《超粗晶硬質(zhì)合金在盾構(gòu)刀具上的應(yīng)用》

超粗晶硬質(zhì)合金在盾構(gòu)刀具上的應(yīng)用摘要：隨著國(guó)內(nèi)盾構(gòu)施工技術(shù)的發(fā)展，盾構(gòu)越來(lái)越廣泛應(yīng)用于各地鐵、市政和地下管網(wǎng)等工程建設(shè)，硬質(zhì)合金作為盾構(gòu)軟土刀具的關(guān)鍵原材料，其性能和壽命決定著盾構(gòu)硬質(zhì)合金刀具的壽命，也決定著整個(gè)工程的掘進(jìn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)理論研究及工程實(shí)踐證明：一方面，硬質(zhì)合金耐磨性與刀具的壽命呈正相關(guān)關(guān)系；另一方面，高脆性刀具在高沖擊、高強(qiáng)度的地質(zhì)條件下更易斷裂。從導(dǎo)熱性、彈性模量、耐磨性等方面，對(duì)常用硬質(zhì)合金YG13C與超粗晶硬質(zhì)合金ZJ01C的性能進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)工程實(shí)踐證明采用超粗晶硬質(zhì)合金制造的盾構(gòu)刀具表現(xiàn)出了更好的抗沖擊性能及耐磨性。關(guān)鍵詞：盾構(gòu)；超粗晶；硬質(zhì)合金；抗崩性1引言盾構(gòu)施工具有機(jī)械化程度高、施工速度高、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地鐵、隧道、水電等重大工程[1]。盾構(gòu)機(jī)是衡量一個(gè)國(guó)家裝備制造業(yè)水平和能力高低最具代表性的重大關(guān)鍵裝備之一[2]，而盾構(gòu)刀盤(pán)及刀具是隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的關(guān)鍵配套工具，其性能和壽命制約著整個(gè)工程的掘進(jìn)效率。盾構(gòu)刀盤(pán)按照其結(jié)構(gòu)形式和刀具設(shè)置通常有三種形式[3]：軟土刀盤(pán)：在軟土和砂層掘進(jìn)，全部刀具都為硬質(zhì)合金切削刀；復(fù)合刀盤(pán)：在砂土及巖層共同分布的地層掘進(jìn)，刀具由滾刀和硬質(zhì)合金切削刀共同組成；硬巖刀盤(pán)：在純巖層掘進(jìn)，刀具由滾刀和耐磨刮板組成。軟土刀盤(pán)及復(fù)合刀盤(pán)都安裝硬質(zhì)合金刮刀，在掘進(jìn)過(guò)程起的作用分別體現(xiàn)為：對(duì)于軟土刀盤(pán)：起著刮削和擾動(dòng)土體，使之進(jìn)入土倉(cāng)的作用；對(duì)于復(fù)合刀盤(pán)：掘進(jìn)過(guò)程中，滾刀將完整的掌子面進(jìn)行滾壓破碎，硬質(zhì)合金刮刀負(fù)責(zé)將已產(chǎn)生裂紋的，尚未完全剝落的巖石從掌子面刮削下來(lái)，并使之進(jìn)入土倉(cāng)。硬質(zhì)合金刮刀失效的形式主要有硬質(zhì)合金崩裂、硬質(zhì)合金脫落（見(jiàn)圖1）、硬質(zhì)合金磨損到極限等。通過(guò)大量工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，真正磨損到極限的刀具占所有失效刀具的比例大致為50%左右。硬質(zhì)合金崩裂占硬質(zhì)合金刮刀失效比例的35%左右，硬質(zhì)合金脫落占所有刮刀損壞比例的15%左右。由此可見(jiàn)：硬質(zhì)合金崩裂所占的比例之大，這部分硬質(zhì)合金都白白地浪費(fèi)掉了，沒(méi)有發(fā)揮正常的作用。更為嚴(yán)重的是這部分刀具失去了刮削作用，會(huì)造成盾構(gòu)機(jī)扭矩增大，掘進(jìn)速度開(kāi)始下降等一系列問(wèn)題，因此提高硬質(zhì)合金的韌性和抗崩性能是很有必要的。