盾构滚刀材料及其热处理工艺

盾构滚刀材料及其热处理工艺
程巨强
（西安工业大学，陕西西安710021）
［摘要］介绍国内外盾构滚刀刀圈材料的化学成分、热处理工艺、全相组织及性能特点。

盾构滚刀刀圈材料一般用中、高碳模具钢制造，通过模锻成形，机械加工后进行淬火回火处理。

热处理后刀圈的表面硬度HRC56-60、心部硬度HRC50-56，全相组织为回火马氏体、贝氏体、碳化物及残余奥氏体组成，并介绍了提高刀圈材料使用性能的主要途径。

［关键词］盾构刀圈材料；热处理；组织；性能
［中图分类号］TU621 ［文献标志码］B ［文章编号］1001-554X（2015）02-0096-05
Disc cutter ring materials and the heat treatment process of shield machine
CHENG JU-qiang
盾构刀盘的刀具一般分为切削刀和滚刀两类，开挖较硬岩层时，采用盘形滚刀，破碎较软岩石或软土地层时，采用齿刀、切刀或刮刀。

刀具材料主要由刀体、硬质合金及刀具的堆焊材料等组成。

盾构工作时用于刀具的费用较高，以德国维尔特公司TB880E为例［1］，刀盘直径为8.8m，刀盘上工布置71把外径为432mm盘形滚刀，其中6把中心滚刀、62把正滚刀和3把边滚刀，用于刀具费用约占掘进施工费用的三分之一［2］。

为了提高滚刀的耐磨性，降低生产成本，的刀圈材料应具有较高的强度、硬度和韧性。

本文介绍盾构滚刀刀圈材料及其热处理工艺特点，为选择刀圈材料和改善刀圈的耐磨性提供参考。

1 盾构滚刀的组成及其失效形式
图1为盾构滚刀的组成示意图，盘型滚刀一般由刀圈、刀体、挡圈、端盖、轴及轴承等组成，刀圈可拆卸，磨损后可进行更换。

刀体外装刀圈和挡圈，内装轴承，两侧装有滑动密封和端盖。

刀圈采用过盈配合，一般加热到100～200℃安装到刀体上［3］，挡圈为2个半圆环，卡入刀体槽内再焊接为整环。

盾构在岩层开挖时，安装在刀盘上的滚刀一面自转，一面随刀盘转动，利用刀盘产生的推力破岩，因此滚刀工作时受到岩石剧烈的磨料磨损，消耗量较大，是盾构主要易损部件之一。

滚刀的失效形式主要有刀圈的磨损、断裂、压馈及崩刀等［4～7］（见图1c）。

刀圈的磨损分为均匀磨损和非均匀磨损，前者是刀圈周边各部位磨耗程度基本一致的磨损，后者是指滚刀刀圈周边各部位的磨耗程度不一致，即偏磨，发生偏磨主要是由于刀具轴承损坏不能转动造成的。

刀圈断裂和崩刀主要是由于硬度偏高、韧性偏低造成。

刀圈的压馈主要与刀圈的塑性变形有关，产生塑性变形的原因是破岩时因岩石过硬，刀圈与岩石产生强烈的磨料磨损而发热，造成刀圈温度升高、硬度降低，从而产生塑性变形。

滚刀刀圈的失效会降低掘进机的破岩速度，造成施工过程中经常更换滚刀，降低工作效率，增加掘进成本。

2 盾构刀圈常用材料及其热处理工艺特点
2.1 常用材料
盾构刀圈的制造工艺一般为：下料——锻造——软化退火——机械加工——淬火、回火——精加工。

因盾构滚刀的刀圈承受严重的冲击载荷和磨料磨损，因此选用刀圈的材料应具有较高的屈服
DOI:10.14189/ki.cm1981.2015.02.011
［收稿日期］2014-09-09
［通讯地址］程巨强，陕西省西安市伞塔路46号西安工业大学西家属院10-3-102信箱
强度，避免刀刃端在高应力下发生变形或压溃变形；应有足够高的硬度，有利于提高耐磨性，减少刀圈的磨损；应具有良好的冲击韧性，可防止刀圈工作时的断裂和崩刀；应具有良好的抗回火性能，提高材料的热稳定性，保证刀圈在热装和滚压、破碎岩体过程中因摩擦热而升温时不会过分降低硬度；刀圈材料还应该具有好的热加工和冷加工性能，材料成本相对较低、制造方便等。

