梯度硬度刀圈材料的性能測(cè)試失效分析及方法

張凌，皮春明，張愛武，孔祥權(quán)，程濤，李海龍

（1.吉林省維爾特隧道裝備有限公司，吉林 吉林市132011；2.吉林省盾構(gòu)與掘進(jìn)刀具技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 吉林市132011；3.中交（廣州）建設(shè)有限公司，廣東 廣州市511458）

0 前言

滾刀刀圈是全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)施工的關(guān)鍵零件，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定刀圈沿軸向截面硬度應(yīng)為58-62 HRC，具有很好的耐磨性能，但在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，刀圈除了正常疲勞磨損外，也會(huì)出現(xiàn)整體斷裂現(xiàn)象。通過技術(shù)手段分析得知，造成失效的原因主要是刀圈受到較大沖擊載荷作用時(shí)，在刀圈零件內(nèi)部的微裂紋沿著晶界處形成穿晶斷裂。出現(xiàn)這種整體斷裂失效的主要原因是為追求零件高的耐磨性能，而忽略了材料的塑性。在熱處理過程中為提升刀圈材料的耐磨性能，通過控制材料的熱處理工藝使得刀圈零件具有很高的硬度，由于材料的硬度與塑性之間成反比例關(guān)系，高的硬度必然降低材料的韌性，使得刀圈材料對(duì)材料內(nèi)部微裂紋擴(kuò)張的阻礙作用降低，進(jìn)而在工作過程中刀圈沿零件的徑向方向整體脆斷。

針對(duì)上述失效形式，在不降低刀圈零件工作部位硬度的前提下，通過合適的熱處理方法降低刀圈零件內(nèi)徑部位處的硬度，以提高刀圈徑部的塑性，可有效地阻擋裂紋的擴(kuò)展，從而降低零件發(fā)生整體斷裂的概率，保證刀圈零件具有較好的耐磨性。這樣生產(chǎn)出來的刀圈稱為梯度硬度刀圈。

1 盤形滾刀梯度硬度刀圈材料的成分

我公司生產(chǎn)的TBM 盤形滾刀，刀圈材料化學(xué)成分符合GB/T 1299-2000《合金工具鋼》中的冷作模具鋼技術(shù)要求，用德國(guó)布魯克生產(chǎn)的Q2型直讀光譜儀進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表1。

表1 梯度硬度刀圈材料鋼化學(xué)成分，%

2 盤形滾刀梯度硬度刀圈材料的基礎(chǔ)性能

2.1 刀圈材料硬度測(cè)試

目前行業(yè)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的刀圈，大多沒有梯度硬度，其各處硬度基本一致，測(cè)量點(diǎn)無需固定，刀圈整體硬度相差一般在0.5～2 HRC，梯度硬度刀圈，刀圈刃部硬度為58-62 HRC，端部硬度為41-45 HRC, 刀圈刃部與端部洛氏硬度相差平均在13～20 HRC。梯度硬度熱處理刀圈洛氏硬度檢測(cè)裝置見圖1，硬度檢測(cè)點(diǎn)分布見圖2。由于刀圈端部硬度逐漸降低，在測(cè)定硬度過程中，距刀圈內(nèi)徑不同部位各處的硬度是不一樣的，因此必須固定刀圈端部的測(cè)定位置，以刀圈截面距端部5 mm 起開始測(cè)量，每隔5 mm 測(cè)量一次，采用在HR-150A 型洛氏硬度計(jì)大工作臺(tái)上安裝定位盤的方法，確保距離端部30 mm 處10、11、12、、14、16 和18 六個(gè)點(diǎn)的硬度準(zhǔn)確性，在相同的熱處理?xiàng)l件下，刀圈同一位置的硬度基本一致。刀圈梯度硬度測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 盤形滾刀刀圈梯度硬度測(cè)試結(jié)果

圖1 梯度硬度熱處理刀圈洛氏硬度檢測(cè)裝置

圖2 硬度檢測(cè)點(diǎn)分布

盤形滾刀刀圈的硬度分布為“外硬內(nèi)韌”，即刀圈從刃部到端部的硬度由高到低呈梯度分布，可以提高其抗磨損和抗沖擊能力，且能夠提高刀圈的使用壽命。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在同一高度處，盤形滾刀刀圈外部的硬度高于芯部的硬度；刀圈沿中線垂直向下的硬度則呈遞減的趨勢(shì)，硬度值由刃部的59.0 HRC 降至端部的41.5 HRC。