圖1硬質(zhì)合金崩裂2常用硬質(zhì)合金及性能盾構(gòu)機(jī)切削刀在工作中，受到巖土的磨損和巖石的不斷沖擊，對(duì)盾構(gòu)刀用硬質(zhì)合金的要求為：（1）較高的耐磨性。盾構(gòu)刮刀在切削巖土過(guò)程中要受到來(lái)自巖土的強(qiáng)力磨損，石英含量越高，磨損越厲害，現(xiàn)從硬質(zhì)合金磨損機(jī)理來(lái)研究提高硬質(zhì)合金耐磨性的渠道。表1硬質(zhì)合金磨損機(jī)理序號(hào)磨損類(lèi)型磨損機(jī)理1粘著磨損材料的相互作用是主要因素。粘著磨損的過(guò)程實(shí)際上是摩擦副雙方間原子鍵的形成（顯微熔接）和分離過(guò)程。2磨料磨損硬顆?；蛴餐黄鹨鹉Σ帘砻嫫茐?，分離出屑或形成擦傷的過(guò)程。3疲勞磨損摩擦副材料微體積受循環(huán)接觸應(yīng)力，產(chǎn)生重復(fù)變形，導(dǎo)致裂紋和分離出微片或顆粒的過(guò)程。粘著磨損：兩接觸表面局部的粘著使材料由一表面轉(zhuǎn)移到另一表面所引起的磨損。圖2粘著磨損磨料磨損：硬顆?；蛴餐蛊鹋c材料產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，引起的材料損傷。當(dāng)磨粒的形狀與運(yùn)動(dòng)方向合適，有利于切削時(shí)，磨粒在切向力的作用下，在料表面刮起一層薄片，形成一次切削，脫離材料表面。這種切削溝的寬度和深很小，切屑也非常小。圖4磨料磨損疲勞磨損：表面微觀部分受循環(huán)變應(yīng)力產(chǎn)生重復(fù)變形導(dǎo)致裂紋形成，最終使表面產(chǎn)生破損，包括熱疲勞磨損等。圖5疲勞磨損從硬質(zhì)合金施工工況及最終硬質(zhì)合金磨損狀況可以得知硬質(zhì)合金磨損形式主要為粘著磨損及磨料磨損。（2）良好的沖擊韌性。當(dāng)遇到巖土中夾雜有大量大粒徑卵石、大型漂石，裂隙發(fā)育巖層及軟硬不均地層時(shí)，刀具會(huì)遭受巨大的沖擊，要求硬質(zhì)合金能承受一定的沖擊，避免刀具因硬質(zhì)合金碎裂而發(fā)生失效。目前盾構(gòu)刀常用的硬質(zhì)合金牌號(hào)主要是YG11C及YG13C，這主要得益于含鈷量適中，兼顧耐磨性及抗沖擊性[1-4]，其硬質(zhì)合金參數(shù)性能見(jiàn)表2。表2常用硬質(zhì)合金參數(shù)表牌號(hào)密度g/cm3硬度（HRA）抗彎強(qiáng)度N/mm2YG11C14.3～14.5≥87.52650YG13C14.1～14.3≥862800由表格可以看出，YG11C牌號(hào)的硬質(zhì)合金耐磨性較好，而YG13C牌號(hào)的硬質(zhì)合金，其抗沖擊韌性較好，我們一般在較軟地層（巖石單軸抗壓強(qiáng)度低于50兆帕以下）采用YG11C牌號(hào)硬質(zhì)合金，在較硬地層（巖石單軸抗壓強(qiáng)度低于50兆帕以下）或者強(qiáng)沖擊地層，采用YG13C牌號(hào)硬質(zhì)合金。3超粗晶硬質(zhì)合金性能及應(yīng)用機(jī)理裂隙發(fā)育，軟硬不均以及含孤石漂石地層對(duì)盾構(gòu)刮刀有著巨大破壞作用。它使得刀具的刃口部位瞬間受到極大的剪切應(yīng)力和沖擊荷載，導(dǎo)致合金崩裂和斷裂，同時(shí)刀具在與巖石不斷地摩擦的過(guò)程中，不可避免的產(chǎn)生熱量，硬質(zhì)合金處于不斷地升降溫循環(huán)中，合金表面出現(xiàn)熱疲勞裂紋，隨著裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致硬質(zhì)合金出現(xiàn)裂紋，刀具損壞。盾構(gòu)刀具切刀失效的主要機(jī)理為沖擊、沖擊疲勞以及熱疲勞裂紋。