巖石隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀刀圈試制與耐磨性試驗

何政律，何恩光

（1.北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110141；2.沈陽建筑大學(xué)，遼寧 沈陽 110168）

隨著地下交通的建設(shè)與發(fā)展，隧道掘進(jìn)機(jī)已經(jīng)愈發(fā)廣泛地應(yīng)用于隧道建設(shè)[1]。其中巖石隧道掘進(jìn)機(jī)是通過旋轉(zhuǎn)刀盤并推進(jìn)，使?jié)L刀擠壓破碎巖石的[2]，其破巖效果不僅受滾刀的貫入度和進(jìn)給速度影響[3]，也會因滾刀的磨損而變差。滾刀的刀圈受高擠壓、強(qiáng)沖擊作用易產(chǎn)生磨損[4]。為提高刀圈的使用壽命，陳歡等[5]制定了刀圈用DC53鋼的熱處理工藝；張力等[6]開展了激光淬火化表面織構(gòu)對刀圈摩擦磨損影響的研究；于慶增等[7]分析了具有不同硬度梯度的熱處理工藝對刀圈組織和力學(xué)性能的影響分析；廖劍平[8]開展了刀圈材料5Cr5MoWVSi 熱處理工藝及性能研究；王文超等[9]開展了LD 鋼（7Cr7Mo2V2Si）冷作模具鋼在刀圈中的應(yīng)用研究；鄭祿鵬等[10]開展了用H13E 材料鍛造刀圈成形工藝研究；張鵬[11]開展了刀圈用KX6454 鋼的熱處理工藝及性能研究。

分析上述研究內(nèi)容，刀圈所采用的材質(zhì)主要有H13、DC53、LD、9Cr2Mo 等。施工企業(yè)更多的是關(guān)注刀圈的硬度指標(biāo)，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，也要求刀圈表面硬度指標(biāo)應(yīng)為58～62HRC，而KU2≥10J 即可。然而，一些進(jìn)口的滾刀，其刀圈硬度并未達(dá)到上述硬度指標(biāo)，確具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。分析原因，主要是刀圈硬度應(yīng)與巖石的力學(xué)性能指標(biāo)相匹配。夏毅敏等[12]開展了刀圈硬度與巖石匹配性能試驗，試驗采用100.33MPa 的花崗巖，試驗結(jié)果顯示，隨著刀圈硬度的增加，刀圈的磨損量呈先減小后增大的變化趨勢且硬度最高的刀圈的磨損量最大，高硬度下，刀圈磨損表面易發(fā)生韌性斷裂剝落。所以從實際應(yīng)用效果分析，綜合性能指標(biāo)更優(yōu)的刀圈，才更具有經(jīng)濟(jì)適用性。

本文在確定了刀圈材料、冶煉、鍛造和熱處理工藝，進(jìn)行刀圈試制，確定了感應(yīng)爐熔煉→電渣重熔→下料→鍛造→退火→無損檢測→切削加工外形→熱處理（淬火＋2 次回火）→加工內(nèi)孔、端面的工藝路線，試制了硬度54HRC、KU2 ≥30J 的滾刀刀圈并開展磨損試驗，取得較優(yōu)的刀圈綜合力學(xué)性能。

1 刀圈材料

1.1 進(jìn)口刀圈材料分析

對意大利某品牌滾刀刀圈進(jìn)行化學(xué)成分試驗，結(jié)果如表1 所示。

表1 意大利刀圈的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

對意大利某刀圈滾刀刀圈進(jìn)行力學(xué)性能試驗，結(jié)果如表2 所示。根據(jù)化學(xué)成分分析，刀圈材料主要合金元素為Cr，Ni，Mo，和我國40CrNiMo 成分相似，且磷、硫的含量很低，說明采用了精煉煉鋼工藝。

表2 意大利刀圈的力學(xué)性能

對意大利某品牌滾刀刀圈進(jìn)行金相試驗，其結(jié)果如表3 和圖1 所示。數(shù)據(jù)表面，該材料具有良好的綜合力學(xué)性能，有較高的強(qiáng)度，韌性，及抗沖擊性。