目前，国内外制造盾构刀圈材料主要为模具钢，常用刀圈材料的化学成分如表1所示［8～11］。

可以看出，刀圈材料的含碳量一般在0.4%～ 0.9%，较高的含碳量可以提高热处理后刀圈材料的硬度，保证耐磨性能和使用寿命。

对于模具材料，热处理后全相组织中马氏体的硬度主要取决于马氏体的含碳量，而合金元素对硬度的影响较小。

从表1可看出，刀圈材料合金中含有较高的 Cr 、Mo 、W 、Ni 、Si 、V 等合金元素，主要是为了提高热处理时的淬透性，提高刀圈截面硬度的均匀性，提高回火抗力及全相组织的热稳定性。

a 装配图
b 实物图
c 刀圈失效图
端盖
密封挡圈刀圈刀体
轴承
轴
图1 盾构机单刃滚刀及失效示意图
表1 国内外刀圈材料的化学成分
材料牌号化学成分/%
C Si Mn Cr Mo Ni W V 4Cr5MoSiV10.32-0.450.8-1.20.2-0.5 4.75-5.5 1.1-1.75//
0.8-1.240CrNiMo 0.37-0.440.60-0.950.60-0.950.65-0.950.2-0.3 1.55～2.0
/5Cr5MoSiV 0.45～0.550.8-1.20.3～0.8 4.5-5.50.8-1.50.6～1.250CrMoV 0.48～0.530.80～1.100.2～0.4 4.8～5.2 1.25～1.450.8～1.06Cr4Mo2W2V 0.55 -0.650.8-120.8-1.2 4.2-4.8 2.2-2.6 1.8～2.2
0.8～1.2
9Cr2Mo
0.85-0.95
0.2-0.45
0.2-0.35
1.7-
2.1
0.2-0.4
/
/
/
2.2 热处理工艺
（1）在盾构刀具制造材料中，4C r 5M o -SiVl 钢是常用于制造刀圈的材料之一。

4Cr5Mo-SiVl 相当于美国牌号AISI -H13，日本JIS -SKD61、德国X40CrMoV5-l ，是一种铬系中合金高强韧热作模具钢，该钢的特点是含铬量较多，具有较高的淬透性，如厚度为150mm 的钢可油冷淬透。

由
于合金元素含量较高，具有较高的回火抗力和抗氧化性。

模锻时锻造温度范围较窄，应严格控制锻造温度，模锻加热温度在1120～1150℃，始锻温度在1080～1120℃，终锻温度不小于850℃，模锻后应该缓冷并及时退火，以免产生裂纹。

4Cr5-MoSiVl 钢球化退火工艺为860℃±10℃×2h ，降温到750℃±10℃×4h ，500℃左右出炉。

普通退
火工艺为845～880℃×2～4h，然后缓冷到500℃左右出炉。

4Cr5MoSiVl钢刀圈材料淬火加热温度一般为1020～1050℃，空冷或油冷材料的硬度HRC55～58，淬火组织为细针和隐针马氏体、未溶的碳化物和残余奥氏体，需适当的回火提高韧性。

文献［12］在4Cr5MoSiVl基础上，通过提高含碳量至0.5%，适当增加Mo、Cr、V合金元素含量，热处理工艺为1060℃真空淬火+550℃回火3次，回火后硬度HRC55～58，且具有良好的韧性。

3次回火的目的是由于合金元素含量较高，淬火后全相组织中残余奥氏体含量较高、硬度偏低，淬火后第一次回火可促使部分奥氏体的分解和对淬火马氏体进行回火，而在第一次回火冷却过程中部分未分解的奥氏体会转变为二次马氏体；第二次回火是对二次马氏体的回火并进一步促进奥氏体分解，减小奥氏体含量；通过第三次回火可使奥氏体含量达到较低水平，提高材料硬度和组织稳定性。

（2）进口盾构刀圈材料中，有的用40CrNiMo 制造刀圈。

40CrNiMo属于低合金超高强度钢，常用于调质结构钢，具有良好的韧性、强度和耐磨性。

40CrNiMo是在热作模具钢50CrNiMo钢的基础上降低含碳量而来，因此韧性提高。

用40CrNiMo 钢制造切割圈，热处理采用870℃淬火220℃回火，硬度为HRC50～55，全相组织为回火马氏体和少量残余奥氏体组织。

文献［13］分析进口40CrNi-Mo刀圈材料与国产4Cr5MoSiVl的刀圈材料，发现进口刀圈材料的硬度值从刀圈刃部至内圈逐渐减小，表面硬度为HV627（HRC56.5）、心部硬度HV530（HRC51），但具有很高的冲击值、良好的综合力学性能和耐磨性，进口刀圈材料基体组织主要为回火板条马氏体，细小的碳化物不连续地分布在马氏体板条间及晶粒内部。

