超粗晶硬质合金在盾构刀具上的应用

超粗晶硬质合金在盾构刀具上的应用摘要：随着着国内盾构施施工技术的发发展，盾构越越来越广泛应应用于各地铁铁、市政和地地下管网等工工程建设，硬硬质合金作为为盾构软土刀刀具的关键原原材料，其性性能和寿命决决定着盾构硬硬质合金刀具具的寿命，也也决定着整个个工程的掘进进效率和经济济效益。通过过理论研究及及工程实践证证明：一方面面，硬质合金金耐磨性与刀刀具的寿命呈呈正相关关系系；另一方面面，高脆性刀刀具在高冲击击、高强度的的地质条件下下更易断裂。从从导热性、弹弹性模量、耐耐磨性等方面面，对常用硬硬质合金YG13C与超粗晶硬硬质合金ZJ01C的性能进行行对比分析，通通过工程实践践证明采用超超粗晶硬质合合金制造的盾盾构刀具表现现出了更好的的抗冲击性能能及耐磨性。关键词：盾构；；超粗晶；硬硬质合金；抗抗崩性1引言盾构施工具有机机械化程度高高、施工速度度高、安全性性高等优点，被被广泛应用于于地铁、隧道道、水电等重重大工程[11]。盾构机机是衡量一个个国家装备制制造业水平和和能力高低最最具代表性的的重大关键装装备之一[22]，而盾构构刀盘及刀具具是隧道掘进进机掘进的关关键配套工具具，其性能和和寿命制约着着整个工程的的掘进效率。盾构刀盘按照其其结构形式和和刀具设置通通常有三种形形式[3]：软土土刀盘：在软软土和砂层掘掘进，全部刀刀具都为硬质质合金切削刀刀；复合刀盘盘：在砂土及及岩层共同分分布的地层掘掘进，刀具由由滚刀和硬质质合金切削刀刀共同组成；；硬岩刀盘：：在纯岩层掘掘进，刀具由由滚刀和耐磨磨刮板组成。软土刀盘及复合合刀盘都安装装硬质合金刮刮刀，在掘进进过程起的作作用分别体现现为：对于软软土刀盘：起起着刮削和扰扰动土体，使使之进入土仓仓的作用；对对于复合刀盘盘：掘进过程程中，滚刀将将完整的掌子子面进行滚压压破碎，硬质质合金刮刀负负责将已产生生裂纹的，尚尚未完全剥落落的岩石从掌掌子面刮削下下来，并使之之进入土仓。硬质合金刮刀失失效的形式主主要有硬质合合金崩裂、硬硬质合金脱落落（见图1）、硬质合合金磨损到极极限等。通过大量工程实实践发现，真真正磨损到极极限的刀具占占所有失效刀刀具的比例大大致为50%左右。硬质质合金崩裂占占硬质合金刮刮刀失效比例例的35%左右，硬质质合金脱落占占所有刮刀损损坏比例的15%左右。由此可见：硬质质合金崩裂所所占的比例之之大，这部分分硬质合金都都白白地浪费费掉了，没有有发挥正常的的作用。更为为严重的是这这部分刀具失失去了刮削作作用，会造成成盾构机扭矩矩增大，掘进进速度开始下下降等一系列列问题，因此此提高硬质合合金的韧性和和抗崩性能是是很有必要的的。图1硬质合合金崩裂2常用硬质质合金及性能能盾构机切削刀在在工作中，受受到岩土的磨磨损和岩石的的不断冲击，对对盾构刀用硬硬质合金的要要求为：（1）较高的耐耐磨性。盾构构刮刀在切削削岩土过程中中要受到来自自岩土的强力力磨损，石英英含量越高，磨磨损越厉害，现现从硬质合金金磨损机理来来研究提高硬硬质合金耐磨磨性的渠道。表1硬质合合金磨损机理理序号磨损类型磨损机理1粘着磨损材料的相互作用用是主要因素素。粘着磨损损的过程实际际上是摩擦副副双方间原子子键的形成（显显微熔接）和和分离过程。2磨料磨损硬颗粒或硬突起起引起摩擦表表面破坏，分分离出屑或形形成擦伤的过过程。3疲劳磨损摩擦副材料微体体积受循环接接触应力，产产生重复变形形，导致裂纹纹和分离出微微片或颗粒的的过程。粘着磨损：两接触表面局部部的粘着使材材料由一表面面转移到另一一表面所引起起的磨损。图2粘着磨磨损磨料磨损：硬颗颗粒或硬凸起起与材料产生生相对运动，引引起的材料损损伤。当磨粒粒的形状与运运动方向合适适，有利于切切削时，磨粒粒在切向力的的作用下，在在料表面刮起起一层薄片，形形成一次切削削，脱离材料料表面。这种种切削沟的宽宽度和深很小小，切屑也非非常小。图4磨料磨磨损疲劳磨损：表面面微观部分受受循环变应力力产生重复变变形导致裂纹形形成，最终使使表面产生破破损，包括热热疲劳磨损等等。