敏等[12]開展了刀圈硬度與巖石匹配性能試驗(yàn)，試驗(yàn)采用100.33MPa 的花崗巖，試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著刀圈硬度的增加，刀圈的磨損量呈先減小后增大的變化趨勢(shì)且硬度最高的刀圈的磨損量最大，高硬度下，刀圈磨損表面易發(fā)生韌性斷裂剝落。所以從實(shí)際應(yīng)用效果分析，綜合性能指標(biāo)更優(yōu)的刀圈，才更具有經(jīng)濟(jì)適用性。

本文在確定了刀圈材料、冶煉、鍛造和熱處理工藝，進(jìn)行刀圈試制，確定了感應(yīng)爐熔煉→電渣重熔→下料→鍛造→退火→無損檢測(cè)→切削加工外形→熱處理（淬火＋2 次回火）→加工內(nèi)孔、端面的工藝路線，試制了硬度54HRC、KU2 ≥30J 的滾刀刀圈并開展磨損試驗(yàn)，取得較優(yōu)的刀圈綜合力學(xué)性能。

1 刀圈材料

1.1 進(jìn)口刀圈材料分析

對(duì)意大利某品牌滾刀刀圈進(jìn)行化學(xué)成分試驗(yàn)，結(jié)果如表1 所示。

表1 意大利刀圈的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

對(duì)意大利某刀圈滾刀刀圈進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果如表2 所示。根據(jù)化學(xué)成分分析，刀圈材料主要合金元素為Cr，Ni，Mo，和我國(guó)40CrNiMo 成分相似，且磷、硫的含量很低，說明采用了精煉煉鋼工藝。

表2 意大利刀圈的力學(xué)性能

對(duì)意大利某品牌滾刀刀圈進(jìn)行金相試驗(yàn)，其結(jié)果如表3 和圖1 所示。數(shù)據(jù)表面，該材料具有良好的綜合力學(xué)性能，有較高的強(qiáng)度，韌性，及抗沖擊性。

圖1 意大利刀圈金相組織（400倍）

表3 意大利刀圈的金相組織

從圖中可以看到，刀圈為回火索氏體組織，并且組織中存在著細(xì)小碳化物。組織中的晶粒非常細(xì)小，晶粒度為7～8 級(jí)以上。從宏觀斷面看，存在明顯的流線，表明刀圈是由鍛造而成。

圖2 為意大利刀圈使用后的刀刃部分的殘?bào)w，在其斷面上進(jìn)行硬度測(cè)試，1～5 點(diǎn)HRC 硬度值分別為51.6、51.3、50、46.9、43.8。

圖2 磨損后的意大利刀圈刀刃殘余部分

從硬度分布情況分析，硬度在橫截面上呈梯度分布，刀圈硬度從表面到心部存逐漸減小，表明刀圈沒有完全淬透。

通過與德國(guó)Wirth 公司聯(lián)合生產(chǎn)巖石隧道掘進(jìn)機(jī)，獲得的該公司刀圈材料化學(xué)成分見表4。

表4 進(jìn)口刀圈的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.2 試制刀圈材料

考慮到德國(guó)Wirth 公司滾刀性能更優(yōu)，根據(jù)公司在冶煉方面的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過論證和研究，決定將意大利刀圈材料作為試制刀圈的對(duì)比材料，試制刀圈則選擇在德國(guó)Wirth 公司滾刀刀圈化學(xué)成分基礎(chǔ)上對(duì)成分進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。調(diào)整時(shí)保持主要合金元素碳和鉻的成分不變，提高錳和釩的含量，增加其加工硬化能力和抗耐磨性能，并盡可能靠近公司所生產(chǎn)的合金鋼的材料以節(jié)約成本。確定的試制刀圈的化學(xué)成分，見表5。

表5 試制刀圈的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

根據(jù)材料化學(xué)成分，確定試制刀圈材料為5Cr5MoSiV 模具鋼。

2 冶煉工藝

試驗(yàn)用鋼在中頻感應(yīng)電爐內(nèi)熔煉，熔煉時(shí)先加入廢鋼，熔化后期加入鉬、釩、鉻等合金元素。

配料目標(biāo)值見表6。

表6 試制刀圈的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

冶煉時(shí)，鋼熔點(diǎn)1 480 ℃，出鋼溫度1 570～1 580℃，澆注溫度1 500～1 510℃，澆成直徑200mm、長(zhǎng)800mm電渣錠，待鑄件冷卻后，手工落砂，除去澆道和冒口，用砂輪打去試塊毛邊，清理后作為電渣重熔的自耗電極使用。

為了進(jìn)一步去除鋼中的雜質(zhì)，對(duì)材料進(jìn)行提純，并使結(jié)晶組織均勻致密。我們對(duì)材料進(jìn)行電渣重熔，我們選用直徑300mm 的結(jié)晶器，選擇7 ∶3 配比的CaF2 與Al2O3 作為造渣材料。重熔結(jié)束后，鑄錠在石灰中緩冷40h。鑄錠尺寸為直徑285mm、長(zhǎng)280mm，供鍛造使用。