而国产4Cr5MoSiVl 全相组织虽然也为回火马氏体，但析出碳化物沿晶界及马氏体板条间分布，导致刀圈的冲击值降低，使用寿命低于进口刀圈。

（3）5C r5M o S iV属于中合金模具钢，热处理时材料的硬度一般随淬火温度的升高而增加，在1060～1100℃时硬度达到峰值，淬火后回火温度在500～560℃时硬度达到最大值［14］。

5Cr5MoSiV的热处理工艺一般为1060～1100℃淬火+530～560℃2次回火，硬度HRC57～60。

淬火后多次回火使奥氏体充分分解或回火冷却过程发生马氏体转变，减少奥氏体量、稳定组织和提高材料硬度，淬火回火的全相组织为回火马氏体和其上弥散分布的碳化物，如VC、Mo2C及M23C和少量M3C型碳化物，碳化物在基体中弥散分布能提高材料的硬度及其耐磨性能。

文献［15］研究了热处理对5Cr5MoSiV钢硬度和耐磨性的影响，结果表明，5Cr5MoSiV钢较合适的热处理工艺为1060℃淬火+530℃2次回火，可获得较高的硬度（HRC57～58）和良好的耐磨性。

为了进一步提高5Cr5MoSiV材料的韧性和塑性，合金化时可再加入微量的稀土和钨，形成5Cr5MoWVSiRe钢［16］，钢中加入钨能形成复合碳化物，提高耐磨性；稀土的加入可以净化钢液、细化组织，能够改善钢的力学性能，耐磨寿命达到或略超过进口刀圈的寿命。

（4）50CrMoV属于低合金模具钢，用50Cr-MoV制造刀圈的模锻始锻温度为1100℃，终锻温度900℃。

由于材料含碳量较高，存在提高淬透性元素Cr、Mo，模锻空冷后可产生马氏体组织，硬度较高。

因此模锻时要注意严格控制终锻温度和锻造后的锻件冷却速度，以防止锻造裂纹发生，模锻后刀圈在机械加工前应进行软化退火，温度在750℃～780℃。

刀圈的奥氏体加热温度为870～880℃。

为防止刀圈在淬火加热时发生表面脱碳，淬火加热最好在可控气氛热处理炉内进行或采用真空淬火热处理，淬火后的刀圈应及时进行热处理，50CrMoV回火温度在500℃～550℃，回火后刀圈的硬度HRC56～59。

（5）6Cr4Mo2W2V为一种高合金模具钢，含有较高的铬、钼和钨，具有良好淬透性、耐磨性和韧性，应用于岩石抗压硬度较高的情况，是制造滚刀刀圈理想材料之一。

实验表明［17］，6Cr4-Mo2W2V钢制滚刀的使用寿命是9Cr2Mo钢制滚刀使用寿命的2倍以上，制造刀圈的热处理工艺为680℃回火、820℃加热、1150℃加热，预冷一定时间后在200℃等温处理，油冷、540℃3次回火，刀圈截面硬度HRC62～63，硬度分布均匀，刀圈材料中含有一定量的下贝氏体组织，形成回火马氏体和下贝氏体的复相组织，结果表明这种复合组织对
提高滚刀的磨料磨损有利。

（6）9Cr2Mo钢属于高碳低合金钢，一般作为Cr系冷轧辊用钢。

9Cr2Mo钢制作刀圈材料，钢的硬度值控制在HRC54～58，用于软岩滚刀刀圈，具有耐磨性和经济效益［18］。

9Cr2Mo钢通过等温淬火，可形成下贝氏体或下贝氏体和马氏体的复相组织，可提高耐磨性。

9Cr2Mo钢淬火温度为840～860℃，淬火后硬度66～68HRC，回火温度360℃，硬度HRC56～57。

淬火回火状态的全相组织为隐针状马氏体、针状马氏体、贝氏体组织和碳化物。

文献［19］研究了热处理对9Cr2Mo钢硬度的影响，结果表明9Cr2Mo钢具有较高的淬透性，实际生产时热处理可采用油淬，加热至温度845℃淬火，硬度达HRC61，淬火全相组织为马氏体、Fe3C和残余奥氏体，随淬火温度的提高，全相组织中残余奥氏体增加、硬度降低，淬火后随回火温度的提高，硬度有降低的趋势，300℃以前回火硬度变化较小，HRC为57～61；淬火回火组织为回火马氏体、碳化物或回火马氏体、下贝氏体和碳化物。

