淺談盾構(gòu)機(jī)滾刀材料及其熱處理工藝

王磊 竇玉龍

摘 要： 盾構(gòu)機(jī)作為一種隧道挖掘機(jī)，其特點(diǎn)是機(jī)械化跟自動(dòng)化高，施工速度快和安全性高，并且大大節(jié)約人力。盾構(gòu)機(jī)刀盤作為機(jī)器核心部件起到至關(guān)重要的作用，本文就盾構(gòu)機(jī)滾刀材料和熱處理工藝進(jìn)行探討，詳細(xì)分析在熱處理工藝條件下材料的組織和性能特點(diǎn)，為在不同的地質(zhì)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(xì)說(shuō)明。

關(guān)鍵詞： 盾構(gòu)機(jī)；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(gòu)成，刀圈是加熱到100～200攝氏度安裝到刀體上，可以隨時(shí)進(jìn)行拆卸更替，擋圈是兩個(gè)半圓環(huán)，卡入刀體槽內(nèi)焊成一個(gè)圓環(huán)。

（二）滾刀的工作原理

盾構(gòu)機(jī)的基本工作原理就是一個(gè)圓柱體的鋼組件沿隧洞軸線邊向前推進(jìn)邊對(duì)土壤進(jìn)行挖掘。滾刀則安裝在盾構(gòu)機(jī)前端，通過(guò)推力使其緊貼巖石表面，刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾刀一邊隨著刀盤旋轉(zhuǎn)，一邊圍繞自身軸心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。施工時(shí)，若盾構(gòu)機(jī)推力小于巖石強(qiáng)度，會(huì)在巖石表面切出一系列同心圓溝槽；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推力大于巖石本身強(qiáng)度時(shí)，巖石會(huì)被直接切碎。盾構(gòu)機(jī)破巖原理是將刀刃插入巖石，使巖石表面呈現(xiàn)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(huì)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(guò)量磨損三種可能性。在破巖工作時(shí)，由于刀圈不斷與巖石表面接觸，同時(shí)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(guò)量磨損。在特殊的環(huán)境下的破巖工作可能會(huì)加大對(duì)刀盤的侵蝕，從而導(dǎo)致斷刃。因?yàn)樵诘侗P與巖石沖擊摩擦的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，工作后因?yàn)闊崦浝淇s可能會(huì)導(dǎo)致金屬失去韌性崩刃。

二、刀圈材料的特點(diǎn)分析

盾構(gòu)刀圈制造流程為下料-鍛造-軟化退火-機(jī)械加工-淬火回火-精加工。材料應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)：需要具有足夠高屈服強(qiáng)度，以應(yīng)對(duì)刀刃端因?yàn)楦邞?yīng)力而發(fā)生變形；需要有較高的硬度，提高耐磨性，增強(qiáng)使用壽命；需要有較高的韌性，保證工作時(shí)刀圈不會(huì)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(wěn)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(duì)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(shù)為0.4%-0.6%，含碳量較高的刀圈在熱處理之后硬度會(huì)大大提高，從而延長(zhǎng)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(shí)的淬透性和硬度均勻性，從而進(jìn)一步提高回火抗力和全相組織熱穩(wěn)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(guò)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(shù)，從而細(xì)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(guò)程中溫度越高，硬度和強(qiáng)度就越低，塑性和韌性越強(qiáng)。但在某些情況下，一定溫度區(qū)間內(nèi)回火韌性指數(shù)會(huì)隨著回火溫度變化出現(xiàn)低值，從而出現(xiàn)回火脆性。在鋼回火過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)兩種脆性：一種為在淬火馬氏體溫度為200-400℃中出現(xiàn)，這種脆性大多出現(xiàn)在碳鋼跟合金鋼中，此回火脆性與冷卻速度無(wú)關(guān)，就算是回火很快冷卻或者在加熱到一定溫度范圍內(nèi)也無(wú)法避免，這種稱為不逆回火脆性。另一種脆性出現(xiàn)在一些合金結(jié)構(gòu)鋼中，在高于600℃的溫度下加熱回火后，并在450-550℃溫度范圍內(nèi)緩慢冷卻發(fā)生脆化；或者是在450-550℃范圍內(nèi)直接加熱回火發(fā)生脆化。這種脆性可以通過(guò)600℃以上溫度進(jìn)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(jiàn)的材料之一，其特點(diǎn)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(shí)鍛造溫度區(qū)間范圍比較窄，需要嚴(yán)格把控鍛造時(shí)間，模鍛加熱需要控制在1120-1150℃，開始鍛造溫度在1080-1120℃之間，結(jié)束時(shí)溫度不能于850℃，否則鋼材會(huì)產(chǎn)生裂紋，結(jié)束后需要緩慢冷卻并且及時(shí)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(shí)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(xì)針和隱針馬氏體、未溶的碳化物和殘余奧氏體組成，需適當(dāng)?shù)幕鼗鹛岣唔g性[3]。淬火后因?yàn)楹辖鹪睾枯^高所以需要進(jìn)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(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槎务R氏體；第二次回火可以使奧氏體進(jìn)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(jìn)一步提高材料硬度和組織穩(wěn)定性[5]。

絕大多數(shù)刀圈材料經(jīng)過(guò)熱處理后表面硬度可以達(dá)到HRC56-60，心部硬度可以達(dá)到HRC50-56，在這個(gè)硬度區(qū)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(jié)：盾構(gòu)機(jī)在隧道掘進(jìn)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是衡量一個(gè)國(guó)家裝備制造業(yè)水平高低的關(guān)鍵設(shè)備之一，盾構(gòu)機(jī)刀盤的質(zhì)量直接影響著整個(gè)機(jī)器乃至整個(gè)工程的質(zhì)量，由于盾構(gòu)機(jī)需要不斷的對(duì)巖石進(jìn)行掘進(jìn)，所以其刀圈需要具有較強(qiáng)韌性和耐磨損性，以應(yīng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)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(shí)，材料需要有較高的抗回火性能，提高其熱穩(wěn)定性，避免回火溫度不合適而造成的材料脆化。

參考文獻(xiàn)

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