LD鋼TBM滾刀刀圈破損失效分析

郭聯(lián)金，金林奎，彭鐵坤

(1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 東莞 523808； 2.國(guó)家模具產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，廣東 東莞 5238083)

0 引 言

LD ( 7Cr7Mo2V2Si )鋼是在美國(guó)專利鋼SVSCO-DIE的基礎(chǔ)上，對(duì)碳、鉻、鉬、釩、硅等元素的含量進(jìn)行了調(diào)整，同時(shí)采用真空脫氧精煉工藝制成的高強(qiáng)韌性、高耐磨性冷作模具鋼[1]。與我國(guó)傳統(tǒng)使用較多的Cr12型模具鋼相比，LD鋼的碳化物偏析現(xiàn)象有所改善，二次硬化能力、耐磨性和使用壽命明顯提高[2]。在力學(xué)性能方面，LD鋼的抗彎強(qiáng)度、沖擊韌度、撓度顯著優(yōu)于其他萊氏體鋼。這些優(yōu)異的性能使其近年來被大量用于強(qiáng)沖擊、大載荷、易磨損的惡劣環(huán)境中。

在某山體隧道施工工程中，采用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(Tunnel boring machine,TBM)進(jìn)行破巖掘進(jìn)，而與巖石直接接觸和作用的關(guān)鍵部件LD鋼滾刀刀圈頻繁發(fā)生早期磨損、開裂。由此導(dǎo)致的停機(jī)、換刀直接嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度，并大大增加了施工成本。通過施工現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得知，隧道沿線地質(zhì)組成較復(fù)雜，施工區(qū)第一段主要為凝灰?guī)r，第二段主要為花崗巖。采樣兩種巖石進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，測(cè)得凝灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度為58.92 MPa，抗拉強(qiáng)度為4.32 MPa，是中等堅(jiān)硬巖石(25～100 MPa)；花崗巖抗壓強(qiáng)度為132.45 MPa，抗拉強(qiáng)度為8.36 MPa，是較堅(jiān)硬及堅(jiān)硬巖石(>100 MPa)。該盤形滾刀刀圈的外部直徑為480 mm，最大厚度100 mm，刀盤平均轉(zhuǎn)速7.65 r/min。

TBM盤形滾刀主要由刀軸、刀體、刀圈、圓錐滾子軸承、端蓋、擋圈等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中刀圈安裝于滾刀刀體上，是可拆卸的刀刃[3]。破巖施工時(shí)，刀圈在TBM推力的作用下壓緊在巖面上，隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)，盤形滾刀刀圈一方面繞刀盤中心軸公轉(zhuǎn)，同時(shí)繞自身軸線自轉(zhuǎn)。滾刀刀圈在刀盤高推力和大扭矩的作用下，在巖面上切出一系列同心圓溝槽[4]。當(dāng)推力超過巖石強(qiáng)度時(shí)，滾刀刀圈刃口下的巖石被擠壓貫入，碾壓起裂，破碎，完成破巖過程[5]。

由于滾刀承受強(qiáng)沖擊、大載荷以及巖石的磨蝕作用，容易造成刀圈表層磨損及開裂；此外，在與巖石的強(qiáng)烈沖擊和摩擦過程中，刀圈會(huì)產(chǎn)生高溫而改變性能，冷卻時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大應(yīng)力而造成破壞，所以滾刀刀圈是滾刀磨損的主要部位[6]。其主要失效形式為崩刃、卷邊、斷裂和過量磨損。刀圈的磨損去除機(jī)制與其材料性能、施工地質(zhì)類型、掘進(jìn)參數(shù)等有關(guān)。為應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的地質(zhì)環(huán)境及極大的工作消耗，高性能的TBM刀圈材料需要具有高硬度、高耐磨性以及良好的沖擊韌性。此外，還需注重刀圈性能與地質(zhì)的適應(yīng)性、掘進(jìn)參數(shù)、潤(rùn)滑等其他與工況相關(guān)的影響因素。

圖1 盤形滾刀的裝配結(jié)構(gòu)(實(shí)物)