超过300℃回火，硬度下降较快。

9Cr2Mo实际生产中可采用840℃淬火、300℃～360℃回火，可获得较高硬度（HRC54～57）和韧性。

从上述分析可以看出，刀圈材料经热处理后的表面硬度较高，一般在HRC56-60，心部硬度HRC50-56，可以承受较大的冲击。

对于软岩和中硬岩的刀圈材料，刀圈所受岩石的冲击力相对较小，可用利用刀圈的高硬度来提高碾压破岩效率，可用一般的工模具钢或高碳低合金模具钢制造，经淬火回火热处理使用。

对于硬岩，刀圈所受岩石冲击力较大，为提高材料的耐磨性和冲击性能，可采用基体钢或中高碳中合金钢制造，配合合理的淬火或回火工艺，为提高刀圈的使用寿命，也可在刀圈刃部镶嵌硬质合金，以提高刀圈材料使用寿命。

3 提高盾构滚刀刀圈材料耐磨性能的主要措施
分析国内外刀圈材料的组织和性能，提高盾构滚刀刀圈耐磨性和寿命的主要措施有材料、热处理、表面处理、破碎岩石的特性等方面。

材料方面主要提高刀圈材料的纯净度，减小材料的成分偏析、带状偏析及其气体和夹杂物含量、细化刀圈材料的组织，提高材料的纯净度，采用电弧炉冶炼+炉外精炼，或采用电渣重熔等措施，提高材料的冶金质量。

在热处理工艺方面应研究热处理工艺参数对组织和性能的影响规律和机理，确定合适的热处理加热温度、回火温度及回火次数，通过热处理细化材料的全相组织、提高刀圈的韧性。

对于破碎工况，要分析了解岩石的硬度特征，对于硬岩工况，为了提高刀圈材料耐磨性，可以在刀圈工作部分镶嵌硬质合金刀头，或采用回火抗力较高的刀圈材料；对于软岩工况，适当提高刀圈材料的硬度，对耐磨性有利。

刀体部分可选用耐磨合金钢材料，也可采用表面堆焊硬质合金、热喷涂耐磨层、渗氮或碳氮共渗等方法增加表面硬度，提高滚刀的耐磨性。

4 结论
（1）盾构刀圈材料一般用中、高碳调质钢或工模具钢制造，通过模锻成形，机械加工后进行淬火回火处理，一般淬火回火热处理后刀圈的表面硬度HRC56-60，心部硬度HRC50-56。

（2）刀圈材料淬火回火的全相组织为回火马氏体、贝氏体、碳化物和残余奥氏体组成，硬度控制应根据破碎岩石的硬度确定，对于软岩和中硬岩的刀圈材料，可提高刀圈的硬度来提高耐磨性和使用寿命，对于硬岩，应保证刀圈材料有足够的韧性，也可采用镶嵌硬质合金的刀圈，以提高耐磨性。

（3）提高刀圈材料的冶金质量和制定合适的热处理工艺参数是提高刀圈材料的耐磨性和使用寿命的主要措施。

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在实际作业中，2个卷扬机可以独立正反转，即收放钢丝绳来调节出绳长度，完成粗调，一般用于第一次安装斗体或维修时。

当偏差不是很大，2个卷扬机主要通过差速转动来完成调节，这是工作状态下的调节常态。

在调整过程中，连接体倾角传感器1对双卷扬同步调整作最终检测，反映同步调整的实际效果。

其数据除在驾驶室显示器显示外，还要输入控制器给出抓斗的实时状态，判断是否处于安全调整范围内。

编码器2与油压传感器4的检测数据一同传输到控制器，经过控制器运算由控制器输出控制变量到变量泵。

编码器、卷扬机、变量马达、油压传感器、主阀和变量泵构成一个闭环控制系统。

接近开关则是为测量槽深而设置的。

4 同步双卷扬系统的发展趋势
在国内外同步双卷扬电液控制系统成为地下连续墙液压抓斗主要发展趋势之一。

继利勃海尔LEBHERR之后，宝峨也推出了双卷扬地下连续墙液压抓斗；国内如上海金泰、中联重科、徐工、三一以及南车北京时代等都相继研发或推出该系统的液压抓斗，但与国外液压抓斗相比，在可靠性和智能性等方面还存在一定的差距。

尽管同步双卷扬液压抓斗已经得到应用，但随着计算机和微电子技术的发展和应用，同步双卷扬系统逐渐融合电子技术、通讯技术、传感器技术、电液自动控制技术等新技术，从常规的液压控制技术朝总线控制、远程故障诊断、智能化和节能环保技术等方向发展。

同步双卷扬系统现阶段主要以液控方式来实现，随着技术进步改进，电控比重越来越大，调节
精度也越来越高，调试和操作更加方便快捷。

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