一种用于盾构机硬质岩掘进的弹硬刀圈及其热处理方法

摘要

本发明提供了一种用于盾构机硬质岩掘进的弹硬刀圈及其热处理方法，所述刀圈从刀刃到刀座分为A、B、C三个区域，区域A部分的金相组织以回火马氏体为主的均匀淬硬层，区域C部分的金相组织以回火屈氏体为主，区域B部分为过渡区域。首先对所述刀圈进行整体淬火和整体回火，然后再对所述刀圈的刀座部分进行局部回火处理，使得所述刀圈的刀刃部分主要为回火马氏体，刀座部分为回火屈氏体。高强度刀刃和弹性刀座匹配，使得所述刀圈兼具高的耐磨性、抗缓冲能力和冲击韧性，同时刀刃处具有残余压应力，增加了刀口的抗疲劳能力，使得所述刀圈具有更高的使用寿命和破岩能力。

说明书

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，具体涉及一种用于盾构机硬质岩掘进的弹硬刀圈及其热处理方法。

背景技术

全断面岩石隧道掘进机(简称隧道掘进机或TBM)用于水利地下工程的施工机械装备，是我国装备制造业的标志性产品，由于其结构复杂，技术含量高，目前国际上只有欧美、日本等少数几个国家的企业具有设计能力。随着我国水利、交通、地下工程建设的发展，TBM施工安全、快速、环保等优点，对隧道掘进机的数量需求不仅非常大而且非常迫切。而隧道掘进机刀圈的设计制造在国内尚处于探索阶段，因此加速发展我国隧道掘进机刀圈的研发及产业化势在必行。

刀盘是隧道掘进机的关键部件，具有开挖、稳定掌子面、搅拌渣土等功能，而盘形滚刀刀圈是刀盘上配置的主要破岩刀具，对提高隧道掘进机破岩能力和掘进效率、降低挖掘成本具有重要意义，是影响隧道掘进机掘进性能的决定性因素，滚刀工况恶劣，属于易损件，刀圈的使用出现异常现象或刀圈的刀刃磨损25mm以上则需要更换刀圈，刀圈依赖进口，采购时间长，价格昂贵，对隧道施工工期和施工成本有很大影响，据统计，施工中因为刀圈磨损而更换的刀圈数量达80％，滚刀的检测维修更换所花费的时间占工期的1/3左右，刀具成本占整个工程成本的1/3左右。

目前盾构施工法已经在隧道建造的主流方法，安装在刀盘上的滚刀是全断面盾构机破碎硬质岩石的主要刀具，而刀圈是安装在滚刀刀体上的可拆的刀刃，是滚刀磨损的主要部位。目前刀具磨损而导致的耗费在隧道施工中占据大约20～30％的费用，而且刀具磨损到一定程度后，必须更换新刀具，而刀具更换必然耽误隧道施工时间，根据不完全统计，刀具更换的时间占总施工时间的比例在约5～25％之间。目前，国产刀圈对磨蚀性强的硬质岩石地段施工的使用寿命低。除了整体淬硬的全硬刀圈和梯度硬度刀圈外，在现有技术中也常通过渗碳处理等手段来提高刀圈表面的硬度以期来提高滚刀刀圈的耐磨损性。

中国专利申请201710020201.1通过在刀圈本体的外边缘通过等离子氮化形成有渗氮层，使其兼有优异的切削性能、耐磨性和高冲击韧性等关键性能指标，提高刀具的使用寿命。中国专利申请CN201710195596.9采用激光合金化技术对盾构隧道掘进机滚刀刀圈进行表面强化处理和后续热处理过程，在盾构隧道掘进机滚刀刀圈表面形成弥散分布的纳米颗粒增强合金化层，以满足滚刀刀圈在恶劣服役环境下承受强挤压、大扭矩、强冲击、高磨损等性能要求。这些方法虽然能够提高刀圈的性能，但渗层薄，脆性大，工艺复杂，制造成本高。另外主要注重刀圈表面处的硬度，忽略了刀圈整体性能的提高，不能提高刀圈对硬质岩的破岩能力。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种用于盾构机硬质岩掘进的弹硬刀圈及其热处理方法，高强度刀刃和弹性刀座匹配，使得所述刀圈兼具高的耐磨性、抗缓冲能力和冲击韧性，同时刀刃处具有残余压应力，增加了刀口的抗疲劳能力，使得所述刀圈具有更高的使用寿命和破岩能力。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种用于盾构机硬质岩掘进的弹硬刀圈，其特征在于，所述刀圈从刀刃到刀座分为A、B、C三个区域，区域A部分的金相组织以回火马氏体为主的均匀淬硬层，区域C部分的金相组织以回火屈氏体为主，区域B部分为过渡区域。

