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TBM滚刀刀圈材料性能的研究
张占杰1，赵金华1，吴志生1，刘朴2，赵海峰2，袁国3 (1．太原科技大学2．北方重工集团有限公司3．东北大学)
摘 要：隧道掘进机破岩的主要工具是刀圈。分析了刀圈常见失效形式，选取了两种刀圈，用直读光谱仪测定其成分，通过金相和透射电镜比较其显微组织，用维氏硬度计和冲击试验测定了硬度和冲击功。刀圈一的硬度约为700HV，冲击功2～3J；刀圈二的硬度大于530HV，冲击功30～40J。比较了其生产工艺的不同，提高材料的纯净化、均匀化和细化晶粒，优化热处理工艺，刀圈材料在满足高硬度要求时可保证高韧性。
关 键 词：TBM滚刀刀圈；失效分析；显微组织；高韧性；热处理
隧道全断面掘进机(TBM)具有快速、优质、高效、安全、环保的施工特点，近年来广泛应用于隧道工程建设中。随着城市地铁的兴建和资源需求量的激增，国内对TBM的需求量越来越大。TBM刀盘上的滚刀刀圈，是整套掘进设备中技术含量较高的机械备件，是TBM施工的关键部件和易损部件。在施工过程中，滚刀的工作条件极其恶劣，消耗量极大，频繁的换刀严重地影响了施工进度。为减少停机换刀次数，降低圈损耗，开发出更高性能的滚刀刀圈成为重要的研究方向。 1 破岩机理和影响效率的因素
TBM刀盘在纵向油缸施加的推力作用下，将刀盘上的滚刀压入岩石，刀盘在旋转装置的驱动下带动滚刀绕刀盘中心轴公转，同时各滚刀还绕各自的刀轴自转，实现滚刀在岩面上的连续滚压。刀盘施加给刀圈推力和滚动力(转矩)，推力使刀圈压入岩体，滚动力使刀圈滚压岩体。通过滚刀对岩体的挤压和剪切使岩体发生破碎，在岩面上切出一系列的同心圆。
滚刀破岩主要分为3个阶段：挤压阶段、起裂阶段和破碎阶段。挤压阶段中滚刀在高推力作用下，切入岩石表面，同时岩面产生局部变形及很高的接触应力。在此应力作用下，刀刃与岩石接触部分的岩体产生粉碎区，即应力核心区。此核心区深度越深、范围越大对提高破岩效率越明显。在高应力的作用下进入起裂阶段，当沿粉碎区周边应力大于岩体的抗拉强度或抗剪强度时，便产生张拉裂缝，此为能否破岩的先决条件。在应力核心区下层是应力过渡区，该区为应力衰减区，对岩体裂缝的产生不起控制性作用。在刀刃正下方分布有主裂缝，由于其方向与破岩方向一致，因此也不能显著地提高破岩效率，但能加大下个循环中压入阶段应力范围。破碎阶段过程中相邻滚刀的间距使起裂阶段产生的裂缝相互连通时，表面部分岩体便被裂缝分割，形成碎片并脱离开挖面。
影响刀圈破岩效率的因素有很多，但根据以往工程实践及试验数据，影响破岩效率的因素主要有：脆性(塑性)和耐磨性。脆性(塑性)是对岩石抗压强度、抗拉强度的综合评价，适用于抗压强度较大(小)，而抗拉强度较小(大)岩石；耐磨性直接关系到盾构机掘进效率，是对刀具进行寿命及备品估算、工期筹划的主要依据。 2 TBM滚刀刀圈失效分析
刀圈失效在掘进过程中经常发生，严重影响了TBM工作效率。刀圈失效形式主要包括：正常磨损、非正常磨损、卷边、打刃、移位、崩裂等损坏形式。
刀圈的工作环境和其失效的主要形式表明刀圈应具有高硬度、高耐磨性、高韧性。高耐磨性有助于减少刀圈的磨损量，延长工作时间从而减少停机换刀次数；高韧性能够减少打刃和崩裂等现象的发生，有助于提高TBM掘进速度。一般情况下，材料硬度的提高必然降低其韧性，而韧性的提高又会降低材料的硬度。工程生产中需要具有高硬度和高韧性的滚刀刀圈，高韧性刀圈的开发成为刀圈研发的1个重要方向。
高韧性的TBM滚刀刀圈的开发可考虑以下几方面：1)考虑合金元素Ni，材料中加入一定量的合金元素Ni，能够同时提高材料强度和韧性；2)从冶炼开始，注意提高钢的纯净化、均匀化和晶粒超细化，可使刀圈材料的强韧性获得大幅提高；3)加强对材料热处理工艺参数
