盾构机用滚刀刀圈材料的分析.docx

凿岩机械气动工具 （总 第 153 期 ）盾构机用滚刀刀圈材料的分析李仕宏 1，吕志峰 1，刘富来 1，陆金仁 2（1.山东天工岩土工程设备有限公司 ，山东2.金昌市金川集团公司汽车运输分公司，甘肃聊城金昌252000；737100）摘要 ：介绍了盾构机用滚刀的工作原理和刀圈的主要失形式 ，分析了刀圈常用材料的成分和在不 同 热 处 理工艺条件下所选材料的组织和性能 特 点 ，为在不同的地质条件 ，合理选择刀圈材料及其热处理方法提供了 依 据 。关 键 词 ： 滚 刀 刀 圈 ；洛 氏 硬 度 ；冲 击 吸 收 功 ；热 处 理 ；回 火 脆 性 ；热 作 模 具 钢 ；冷 作 模 具 钢中 图 分 类 号 ： td42125文 献 标 志 码 ：banalysis of disc cutter ring material in shield machineli shi-hong1 , lv zhi-feng1 , liu fu-lai1，lu jin-ren2(1.shandong techgong geotechnical engineering equipment co.,ltd,liaocheng，252000，shandong,china;2.equipment and energy section, subsidiary of automobile transportation， jinchuan group co., ltd., jinchang 737102，gansu，china )abstract: the present paper introduced the principle of disc cutter in shield machine and cutter ring main expira- tion form ， analyzed common material composition of cutter ring and structure and properties of selected material under different heat treatment conditions, it provided evidence of reasonable selecting cutter ring materials and heat treatmentin different geological conditions.key words：cutting ring； rockwell hardness； impact absorbing energy；heat treatment； temper brittleness； hot- working die steel； cold-working die steel轴线自转 。 滚刀在刀盘的推力和扭矩的作用下 ，在岩面上切出一系列同心圆沟槽 。 当推力超过岩 石 的 强 度 时 ，滚刀刀刃下的 岩 石 直 接 破 碎 ，刀 刃 插 入 岩 石 ，形成压碎区和放 射 状 裂 纹 ；进 一 步 加 压 ，当滚刀间距满足一定条 件 时 ，相 邻 滚 刀 间 岩前言1通 过 分析热作模具钢 h13、冷 作 模 具 钢cr8mo2vsi 和 cr12mo1v1 用 于 滚 刀 刀 圈 时 在 不同热处理状态下的硬度和冲击韧性 。 找出每种材 质适合于滚刀刀圈的最佳热处理工艺 ，比 较 三 种 材质在最佳热处理工艺下的硬度和冲击韧性 。 通 过金相分析和冲击试样断口分析 ，找 出 各 种 材 质 性能差别的原因 ，并为刀圈选材提供依据 。石内裂纹延伸并相 互 贯 通 ，形成岩石碎片而崩 落。2.2如此，盘形滚刀完成一次破岩过程 。刀圈的主要失效形式刀圈在工作过程中与岩面直接接触 ，不 仅 承受着刀盘对它的推 力和扭矩及岩石对它的强烈 冲击与磨损作用 ，还会因为很多不确定因素造成 受力不均而磨损或断裂 。 复杂的地下环境会造成 刀圈腐蚀 ；在与岩石的强烈冲击和摩擦过程中刀 圈会产生高温而 改 变 性 能 ，冷却时会产生较大应 力而造成破坏 。 刀圈的主要失效形式有崩刃 、断2滚刀工作原理及刀圈主要失效形式滚刀工作原理安装在盾构机刀盘上的盘形滚刀 ，在 盾 构 机 推力的作用下压 紧 在 岩 面 上 ， 随着刀盘的旋转 ， 盘形滚刀一方面绕刀盘中心轴公转 ，同 时 绕 自 身2.1收 稿 日 期 ：2013-09-022013 年 第 4 期34盾构机用滚刀刀圈材料的分析 裂和过量磨损 。