盾構刀具耐磨堆焊材料的合理選擇

胡建平，唐 亮，馬作強

(北京固本科技有限公司，北京 100081)

0 引言

盾構刀具是盾構機的重要組成部分，也是盾構機磨損最嚴重的部件。文獻［1－2］指出盾構刀具的磨損屬于典型的磨粒磨損和沖擊磨損。盾構刀具一般選用16Mn鋼作為母材，刀具工作端釬焊碳化鎢硬質(zhì)合金［3］，硬質(zhì)合金起到切削巖土的作用，16Mn鋼對硬質(zhì)合金起到支撐保護作用。16Mn鋼強度高，硬度低，耐磨性差。對于工作段釬焊硬質(zhì)合金部位的16Mn鋼，由于受到釬焊過程高溫加熱導致硬度降低的影響，更易被磨損。盾構刀具母材磨損后，硬質(zhì)合金失去了支撐體，造成硬質(zhì)合金的脫落，導致刀具的失效。為了延長刀具使用壽命，盾構刀具生產(chǎn)廠會考慮在刀具硬質(zhì)合金周圍的母體上堆焊耐磨層［4］。本文根據(jù)盾構刀具的磨損原理和特點，選取了適合于沖擊磨損和磨粒磨損的4種耐磨堆焊材料(2種焊條、2種焊絲)，采用手工電弧焊和二氧化碳氣體保護焊對4種材料分別進行實際焊接操作，并觀察和記錄4種材料的電弧穩(wěn)定性、外觀成型和焊接裂紋等情況以比較其工藝性;對4種材料的堆焊試樣進行硬度測試;進行落球試驗以對比其抗脫落性;進行磨粒磨損試驗以對比其耐磨性。在對4種耐磨堆焊材料做了詳細的試驗比較后，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)結果，合理選擇了一種最適合盾構刀具耐磨處理的堆焊材料。

1 盾構刀具常用堆焊材料

合理地選擇堆焊材料，可使堆焊耐磨層更好地保護刀具，使盾構刀具堆焊件具有較長的使用壽命。根據(jù)盾構刀具的磨損形式，選擇適合于沖擊磨損和磨粒磨損的堆焊材料，選取市場上4種型號的堆焊材料:天津生產(chǎn)的高鉻鑄鐵堆焊材料，牌號為 YD628和YD888;山東生產(chǎn)的馬氏體堆焊材料，牌號為YD212;北京固本生產(chǎn)的碳化鎢堆焊材料，牌號為KB600。焊條(YD628、YD212)使用的焊接方法為手工電弧焊，焊絲(YD888、KB600)使用的焊接方法為二氧化碳氣體保護焊。

2 堆焊材料的工藝性比較

每種堆焊材料配合適當?shù)亩押腹に?，才能發(fā)揮出最佳效果。堆焊工藝參數(shù)如表1所示。堆焊工藝性比較如表2所示。

表1 堆焊工藝參數(shù)Table 1 Parameters of submerged arc welding

表2 堆焊材料工藝性比較Table 2 Submerged arc welding technologies

由表2可知:1)YD628屬于石墨型焊條［5］，焊后焊縫淬硬性大，裂紋寬度和深度大，不適合使用。2)其他3種型號堆焊材料中，YD888和YD212母材預熱溫度較高，焊工勞動強度大;KB600焊絲母材預熱溫度較低，可減輕焊工勞動強度。

3 堆焊材料性能分析

3.1 硬度測試

在盾構刀具的制造過程中，總是先堆焊耐磨材料，再感應加熱釬焊硬質(zhì)合金［6］，這樣由于釬焊過程對堆焊層起到焊后退火的作用，導致堆焊層硬度大大下降，耐磨性大大降低。因此，對于盾構刀具，在選擇堆焊材料時要以感應加熱后堆焊層的硬度和耐磨性，作為選擇適于盾構刀具生產(chǎn)和應用的堆焊材料重要依據(jù)。將200 mm×90 mm×60 mm的16Mn鋼焊前預熱350℃后，再分別將YD628、YD888和YD212堆焊到工件表面。將同樣規(guī)格的工件預熱到150℃后，堆焊KB600焊絲。為減少母材對工件的稀釋作用，選擇堆焊3層。堆焊后再將工件感應加熱到950℃，保溫2 h后在靜止的空氣中冷卻，最后打磨拋光測試宏觀洛氏硬度值。4種型號堆焊材料試樣熱處理后的硬度測試結果如表3所示。

表3 950℃后堆焊材料硬度值比較Table 3 Hardness of welding wires after 950℃brazing

由表3可知:1)所選擇的4種堆焊材料，除KB600外，硬度均低于50 HRC。2)YD212硬度低于40 HRC，無法有效保護刀具硬質(zhì)合金。3)對于YD888和YD628，熱處理后硬度下降18%，只能達到45 HRC左右，低于50 HRC。王智慧等［7］對高鉻堆焊合金熱處理后的硬度和耐磨性研究結果表明，熱處理后高鉻堆焊金屬硬度下降25%，耐磨性下降32%，故高鉻堆焊合金也不能很好地保護硬質(zhì)合金。從熱處理后對試樣的硬度測試結果來看，只有KB600熱處理后硬度大于55 HRC。