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的摸索，借鉴吸收先进的工艺措施。 3 TBM滚刀刀圈材料的性能
TBM刀圈需要有高硬度、高耐磨性、良好的冲击韧性、一定的抗回火性能和较好的加工工艺性能。由于材料硬度的提高会降低韧性，目前TBM刀圈材料朝着两个方向发展：一是以单纯追求高硬度为目标，这种刀圈韧性较差，适用于硬岩中较软的地质情况；另一方向是在一定硬度的基础上追求较高的韧性，这种材料虽然硬度稍低些，但由于韧性较高，适用于复杂的和特别硬的地质情况。国际上TBM刀圈主要以美国Robbins和德国Wirth为代表。Robbins采用AISI4340钢，成分与国内40CrNiMo钢相近，具有较高韧性。Wirth采用德国材料DIN17350中的X50CrVM05—1钢号，是高硬度刀圈的代表。国内研究Wirth较多，而研究Robbins相对较少，施工过程中需要的刀圈大量依靠进口来满足。
目前，国内刀圈在高硬度方面做的较好，在高韧性方面差距较大。在工程实践中，对于一些研磨性较强的砂岩、断裂砾岩等地层，单纯的靠提高材料的硬度来满足地层的需求，而牺牲了刀具的韧性是适得其反的。国内急需研究具有高韧性的TBM刀圈来满足工程需要，实现国产化，以取代进口，降低施工成本。本文选取了国内高硬度代表刀圈(1号)与国外高韧性代表刀圈Robbins(2号)进行对比，比较了它们在成分、组织、力学性能等方面的差异。 3．1 化学成分
采用直读光谱仪分别测定了1号和2号刀圈试样成分可以发现，2号加入了较多的合金元素Ni来满足强度和韧性的要求。1号中ω(C)较高，且合金元素多，有利于提高淬透性的元素多；2号中ω(C)较低，合金元素总量较少而含Ni较多，2号中ω(Si)、ω(Cr)、ω(Al)较低，在锻造及热处理过程中易发生氧化脱碳，因此应尽量避免在氧化性气氛中加热。 3．2 显微组织 3．2．1 金相分析
考虑到淬透性因素，在1号、2号刀圈中心部位制取试样，经质量浓度为4％的硝酸酒精溶液腐蚀后，在光学显微镜下的组织形貌可以看到明显的原奥氏体晶界，晶粒大小不均，直径分布在5～30μm之间；为针状马氏体形貌，原奥氏体晶界不明显，组织形貌比较均匀。2号奥氏体晶界不明显，与回火温度有一定关系，回火温度高，碳化物在晶界大量析出，经腐蚀后容易观察到原奥氏体晶界。 3．2．2 TEM分析
用电火花数控线切割从1号、2号试样中心取样，手工减薄并双喷后在FEI Tecnai G2F、20型透射电镜下观测其微观组织，可以看到，两者经回火后均保留有一定的板条特征，板条上和板条间有大量的碳化物析出。1号马氏体板条比2号粗大，马氏体板条束间的夹角也比较大；在两者板条上均析出大量不连续的棒状碳化物和点状碳化物，同时都出现了方形TiN析出物，能谱分析显示1号中ω(Ti)较多，2号中含有较多Ti和Fe。板条马氏体的存在使刀圈在获得较高硬度的同时具有一定的韧性，析出的大量碳化物，增加了材料的耐磨性。 3．3 力学性能 3．3．1 硬度
将刀圈截面从上自下依次分为刃部、中部和基体3个部分，理想的刀圈是刃部具有较高的硬度，基体具有较高的韧性和一定的硬度。刃部的高硬度可以满足切削性能要求，在掘进过程中不会发生压溃变形；基体适当降低硬度，提高韧性，有利于在掘进过程中吸收冲击功，不易发生脆性断裂。