因此，對(duì)盾構(gòu)刀切削刀具用硬質(zhì)合金提出的要求就是：高沖擊韌性，高導(dǎo)熱性，低熱膨脹系數(shù)，以保證最小的熱裂紋長(zhǎng)大速率，良好的抗疲勞沖擊特性。高鈷含量硬質(zhì)合金具有更好的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性，但是鈷具有較低的熱導(dǎo)率和高熱膨脹系數(shù)，在不斷進(jìn)行的的溫變循環(huán)中，極易產(chǎn)生熱疲勞裂紋，不利于硬質(zhì)合金抗裂性能的提高，因而作為高沖擊硬質(zhì)合金，鈷含量應(yīng)保持在一個(gè)適當(dāng)水平。研究發(fā)現(xiàn)：通過(guò)對(duì)WC的晶粒尺寸進(jìn)行控制，采用提高硬質(zhì)合金晶粒度的辦法可以達(dá)到改善硬質(zhì)合金的抗沖擊性能[5]，同時(shí)可適當(dāng)降低鈷含量，以達(dá)到提高硬質(zhì)合金導(dǎo)熱性，降低熱膨脹系數(shù)的目的。粗晶硬質(zhì)合金可相對(duì)提高鈷層厚度，提高鄰接度，因此硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度與斷裂韌性將會(huì)有明顯提高。另外，粗晶合金的紅硬性比細(xì)晶合金高得多，受溫度影響硬度下降更少，因而耐磨性也更好。株洲鉆石鉆掘工具有限公司針對(duì)盾構(gòu)刀具的工況特點(diǎn)及盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展的需求，聯(lián)合硬質(zhì)合金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了ZJ01C牌號(hào)的超粗晶硬質(zhì)合金?？紤]合金耐磨性和韌性的平衡，在WC晶粒大幅增大的情況下，適當(dāng)降低合金鈷含量，我們研制的硬質(zhì)合金材質(zhì)設(shè)計(jì)為鈷含量為10%，晶粒度8.0μm；針對(duì)夾雜有大量堅(jiān)硬巖層的合金材質(zhì)設(shè)計(jì)為鈷含量11.5%，晶粒度8.0μm，這種合金具有良好的耐磨性、優(yōu)良的導(dǎo)熱性和低的熱膨脹系數(shù)，良好的抵御疲勞沖擊性能，性能明顯優(yōu)于其他常規(guī)結(jié)構(gòu)盾構(gòu)刀用硬質(zhì)合金。硬質(zhì)合金參數(shù)見(jiàn)下表3。表3硬質(zhì)合金參數(shù)表牌號(hào)硬度HRA矯頑磁力kA/m鈷磁%抗彎強(qiáng)度WC晶粒度ZJ01C85.0～86.53.4～5.08.8～9.7≥2850MPa≥8.0μm由上表可以看出該型超粗晶硬質(zhì)合金在硬度方面與YG13C幾乎無(wú)區(qū)別，但抗彎強(qiáng)度明顯優(yōu)于YG13C，這決定了它抗沖擊韌性?xún)?yōu)于YG13C。超粗晶硬質(zhì)合金導(dǎo)熱性見(jiàn)下表4。表4ZJ01C與YG13C導(dǎo)熱性比較項(xiàng)目導(dǎo)熱系數(shù)W/m*K熱擴(kuò)散系數(shù)mm2/S比容MJ/m3*KZJ01C14143.143.268YG13C109.830.693.578ZJ01C牌號(hào)導(dǎo)熱性比YG13C牌號(hào)高28.4%，這意味著刀具在工作過(guò)程中能迅速將于巖石摩擦產(chǎn)生的熱量帶走，減緩因反復(fù)變溫循環(huán)產(chǎn)生熱疲勞裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展最終碎裂致使刀具早期失效的狀況。彈性模量與YG13C比較見(jiàn)下表5。