盾構滾刀熱處理工藝論文范文

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1常用材料

盾構刀圈的制造工藝一般為：下料——鍛造——軟化退火——機械加工——淬火、回火——精加工。因盾構滾刀的刀圈承受嚴重的沖擊載荷和磨料磨損，因此選用刀圈的材料應具有較高的屈服強度，避免刀刃端在高應力下發生變形或壓潰變形；應有足夠高的硬度，有利于提高耐磨性，減少刀圈的磨損；應具有良好的沖擊韌性，可防止刀圈工作時的斷裂和崩刀；應具有良好的抗回火性能，提高材料的熱穩定性，保證刀圈在熱裝和滾壓、破碎巖體過程中因摩擦熱而升溫時不會過分降低硬度；刀圈材料還應該具有好的熱加工和冷加工性能，材料成本相對較低、制造方便等。目前，國內外制造盾構刀圈材料主要為模具鋼，常用刀圈材料的化學成分如表1所示［8～11］。可以看出，刀圈材料的含碳量一般在0.4%～0.9%，較高的含碳量可以提高熱處理后刀圈材料的硬度，保證耐磨性能和使用壽命。對于模具材料，熱處理后全相組織中馬氏體的硬度主要取決于馬氏體的含碳量，而合金元素對硬度的影響較小。從表1可看出，刀圈材料合金中含有較高的Cr、Mo、W、Ni、Si、V等合金元素，主要是為了提高熱處理時的淬透性，提高刀圈截面硬度的均勻性，提高回火抗力及全相組織的熱穩定性。

