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硬岩掘进盾构机刀圈的热处理

摘要:采用电渣重熔、多向锻造和超细化处理对刀圈用 H13 钢的微观组织进行了优化,并对优化后的 H13 钢进行了常规热处理,分析该钢硬度与冲击韧性之间的关系,据此对 H13 钢刀圈进行弹硬热处理。结果表明: 经弹硬热处理后,刀刃形成回火马氏体组织,硬度提高至 59 HRC; 刀座形成回火托氏体组织,硬度降低为 44 HRC,冲击吸收能量升至 23. 5 J,实现了高硬刀刃与高弹刀座的性能配合,进而使刀圈具有收缩回弹的弹性特点,显著提高刀圈的使用寿命与破岩效率。
  全断面岩石隧洞掘进机( Tunnel boring machine,TBM) ,在我国泛称为盾构机,是目前在水利、隧道建设和地下工程中应用最为广泛的一类大型工程机械,用 TBM 作业比钻爆法更加快速、经济、优质和安全。TBM 的最前端是圆盘状掘进工作面,在工作面上分布着一定数量的盘形滚刀,TBM 是利用滚刀最外侧刀圈的不断贯入和碾压使岩石破碎剥落。刀圈的整体外观如图 1( a) 所示,其外径有不同的规格。刀圈的工作环境极其恶劣,其刀刃在承受剧烈摩擦磨损的同时,整个刀圈还承受剧烈的冲击。服役一段时间后,刀圈易产生磨损甚至崩坏,这就对其硬度、韧性和耐磨性提出了严苛的要求。要实现刀圈高的耐磨性,需保证刀圈工作面硬度≥57 HRC;而要防止刀圈崩坏,实现刀圈长寿命,则需满足刀圈韧性 AKV≥10 J。若刀圈性能差、寿命短,不仅会影响 TBM设备的破岩能力,严重的还会增加掘进面负荷,损坏TBM 刀盘,进而制约工程的掘进进度,大幅提高工程成本。
  刀圈横截面的示意图如图 1( b) 所示,目前,根据刀刃至刀座的硬度分布特点,常用的刀圈技术有两类:一类是全硬刀圈,即刀刃至刀座硬度均相等的刀圈; 另一类是梯硬刀圈,即刀刃至刀座硬度呈线性下降的刀圈。经技术引进与技术创新,我国已初步掌握全硬刀圈与梯硬刀圈的制备工艺,突破了用于泥沙与软岩地层的刀圈技术,但是由于国内冶炼水平制约和国外关键技术封锁,用于硬岩掘进的国产刀圈仍普遍存在寿命短、可靠性差的问题,导致国内约 90%的硬岩掘进刀圈还需要进口。本文提出了突破硬岩地层的弹硬刀圈制造技术,此技术是基于热处理工艺,根据刀圈不同部位的服役特点调控其微观组织,实现高硬刀刃与高弹刀座性能的合理配合,显著提高了刀圈寿命,为硬岩刀圈制备的国产化奠定基础,具有重要的学术价值与工程意义。
1 试验材料与方法
  试验用原材料是经 1260 ℃ 扩散退火 + 880 ℃ 球化退火处理的铸态 H13 钢,其化学成分如表 1 所示,符合国标 GB /T 1299—2014《工模具钢》的要求。
1. 1 原材料优化
  在原始 H13 钢锭中切出两块 160 mm × 260 mm ×300 mm 的钢锭,其中一块采用电渣重熔 + 多向锻造 +超细化 + 880 ℃ 球化退火工艺进行原始组织优化,超细化工艺曲线和球化退火工艺曲线如图 2 所示。并对优化前后的钢锭进行组织观察,在优化前后的 H13 钢锭中切取 50 mm × 60 mm ×25 mm 试样,对其进行 1060 ℃淬火 + 550 ℃ 回火的热处理试验,并对热处理后的试样进行组织观察和硬度、冲击试验。
1. 2 常规热处理
  在优化后的 H13 钢锭上切取 60 mm × 160 mm ×32 mm 的试样,进行 1060 ℃ 淬火 + 300 ~ 630 ℃ 回火的常规热处理。具体热处理工艺为: 采用 SXL-1400 箱式炉将试样加热至 1060 ℃,保温 40 min 后油淬至室温,之后在 SXL-1200 箱式炉中进行 300 ~ 630 ℃ 的回火处理,回火保温时间为 2 h,回火 2 次。
1. 3 弹硬热处理
  采用 SXL-1400 箱式炉将刀圈加热至 1060 ℃,保温 45 min 后立刻放入 130 ℃的盐浴炉中进行淬火,放置 1 h 后取出空冷至室温,冷却结束后在刀圈上加装特殊工装,然后放入 530 ℃ 盐浴炉中保温 60 min,再在多用炉中进行 630 ℃ 整体回火,回火保温时间为60 min,回火 1 次。
1. 4 性能表征
  硬度测试试样尺寸为 10 mm × 10 mm × 10 mm,用 80 ~ 800 号砂纸打磨平整后,在 HRS-150 洛氏硬度计上进行测试,每个试样取 5 个点,每点间距不小于2 mm。冲击试样为 10 mm × 10 mm × 55 mm 的 V 型缺口纵向试样,冲击试验按照 GB /T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》在锤刃为 8 mm 的 NI300型金属摆锤试验机上进行。硬度测试后的试样依次经80 ~ 2500 号砂纸打磨平整光滑,再在抛光机上用1 μm的金刚石抛光剂和呢绒抛光布抛光,之后选择5% 硝酸酒精腐蚀剂进行腐蚀,在 Leica DMISC 金相显微镜和 FEI NovaNano450 扫描电镜中进行微观组织观察。
2 试验结果与讨论
2. 1 原材料微观组织优化
  图 3 是优化前后的 H13 钢组织。如图 3( a) 所示,未优化的 H13 钢组织中存在成块、成链和成堆分布的初生共晶碳化物,这类碳化物的存在会严重制约刀圈的抗热疲劳能力和冲击性能。从图 3( b) 可以看出,将原始 H13 钢坯料进行电渣重熔、多向锻造和超细化后,一次碳化物与沿晶分布的链状碳化物消失,细小碳化物均匀分布于基体之中。
  图 4 是原始组织优化前后的 H13 钢,经 1060 ℃淬火 + 550 ℃ 回火后的微观组织图。从图中可以看出,未优化的 H13 钢热处理后,仍残留较多粗大的一次碳化物,且组织不均匀,局部富碳,在硝酸酒精腐蚀下呈现颜色深浅不一的形貌。而图 4( b) 则显示,优化后 的 H13 钢热处理后组织均匀,一 次 碳 化 物消失。
  图 5 是原始组织优化前后的 H13 钢经 1060 ℃ 淬火 + 550 ℃回火后的力学性能。原始组织未优化 H13钢淬火后,仍存在未溶于基体的一次碳化物,故基体含碳量低,硬度为 53 HRC,而优化后的 H13 钢无一次碳化物,淬火后溶入基体的碳化物更多,基体含碳量更高,硬度升至 55 HRC。一次碳化物的存在以及碳的不均匀分布还会恶化 H13 钢的韧性,经同一工艺处理后,未优化 H13 钢的冲击吸收能量仅 4. 7 J,而组织优化后的 H13 钢冲击吸收能量达 8. 7 J,提高了近1 倍。
2. 2 H13 钢硬度与韧性的关系
  图 6 是优化后 H13 钢在 300 ~ 630 ℃ 回火后的硬度与冲击吸收能量。如图 6 所示,随回火温度的增加,H13 钢硬度呈现先增加后降低的趋势,硬度峰值出现在 510 ℃,为 60. 5 HRC; 与其相反,H13 钢的冲击吸收能量呈先降低后增加的趋势,在硬度达到峰值时冲击吸收能量最小,最小值为 3. 6 J,硬度与冲击吸收能量大致成反比关系。当硬度≥57 HRC 时,冲击吸收能量不足 7 J,由此可见,常规全硬刀圈难以满足硬岩掘进严苛的性能要求。因此,急需改进其热处理工艺,进一步调控刀圈各部分组织,利用刀圈各部分性能的合理配合,实现刀圈寿命的最大化。