3 鍛造工藝

試制采用自由鍛法鍛造刀圈毛坯，以保證刀圈組織的致密。根據(jù)所選材料的熱加工性能，坯料在爐中階梯升溫到1 120～1 150℃保溫，控制開鍛溫度為1 100℃，終鍛溫度大于900℃，保證鍛料內(nèi)不得有夾層、折疊、裂紋、鍛傷、結(jié)疤、夾渣、白點(diǎn)等缺陷。

由于材料的合金元素含量較高，鍛造時(shí)嚴(yán)格控制終鍛溫度和鍛造后的鍛件冷卻速度，以防止鍛造裂紋的發(fā)生。鍛件車削加工前等溫退火，保證獲得均勻的珠光體與鐵素體組織，為車削加工和淬火+2 次回火處理做準(zhǔn)備。

4 熱處理工藝及微觀組織分析

4.1 淬火、回火溫度

淬火加熱時(shí)，焊制鐵箱，內(nèi)置木炭和鑄鐵削，放入工件，防止氧化脫碳，箱內(nèi)插入鎧裝熱電偶測(cè)量工件溫度。

為尋求較優(yōu)的淬火和2 次回火溫度，分別選取5 種不同的淬火、回火溫度組合進(jìn)行熱處理，其獲得的硬度和沖擊功如表7 所示。

表7 熱處理工藝及其性能

從表7 中可以看出5Cr5MoSiV 模具鋼經(jīng)方案4 的“淬火+2 次回火”的熱處理后，硬度最高，抗沖擊韌性也較高，具有較好的綜合力學(xué)性能。

4.2 微觀組織分析

圖3、圖4 分別為熱處理后刀圈材料的金相組織和掃描電鏡下的顯微組織。從圖中可以看到，刀圈的淬火+回火組織，保持有馬氏體位相的回火索氏體，并且組織中彌散著細(xì)小碳化物。

圖3 試制刀圈金相組織

圖4 試制刀圈顯微組織

為進(jìn)一步了解組織中碳化物的形態(tài)和成分組成，對(duì)其進(jìn)行了定點(diǎn)電子探針分析和掃描電鏡分析。電子探針分析可知，組織中為釩的碳化物。掃描電鏡分析可知碳化物的顯微硬度為767 HK，彌散分布的釩碳化物，是其有較高硬度和耐磨性的原因。

金屬的斷裂與材料性質(zhì)和使用條件密切相關(guān)。它們均會(huì)在金屬斷口上留下有代表性的形貌標(biāo)記，研究它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以研究斷裂與材料性能、組織及工藝之間的關(guān)系。圖5、圖6分別為拉伸斷口和沖擊斷口的形貌。

圖5 試制刀圈拉伸試驗(yàn)斷口形貌

圖6 試制刀圈沖擊試驗(yàn)斷口形貌

由圖5 可見，由于合金元素能夠固溶到基體中，5Cr5MoSiV 模具鋼材料斷口呈浮雕狀，且有大量的撕裂痕，屬于準(zhǔn)解離斷裂，從而韌性較高。由圖6 可見，在沖擊條件下5Cr5MoSiV 模具鋼斷口形貌與拉應(yīng)力條件下的斷口形貌相比，變化不大，保持準(zhǔn)解離斷裂。

5 耐磨性試驗(yàn)

采用MLS-23 橡膠輪式磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行干砂磨粒磨損試驗(yàn)，測(cè)試樣品在一定載荷、一定轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)速內(nèi)的磨損失重。測(cè)試時(shí)，施加砝碼的質(zhì)量7kg，施加正壓力166.6N，橡膠輪轉(zhuǎn)速240r/min，橡膠輪硬度為70 邵爾硬度，橡膠輪直徑178mm，總轉(zhuǎn)速2 400r/min，磨粒采用50～70目SiO2干砂，砂流量180g/min。

在意大利刀圈和試制刀圈相同位置取小塊試樣進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果為，意大利刀圈試樣失重2 683.4mg，試制刀圈試樣失重2 253.9mg。耐磨性試驗(yàn)表明，試制刀圈的5Cr5MoSiV 模具鋼在熱處理后的耐磨性高于意大利刀圈的耐磨性，可以作為刀圈的材料。

6 結(jié)論

1）5Cr5MoSiV 模具鋼試制的刀圈，采用淬火1 060℃和2 次500℃回火的熱處理工藝，其硬度值達(dá)到54.7HRC，沖擊功AKU 達(dá)到30J，具有較好的綜合力學(xué)性能，可以用作刀圈材料。

2）5Cr5MoSiV 模具鋼的熱處理后的金相組織為保持有馬氏體位相的回火索氏體，并且組織中彌散著細(xì)小碳化物。

3）在沖擊條件下5Cr5MoSiV 模具鋼斷口形貌與拉應(yīng)力條件下的斷口形貌相比，變化不大，保持準(zhǔn)解理斷裂。