1 宏觀檢查

1.1 使用材料與工藝

TBM盤形滾刀刀圈材料采用國(guó)產(chǎn)LD高強(qiáng)韌性冷作模具鋼(LD鋼)，材料牌號(hào)為7Cr7Mo2V2Si鋼。LD鋼具有較高的強(qiáng)韌性、耐磨性和抗彎強(qiáng)度[7],熱加工工藝優(yōu)良，熱處理變形小，通用性強(qiáng)。LD鋼的高耐磨性可減少刀圈的磨損，延長(zhǎng)使用壽命；高韌性使刀圈不易產(chǎn)生崩刃、開裂，保證破巖掘進(jìn)的速度。故LD鋼適用于TBM盤形滾刀刀圈。測(cè)得該盤形滾刀刀圈的外部直徑為480 mm，最大厚度100 mm。最終熱處理工藝采用階梯式加熱保溫，加熱溫度及保溫時(shí)間為650℃/0.5h+850℃/1.5h+1120℃/2h，油淬后進(jìn)行3次600 ℃/2 h回火。硬度要求為58～59 HRC，沖擊功(AKV)要求大于20 J/cm2。

1.2 失效件特征分析

TBM滾刀刀圈外緣設(shè)計(jì)成梯形的切削齒，改變了刀圈外緣結(jié)構(gòu)，使它在工作時(shí)對(duì)巖石產(chǎn)生很強(qiáng)的挖掘力和擠壓力。刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，刀圈的外緣銳邊切入巖石并將其挖掘脫離巖層，實(shí)現(xiàn)高速切入掘進(jìn)，有效提高了滾刀刀圈的破巖效率。由于在使用過程中刀圈承受過強(qiáng)的擠壓和撞擊，表層破損形成坍塌和剝落；同時(shí)，變形刀圈的頂部表面出現(xiàn)坍塌和加寬，局部因產(chǎn)生大面積剝落而早期失效如圖2所示。

圖2 刀圈失效件及取樣部位

2 檢測(cè)與討論

2.1 化學(xué)成分分析

從盤形滾刀刀圈失效件上截取樣塊進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，采用德國(guó)牛津FOUNDRY-MASTERPRO直讀光譜儀進(jìn)行檢測(cè)，依據(jù)LD鋼材料成分范圍要求進(jìn)行判定。檢測(cè)結(jié)果表明，刀圈的化學(xué)成分符合規(guī)范要求如表1所列。

表1 原材料化學(xué)成分 /%

2.2 力學(xué)性能檢測(cè)

從該盤形滾刀刀圈自內(nèi)圈部位至刃部依次取樣1～5個(gè)點(diǎn)，并加工成20 mm×20 mm×10 mm大小的試樣進(jìn)行硬度檢測(cè)，采用奧地利ONESS Q150R全自動(dòng)數(shù)顯洛氏硬度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，實(shí)測(cè)硬度值符合客戶要求如表2，刀圈內(nèi)圈部位至刃部硬度分布較為均勻。為了測(cè)定刀圈材料在動(dòng)負(fù)荷下抵抗沖擊的性能，在刀圈的內(nèi)圈部位和刃部分別取樣，并制成10 mm×10 mm×55 mm尺寸的標(biāo)準(zhǔn)夏比V形缺口沖擊試樣。

表2 硬度檢測(cè)結(jié)果 /HRC

采用CEAST 9050沖擊試驗(yàn)機(jī)，按國(guó)標(biāo)GB/T229-2007《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》對(duì)金屬材料進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，測(cè)得刀圈內(nèi)圈和刃部的沖擊吸收功分別為13.5 J、12.8 J，表明刀圈各部位沖擊韌性較為均勻，但沖擊吸收功不達(dá)標(biāo)，未能滿足施工要求，反映材料的強(qiáng)韌性不足。

2.3 掃描電鏡檢測(cè)

采用德國(guó)蔡司SIGMA 300掃描電子顯微鏡進(jìn)行檢測(cè)，TBM刀盤上的盤形滾刀刀圈表層磨損面，形成大量擠壓變形的溝槽，磨損面產(chǎn)生沿晶開裂的顯微裂紋，黑色點(diǎn)狀組織屬于表面蝕坑及硬質(zhì)點(diǎn)脫落的孔洞如圖3(a)。在刀圈表面凹陷部位，沿晶開裂的顯微裂紋更為明顯，在斷口表面及裂紋間隙布滿硬質(zhì)點(diǎn)顆粒和砂礫如圖3(b)。