的 分 析 ，我 们 选 择和h13、cr8mo2vsicr12mo1v1 三种材料作为刀圈材料 。 本试验所选三种试样材质主要化学成分如表 1 所示。热 作 模 具 钢 h13 是应用最广泛的热作模具 3刀圈常用材料及其特点简介根据以上对滚刀工作原理及刀圈失效 形 式表 1钢 。 具有较好的耐冷热 疲劳性能和良好的耐磨 性。 在中温条件下具有很好的韧性 。 热处理变形 小 ，热处理时产生氧化皮倾向小 ，而 且 可 以 抵 抗cr12mo1v1 适合于滚刀刀圈的最佳热处理工艺 ，以达到硬度和冲击韧性的最佳配合 ，满 足 刀 圈 在 使用过程中对耐磨性和冲击韧性的要求 。（2）比较三种钢材在上述最佳热处理状态下 的硬度和冲击韧性 ，为刀圈选材提供依据 。熔融铝的冲蚀作用1。适用于制造铝合金型材的 热 挤 压 模 与 芯 棒 ，模 腔 温 度 低 于 600的 各 种 热作模具和需要在较高 温 度 下 工 作 ，要 求 具 有 较 好4.24.2.1试验方法及过程试验方法耐磨性和高冲击韧性的 各 种 工 具 。冷 作 模 具 钢cr8mo2vsi 是 高 韧 性 高 耐 磨 性 钢 ，具 有 很 好 的 淬透 性 ，很 高 的 淬 硬 性 ，淬火时尺寸变化小 1，是 应 用十分广泛的冷作模具钢 。cr12mo1v1 是国际上 使用较广泛的高碳高铬 冷 作 模 具 钢 ， 属 莱 氏 体 钢，具有高的淬透性 、淬硬性和高的耐磨性 ，高 温 抗氧化性能好 ，热处理变形 小1，宜制造各种高精 度、长寿命的冷作模具 、刃具和量具 。每种材质制作 60 条试样，分为三组，每组 20条。 分别在真空淬火 炉 中 1000、1020和 1040， 保温 0.5 h 油冷淬火。每条试样测试淬火硬度后，每组试样又分小组，分别用不同温度保温 1.5 h回火。 回火后对每条试样进行硬度测试，再进行冲 击试验，选取典型试样进行金相分析和冲击断口分 析。 通过分析实验数据，得出研究结论。试验过程4.2.2热处理工艺试验及材料性能测试4（1） 试样制备h13 试样为圆钢沿纵向截取的 u 形 缺 口 标 准 试 样 3；cr8mo2vsi 和 cr12mo1v1 试 样 为 圆 钢 沿纵向截取的无缺口标准试样3。 锯床下料 ，磨床 精 磨 ，保证表面光洁度 ra1.6 以 上 ，试 样 尺 寸 为（100.05）（100.05）（550.6）（2） 试样淬火三种钢材试样 ，第 一 组 （每 种 材 质 20 条 ），散 装于料框 ，进真空 油 气 淬 炉 ，1000 保 温 0.5 h 后 油 冷 淬 火,出炉清洗后等待测试硬度 ；第 二 组 （每 种 材 质 20 条)，1020 保 温 0.5 h 后 油 冷 淬 火 ；第本试验的内容和目的本次试验的内容模 具 钢 h13、cr8mo2vsi 和 cr12mo1v1， 按4.14.1.1标准各制备 60 条冲 击 试 样 ，分组按不同的热处 理工艺进行热处理后2，按标 准 试 验 方 法 ，每 条 试样测洛氏硬度和进行 冲 击 试 验 ，并抽取典型试样 进行金相分析和冲击 断 口 分 析 。得出研究结论 。总 结 试 验 结 果 ，本次研究的目的4.1.2找 出 模 具 钢和（1）h13、cr8mo2vsi2013 年 第 4 期35含 量 （%）元 素牌 号fecsimncrmovh1390.60.4921.020.2684.911.380.866cr8mo2vsi86.80.9981.040.3928.002.090.305cr12mo1v184.11.440.450.52211.40.8621.01凿岩机械气动工具 （总 第 153 期 ）三组淬火。（每种材质 20 条)，1040保温 0.5 h 后 油 冷150n 的冲击锤冲断 ，记录试样的冲击吸收功 。实验结果分析5（3） 试样回火回火在真空正压回火炉内进行 ，氮 气 保 护 保 温 1.5h 回火，回火后炉内冷却风扇快速吹冷 。（4） 淬火硬度及回火后的硬度测试用 洛 氏 硬 度 计 （c 标 尺 ）测试试样淬火硬度 及回火后的硬度 。 每条试样测试四点 ，取平均值 。