2熱處理工藝

（1）在盾構刀具制造材料中，4Cr5Mo-SiVl鋼是常用于制造刀圈的材料之一。4Cr5Mo-SiVl相當于美國牌號AISI-H13，日本JIS-SKD61、德國X40CrMoV5-l，是一種鉻系中合金高強韌熱作模具鋼，該鋼的特點是含鉻量較多，具有較高的淬透性，如厚度為150mm的鋼可油冷淬透。由于合金元素含量較高，具有較高的回火抗力和抗氧化性。模鍛時鍛造溫度范圍較窄，應嚴格控制鍛造溫度，模鍛加熱溫度在1120～1150℃，始鍛溫度在1080～1120℃，終鍛溫度不小于850℃，模鍛后應該緩冷并及時退火，以免產生裂紋。4Cr5-MoSiVl鋼球化退火工藝為860℃±10℃×2h，降溫到750℃±10℃×4h，500℃左右出爐。普通退火工藝為845～880℃×2～4h，然后緩冷到500℃左右出爐。4Cr5MoSiVl鋼刀圈材料淬火加熱溫度一般為1020～1050℃，空冷或油冷材料的硬度HRC55～58，淬火組織為細針和隱針馬氏體、未溶的碳化物和殘余奧氏體，需適當的回火提高韌性。文獻［12］在4Cr5MoSiVl基礎上，通過提高含碳量至0.5%，適當增加Mo、Cr、V合金元素含量，熱處理工藝為1060℃真空淬火+550℃回火3次，回火后硬度HRC55～58，且具有良好的韌性。3次回火的目的是由于合金元素含量較高，淬火后全相組織中殘余奧氏體含量較高、硬度偏低，淬火后第一次回火可促使部分奧氏體的分解和對淬火馬氏體進行回火，而在第一次回火冷卻過程中部分未分解的奧氏體會轉變為二次馬氏體；第二次回火是對二次馬氏體的回火并進一步促進奧氏體分解，減小奧氏體含量；通過第三次回火可使奧氏體含量達到較低水平，提高材料硬度和組織穩定性。（2）進口盾構刀圈材料中，有的用40CrNiMo制造刀圈。40CrNiMo屬于低合金超高強度鋼，常用于調質結構鋼，具有良好的韌性、強度和耐磨性。40CrNiMo是在熱作模具鋼50CrNiMo鋼的基礎上降低含碳量而來，因此韌性提高。用40CrNiMo鋼制造切割圈，熱處理采用870℃淬火220℃回火，硬度為HRC50～55，全相組織為回火馬氏體和少量殘余奧氏體組織。文獻［13］分析進口40CrNi-Mo刀圈材料與國產4Cr5MoSiVl的刀圈材料，發現進口刀圈材料的硬度值從刀圈刃部至內圈逐漸減小，表面硬度為HV627（HRC56.5）、心部硬度HV530（HRC51），但具有很高的沖擊值、良好的綜合力學性能和耐磨性，進口刀圈材料基體組織主要為回火板條馬氏體，細小的碳化物不連續地分布在馬氏體板條間及晶粒內部。而國產4Cr5MoSiVl全相組織雖然也為回火馬氏體，但析出碳化物沿晶界及馬氏體板條間分布，導致刀圈的沖擊值降低，使用壽命低于進口刀圈。（3）5Cr5MoSiV屬于中合金模具鋼，熱處理時材料的硬度一般隨淬火溫度的升高而增加，在1060～1100℃時硬度達到峰值，淬火后回火溫度在500～560℃時硬度達到最大值［14］。5Cr5MoSiV的熱處理工藝一般為1060～1100℃淬火+530～560℃2次回火，硬度HRC57～60。淬火后多次回火使奧氏體充分分解或回火冷卻過程發生馬氏體轉變，減少奧氏體量、穩定組織和提高材料硬度，淬火回火的全相組織為回火馬氏體和其上彌散分布的碳化物，如VC、Mo2C及M23C和少量M3C型碳化物，碳化物在基體中彌散分布能提高材料的硬度及其耐磨性能。文獻［15］研究了熱處理對5Cr5MoSiV鋼硬度和耐磨性的影響，結果表明，5Cr5MoSiV鋼較合適的熱處理工藝為1060℃淬火+530℃2次回火，可獲得較高的硬度（HRC57～58）和良好的耐磨性。為了進一步提高5Cr5MoSiV材料的韌性和塑性，合金化時可再加入微量的稀土和鎢，形成5Cr5MoWVSiRe鋼［16］，鋼中加入鎢能形成復合碳化物，提高耐磨性；稀土的加入可以凈化鋼液、細化組織，能夠改善鋼的力學性能，耐磨壽命達到或略超過進口刀圈的壽命。（4）50CrMoV屬于低合金模具鋼，用50Cr-MoV制造刀圈的模鍛始鍛溫度為1100℃，終鍛溫度900℃。由于材料含碳量較高，存在提高淬透性元素Cr、Mo，模鍛空冷后可產生馬氏體組織，硬度較高。因此模鍛時要注意嚴格控制終鍛溫度和鍛造后的鍛件冷卻速度，以防止鍛造裂紋發生，模鍛后刀圈在機械加工前應進行軟化退火，溫度在750℃～780℃。刀圈的奧氏體加熱溫度為870～880℃。為防止刀圈在淬火加熱時發生表面脫碳，淬火加熱最好在可控氣氛熱處理爐內進行或采用真空淬火熱處理，淬火后的刀圈應及時進行熱處理，50CrMoV回火溫度在500℃～550℃，回火后刀圈的硬度HRC56～59。（5）6Cr4Mo2W2V為一種高合金模具鋼，含有較高的鉻、鉬和鎢，具有良好淬透性、耐磨性和韌性，應用于巖石抗壓硬度較高的情況，是制造滾刀刀圈理想材料之一。實驗表明［17］，6Cr4-Mo2W2V鋼制滾刀的使用壽命是9Cr2Mo鋼制滾刀使用壽命的2倍以上，制造刀圈的熱處理工藝為680℃回火、820℃加熱、1150℃加熱，預冷一定時間后在200℃等溫處理，油冷、540℃3次回火，刀圈截面硬度HRC62～63，硬度分布均勻，刀圈材料中含有一定量的下貝氏體組織，形成回火馬氏體和下貝氏體的復相組織，結果表明這種復合組織對提高滾刀的磨料磨損有利。（6）9Cr2Mo鋼屬于高碳低合金鋼，一般作為Cr系冷軋輥用鋼。9Cr2Mo鋼制作刀圈材料，鋼的硬度值控制在HRC54～58，用于軟巖滾刀刀圈，具有耐磨性和經濟效益［18］。9Cr2Mo鋼通過等溫淬火，可形成下貝氏體或下貝氏體和馬氏體的復相組織，可提高耐磨性。9Cr2Mo鋼淬火溫度為840～860℃，淬火后硬度66～68HRC，回火溫度360℃，硬度HRC56～57。淬火回火狀態的全相組織為隱針狀馬氏體、針狀馬氏體、貝氏體組織和碳化物。文獻［19］研究了熱處理對9Cr2Mo鋼硬度的影響，結果表明9Cr2Mo鋼具有較高的淬透性，實際生產時熱處理可采用油淬，加熱至溫度845℃淬火，硬度達HRC61，淬火全相組織為馬氏體、Fe3C和殘余奧氏體，隨淬火溫度的提高，全相組織中殘余奧氏體增加、硬度降低，淬火后隨回火溫度的提高，硬度有降低的趨勢，300℃以前回火硬度變化較小，HRC為57～61；淬火回火組織為回火馬氏體、碳化物或回火馬氏體、下貝氏體和碳化物。超過300℃回火，硬度下降較快。9Cr2Mo實際生產中可采用840℃淬火、300℃～360℃回火，可獲得較高硬度（HRC54～57）和韌性。從上述分析可以看出，刀圈材料經熱處理后的表面硬度較高，一般在HRC56-60，心部硬度HRC50-56，可以承受較大的沖擊。對于軟巖和中硬巖的刀圈材料，刀圈所受巖石的沖擊力相對較小，可用利用刀圈的高硬度來提高碾壓破巖效率，可用一般的工模具鋼或高碳低合金模具鋼制造，經淬火回火熱處理使用。對于硬巖，刀圈所受巖石沖擊力較大，為提高材料的耐磨性和沖擊性能，可采用基體鋼或中高碳中合金鋼制造，配合合理的淬火或回火工藝，為提高刀圈的使用壽命，也可在刀圈刃部鑲嵌硬質合金，以提高刀圈材料使用壽命。

