《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：随着国内盾构施工技术的发展，盾构越来越广泛应用于各地铁、市政和地下管网等工程建设，硬质合金作为盾构软土刀具的关键原材料，其性能和寿命决定着盾构硬质合金刀具的寿命，也决定着整个工程的掘进效率和经济效益。通过理论研究及工程实践证明：一方面，硬质合金耐磨性与刀具的寿命呈正相关关系；另一方面，高脆性刀具在高冲击、高强度的地质条件下更易断裂。从导热性、弹性模量、耐磨性等方面，对常用硬质合金YG13C与超粗晶硬质合金ZJ01C的性能进行对比分析，通过工程实践证明采用超粗晶硬质合金制造的盾构刀具表现出了更好的抗冲击性能及耐磨性。关键词：盾构；超粗晶；硬质合金；抗崩性1引言盾构施工具有机械化程度高、施工速度高、安全性高等优点，被广泛应用于地铁、隧道、水电等重大工程[1]。盾构机是衡量一个国家装备制造业水平和能力高低最具代表性的重大关键装备之一[2]，而盾构刀盘及刀具是隧道掘进机掘进的关键配套工具，其性能和寿命制约着整个工程的掘进效率。盾构刀盘按照其结构形式和刀具设置通常有三种形式[3]：软土刀盘：在软土和砂层掘进，全部刀具都为硬质合金切削刀；复合刀盘：在砂土及岩层共同分布的地层掘进，刀具由滚刀和硬质合金切削刀共同组成；硬岩刀盘：在纯岩层掘进，刀具由滚刀和耐磨刮板组成。软土刀盘及复合刀盘都安装硬质合金刮刀，在掘进过程起的作用分别体现为：对于软土刀盘：起着刮削和扰动土体，使之进入土仓的作用；对于复合刀盘：掘进过程中，滚刀将完整的掌子面进行滚压破碎，硬质合金刮刀负责将已产生裂纹的，尚未完全剥落的岩石从掌子面刮削下来，并使之进入土仓。硬质合金刮刀失效的形式主要有硬质合金崩裂、硬质合金脱落（见图1）、硬质合金磨损到极限等。通过大量工程实践发现，真正磨损到极限的刀具占所有失效刀具的比例大致为50%左右。硬质合金崩裂占硬质合金刮刀失效比例的35%左右，硬质合金脱落占所有刮刀损坏比例的15%左右。由此可见：硬质合金崩裂所占的比例之大，这部分硬质合金都白白地浪费掉了，没有发挥正常的作用。更为严重的是这部分刀具失去了刮削作用，会造成盾构机扭矩增大，掘进速度开始下降等一系列问题，因此提高硬质合金的韧性和抗崩性能是很有必要的。图1硬质合金崩裂2常用硬质合金及性能盾构机切削刀在工作中，受到岩土的磨损和岩石的不断冲击，对盾构刀用硬质合金的要求为：（1）较高的耐磨性。盾构刮刀在切削岩土过程中要受到来自岩土的强力磨损，石英含量越高，磨损越厉害，现从硬质合金磨损机理来研究提高硬质合金耐磨性的渠道。表1硬质合金磨损机理序号磨损类型磨损机理1粘着磨损材料的相互作用是主要因素。粘着磨损的过程实际上是摩擦副双方间原子键的形成（显微熔接）和分离过程。2磨料磨损硬颗粒或硬突起引起摩擦表面破坏，分离出屑或形成擦伤的过程。3疲劳磨损摩擦副材料微体积受循环接触应力，产生重复变形，导致裂纹和分离出微片或颗粒的过程。粘着磨损：两接触表面局部的粘着使材料由一表面转移到另一表面所引起的磨损。图2粘着磨损磨料磨损：硬颗粒或硬凸起与材料产生相对运动，引起的材料损伤。当磨粒的形状与运动方向合适，有利于切削时，磨粒在切向力的作用下，在料表面刮起一层薄片，形成一次切削，脱离材料表面。这种切削沟的宽度和深很小，切屑也非常小。图4磨料磨损疲劳磨损：表面微观部分受循环变应力产生重复变形导致裂纹形成，最终使表面产生破损，包括热疲劳磨损等。图5疲劳磨损从硬质合金施工工况及最终硬质合金磨损状况可以得知硬质合金磨损形式主要为粘着磨损及磨料磨损。（2）良好的冲击韧性。当遇到岩土中夹杂有大量大粒径卵石、大型漂石，裂隙发育岩层及软硬不均地层时，刀具会遭受巨大的冲击，要求硬质合金能承受一定的冲击，避免刀具因硬质合金碎裂而发生失效。目前盾构刀常用的硬质合金牌号主要是YG11C及YG13C，这主要得益于含钴量适中，兼顾耐磨性及抗冲击性[1-4]，其硬质合金参数性能见表2。表2常用硬质合金参数表牌号密度g/cm3硬度（HRA）抗弯强度N/mm2YG11C14.3～14.5≥87.52650YG13C14.1～14.3≥862800由表格可以看出，YG11C牌号的硬质合金耐磨性较好，而YG13C牌号的硬质合金，其抗冲击韧性较好，我们一般在较软地层（岩石单轴抗压强度低于50兆帕以下）采用YG11C牌号硬质合金，在较硬地层（岩石单轴抗压强度低于50兆帕以下）或者强冲击地层，采用YG13C牌号硬质合金。3超粗晶硬质合金性能及应用机理裂隙发育，软硬不均以及含孤石漂石地层对盾构刮刀有着巨大破坏作用。它使得刀具的刃口部位瞬间受到极大的剪切应力和冲击荷载，导致合金崩裂和断裂，同时刀具在与岩石不断地摩擦的过程中，不可避免的产生热量，硬质合金处于不断地升降温循环中，合金表面出现热疲劳裂纹，随着裂纹不断扩展，最终导致硬质合金出现裂纹，刀具损坏。