2. 3 弹硬刀圈性能设计
  刀圈的刀刃直接与岩石接触参与破岩,在挖掘时刃部最易产生磨损,使刀圈外圈尺寸变小。在正常情况下,当边刀向内磨损 10 ~ 15 mm,面刀和中心刀向内磨损 20 ~ 25 mm 时就需更换刀圈,否则刀刃变宽后会增大掘进时的推力和扭矩,因此,要求刀圈由外向内有 35 mm 左右的深度需均匀淬硬。均匀淬硬的刀刃部位需具备极高硬度,刀圈才可具备高的抗磨能力。刀座不会与岩石接触,很少发生磨损,主要功能是传递运动和动力。
  因此,刀座不要求具有高的硬度,但需要具备高的韧性,以保证刀座有高的抗冲击能力、弹性变形能力和良好的弹性储能,从而防止刀圈掘进时发生断裂。
  为解决 H13 钢刀圈硬度与韧性的矛盾,本文提出了弹硬刀圈技术路线。弹硬刀圈是一类通过组织控制,使刀圈刀刃和刀座具备不同力学性能,利用高硬刀刃与高弹刀座相互配合从而实现高寿命的刀圈。图 7是刀圈经弹硬热处理后,刀刃与刀座的硬度和冲击吸收能量。经弹硬热处理后,刀刃硬度为 59 HRC,冲击吸收能量为 5. 9 J,高硬的刀刃提高了刀圈的耐磨性,同时刀刃还具备一定抗冲能力,防止了刀刃在掘进时直接崩坏; 刀座硬度降至 44 HRC,冲击吸收能量高达23. 5 J,高韧的刀座提高了刀圈整体的抗冲击能力,同时还使刀圈在受冲击时具备收缩与回弹特性。图 8 是刀圈、刀刃部位的微观组织照片,从图中可以看出,刀刃部位为回火马氏体,回火后马氏体基体中沉淀出与基体共格的二次碳化物,产生沉淀强化效果,使刀刃硬度达到 59 HRC,高硬的刀刃使刀圈具有较高的耐磨性。
  刀座的弹性可以通过改变刀座显微组织来实现。图 9 是刀座的微观组织图,从图 9 可以看出,最终热处理后,刀座组织为回火屈氏体,组织中位向相同或相近的马氏体板条发生了合并,且马氏体基体及相界处有碳化物析出。板条的合并与碳化物的析出使 H13 钢硬度下降的同时也提高了刀座的韧性,其冲击吸收能量增加至 23. 5 J。高韧的刀座具有一定的弹性变形能力,使刀圈在受高冲击时具有一定收缩回弹特性,从而实现刀圈弹性效果。