采用HV—50AVickers Hardness Tester(试验加载力98N，加载时间10s)测硬度，在刀圈截面各部分选点测定其维氏硬度值显示，1号硬度约700HV，分布较均匀，说明材料具有较好的淬透性；2号硬度从刃部到基体表现出逐渐降低的趋势，仍具有较高硬度，说明也具有良好的淬透性。1号试样硬度明显大于2号的硬度，与其含碳量较高和合金元素对基体的强
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化有关。2号刀圈基体相对与刃部的硬度都有一定程度的降低，可能与刀圈材料的加工和安装过程有一定关系。刀圈是通过热拼装的方式安装到滚刀上，安装过程相当于经历了一次低温退火，对于回火温度较低的刀圈材料基体硬度有较大影响。 3．3．2 韧性
冲击韧性试验用10mm×10mm×55mm的标准CVN试样，并按GB／T229—1994《金属夏比冲击试验方法》进行，采用Instron 9250 HV型冲击试验机分别测试了1号和2号试样在0℃下的冲击功，结果发现，2号冲击功为30～40J，1号冲击功为2～3J，2号的冲击韧性明显优于1号的冲击韧性，这与其ω(C)较低、合金元素总量较少及Ni对材料韧性的提高有关。
3．4 生产工艺
当材料中含有较多的强碳化物形成元素V、Mo等时，热处理过程中C与强碳化物形成元素相结合，回火过程中提高抗回火性，提高材料的回火温度。1号刀圈材料含有较多的强碳化物元素Mo、V，在保证硬度要求的前提下，可以采用较高的回火温度；2号刀圈含有的强碳化物形成元素较少，因此回火过程中不能够采用高温回火，只能采用比较低的回火温度。参考40CrNi2Mo的热处理工艺，回火温度应该在200～300℃之间。
若材料在淬火过程中发生氧化脱碳，将严重影响材料的使用性能。氧化使工件尺寸减少，有效承载面积降低，表面粗糙度增加，还会造成软点或硬度不足；表面脱碳使淬火后工件的硬度与耐磨性降低，强度下降明显，还易形成淬火裂纹，因此应有效减少氧化脱碳现象的发生。淬火过程中若采用真空加热淬火，既能够有效抑制脱碳氧化的发生，还能够提高热处理质量，使工件表面光亮洁净，因此在刀圈的生产过程中需要采用真空淬火工艺。 4 生产高性能TBM滚刀刀圈的建议
工程实践的需要促进了人们对刀圈材料和生产工艺的研究，从TBM的发明、盘型滚刀的出现，到目前大直径滚刀的研制，Robbins公司都走在了世界的前列。目前国内外都已经认识到单纯追求高硬度的局限性和开发高韧性滚刀刀圈的必要性，高水平TBM刀圈的研制主要集中在材料的冶金性能和热处理工艺两个方面，努力使刀圈材料具有高硬度、高韧性、高耐磨性、一定的抗回火性能和良好的冷热加工工艺性能成为重要的性能指标。
面对国内外刀圈研制方面的巨大差距，为研制出高水平TBM滚刀刀圈，服务于国产化需要，一定要合理借鉴吸收国内外的成功经验，同时又要大胆提出新想法，尝试新工艺，才有可能实现跨越式发展。可以从以下几方面考虑：
1)材料方面：吸收国内外成分选择的优点，既要实现元素的最佳配比，还应大胆尝试加入其他元素(如稀土元素)，同时严格控制S、P等杂质元素，提高材料的纯净度。
2)工艺方面：生产过程中采用过程控制思想，以控制品粒度为核心，以减少自由ω(H)为重点，提高刀圈强度和韧性；尝试深冷处理、表面处理等工艺手段。
3)其他方面：从刀圈的研制生产到最终的安装使用，包括失效刀圈的处理都应该进行科学系统的管理，高性能刀圈的开发与使用需要引入精确的数字化管理。 5 结论
1)刀圈材料向着高硬度和高韧性两个方向发展，在高硬度前提下追求高韧性是刀圈材料发展的重要方向。
2)比较了国内外刀圈材料在化学成分、显微组织、力学性能、生产工艺等方面的差异，国内急需开发出具有高韧性的TBM滚刀刀圈。
3)提出了TBM刀圈的研究主要集中在材料的冶金性能和热处理工艺方面，要努力提高刀圈材料的纯净化、均匀化和晶粒细化。