2.2 刀圈材料沖擊韌性測(cè)試

沖擊韌性是衡量盤形滾刀刀圈材料強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)，一般來說，刀圈應(yīng)具有一定的沖擊韌性，以防止破巖過程中刀圈受沖擊而出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，進(jìn)而也決定了刀圈出現(xiàn)非正常失效的概率。為測(cè)試刀圈材料的沖擊韌性，根據(jù)GB/T 229《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，在刀圈刃部沿徑向切割成沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件，通過JB-300B 型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)刀圈材料進(jìn)行沖擊韌性測(cè)試，測(cè)試共進(jìn)行5 次，部分沖擊測(cè)試試件形貌見圖3，試件尺寸見表3，測(cè)試結(jié)果見表4。

表3 盤形滾刀刀圈材料沖擊韌性測(cè)試試件

表4 盤形滾刀刀圈沖擊韌性，J/cm2

圖3 測(cè)試試件形貌

試驗(yàn)結(jié)果表明，盤形滾刀刀圈材料的沖擊韌性在18 ～20 J/cm2之間，與進(jìn)口刀具材料沖擊韌性相近，且沖擊韌性數(shù)值波動(dòng)較小，表明刀圈材料的均勻性較好。

3 刀圈材料金相組織分析

為觀測(cè)刀圈材料的微觀形貌，分析材料內(nèi)部組織、 結(jié)構(gòu)以及性能并觀察材料的內(nèi)部缺陷，本文選取刀圈刃部材料切割出尺寸為8×8×2 mm 的試件，通過金相制樣機(jī)制備成金相試樣。首先通過200#、400#、600#、800#、1000#、1200# 的 砂 紙依次對(duì)試件表面進(jìn)行打磨，以去除線切割痕跡。當(dāng)試件表面打磨光亮?xí)r，通過W5 和W1 的金剛石拋光膏，利用金相試樣磨拋機(jī)對(duì)試件表面進(jìn)行拋光，至試件表面呈鏡面狀，并通過光學(xué)顯微鏡觀察，以保證無劃痕存在。隨后用無水酒精對(duì)試件表面進(jìn)行沖洗，并通過吹風(fēng)機(jī)吹干后干燥。刀圈材料的腐蝕液采用4%的硝酸酒精溶液，在室溫條件下浸蝕或擦拭，腐蝕時(shí)間在1 min 之內(nèi)，當(dāng)觀察到試件表面變暗時(shí)停止腐蝕，用清水將試件表面的腐蝕液沖洗干凈，并進(jìn)一步用無水酒精清洗試件表面，干燥后移至光學(xué)顯微鏡下觀測(cè)。上述步驟參照GB/T 13298-2015 《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，刀圈材料的金相組織照片見圖4。

圖4 盤形滾刀梯度硬度刀圈金相組織 500×

刀圈材料的金相組織以回火馬氏體為主，結(jié)構(gòu)較為致密，且存在碳化物分布在馬氏體上，這些碳化物大多為硬質(zhì)第二相，可提高刀圈的耐磨性，延長(zhǎng)刀圈的服役壽命。回火馬氏體的存在可增加刀圈的韌性，降低其異常失效的可能性。

4 刀圈失效分析

利用SEM 對(duì)正常磨損后盤形滾刀刀圈進(jìn)行的100 倍觀測(cè)，見圖5。

圖5 刀圈磨損形貌

通過X 射線能譜分析儀對(duì)磨損刀圈試樣進(jìn)行分析，刀圈磨損形貌表面以犁溝、巖石礦物顆粒鑲嵌的形貌為主，為典型的磨粒磨損，巖石礦物顆粒的成分以Ca、Mg 元素為主，見圖6。

圖6 EDS 分析結(jié)果

5 結(jié)語

通過對(duì)梯度硬度刀圈成分、性能、金相組織等的檢測(cè)，以及對(duì)磨損后刀圈進(jìn)行失效分析看出，經(jīng)過梯度硬度熱處理后的刀圈具有更高的沖擊韌性和均勻性，金相組織以回火馬氏體為主，另有少量的碳化物，提高了刀圈的耐磨性，刀圈失效為巖石磨粒磨損所致，屬于正常磨損。