（5） 试样的冲击试验试样在冲击试验机上按标准试验方法用 图 1 图 3 是三种材质试样在 1000淬 火 ，分组进行回火 后试样硬度和冲击功随回火温度 变化的曲线图 ，可 以 看 出 ：h13 和 cr8mo2vsi 试样 淬 火 后 ，500以 下 回 火 ， 随回火温度升高 ，冲击 功 快 速 下 降 。500以 上 回 火 ，冲 击 功 开 始 升高。 cr12mo1v1 试样则随回火温 度 升 高 ，冲 击 功始终下降 。1000淬 火 的 h13 试 样 硬 度/冲击功随回火温度变化曲线 6054.7553.154.854.154.253.453.751.7504029.63028.42420109.90220400500550回 火 温 度 ，图 11000淬 火 的 gr8mo2vsi 试 样 硬 度/冲击功随回火温度变化曲线 70605040302010061.460.760.959.148.4360.859.461.156.937.732.0626.52220400500550回 火 温 度 ，图 21000淬 火 的 gr12mo1v1 试 样 硬 度/冲击功随回火温度变化曲线 70605040302010060.660.660.660.556.852.955.156.231.123.5923.9422.41220400500550回 火 温 度 ，图 32013 年 第 4 期硬 度/冲 击 功 ，j硬 度/冲 击 功 ，j硬 度/冲 击 功 ，j36同 工 艺 4 条试样淬火平均硬度 同 工 艺 淬 火 + 回 火 4 条 试 样 平 均 硬 度同 工 艺 四条试样冲击功平均值 （j）同 工 艺 4 条试样淬火平均硬度 同 工 艺 淬 火 + 回 火 4 条 试 样 平 均 硬 度同 工 艺 四条试样冲击功平均值 （j）同 工 艺 4 条试样淬火平均硬度 同 工 艺 淬 火 + 回 火 4 条 试 样 平 均 硬 度同 工 艺 四条试样冲击功平均值 （j）盾构机用滚刀刀圈材料的分析 图 4 图 6 是三种材质试样在 1020淬 火 ，分组进行回火后 试样硬度和冲击功随回火温度 变 化 的 曲 线 图 ， 可 以 看 出 ：h13 试 样 淬 火 后 ，500以 下 回 火 ，随 回 火 温 度 升 高 ，冲 击 功 快 速 下降。500以上回火 ，冲击功开始升高 。 cr8mo2vsi试 样 随 回 火 温 度 升 高 ， 冲 击 功 始 终 下 降 。 cr12mo1v1 试 样 500以 上 回 火 ，冲 击 功 开 始 缓 慢升高 。1020淬 火 的 h13 试 样 硬 度/冲击功随回火温度变化曲线 60504030201005554.455.954.455.354.955.852.836.422.524.210.4220400500550回 火 温 度 ，图 41020 淬 火 的 gr8mo2vsi 试 样 硬 度 / 冲击功随回火温度变化曲线 70605040302010062.359.746.2262.258.66261.56259.752.7132.8333.47220400500550回 火 温 度 ，图 51020 淬 火 的 gr12mo21vi 试 样 硬 度 / 冲击功随回火温度变化曲线 70605040302010062.161.86261.854.956.457.858.332.2725.720.4418.95220400500550回 火 温 度 ，图 6图 7 图 9 是三种材质试样在 1040淬 火 ，分组进行回火 后试样硬度和冲击功随回火温度 变化的曲线图 ， 可 以 看 出 ：h13 和 cr8mo2vsi 试击 功 快 速 下 降 。500以 上 回 火 ，冲 击 功 开 始 升高。 cr12mo1v1 试样随回火温 度 升 高 ，冲 击 功 始终下降 。