新型高Cr铸造掘进机刀具钢的组织与性能

发布时间：2020-08-08 22:21

【摘要】：全断面隧道掘进机(Full-face Tunnel Boring Machine-TBM)由于具有高效的掘进速率和极好的安全性已成为开挖隧道必不可少的重要工程机械,目前已在铁路、地铁、城轨等基础建设中广泛应用,并且随着“十三五”规划及“一带一路”战略的实施,隧道掘进机的需求量日益增加。掘进机刀具是掘进机破碎岩石的关键部件,也是掘进机中的易损耗部件。据统计,在隧道施工过程中所消耗的掘进机刀具成本可占总施工成本的30%左右,可见,提高刀具使用寿命、降低刀具生产成本可有效降低隧道施工总成本。目前,由德国Wirth公司、美国Robbins公司等生产的掘进机刀具综合性能和市场口碑良好,已基本垄断了掘进机刀具的市场;而我国掘进机刀具的生产水平较低,刀具的综合性能和使用寿命尚不能达到国际水平,大部分刀具仍然依赖进口,严重制约了我国隧道掘进事业的发展。因此,开发具有自主知识产权的优质掘进机刀具钢,提高掘进机刀具使用寿命,降低刀具生产成本具有重大的国民经济意义。本研究通过合金成分优化以及特定的热处理工艺(预处理+淬火和回火工艺)制得了一种新型高Cr铸造掘进机刀具钢(High-Cr cast tunnel boring machine cutter steel-HBC钢),此钢材与锻造H13钢相比具有高强度、高硬度、高耐磨粒磨损性、高抗热疲劳性,同时具有较高的室温冲击韧性。本文通过对HBC钢的热处理工艺优化、力学性能、磨粒磨损性能以及热疲劳性能的研究得出以下结论:(1)通过对铸造HBC钢的组织、力学性能、耐磨粒磨损性能以及抗热疲劳性能的研究,确定了新型高Cr铸造掘进机刀具钢(HBC钢)化学成分的最佳含量,其主要化学元素的最佳含量如下,C:0.33 wt.%—0.40 wt.%,Cr:9.5 wt.%—10.5 wt.%,Mo:1.8wt.%—2.1 wt.%,N i:0.8 wt.%—0.9 wt.%,V:0.8 wt.%—0.9 wt.%,Si:0.6 wt.%—0.8 wt.%,Mn:0.15 wt.%—0.25 wt.%。其中碳含量为0.40 wt.%时,HBC钢表现出了良好的综合性能,其硬度约为58 HRC,屈服强度约1650 MPa,抗拉强度约2200 MPa,延伸率约7.4%,冲击韧性约40 J/cm~2,各项性能指标均达到或超过了锻造H13钢水平,达到了本研究中“以铸代锻”的预期目的。(2)确定了铸造HBC钢的最佳热处理工艺:预处理+油淬+两次回火。其中预处理工艺包括1230℃均匀化处理+1080℃正火处理+750℃退火处理;均匀化处理后,HBC钢铸态组织中的成分偏析现象基本得已消除,较大的碳化物部分分解或融入到基体当中,碳化物的尺寸和形状得到了明显改善。HBC钢的最佳淬火温度为1070℃,最佳回火温度为540—560℃,其回火组织主要为回火板条马氏体,并在板条马氏体上弥散析出了大量尺寸仅为30—60 nm的细小碳化物,这些纳米尺寸的碳化物起到了很好的第二相强化作用,保证了HBC钢的强度。(3)随着碳含量的增加,HBC钢的体积磨粒磨损率先降低后增加,碳含量为0.40 wt.%时体积磨损率达到最低,其耐磨损性能比H13钢提高了约45%。当碳含量小于0.40wt.%时,HBC钢的主要磨粒磨损机制为微观切削磨损和犁沟磨损;当碳含量大于0.45 wt.%时,除微观切削磨损和犁沟磨损外,微观断裂(剥落)磨损明显增多,磨损表面出现较多麻点凹坑及脆断现象,耐磨损性能有所下降。(4)随着碳含量的增加,HBC钢的抗热疲劳性能呈下降趋势,碳含量越高,热疲劳裂纹等级越高;随着热疲劳循环次数的增多,碳含量越高的HBC钢点蚀现象越严重,由点蚀坑处萌生的裂纹数量也越多,尤其是碳含量大于0.45 wt.%以后点蚀现象更为严重。热疲劳过程中,碳含量为0.33 wt.%和0.40 wt.%的HBC钢表现出了很高的热稳定性,10000次热疲劳之后,两者的硬度仅下降了约1.5 HRC,而强度不仅没有下降反而有少量提高。另外,在热疲劳试验过程中发现,氧化对热疲劳裂纹的萌生及扩展都有促进作用,所以较高的抗氧化性是保证HBC钢具有良好的抗热疲劳性能的重要因素。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U455.31
【图文】：