圖1 意大利刀圈金相組織（400倍）

表3 意大利刀圈的金相組織

從圖中可以看到，刀圈為回火索氏體組織，并且組織中存在著細(xì)小碳化物。組織中的晶粒非常細(xì)小，晶粒度為7～8 級以上。從宏觀斷面看，存在明顯的流線，表明刀圈是由鍛造而成。

圖2 為意大利刀圈使用后的刀刃部分的殘體，在其斷面上進(jìn)行硬度測試，1～5 點(diǎn)HRC 硬度值分別為51.6、51.3、50、46.9、43.8。

圖2 磨損后的意大利刀圈刀刃殘余部分

從硬度分布情況分析，硬度在橫截面上呈梯度分布，刀圈硬度從表面到心部存逐漸減小，表明刀圈沒有完全淬透。

通過與德國Wirth 公司聯(lián)合生產(chǎn)巖石隧道掘進(jìn)機(jī)，獲得的該公司刀圈材料化學(xué)成分見表4。

表4 進(jìn)口刀圈的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.2 試制刀圈材料

考慮到德國Wirth 公司滾刀性能更優(yōu)，根據(jù)公司在冶煉方面的經(jīng)驗，經(jīng)過論證和研究，決定將意大利刀圈材料作為試制刀圈的對比材料，試制刀圈則選擇在德國Wirth 公司滾刀刀圈化學(xué)成分基礎(chǔ)上對成分進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。調(diào)整時保持主要合金元素碳和鉻的成分不變，提高錳和釩的含量，增加其加工硬化能力和抗耐磨性能，并盡可能靠近公司所生產(chǎn)的合金鋼的材料以節(jié)約成本。確定的試制刀圈的化學(xué)成分，見表5。

表5 試制刀圈的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

根據(jù)材料化學(xué)成分，確定試制刀圈材料為5Cr5MoSiV 模具鋼。

2 冶煉工藝

試驗用鋼在中頻感應(yīng)電爐內(nèi)熔煉，熔煉時先加入廢鋼，熔化后期加入鉬、釩、鉻等合金元素。

配料目標(biāo)值見表6。

表6 試制刀圈的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

冶煉時，鋼熔點(diǎn)1 480 ℃，出鋼溫度1 570～1 580℃，澆注溫度1 500～1 510℃，澆成直徑200mm、長800mm電渣錠，待鑄件冷卻后，手工落砂，除去澆道和冒口，用砂輪打去試塊毛邊，清理后作為電渣重熔的自耗電極使用。

為了進(jìn)一步去除鋼中的雜質(zhì)，對材料進(jìn)行提純，并使結(jié)晶組織均勻致密。我們對材料進(jìn)行電渣重熔，我們選用直徑300mm 的結(jié)晶器，選擇7 ∶3 配比的CaF2 與Al2O3 作為造渣材料。重熔結(jié)束后，鑄錠在石灰中緩冷40h。鑄錠尺寸為直徑285mm、長280mm，供鍛造使用。

3 鍛造工藝

試制采用自由鍛法鍛造刀圈毛坯，以保證刀圈組織的致密。根據(jù)所選材料的熱加工性能，坯料在爐中階梯升溫到1 120～1 150℃保溫，控制開鍛溫度為1 100℃，終鍛溫度大于900℃，保證鍛料內(nèi)不得有夾層、折疊、裂紋、鍛傷、結(jié)疤、夾渣、白點(diǎn)等缺陷。

由于材料的合金元素含量較高，鍛造時嚴(yán)格控制終鍛溫度和鍛造后的鍛件冷卻速度，以防止鍛造裂紋的發(fā)生。鍛件車削加工前等溫退火，保證獲得均勻的珠光體與鐵素體組織，為車削加工和淬火+2 次回火處理做準(zhǔn)備。