盾构刀具切刀失效的主要机理为冲击、冲击疲劳以及热疲劳裂纹。因此，对盾构刀切削刀具用硬质合金提出的要求就是：高冲击韧性，高导热性，低热膨胀系数，以保证最小的热裂纹长大速率，良好的抗疲劳冲击特性。高钴含量硬质合金具有更好的抗弯强度和断裂韧性，但是钴具有较低的热导率和高热膨胀系数，在不断进行的的温变循环中，极易产生热疲劳裂纹，不利于硬质合金抗裂性能的提高，因而作为高冲击硬质合金，钴含量应保持在一个适当水平。研究发现：通过对WC的晶粒尺寸进行控制，采用提高硬质合金晶粒度的办法可以达到改善硬质合金的抗冲击性能[5]，同时可适当降低钴含量，以达到提高硬质合金导热性，降低热膨胀系数的目的。粗晶硬质合金可相对提高钴层厚度，提高邻接度，因此硬质合金的抗弯强度与断裂韧性将会有明显提高。另外，粗晶合金的红硬性比细晶合金高得多，受温度影响硬度下降更少，因而耐磨性也更好。株洲钻石钻掘工具有限公司针对盾构刀具的工况特点及盾构掘进技术发展的需求，联合硬质合金国家重点实验室设计开发了ZJ01C牌号的超粗晶硬质合金。考虑合金耐磨性和韧性的平衡，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ZJ01C85.0～86.53.4～5.08.8～9.7≥2850MPa≥8.0μm由上表可以看出该型超粗晶硬质合金在硬度方面与YG13C几乎无区别，但抗弯强度明显优于YG13C，这决定了它抗冲击韧性优于YG13C。超粗晶硬质合金导热性见下表4。表4ZJ01C与YG13C导热性比较项目导热系数W/m*K热扩散系数mm2/S比容MJ/m3*KZJ01C14143.143.268YG13C109.830.693.578ZJ01C牌号导热性比YG13C牌号高28.4%，这意味着刀具在工作过程中能迅速将于岩石摩擦产生的热量带走，减缓因反复变温循环产生热疲劳裂纹，裂纹不断扩展最终碎裂致使刀具早期失效的状况。弹性模量与YG13C比较见下表5。表5ZJ01C与YG13C弹性模量比较项目弹性模量/GPaZJ01C632YG13C582虽然ZJ01C含钴量低于YG13C，但弹性模量较YG13C牌号高8.6%，这得益于超粗WC晶粒带来的WC晶粒邻接度的提高，意味着ZJ01C牌号抵御岩层冲击产生变形破坏的能力更强，这样我们刀具抗冲击性能自然提高，有益于提高盾构硬质合金刀的使用寿命。与YG13C耐磨性比较见表6。表6KC60与YG13C耐磨性比较牌号磨前重量（g）磨后重量（g）损失重量（g）ZJ01C58.236157.29280.9443YG13C58.589057.42561.1634ZJ01C耐磨性的提高，得益于它的含钴量的降低。YG13C含钴量为13%，而ZJ01C含钴量10%-11%，钴是一种粘结相，它的减少会提升耐磨相WC的质量分数，这样使得硬质合金的耐磨相自然会上升。4工程运用案例我们用ZJ01C及YG13C两种牌号硬质合金各做了一盘刮刀，在苏州地铁二号线某项目上应用，该项目采用两台同样的盾构机，同时，同向掘进，以检验ZJ01C牌号与YG13C牌号两种硬质合金性能的优劣。图6a正面切刀图6b撕裂刀图6c中心刀图6d先行刀图6刀具配置图该项目地质情况以粘土，粉质粘土及淤泥质土为主，属典型软土地质[6]，盾构历时157天，实现掘进1430米，顺利贯通，贯通后对刀盘刀具进行检查，情况如下：（1）左线刀具采用ZJ01C牌号硬质合金，刀具磨损量好，未出现硬质合金崩裂的情况，刀具情况见图3。图7左线刀具使用后的情况由上图可以看出：左线采用超粗晶硬质合金的软土刀具未出现任何硬质合金崩裂现象，且刀具磨损较小。（2）右线刀具采用YG13C牌号硬质合金，刀具使用情况见表4。图8右线刀具使用后的情况由图片可以看出右线采用YG13C牌号硬质合金的软土刀具，出现了少数硬质合金崩裂现象，且刀具磨损较大。苏州地质为软土为主，地层松散，围岩稳定性差，项目部曾多次对地层进行过加固处理，加上后期盾构出洞时，洞门破除不完全，人为造成掘进过程出现的软硬不均状况，造成刀具遭受到较大冲击，而出现崩裂现象。而左线采用粗晶硬质合金利用其本身的特性很好地避免了硬质合金崩裂现象。5超粗晶硬质合金在复合刀圈上的运用由于硬质合金本身的物理特性，注定了其在高冲击，高强度地层易发生崩裂的特性，不能作为高强度岩层盾构破岩的主要工具。超粗晶硬质合金以其良好的抗冲击性能和抗热裂性，以及高耐磨性决定了他相较于普通硬质合金具有绝对的优势，复合在刀圈上能有效扩大刀圈的使用范围，提高它们在复杂情况下的适应能力，在强磨损，裂隙发育，软硬不均以及含孤石漂石的地层将发