进一步地，所述区域A部分的范围为从刀刃刃口向刀座方向延伸30-35mm。

进一步地，所述弹硬刀圈的材质为含碳量为0.4-0.7％，加入合金元素Cr、Ni、Si、Mo、V的合金钢。

进一步地，所述弹硬刀圈的材质为40CrNiMo、47Cr5MoSiV1、4Cr5MoV1Si、7Cr7Mo2V2Si。

进一步地，所述区域A部分的硬度为57-61HRC，区域C部分的硬度为42-48HRC。

进一步地，所述弹硬刀圈刀座的装配内孔设置圆弧形凹槽，以加强刀座的弹性。

本发明所述用于盾构机硬质岩掘进的弹硬刀圈的热处理工艺，其特征在于，首先对所述刀圈进行整体淬火和整体回火，然后再对所述刀圈的刀座部分进行局部回火处理，使得所述刀圈的刀刃部分主要为回火马氏体，刀座部分为回火屈氏体。

TBM在掘进的过程中，刀圈会逐渐磨损变小或破损，在正常情况下，当边刀的刀刃被磨损10-15mm时，面刀和中心刀磨损20-25mm，就需要更换刀圈了，否则刀刃变宽后，掘进所需要的推力和扭矩会变大，加大了TBM液压和机电系统的负荷，破碎的岩石也会磨损到刀盘，降低TBM的寿命。本发明所述的弹硬刀圈，从刀刃向刀座方向有延伸30-35mm的均匀淬硬层，金相组织主要为回火马氏体，具有较高的硬度，满足刀刃破碎岩石的要求。

刀圈的刀座不与岩石接触，在破岩过程中很少发生摩擦，刀座的主要功能是传递运动和动力，这就要求刀座具有高的强韧性，不发生断裂。本发明中刀座部分的金相组织为回火屈氏体，由于回火屈氏体具有较高的弹性极限和韧性，刀座具有较高的弹性变形能力。在掘进的过程中，刀圈的刀刃首先在推挤碾压力的作用下，使得岩石首先产生细小的裂纹，而刀圈本身由于刀座部分为回火屈氏体，具有良好的弹性变形能力，因此会产生微小的弹性变形将机械能储存起来。当储存的机械能延时释放时，刀座向刀刃提供反作用力，刀刃向岩石再次施加作用力，细小的裂纹在延时作用力下充分扩展，实现破岩、碎岩，增加了破岩效能。根据上述作用机理，屈氏体结构的刀座使得刀圈具有弹性缓冲能力，避免刀刃的刚性机械作用来破岩时，能够保护刀刃，减小磨损，抵抗冲击，使刀圈具有良好的抗冲击性能。

另外，刀座部分经过回火处理形成回火屈氏体，由于屈氏体的体积小于马氏体的体积，刀座部分由马氏体回火发生相变形成屈氏体的过程中，刀座部分的体积收缩，使得刀刃部分形成残余压应力，提高了刀刃的抗疲劳性能。