圖3 刀圈表面顯微組織

在刀圈表面裂縫處及凹坑底部，鑲嵌了各種硬度高脆性大的夾雜物，凹坑底部的硬質(zhì)鑲嵌物已經(jīng)破碎，表面同時(shí)布滿瘤狀?yuàn)A雜物。進(jìn)一步觀察，這些瘤狀?yuàn)A雜物與大塊的脆性夾雜物形態(tài)相似，表明瘤狀?yuàn)A雜物是由更為細(xì)小的夾雜物組成如圖3(c)、(d)。為了進(jìn)一步了解夾雜物的結(jié)構(gòu)和組份，對(duì)該夾雜物進(jìn)行微區(qū)能譜測(cè)試。

2.4 微區(qū)能譜測(cè)試

采用英國(guó)牛津INCA X-MAX 20X射線能譜儀，對(duì)刀圈磨損表面及粗大顆粒夾雜物進(jìn)行微區(qū)能譜測(cè)試，測(cè)試區(qū)如圖所示，測(cè)試區(qū)域1為刀圈磨損表面如圖4(a)，測(cè)試區(qū)域2為粗大顆粒夾雜物如圖4(c)。能譜儀測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)試區(qū)域1的刀圈磨損表面含有C、Cr、Fe、Mo、Si、V等合金元素，化學(xué)成分顯示與刀圈材料相符合如圖4(b)。測(cè)試區(qū)域2的粗大顆粒夾雜物含有C、O、Si、Al、Na、K等合金元素，能譜測(cè)試結(jié)果顯示，實(shí)測(cè)的O、Si含量極高，占整個(gè)重量 比的95%左右，表明夾雜物主要由高氧高硅的Si2O石英礦石構(gòu)成[8]如圖4(d)，能譜測(cè)試結(jié)果如表3所列。

圖4 微區(qū)能譜測(cè)試

項(xiàng)目COCrFeMoSiVAlNaK區(qū)域17.593.806.4677.071.862.001.020.21------區(qū)域23.6161.21---0.95---33.78---0.220.150.08

2.5 金相組織分析

采用Axio Observer 7m金相顯微鏡觀察，盤形滾刀刀圈頂部的表層呈嚴(yán)重變形的纖維狀組織，這是由于刀圈表面受到嚴(yán)重?cái)D壓和撞擊造成的。變形的白亮色網(wǎng)狀組織粗大，表明材料組織中偏析較嚴(yán)重。刀圈表層存在表面脫落的薄片層，色澤較為明亮，局部存在擠壓和撞擊的凹坑如圖5(a)。在接近刀圈頂部表層組織的變形程度更為嚴(yán)重，白亮色網(wǎng)狀組織幾乎都呈拉條狀。在刀圈表層有一條因變形造成的表面裂紋，裂紋延伸方向與晶粒的變形方向一致。由于受擠壓和撞擊的影響，表面已經(jīng)形成臺(tái)階式的錯(cuò)位如圖5(b)。

刀圈頂部附近坍塌區(qū)的晶粒變形量達(dá)到最大狀態(tài)，沿變形方向的縱向及橫向均產(chǎn)生開裂，形成三角形的表面剝落塊。白亮色的網(wǎng)狀組織，也已經(jīng)被拉呈長(zhǎng)條狀如圖6(a)。表面附近白亮色網(wǎng)狀組織被拉長(zhǎng)為條狀，呈嚴(yán)重變形的纖維狀組織，沿纖維組織條間形成穿晶開裂的特征形貌。圖6(b)所示左下側(cè)的刀圈表層，存在厚度約80 μm的白亮層。經(jīng)顯微硬度檢測(cè)，該白亮層區(qū)域的維氏硬度值為745 HV0.2，對(duì)應(yīng)于洛氏硬度值為62 HRC,相當(dāng)于該材料淬火硬度。由此表明，刀圈在服役過程中，擠壓和撞擊的表層產(chǎn)生高溫并迅速冷卻，形成白亮色的淬火組織[9]。次表層組織由于受熱影響，溫度升高使組織發(fā)生軟化，在作用環(huán)境的擠壓和撞擊下，形成變形嚴(yán)重的纖維狀組織及開裂[10]。

