王文超，馮歡歡，楊露偉

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1 LD鋼概述

高強(qiáng)韌性冷作模具鋼LD 鋼的標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)是7Cr7Mo2V2Si，上海材料研究所研制，以美國專利鋼SVSCO-DIE 為基礎(chǔ)，調(diào)整合金元素含量經(jīng)過真空脫氧而研制成功。該鋼具有強(qiáng)度高，韌性好，耐磨損，冷、熱加工工藝性能優(yōu)良等特點(diǎn)，其最大的特點(diǎn)是鋼的奧氏體合金化程度高，固溶強(qiáng)化和二次硬化效果顯著，使得LD 鋼在具有高強(qiáng)度的同時(shí)，又具有較好的韌性，這一點(diǎn)非常符合TBM 滾刀的強(qiáng)沖擊、大載荷、易磨損等使用要求，所以將LD 鋼應(yīng)用于TBM 滾刀刀圈的研究是非常有必要的。LD 鋼的化學(xué)成分及物理性能如表1、表2 所示。

表2 LD鋼臨界溫度表

2 將LD鋼應(yīng)用于TBM刀圈工藝分析

2.1 選材

與國內(nèi)某鋼廠定做LD 鋼，材質(zhì)化學(xué)成分如表3 所示。

表3 定制的LD鋼成分表

2.2 鍛造

LD 鋼導(dǎo)熱性能差，塑性不高，鍛造時(shí)先輕擊，待碳化物破碎后逐步加大錘擊力度，鍛環(huán)時(shí)，為防止沖孔開裂，沖頭要預(yù)熱，最后一火鍛造溫度不超過1 130℃，以防材料組織過熱，鍛后要及時(shí)入坑緩冷，防止鍛件開裂（表4）。

表4 LD鋼鍛造工藝表

如圖1 所示，鍛后球化退火是為了均勻化組織，減少應(yīng)力，便于加工。

圖1 鍛后球化退火工藝圖

2.3 熱處理及實(shí)驗(yàn)性分析

通過不同溫度區(qū)間的淬火和回火分析（表5），大致得出硬度HRC 隨淬火溫度的提升而升高，沖擊功隨淬火溫度的提升而下降，硬度HRC 隨回火溫度的變化而出現(xiàn)不規(guī)律變動(dòng)。

表5 不同淬火、回火溫度下LD鋼機(jī)械性能變化（規(guī)格：10mm×10mm×55mm）

經(jīng)過數(shù)據(jù)比對及穩(wěn)定性分析后，最終確定分兩組進(jìn)行刀圈成品的試驗(yàn)，分別是淬火溫度1 120℃、回火溫度550℃和淬火溫度1 130℃、回火溫度550℃。

3 LD應(yīng)用于TBM刀圈使用情況分析

3.1 試驗(yàn)施工現(xiàn)場概況

經(jīng)對我公司某項(xiàng)目施工現(xiàn)場調(diào)研得知，工程范圍內(nèi)主要涉及石英巖、印支期花崗巖、華力西期閃長巖以及斷層碎裂巖等，待試驗(yàn)刀具所在施工區(qū)間地質(zhì)情況較為復(fù)雜，以Ⅱ類圍巖花崗巖為主的地層，石英含量較高并伴隨巖爆的情況出現(xiàn)，巖石抗壓強(qiáng)度在170MPa 左右，TBM 推力在275～307bar，刀盤轉(zhuǎn)速5.5～6rpm，刀盤貫入度2.6～3.3mm/rer。

試驗(yàn)刀圈參數(shù)及使用情況如表6、表7 及圖2～圖5 所示。

圖2 正常磨損刀圈

圖3 有小塊崩刃刀圈

圖4 偏磨刀圈

圖5 卷刃刀圈

表6 實(shí)驗(yàn)刀圈參數(shù)表

表7 試驗(yàn)刀圈使用情況表

從使用情況來看，通過與國內(nèi)其他廠家刀圈進(jìn)行對比后，在地層穩(wěn)定同地層同刀位的情況下，LD 材質(zhì)刀圈的耐磨性要明顯優(yōu)于同期國內(nèi)廠家其他材質(zhì)的刀圈，但在強(qiáng)沖擊的環(huán)境下，LD 材質(zhì)刀圈略顯韌性不足。

3.2 對已使用刀圈檢測并分析

根據(jù)GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》和GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》對已使用過的磨損刀圈在接近刃口的部位進(jìn)行取樣，制成10mm×10mm×55mm 的標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行檢測分析，根據(jù)此次金相組織和晶粒度檢測結(jié)果，對比前期試塊檢測結(jié)果，晶粒度6～7 級(jí)偏粗是導(dǎo)致部分刀圈崩塊的主要原因，同時(shí)存在成網(wǎng)狀分布的二次滲碳體，這就造成刀圈整體脆性增加，沖擊韌性降低，在使用過程中承受較大沖擊力時(shí)就容易造成崩刃現(xiàn)象。

晶粒偏粗的原因分析：晶粒偏粗是由加工過程中溫度過高引起，原材料鍛造時(shí)溫度過高、熱處理淬火加熱過程溫度過高均會(huì)導(dǎo)致晶粒粗大，刀圈在使用過程中，擠壓和沖擊的表層產(chǎn)生高溫并迅速冷卻，次表層組織由于受熱影響，形成二次淬火也會(huì)造成刀圈內(nèi)部組織變化。

3.3 解決方案

1）原材料各合金元素合理添加，優(yōu)化各合金元素之間的配比，最大程度解決偏析的問題，非金屬夾雜小于1.5 級(jí)保證原材料品質(zhì)。

2）鍛造時(shí)，改進(jìn)鍛造工藝，最大程度破壞材料內(nèi)共晶碳化物網(wǎng)，使材料內(nèi)共晶碳化物均勻彌散分布，參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1299-2014、GB/T 14979，共晶碳化物不均勻度不超過5 級(jí)越低越好，這樣可提高材料的韌性和耐磨性。

3）改進(jìn)熱處理工藝，盡量消除網(wǎng)狀碳化物，不能有明顯大面積網(wǎng)狀碳化物形成，晶粒度不低于9 級(jí)（100×），熱處理中應(yīng)避免出現(xiàn)過熱導(dǎo)致晶粒粗大，并優(yōu)化淬火、回火的溫度和時(shí)間控制。

4）根據(jù)LD 材質(zhì)刀圈使用情況來看，整體韌性略顯不足，可增加中頻淬火工藝，使刀圈本體從內(nèi)向工作面縱向形成梯度硬度，達(dá)到內(nèi)軟外硬的效果，這樣刀圈在使用過程中可吸收碰撞沖擊，不易脆性斷裂。

4 結(jié)論

LD 鋼不含貴重金屬元素，只要各合金元素之間配比合理，能充分發(fā)揮各元素在材料中的作用，那么應(yīng)用到TBM 刀圈上的性能是非常理想的，在保證現(xiàn)有耐磨能力的前提下，嘗試新的熱處理工藝解決LD 材質(zhì)刀圈的韌性問題后，那么TBM 在惡劣工況下施工，刀圈的整體使用壽命會(huì)得到明顯的提高，LD 材質(zhì)刀圈造價(jià)較之H13 系列材質(zhì)的刀圈不會(huì)高出太多，但是在使用過程中將其高耐磨性的特點(diǎn)發(fā)揮出來，能夠減少更換刀圈的數(shù)量，大大降低了施工成本，有利于后期回收處理時(shí)的環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排。