图5疲劳磨磨损从硬质质合金施工工工况及最终硬硬质合金磨损损状况可以得得知硬质合金金磨损形式主主要为粘着磨磨损及磨料磨磨损。（2）良好的冲冲击韧性。当当遇到岩土中中夹杂有大量量大粒径卵石石、大型漂石石，裂隙发育育岩层及软硬硬不均地层时时，刀具会遭遭受巨大的冲冲击，要求硬硬质合金能承承受一定的冲冲击，避免刀刀具因硬质合合金碎裂而发发生失效。目前盾构刀常用用的硬质合金金牌号主要是是YG11C及YG13C，这主要得得益于含钴量量适中，兼顾顾耐磨性及抗抗冲击性[11-4]，其其硬质合金参参数性能见表表2。表2常用用硬质合金参参数表牌号密度g/cm33硬度（HRA）抗弯强度N/mmm2YG11C14.3～144.5≥87.52650YG13C14.1～144.3≥862800由表格可以看出出，YG11C牌号的硬质质合金耐磨性性较好，而YG13C牌号的硬质质合金，其抗抗冲击韧性较较好，我们一一般在较软地地层（岩石单单轴抗压强度度低于50兆帕以下）采采用YG11C牌号硬质合合金，在较硬硬地层（岩石石单轴抗压强强度低于50兆帕以下）或或者强冲击地地层，采用YG13C牌号硬质合合金。3超粗晶硬硬质合金性能能及应用机理理裂隙发育，软软硬不均以及及含孤石漂石石地层对盾构构刮刀有着巨巨大破坏作用用。它使得刀刀具的刃口部部位瞬间受到到极大的剪切切应力和冲击击荷载，导致致合金崩裂和和断裂，同时时刀具在与岩岩石不断地摩摩擦的过程中中，不可避免免的产生热量量，硬质合金金处于不断地地升降温循环环中，合金表表面出现热疲疲劳裂纹，随随着裂纹不断断扩展，最终终导致硬质合合金出现裂纹纹，刀具损坏坏。盾构刀具切刀失失效的主要机机理为冲击、冲冲击疲劳以及及热疲劳裂纹纹。因此，对对盾构刀切削削刀具用硬质质合金提出的的要求就是：：高冲击韧性性，高导热性性，低热膨胀胀系数，以保保证最小的热热裂纹长大速速率，良好的的抗疲劳冲击击特性。高钴含量硬质合合金具有更好好的抗弯强度度和断裂韧性性，但是钴具具有较低的热热导率和高热热膨胀系数，在在不断进行的的的温变循环环中，极易产产生热疲劳裂裂纹，不利于于硬质合金抗抗裂性能的提提高，因而作作为高冲击硬硬质合金，钴钴含量应保持持在一个适当当水平。研究发现：通过过对WC的晶粒尺寸寸进行控制，采采用提高硬质质合金晶粒度度的办法可以以达到改善硬硬质合金的抗抗冲击性能[[5]，同时时可适当降低低钴含量，以以达到提高硬硬质合金导热热性，降低热热膨胀系数的的目的。粗晶硬质合金可可相对提高钴钴层厚度，提提高邻接度，因因此硬质合金金的抗弯强度度与断裂韧性性将会有明显显提高。另外外，粗晶合金金的红硬性比比细晶合金高高得多，受温温度影响硬度度下降更少，因因而耐磨性也也更好。株洲钻石钻掘工工具有限公司司针对盾构刀刀具的工况特特点及盾构掘掘进技术发展展的需求，联联合硬质合金金国家重点实实验室设计开开发了ZJ01C牌号的超粗粗晶硬质合金金。考虑合金金耐磨性和韧韧性的平衡，在WC晶粒大幅增大的情况下，适当降低合金钴含量，我们研制的硬质合金材质设计为钴含量为10%，晶粒度8.0μm；针对夹杂有大量坚硬岩层的合金材质设计为钴含量11.5%，晶粒度8.0μm，这种合金具有良好的耐磨性、优良的导热性和低的热膨胀系数，良好的抵御疲劳冲击性能，性能明显优于其他常规结构盾构刀用硬质合金。硬质合金参数见下表3。表3硬质合合金参数表牌号硬度HRA矫顽磁力kA//m钴磁%抗弯强度WC晶粒度ZJ01C85.0～866.53.4～5.008.8～9.77≥2850MPa≥8.0μm由上表可以看出出该型超粗晶晶硬质合金在在硬度方面与与YG13C几乎无区别别，但抗弯强强度明显优于于YG13C，这决定了了它抗冲击韧韧性优于YG13C。超粗晶硬硬质合金导热热性见下表4。表4ZJJ01C与YG13C导热性比较较项目导热系数W/m*K热扩散系数mm2/S比容MJ/m3*KKZJ01C14143.143.268YG13C109.830.693.578ZJ01C牌号号导热性比YG13C牌号高28.4%，这意味着着刀具在工作作过程中能迅迅速将于岩石石摩擦产生的的热量带走，减减缓因反复变变温循环产生生热疲劳裂纹纹，裂纹不断断扩展最终碎碎裂致使刀具具早期失效的的状况。