位于遠(yuǎn)離刀圈頂部的側(cè)面表層的白亮淬火層更為明顯，而表層附近的網(wǎng)狀組織變形量不大，可以斷定白亮層淬火組織，在刀圈開始使用時(shí)就已經(jīng)形成，并且在服役過程中，隨著使用周期的延長(zhǎng)，組織的變形程度越大，白亮層淬火組織發(fā)生磨損、開裂和疲勞片狀剝落如圖7。

圖5 刀圈頂部表層組織(100×)

圖6 刀圈頂部附近坍塌區(qū)表層組織(100×)

圖7 刀圈側(cè)面表層組織(200×)

靠近刀圈頂部附近的表層，組織為細(xì)針狀回火馬氏體+拉長(zhǎng)的網(wǎng)狀碳化物。由于表面受熱和變形，碳化物幾乎碎化為細(xì)小顆粒狀。但由于碳化物顆粒密集，沿晶脆性增大，材料變形的擠壓硬化極易造成沿晶開裂如圖8。遠(yuǎn)離刀圈頂部的基體，組織為粗針狀回火馬氏體+粗大網(wǎng)狀碳化物。采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14979-1994《鋼的共晶碳化物不均勻度評(píng)定法》檢測(cè)，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T1299-2014《工模具鋼》評(píng)定，共晶碳化物不均勻度達(dá)5級(jí)。這種網(wǎng)狀共晶碳化物缺陷組織，使材料的強(qiáng)度大幅度降低，脆性顯著加大，同時(shí)沿網(wǎng)狀碳化物邊緣應(yīng)力分布不均勻，增加盤形滾刀刀圈的開裂傾向。基體中粗針狀回火馬氏體組織，進(jìn)一步降低材料的強(qiáng)韌性[11]如圖9。

圖8 刀圈頂部附近表面組織(500×) 圖9 刀圈基體組織(500×)

3 結(jié)果分析

TBM施工區(qū)域的第一地段以凝灰?guī)r為主，屬于中等堅(jiān)硬巖石，施工區(qū)域第二地段以花崗巖為主，屬于較堅(jiān)硬及堅(jiān)硬巖石。掘進(jìn)施工時(shí)，巖石對(duì)刀圈表面產(chǎn)生微切削、微犁耕和表面疲勞剝落三種磨損作用。刀圈在第一地段服役時(shí)，由于巖石硬度不高，刀圈承受的沖擊較小，刀圈不易產(chǎn)生裂紋、磨損和剝落。但由于刀圈頂部表層材料組織中存在碳化物偏析，沿晶脆性增大，在巖石擠壓和撞擊下易產(chǎn)生沿晶開裂。組織中的硬質(zhì)碳化物在切屑作用下產(chǎn)生斷裂和脆性剝落，從而在表層磨損面形成凹坑與孔洞；同時(shí)在犁耕作用下，產(chǎn)生擠壓變形溝槽。在第二地段服役時(shí)，刀圈承受花崗巖的強(qiáng)烈沖擊和劇烈摩擦，由于遠(yuǎn)離刀圈頂部的基體中存在網(wǎng)狀共晶碳化物+粗針狀回火馬氏體缺陷組織，使基體材料的碳及合金元素含量降低，具有耐磨作用的顆粒狀碳化物顯著減少，材料脆性顯著加大，耐磨性及強(qiáng)韌性大幅度降低。基體中沿網(wǎng)狀碳化物邊緣的應(yīng)力分布不均勻，易萌生顯微裂紋，進(jìn)而延伸至刀圈表層，致使材料大塊疲勞剝落?？梢?，雖然刀圈的硬度較高，但其沖擊吸收功不足。刀圈在較堅(jiān)硬的花崗巖地段掘進(jìn)時(shí)，由于強(qiáng)韌性及耐磨性不足，在大載荷作用下，刀圈材料主要以大塊疲勞剝落方式磨損，從而發(fā)生早期開裂和失效。