表5ZJ01C與YG13C彈性模量比較項(xiàng)目彈性模量/GPaZJ01C632YG13C582雖然ZJ01C含鈷量低于YG13C，但彈性模量較YG13C牌號(hào)高8.6%，這得益于超粗WC晶粒帶來(lái)的WC晶粒鄰接度的提高，意味著ZJ01C牌號(hào)抵御巖層沖擊產(chǎn)生變形破壞的能力更強(qiáng)，這樣我們刀具抗沖擊性能自然提高，有益于提高盾構(gòu)硬質(zhì)合金刀的使用壽命。與YG13C耐磨性比較見(jiàn)表6。表6KC60與YG13C耐磨性比較牌號(hào)磨前重量（g）磨后重量（g）損失重量（g）ZJ01C58.236157.29280.9443YG13C58.589057.42561.1634ZJ01C耐磨性的提高，得益于它的含鈷量的降低。YG13C含鈷量為13%，而ZJ01C含鈷量10%-11%，鈷是一種粘結(jié)相，它的減少會(huì)提升耐磨相WC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，這樣使得硬質(zhì)合金的耐磨相自然會(huì)上升。4工程運(yùn)用案例我們用ZJ01C及YG13C兩種牌號(hào)硬質(zhì)合金各做了一盤(pán)刮刀，在蘇州地鐵二號(hào)線某項(xiàng)目上應(yīng)用，該項(xiàng)目采用兩臺(tái)同樣的盾構(gòu)機(jī)，同時(shí)，同向掘進(jìn)，以檢驗(yàn)ZJ01C牌號(hào)與YG13C牌號(hào)兩種硬質(zhì)合金性能的優(yōu)劣。圖6a正面切刀圖6b撕裂刀圖6c中心刀圖6d先行刀圖6刀具配置圖該項(xiàng)目地質(zhì)情況以粘土，粉質(zhì)粘土及淤泥質(zhì)土為主，屬典型軟土地質(zhì)[6]，盾構(gòu)歷時(shí)157天，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)1430米，順利貫通，貫通后對(duì)刀盤(pán)刀具進(jìn)行檢查，情況如下：（1）左線刀具采用ZJ01C牌號(hào)硬質(zhì)合金，刀具磨損量好，未出現(xiàn)硬質(zhì)合金崩裂的情況，刀具情況見(jiàn)圖3。圖7左線刀具使用后的情況由上圖可以看出：左線采用超粗晶硬質(zhì)合金的軟土刀具未出現(xiàn)任何硬質(zhì)合金崩裂現(xiàn)象，且刀具磨損較小。（2）右線刀具采用YG13C牌號(hào)硬質(zhì)合金，刀具使用情況見(jiàn)表4。圖8右線刀具使用后的情況由圖片可以看出右線采用YG13C牌號(hào)硬質(zhì)合金的軟土刀具，出現(xiàn)了少數(shù)硬質(zhì)合金崩裂現(xiàn)象，且刀具磨損較大。蘇州地質(zhì)為軟土為主，地層松散，圍巖穩(wěn)定性差，項(xiàng)目部曾多次對(duì)地層進(jìn)行過(guò)加固處理，加上后期盾構(gòu)出洞時(shí)，洞門(mén)破除不完全，人為造成掘進(jìn)過(guò)程出現(xiàn)的軟硬不均狀況，造成刀具遭受到較大沖擊，而出現(xiàn)崩裂現(xiàn)象。而左線采用粗晶硬質(zhì)合金利用其本身的特性很好地避免了硬質(zhì)合金崩裂現(xiàn)象。5超粗晶硬質(zhì)合金在復(fù)合刀圈上的運(yùn)用由于硬質(zhì)合金本身的物理特性，注定了其在高沖擊，高強(qiáng)度地層易發(fā)生崩裂的特性，不能作為高強(qiáng)度巖層盾構(gòu)破巖的主要工具。超粗晶硬質(zhì)合金以其良好的抗沖擊性能和抗熱裂性，以及高耐磨性決定了他相較于普通硬質(zhì)合金具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，復(fù)合在刀圈上能有效擴(kuò)大刀圈的使用范圍，提高它們?cè)趶?fù)雜情況下的適應(yīng)能力，在強(qiáng)磨損，裂隙發(fā)育，軟硬不均以及含孤石漂石的地層將發(fā)