4 熱處理工藝及微觀組織分析

4.1 淬火、回火溫度

淬火加熱時，焊制鐵箱，內(nèi)置木炭和鑄鐵削，放入工件，防止氧化脫碳，箱內(nèi)插入鎧裝熱電偶測量工件溫度。

為尋求較優(yōu)的淬火和2 次回火溫度，分別選取5 種不同的淬火、回火溫度組合進(jìn)行熱處理，其獲得的硬度和沖擊功如表7 所示。

表7 熱處理工藝及其性能

從表7 中可以看出5Cr5MoSiV 模具鋼經(jīng)方案4 的“淬火+2 次回火”的熱處理后，硬度最高，抗沖擊韌性也較高，具有較好的綜合力學(xué)性能。

4.2 微觀組織分析

圖3、圖4 分別為熱處理后刀圈材料的金相組織和掃描電鏡下的顯微組織。從圖中可以看到，刀圈的淬火+回火組織，保持有馬氏體位相的回火索氏體，并且組織中彌散著細(xì)小碳化物。

圖3 試制刀圈金相組織

圖4 試制刀圈顯微組織

為進(jìn)一步了解組織中碳化物的形態(tài)和成分組成，對其進(jìn)行了定點(diǎn)電子探針分析和掃描電鏡分析。電子探針分析可知，組織中為釩的碳化物。掃描電鏡分析可知碳化物的顯微硬度為767 HK，彌散分布的釩碳化物，是其有較高硬度和耐磨性的原因。

金屬的斷裂與材料性質(zhì)和使用條件密切相關(guān)。它們均會在金屬斷口上留下有代表性的形貌標(biāo)記，研究它們之間的對應(yīng)關(guān)系，可以研究斷裂與材料性能、組織及工藝之間的關(guān)系。圖5、圖6分別為拉伸斷口和沖擊斷口的形貌。

圖5 試制刀圈拉伸試驗斷口形貌

圖6 試制刀圈沖擊試驗斷口形貌

由圖5 可見，由于合金元素能夠固溶到基體中，5Cr5MoSiV 模具鋼材料斷口呈浮雕狀，且有大量的撕裂痕，屬于準(zhǔn)解離斷裂，從而韌性較高。由圖6 可見，在沖擊條件下5Cr5MoSiV 模具鋼斷口形貌與拉應(yīng)力條件下的斷口形貌相比，變化不大，保持準(zhǔn)解離斷裂。

5 耐磨性試驗

采用MLS-23 橡膠輪式磨損試驗機(jī)進(jìn)行干砂磨粒磨損試驗，測試樣品在一定載荷、一定轉(zhuǎn)數(shù)和轉(zhuǎn)速內(nèi)的磨損失重。測試時，施加砝碼的質(zhì)量7kg，施加正壓力166.6N，橡膠輪轉(zhuǎn)速240r/min，橡膠輪硬度為70 邵爾硬度，橡膠輪直徑178mm，總轉(zhuǎn)速2 400r/min，磨粒采用50～70目SiO2干砂，砂流量180g/min。

在意大利刀圈和試制刀圈相同位置取小塊試樣進(jìn)行對比試驗。試驗結(jié)果為，意大利刀圈試樣失重2 683.4mg，試制刀圈試樣失重2 253.9mg。耐磨性試驗表明，試制刀圈的5Cr5MoSiV 模具鋼在熱處理后的耐磨性高于意大利刀圈的耐磨性，可以作為刀圈的材料。

6 結(jié)論

1）5Cr5MoSiV 模具鋼試制的刀圈，采用淬火1 060℃和2 次500℃回火的熱處理工藝，其硬度值達(dá)到54.7HRC，沖擊功AKU 達(dá)到30J，具有較好的綜合力學(xué)性能，可以用作刀圈材料。

2）5Cr5MoSiV 模具鋼的熱處理后的金相組織為保持有馬氏體位相的回火索氏體，并且組織中彌散著細(xì)小碳化物。

3）在沖擊條件下5Cr5MoSiV 模具鋼斷口形貌與拉應(yīng)力條件下的斷口形貌相比，變化不大，保持準(zhǔn)解理斷裂。