样 淬 火 后 ，500以 下 回 火 ，随回火温度升高 ，冲试样的金相分析62013 年 第 4 期硬 度/冲 击 功 ，j硬 度/冲 击 功 ，j硬 度/冲 击 功 ，j37同 工 艺 4 条试样淬火平均硬度 同 工 艺 淬 火 + 回 火 4 条 试 样 平 均 硬 度同 工 艺 四条试样冲击功平均值 （j）同 工 艺 4 条试样淬火平均硬度 同 工 艺 淬 火 + 回 火 4 条 试 样 平 均 硬 度同 工 艺 四条试样冲击功平均值 （j）同 工 艺 4 条试样淬火平均硬度 同 工 艺 淬 火 + 回 火 4 条 试 样 平 均 硬 度同 工 艺 四条试样冲击功平均值 （j）凿岩机械气动工具 （总 第 153 期 ）1040淬 火 的 h13 试 样 硬 度/冲击功随回火温度变化曲线 706057.758.25855.758.253.85555.25040302037.32523.11009.6220400500550回 火 温 度 ，图 71040淬 火 的 gr8mo2vsi 试 样 硬 度 / 冲击功随回火温度变化曲线 8070605040302010069.8360.560.162.961.563.260.461.858.640.0737.0333.5220400500550回 火 温 度 ，图 81040淬 火 的 gr12mo1vi 试 样 硬 度 / 冲击功随回火温度变化曲线 70605040302010063.759.463.257.662.958.663.955.830.721.8217.2520.42220400500550回 火 温 度 ，图 9试样制备取冲击后的试样 ，粒细小 。 由于杂质和合金元素的碳化物在晶界偏聚，导致晶界的弱化和脆性的增大 ，因 此 ，此 种 组 织韧性较差 ，硬度较高 ，耐磨性较好 。6.3 cr8mo2vsi 和 cr12mo1v1 试样金相分析图 11（a）为 回 火 隐 针 马 氏 体 +大 块 共 晶 碳 化6.1经磨制和抛光到镜 面 状态。 用 4%硝酸酒精溶液腐蚀后 ，在显微镜下观察其显微组织结构 。6.2 h13 试样金相分析图 10（a）为 回 火 细 针 马 氏 体 +细 粒 状 未 溶 合物+弥散分布的细粒状二次合金碳化物 ，原 奥 氏金碳化物2，组织较均 匀 ，晶 粒 细 小 。此 种 组 织 韧体晶界清晰可 见 ，晶 粒 细 小 。此种组织具有较高 性好，硬度较高 ，耐磨性较好 。 图 10（b）为回火细针 马 氏 体+细粒状合金碳化物 +回火后偏聚于晶 界的杂质和合金元素 的 碳 化 物2，组 织 较 均 匀 ，晶的韧性和好的耐磨性 。 图 11（b）为回火隐针马氏体+大块条状共晶碳化物 +散乱分布的小球状合 金碳化物+较少的弥散分布的细 粒 状 碳 化 物4，原2013 年 第 4 期硬 度/冲 击 功 ，j硬 度/冲 击 功 ，j硬 度/冲 击 功 ，j38同 工 艺 4 条试样淬火平均硬度 同 工 艺 淬 火 + 回 火 4 条 试 样 平 均 硬 度同 工 艺 四条试样冲击功平均值 （j）同 工 艺 4 条试样淬火平均硬度 同 工 艺 淬 火 + 回 火 4 条 试 样 平 均 硬 度同 工 艺 四条试样冲击功平均值 （j）同 工 艺 4 条试样淬火平均硬度 同 工 艺 淬 火 + 回 火 4 条 试 样 平 均 硬 度同 工 艺 四条试样冲击功平均值 （j）盾构机用滚刀刀圈材料的分析 500（a）（ b）500图 10 h13 试 样 1040淬 火 ，(a)为 220回 火 ，(b)为 500回火的金相照片 （a）（500）（b）（500）图 11 （a）为 cr8mo2vsi，（b）为 cr12mo1v1 试 样 ，1040淬 火 、220回火的金相照片 奥氏体晶界断 续 可 见 ，晶粒较粗且不太均匀 。种组织具有一定的韧性和非常好的耐磨性 。此裂 ，断裂前发生了较大的 塑 性 变 形 ，断 口 凹 凸 不平 ，从右到左分为三个区域 ，分别为灰暗色的纤 维 区 、放射区和较亮的瓷 状 脆 性 断 裂 区 ，断 口 周冲击试样断口分析7边 有 剪 切 唇 。图 12（b）试样属于脆性 断 裂 ，断 裂7.1 h13 冲击试样断口分析图 12 （a） 为 1040 淬 火 +220 回 火 试 样 断 口 ； 图 12 （b） 为 1040 淬 火 +500 回 火 试 样 断 口 。 从断口可以看出 ：图 12（a）试样属于韧性断 前没有发生明显的塑性变形 ，断 口 齐 平 ，断 裂 起始阶段断口呈轻微放射状 ，继 而 呈 结 晶 状 ，断 口 较亮，可见闪光的细小晶体 ，属于解理断裂 。7.2 cr8mo2vsi 和 cr12mo1v1 冲击试样断口分析（a）（b）图 12 h13 冲击试样断口形貌照片 2013 年 第 4 期39凿岩机械气动工具 （总 第 153 期 ）图 13（a）为 cr8mo2vsi 试 样 经 1040淬 火+220回火后的冲击试样断口 。 