3提高盾構滾刀刀圈材料耐磨性能的主要措施

分析國內外刀圈材料的組織和性能，提高盾構滾刀刀圈耐磨性和壽命的主要措施有材料、熱處理、表面處理、破碎巖石的特性等方面。材料方面主要提高刀圈材料的純凈度，減小材料的成分偏析、帶狀偏析及其氣體和夾雜物含量、細化刀圈材料的組織，提高材料的純凈度，采用電弧爐冶煉+爐外精煉，或采用電渣重熔等措施，提高材料的冶金質量。在熱處理工藝方面應研究熱處理工藝參數對組織和性能的影響規律和機理，確定合適的熱處理加熱溫度、回火溫度及回火次數，通過熱處理細化材料的全相組織、提高刀圈的韌性。對于破碎工況，要分析了解巖石的硬度特征，對于硬巖工況，為了提高刀圈材料耐磨性，可以在刀圈工作部分鑲嵌硬質合金刀頭，或采用回火抗力較高的刀圈材料；對于軟巖工況，適當提高刀圈材料的硬度，對耐磨性有利。刀體部分可選用耐磨合金鋼材料，也可采用表面堆焊硬質合金、熱噴涂耐磨層、滲氮或碳氮共滲等方法增加表面硬度，提高滾刀的耐磨性。

4結論

（1）盾構刀圈材料一般用中、高碳調質鋼或工模具鋼制造，通過模鍛成形，機械加工后進行淬火回火處理，一般淬火回火熱處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組織為回火馬氏體、貝氏體、碳化物和殘余奧氏體組成，硬度控制應根據破碎巖石的硬度確定，對于軟巖和中硬巖的刀圈材料，可提高刀圈的硬度來提高耐磨性和使用壽命，對于硬巖，應保證刀圈材料有足夠的韌性，也可采用鑲嵌硬質合金的刀圈，以提高耐磨性。（3）提高刀圈材料的冶金質量和制定合適的熱處理工藝參數是提高刀圈材料的耐磨性和使用壽命的主要措施。

作者：程巨強單位：西安工業大學