弹性性模量与YG13C比较见下表5。表5ZJJ01C与YG13C弹性模量比比较项目弹性模量/GPPaZJ01C632YG13C582虽然ZJ01CC含钴量低于YG13C，但弹性模模量较YG13C牌号高8.6%，这得益于于超粗WC晶粒带来的WC晶粒邻接度度的提高，意意味着ZJ01C牌号抵御岩岩层冲击产生生变形破坏的的能力更强，这这样我们刀具具抗冲击性能能自然提高，有有益于提高盾盾构硬质合金金刀的使用寿寿命。与YG13C耐磨性比较较见表6。表6KCC60与YG13C耐磨性比较较牌号磨前重量（g）磨后重量（g）损失重量（g）ZJ01C58.2361157.292880.9443YG13C58.5890057.425661.1634ZJ01C耐磨磨性的提高，得得益于它的含含钴量的降低低。YG13C含钴量为13%，而ZJ01C含钴量10%-11%，钴是一一种粘结相，它它的减少会提提升耐磨相WC的质量分数数，这样使得得硬质合金的的耐磨相自然然会上升。4工程运用用案例我们用ZJ011C及YG13C两种牌号硬硬质合金各做做了一盘刮刀刀，在苏州地地铁二号线某某项目上应用用，该项目采采用两台同样样的盾构机，同同时，同向掘掘进，以检验验ZJ01C牌号与YG13C牌号两种硬硬质合金性能能的优劣。图6a正面面切刀图6b撕裂刀图6c中心心刀图6d先行刀图6刀具配配置图该项目地质情况况以粘土，粉粉质粘土及淤淤泥质土为主主，属典型软软土地质[66]，盾构历历时157天，实现掘掘进1430米，顺利贯贯通，贯通后后对刀盘刀具具进行检查，情情况如下：（1）左线刀具具采用ZJ01C牌号硬质合合金，刀具磨磨损量好，未未出现硬质合合金崩裂的情情况，刀具情情况见图3。图7左线刀刀具使用后的的情况由上图可以看出出：左线采用用超粗晶硬质质合金的软土土刀具未出现现任何硬质合合金崩裂现象象，且刀具磨磨损较小。（2）右线刀具具采用YG13C牌号硬质合合金，刀具使使用情况见表表4。图8右线刀刀具使用后的的情况由图片可以看出出右线采用YG13C牌号硬质合合金的软土刀刀具，出现了了少数硬质合合金崩裂现象象，且刀具磨磨损较大。苏州地质为软土土为主，地层层松散，围岩岩稳定性差，项项目部曾多次次对地层进行行过加固处理理，加上后期期盾构出洞时时，洞门破除除不完全，人人为造成掘进进过程出现的的软硬不均状状况，造成刀刀具遭受到较较大冲击，而而出现崩裂现现象。而左线线采用粗晶硬硬质合金利用用其本身的特特性很好地避避免了硬质合合金崩裂现象象。5超粗晶硬硬质合金在复复合刀圈上的的运用由于硬质合金本本身的物理特特性，注定了了其在高冲击击，高强度地地层易发生崩崩裂的特性，不不能作为高强强度岩层盾构构破岩的主要要工具。超粗晶晶硬质合金以以其良好的抗抗冲击性能和和抗热裂性，以以及高耐磨性性决定了他相相较于普通硬硬质合金具有有绝对的优势势，复合在刀刀圈上能有效效扩大刀圈的的使用范围，提提高它们在复复杂情况下的的适应能力，在在强磨损，裂裂隙发育，软软硬不均以及及含孤石漂石石的地层将发发挥着重要作作用。图9硬质合合金复合刀圈圈5结论盾构硬硬质合金刀具具因硬质合金金本身脆性问问题的局限，加加上同时受外外界温度的影影响，硬质合合金易出现微微裂纹的问题题，注定了硬硬质合金在高高冲击，高强强度地层掘进进易出现崩裂裂，开裂等问问题，通过对对硬质合金损损坏机理方面面的研究，摸摸索出一条通通过增大硬质质合金晶粒度度，适当降低低钴含量，来来提高硬质合合金的微观指指标（导热性性、弹性模量量、抗压强度度）来获得高高冲击性、高高耐磨性的双双优硬质合金金，使得国产产高性能硬质质合金盾构刀刀具再上一个个新台阶。参考文献唐欢，贺军苏苏州地铁四号号线盾构刀盘盘刀具设计及及改造研究.建筑机械化第36卷第二期,20115.2.115633-66