3.2 抗脫落能力測試

盾構刀具在施工過程中，會遇到大的沖擊磨損，如果所使用的堆焊層在施工中受到?jīng)_擊而脫落，硬質(zhì)合金就會失去抗沖擊保護。文獻［8］中闡述了沖擊對盾構機刀具耐磨堆焊層的影響。落球試驗采用7.5 kg的鉛球由1 m高處自由下落，對堆焊層進行沖擊［8］。試驗表明，YD628和YD888堆焊層在沖擊中發(fā)生脫落(主要因為2種焊結材料都屬于高鉻合金，淬硬傾向大，容易脫落)，YD212和KB600試樣的堆焊層未發(fā)生脫落現(xiàn)象。

3.3 耐磨性試驗

將950℃感應加熱后的4種堆焊材料堆焊的試樣鋼板，采用線切割，制作尺寸為55 mm×25 mm×12 mm的磨粒磨損試樣。磨粒磨損試驗采用MLS－225型濕式橡膠輪磨粒磨損試驗機，試驗參數(shù)為:橡膠輪轉速為240 r/min、橡膠輪邵爾硬度為60、載荷為100 N，磨料為0.212～0.425 mm的石英砂。試驗時將磨料放入試驗機，首先對試樣進行預磨，預磨1 000 r后取出試樣對樣品稱重并記錄數(shù)據(jù);之后對試樣進行精磨6 000 r，試驗后再對試樣稱重并記錄數(shù)據(jù)，2次質(zhì)量差即為試驗過程中試樣的磨損量。磨損量越大，耐磨性越差;磨損量越小，耐磨性越好。本實驗以950℃感應加熱后16Mn材料作為標準試樣，其他材料的相對耐磨性ε=標準試樣磨損量/試樣磨損量。950℃熱處理后磨粒磨損結果見表4。堆焊材料相對耐磨性比較見圖1。

表4 950℃熱處理后磨粒磨損結果Table 4 Wearing results of wearing grains after 950℃brazing

圖1 堆焊材料相對耐磨性比較Fig.1 Relative wearing resistance of submerged arc welding wires

由表4和圖1可知，在相同磨損條件下，KB600堆焊層的耐磨性是YD888和YD628的2倍，是YD212的4倍。KB600在耐磨性方面具有很大的優(yōu)勢。

4 實際應用

南昌齒輪有限責任公司盾構刀具分公司對KB600的性能做了實際測試。由于刀具體積大，為減少裂紋，降低開裂傾向，首先焊前對刀具進行150℃預熱，堆焊KB600耐磨焊絲，焊后將刀具放于保溫箱中自然冷卻;然后對堆焊成型的刀具進行高頻感應加熱，加熱溫度達到950℃后對刀具進行硬質(zhì)合金釬焊，焊后刀具保溫2 h，待自然冷卻后，測試堆焊層的硬度大于55 HRC。將焊有KB600的盾構刀具安裝于盾構機，并在南昌隧道建設中進行實際測試。結果表明，采用KB600耐磨處理的刀具，掘進距離能提高2～3倍。KB600焊后刀具形貌見圖2。

圖2 KB600焊后刀具形貌Fig.2 Cutting tool welded by KB600 welding wires

5 結論與建議

1)通過對焊條和焊絲2種堆焊材料的使用對比發(fā)現(xiàn)，焊絲使用的二氧化碳氣體保護焊接方法與焊條使用的手工電弧焊接方法相比，焊絲生產(chǎn)效率為焊條的2倍以上，具有高效率、低能耗、低勞動力成本和高的材料利用率等優(yōu)點［9］;而且焊絲堆焊后刀具刀體堆焊變形量小，堆焊層形狀尺寸較規(guī)則，堆焊質(zhì)量穩(wěn)定，比手工焊條堆焊具有明顯的優(yōu)勢。

2)根據(jù)盾構刀具生產(chǎn)過程中高溫釬焊的特點，對所選堆焊材料進行了高溫釬焊后硬度和耐磨性試驗。試驗表明，950℃感應加熱后，KB600堆焊層硬度大于55 HRC，與相同條件下的16Mn相比，耐磨性提高10倍。

3)通過落球沖擊試驗對所選材料進行了抗脫落性能試驗。試驗表明，高鉻合金的堆焊材料抗脫落性能相對較差，YD212和KB600焊縫具有優(yōu)良的抗脫落性能。

根據(jù)對4種堆焊材料950℃感應加熱后的硬度、抗脫落性以及耐磨性試驗結果等因素的綜合考慮，推薦使用北京固本的KB600型耐磨焊絲。

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