4 改進(jìn)建議

理想的TBM刀圈應(yīng)是刀刃部分具有較高硬度，以保證切削性能，不易受壓變形；基體部分具有較高的韌性及一定硬度，可吸收碰撞沖擊，不易脆性斷裂[12]。在硬巖地質(zhì)施工時(shí)，進(jìn)口刀圈的耐磨性和使用壽命顯著優(yōu)于國(guó)產(chǎn)刀具。故可借鑒國(guó)外進(jìn)口刀圈的選材和熱處理工藝，使刀圈材料達(dá)到一定硬度的同時(shí)，提高刀圈的耐磨性、強(qiáng)韌性，使之具有良好的綜合力學(xué)性能。

當(dāng)材料組織中的網(wǎng)狀及條狀碳化物較少時(shí)，顆粒狀碳化物均勻彌散分布于基體上，基體為細(xì)針狀回火馬氏體，材料的強(qiáng)韌性將顯著提高。LD冷作模具鋼刀圈基體的含碳量較高，且材料組織中存在網(wǎng)狀碳化物。因而須改進(jìn)LD 鋼的冶煉及軋制工藝，適當(dāng)降低刀圈基體中碳元素的含量，優(yōu)化各元素的配比，同時(shí)對(duì)原材料進(jìn)行揉鍛，按照“三鐓三拔”的鍛造工藝，使網(wǎng)狀共晶碳化物充分細(xì)化和均勻彌散分布的顆粒狀碳化物，可提高材料的強(qiáng)韌性，增加耐磨性和耐沖擊性能。盤形滾刀刀圈在鍛造加工后，進(jìn)行正火或高溫回火處理，然后進(jìn)行一次球化處理，在后續(xù)熱處理才能得到均勻細(xì)化的組織[13]。最終熱處理過程中，嚴(yán)格執(zhí)行生產(chǎn)工藝和作業(yè)規(guī)程，控制好零件的加熱溫度及保溫時(shí)間，避免出現(xiàn)過熱粗大組織，保證材料的強(qiáng)韌性。同時(shí)，可嘗試真空熱處理+表面強(qiáng)化處理等新工藝手段。此外，刀圈的選材應(yīng)與地質(zhì)狀況相適應(yīng)，根據(jù)不同的地質(zhì)條件，調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，合理增加潤(rùn)滑，可提高刀圈的破巖能力和磨損性能，進(jìn)而延長(zhǎng)刀圈的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1] 葉俊勇.LD鋼模具性能及熱處理工藝探討[J].金屬加工(熱加工),2011(9):33-36.

[2] 王紅偉,顧 敏,趙少甫,等.LD鋼六角冷鐓模的真空熱處理[J].金屬熱處理,2015,40(4):121-124.

[3] 劉海龍,曲傳詠,秦慶華.TBM滾刀刀圈與巖石的滑動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),2015,30(3):289-298.

[4] 王 旭,趙 羽,張寶剛,等.TBM滾刀刀圈磨損機(jī)理研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2010,47(5):15-19.

[5] 宋克志,袁大軍,王夢(mèng)恕.盤形滾刀與巖石相互作用研究綜述[J].鐵道工程學(xué)報(bào), 2005(6):72-75.

[6] 夏毅敏,林賚貺,賀 飛,等.盤形滾刀刀圈結(jié)構(gòu)地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),2018(1)：10-17.

[7] 祝溪明.冷作模具鋼性能優(yōu)化及應(yīng)用研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014(4):248-251.

[8] 張大同.掃描電鏡與能譜儀分析技術(shù)[M].廣東：華南理工大學(xué)出版社，2008.

[9] 吳振海.常用模具鋼熱處理性能[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[10] 陳君才.金屬構(gòu)件的失效分析[M].四川：成都科技大學(xué)出版社，1987.

[11] 鄭學(xué)坊，邱允新，唐鎮(zhèn)南.金相分析技術(shù)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1987.

[12] 張占杰,劉 樸,趙海峰,等.TBM滾刀刀圈材料性能的研究[J].鋼鐵研究,2013,41(1):18-21+26.

[13] 呂 炎.鍛件缺陷分析與對(duì)策[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.