全断面隧道掘进机,刀具类型,刮刀,刀具

图 1.1 全断面隧道掘进机及所用刀具类型Fig. 1.1 Full-face tunnel boring machine and using cutter.2 TBM 刀具概述.2.1 TBM 刀具分类目前全断面隧道掘进机使用的刀具一般分为滚动刀具和刮削刀具两大类[16-22]。刀具也简称为滚刀，滚刀在随刀盘转动的同时还作自转运动。其中根据刀刃的形状刀可分为齿形滚刀和盘形滚刀。根据安装位置的不同，滚刀又可分为正滚刀、中刀、边滚刀以及扩孔滚刀，图 1.1(b)所示滚刀为正滚刀。刮削刀具一般简称为刮刀或割刀，刮刀只随着刀盘转动而没有自转，刮刀的种多，目前掘进机上常用的刮刀有边刮刀、齿刀、切刀和先行刀等，图 1.1(c)和(d为齿刀和切刀。

示意图,破岩机理,滚刀破岩,刮刀

第 1 章绪论1.2.2 TBM 刀具的破岩机理及失效形式滚刀破岩机理：刀盘在纵向推力作用下，使刀盘上的滚刀压入岩层，刀盘在驱动装置的作用下带动滚刀绕中心轴转动，同时各滚刀还绕各自的刀轴自转，使滚刀在岩面上连续滚压，通过滚刀对岩体的挤压和剪切迫使岩体发生破碎[13, 17]。滚刀一般适合于硬岩层中挖掘，如图 1.2(a)所示为滚刀破岩示意图，滚刀在大载荷推力下压入岩层，在岩石的破碎区产生裂纹；滚刀持续旋转挤压此部位岩石，裂纹便向内部扩展，当裂纹交汇连接时，则此部位的岩石便会剥落。刮刀破岩机理：刮刀在推力的作用下嵌入岩层中，刀盘带动刀具转动时刮削岩层，在掌子面形成一环环沟槽[18]。刮刀适合于在软土地层开挖，如图 1.2(b)所示为切刀的破岩机理示意图，切刀嵌入岩层后直接切除对应土层，工作效率很高，但刀盘所受阻力较大，若遇到较硬的岩石时容易出现崩断现象。

部分失效,偏磨,刀具,形式

图 1.3 TBM 刀具的部分失效形式 (a) 偏磨, (b) 崩裂Fig. 1.3 Partial failure of TBM cutter, (a) biasing wear, (b)brittle fracture另外，由于掘进机在不同的土质环境中工作，尤其是在含有海水或者氯离子的土质中挖掘时，氯离子的腐蚀作用对刀具的磨损寿命有着重要的影响[23, 24]。同时在硬岩中掘进时由于刀具与岩石剧烈摩擦产生大量热量，容易在刀具表面产生疲劳裂纹[25, 26]，在巨大的推力下裂纹快速扩展容易导致刀具的断裂失效。综合来看，刀具在工作过程中的失效形式虽然比较多，但都与刀具所用材料的硬度、耐磨损性、抗腐蚀性以及抗热疲劳性有密切关系。1.2.3 TBM 刀具常用钢材及其性能由于 TBM 刀具直接与岩石接触，承受载荷大，失效几率也大，所以其所用钢材必须具有高强度、高硬度同时兼具一定的韧性。前文中已提到过，目前国内掘进机刀具还仍然依赖于进口，并且德国维尔特公司和美国罗宾斯公司已形成了垄断之势，通过对这两家公司生产的刀具进行成分分析(如表 1.1 所示)可发现，德国维尔特公司采用

【参考文献】