从断口可以看出 ：段 ，断 口 较 平 ，略 呈 瓷 状 ，纤 维 状 不 明 显 ，偏 向 于脆 性 断 裂 。图 13 （b） 为 cr12mo1v1 试 样 经试样属于延性-脆性断裂 （或称混合型断裂 ）。断1020淬火+220回火后的冲击试样断口 。 从断口 可 以 看 出 ：整 个 断 口 凹 凸 不 平 ，呈 粗 颗 粒 状 和 纤 维 状 ，断裂前没有明显 的 塑 性 变 形 ，断 面 与 试 样轴线不垂直而呈一定夹角 ，属于混合型断裂 。裂前试样没有发生明显的塑性变形 ，断 面 分 为 两个 部 分 ，左 边 （约 占 断 口 2/3 面 积 ）是 断 裂 起 始 阶 段，裂纹主要进 行 延 性 扩 展 ，断 口 凹 凸 不 平 ，呈 纤 维 状 ； 右 边 （ 约 占 断 口 1/3 面 积 ） 是 最 终 断 裂 阶关于本试验的讨论8（a）（b）图 13 （a）为 cr8mo2vsi 冲击试样断口形貌照片 ，（b）为 cr12mo1v1 冲击试样断口形貌照片 钢的回火脆性钢 淬 火 形 成 马 氏 体 后 ，在 回 火 过 程 中 ，随 着 回火温度的升高 ，硬 度 和 强 度 降 低 ，塑 性 和 韧 度 提高。 但是有些情况下 ，在某一温度区间回火时 ， 韧度指标随回火温度的变化曲线存在低谷 ，出 现 回火脆性现象 ，如 图 14 所 示 。 钢在回火过程中 ， 可能发生两种 类 型 的 脆 性 ：一种脆性通常发生在 淬 火 马 氏 体 于 200400回 火 温 度 区 间 ，这 类 回 火脆性在碳钢和合金钢中均会出现 ，它 与 回 火 后 的冷却速度无 关 ，即使回火后快冷或重新加热至 该温度范围内回火 ，都 无 法 避 免 ，这 种 回 火 脆 性8.1300450回 火 温 度 ，650图 14钢的回火脆性示意图 逆回火脆性或高温回火脆性 ）从冲击试验结果及断口分析发现 ：h13 试 样 淬 火 ，500回 火 后 有 第二类回火脆性倾向 ，其 余 两种材质的试样无回火脆性 。8.2 h13 与 cr8mo2vsi 和 cr12mo1v1 的比较h13 是一种中碳合金共析钢 ，碳 和 合 金 元 素 含 量 较 低 ，原材料较少含 共 晶 碳 化 物 ，热 处 理 后 较少形成合金 碳 化 物 ，因此耐磨性较差 。 然 而 正称为第一类回 火 脆 性（也称不可逆回火脆性 、低温回火脆性或回火马氏体脆性 ）。 另 一 种 脆 性 发生在某些合金 结 构 钢 中 ，这些钢在下面两种情况 下 发 生 脆 化 ： （1） 高 于 600 温 度 加 热 回 火 ， 在450550温度区间缓慢冷却 ；（2） 直 接 在 450550温度区间加热 回 火 。新加热至 600以上温度 ，这种脆性可以采用重 随后快速冷却的 方 法予 以 消 除 ，这种脆性为第 二 类 回 火 脆 性 （也 称 可2013 年 第 4 期冲 击 韧 度 ，j/cm240快 速 冷 却缓 慢 冷 却盾构机用滚刀刀圈材料的分析 因为较少形成硬而脆的合金碳化物 ，淬 火 回 火 后获得细针状的 回 火 马 氏 体 ，所以具有很高的强韧 性 。 cr8mo2vsi 和 cr12mo1v1，碳和合金元素含 量较高 ，基体含有大量的共晶碳化物 。 热 处 理 加 热奥氏体化时 ， 合金碳化物部分融入奥氏体 ，淬 火回火后将从过饱和的基体中析出大量碳化物 。 因 此 cr8mo2vsi 和 cr12mo1v1 热处理后保留了 大量大块状共 晶 碳 化 物 ，基体上弥散分布了析出 的大量细颗粒碳化物 。 这些硬而脆的碳化物作为 耐磨因子 ， 大大提高了钢材的硬度和耐磨性 ，但（1）三种材质在适合刀圈性能的最优热处理 状态下 ，冲击韧性 h13 最 好 ，其 次 是 cr8mo2vsi，cr12mo1v1 最差。（2）h13 淬 火 后 在 几 组 温 度 回 火 ，220回 火 冲击韧性最好 。在 500回火有脆性 ，试样冲击功 最低，550回火冲击韧性回升到较高水平 。（3）cr8mo2vsi 和 cr12mo1v1 淬 火 后 ， 低 温 回火冲击韧性较高 ，随 回 火 温 度 升 高 ，冲 击 韧 性 下 降 。 以 上 四 组 回 火 温 度 比 较 ， 两 种 材 质 均 为220回火冲击韧性最好 。却 降 低 了 钢 材 的 韧 性 。因 此 cr8mo2vsi 和（4） 三 组 淬 火 温 度