  弹性刀座要求在不发生塑性变形的情况下,能产生较大的弹性变形并积储较大的变形能。刀座材料与单位体积可积储的最大变形能,可用下式估算:
  其中:U 为弹性积储能; σe 为拉伸弹性极限;τe 为剪切弹性极限; E 为弹性模量; G 为切变模量。
  从公式中看出,要提高刀座的变形积储能,材料应有较高的弹性极限。含有 Cr、Si、Mo、V 等合金元素的H13 钢材料,适当增加碳含量,就相当于一个品质优良的合金弹簧钢,可通过热处理使刀刃获得高硬度的回火马氏体,刀座获得较高弹性极限和屈强比的回火托氏体。
  综上所述,可以用图 10 的示意图来比较全硬、梯度和弹硬刀圈。全硬刀圈整体淬硬,受冶炼水平限制,硬度高韧性差; 梯度刀圈硬度呈梯度分布,增加了抗冲性能,但由于不具备弹性储能与延时释放的特性,破岩效率较低; 而弹硬刀圈的刀刃硬度高于前两者,且高韧刀座具备一定的弹性,高硬刀刃与弹性刀座的性能配合,提高了刀圈寿命与破岩效率,是目前国产刀圈的优选发展方向。 
3 结论
  1) 经电渣重熔、多向锻造和超细化处理后,H13钢组织得到优化后,一次碳化物与沿晶分布的链状碳化物消失,细小碳化物均匀分布于基体之中。硬度与韧性均显著提升,硬度提高了 2 HRC,冲击吸收能量提升了近一倍。
  2) 在 300 ~ 630 ℃ 回火,随回火温度增加,H13钢硬度先增加后降低,冲击吸收能量先降低后增加,两者呈反比关系,且当硬度≥57 HRC 时,冲击吸收能量不超过 7 J,可见,H13 钢刀圈仅通过普通整体热处理工艺,难以实现刀圈高硬度与高韧性的掘进性能要求。
  3) 经弹硬热处理后,刀刃形成回火马氏体组织,提高硬度至 59 HRC;刀座形成回火托氏体组织,硬度降低为 44 HRC,冲击吸收能量升至 23. 5 J,实现了高硬刀刃与高弹刀座的性能配合,进而使刀圈具有收缩回弹的弹性特点,显著提高刀圈的使用寿命与破岩效率。

 

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