另一方面，本发明还在刀座背面设置弧形凹槽，进一步提高刀座的弹性变形能力，提高弹性储能能量。

附图说明

图1为本发明所述用于盾构机硬质岩掘进的弹硬刀圈的结构示意图。

图2为本发明所述用于盾构机硬质岩掘进的弹硬刀圈的局部放大图及各区域的硬度分布。

图3为本发明所述用于盾构机硬质岩掘进的弹硬刀圈与整体淬硬刀圈、梯度硬度刀圈的硬度分布对比。

附图标记说明如下：

1-刀圈，2-刀刃，3-刀座，4-弧形凹槽。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1为本发明所述用于盾构机硬质岩掘进的弹硬刀圈的结构示意图，具体的，刀圈断面如图2所示，本发明所述的用于盾构机硬质岩掘进的弹硬刀圈，从刀刃到刀座分为A、B、C三个区域，区域A部分的金相组织以回火马氏体为主为均匀淬硬层，区域C部分的金相组织以回火屈氏体为主，区域B部分为过渡区域。所述区域A部分的硬度根据所掘进的岩石硬度为57-61HRC，区域C部分的硬度为42-48HRC。

所述用于盾构机硬质岩掘进的弹硬刀圈的热处理工艺，其特征在于，首先对所述刀圈进行整体淬火和整体回火，然后再对所述刀圈的刀座部分进行局部回火处理，使得所述刀圈的刀刃部分保持高硬度的回火马氏体，刀座部分为回火屈氏体。

本发明所述的弹硬刀圈，所述区域A部分的范围为从刀刃刃口向刀座方向延伸30-35mm，为均匀淬硬层，金相组织主要为回火马氏体，具有较高的硬度，满足刀刃破碎岩石的要求。

刀圈的刀座不与岩石接触，在破岩过程中很少发生摩擦，刀座的主要功能是传递运动和动力，这就要求刀座具有高的强韧性，不发生断裂。本发明中刀座部分的进行组织为回火屈氏体，由于回火屈氏体具有较高的弹性极限和韧性，刀座具有较高的弹性变形能力。在掘进的过程中，刀圈的刀刃首先在推挤碾压力的作用下，使得岩石首先产生细小的裂纹，而刀圈本身由于刀座部分为回火屈氏体，具有良好的弹性变形能力，因此会产生微小的弹性变形将机械能储存起来。当储存的机械能释放时，刀座向刀刃提供反作用力，刀刃向岩石再次施加作用力，细小的裂纹在延时作用力下快速扩展，实现破岩、碎岩，增加了破岩效能。根据上述作用机理，屈氏体组织的刀座使得刀圈具有弹性缓冲能力，避免利用刀刃的刚性机械作用来破岩的同时，能够保护刀刃，减小磨损，抵抗冲击，使刀圈具有良好的抗冲击性能。

另一方面，本发明还在刀座背面设置弧形凹槽，进一步提高刀座的弹性变形能力，提高弹性储能能力。即刀座的弹性一方面由刀座的微观组织来保证，一方面通过形状结构来增大。

弹硬刀圈的弹性刀座要求在不发生弹性变形的情况下，能够产生较大的弹性变形能力和储存较大变形能。刀座材料与单位体积的所能积储的最大变形能，利用下式估算：

U＝σ_e²/2E或U＝τ_e²/2G

式中：

U-弹性积储能

σ_e-拉伸弹性极限

E-弹性模量

τ_e-剪切弹性极限

G-切变模量

为了提高刀座的积储变形能，材料应有较高的弹性模量。刀圈材料一般为含碳量为0.4-0.7％，加入合金元素Cr、Ni、Si、Mo、V的合金钢。如40CrNiMo、47Cr5MoSiV1、4Cr5MoV1Si、7Cr7Mo2V2Si。通过热处理可以获得弹性和屈强比较高的屈氏体。

本发明所述用于盾构机硬质岩掘进的弹硬刀圈与整体淬硬刀圈、梯度硬度刀圈的硬度分布对比如图3所示，全硬刀圈整体淬硬，刀圈的冲击韧性要靠原材料纯净、毛坯锻造及预处理来保证，梯度刀圈以逐步降低的刀圈硬度来提高冲击韧性。弹硬刀圈则有高硬度的刀刃和弹性刀座的匹配得到提高。弹硬刀圈耐磨，抗冲击和抗疲劳性能好，有高的使用寿命和破岩效率。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。