盾构H13E刀圈的热处理工艺研究

唐欢，杜水明

（株洲钻石钻掘工具有限公司，湖南 株洲 412000）

1 前言

H13E钢因其具有良好的热强性、红硬性、较高的韧性和抗热疲劳性能，因而非常适用于制造盾构滚刀刀圈。文献[1]对滚刀的失效形式及H13钢刀圈胚做了简要分析，文献 [2-3]对刀圈用5Cr5MoSiV1钢的热处理特性及热处理工艺进行了研究，文献[4]介绍了国内外刀圈4Cr5 MoSiV1、40CrNiMo、5Cr5MoSiV、50CrMoV、6Cr4Mo2W2V、9Cr2Mo等材料的化学成分及热处理工艺。

由于H13钢刀圈在盾构掘进中存在不耐磨、开裂、崩裂等问题，本文通过对H13钢的缺点进行剖析，并对改善成分后的H13E钢的性能进行分析和研究，在此基础上提出一套全面提升H13E材质刀圈性能的热处理工艺。

2 H13E钢的锻造及预备热处理

金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同，每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺，可获得不同的组织，从而具有不同的性能。

2.1 锻造

H13E钢是在国产4Cr5MoSiV1基础上改进的一种全新特钢。H13E钢采用了较先进的生产工艺技术，钢质纯净，组织均匀，偏析轻微，等向性好，具有更高的韧性及热疲劳性能。实验表明，H13E钢改锻后刀圈寿命与改锻前基本相当，因此改锻意义不大[5]。但对H13E钢必须进行改锻，以击碎大块非金属夹杂物，消除碳化物偏析，从而获得均匀的微观组织和良好的力学性能，达到提高刀圈寿命的目的。

H13E钢含碳量明显比4Cr5MoSiV1高，而且合金元素含量高，导热性差，共晶温度又较低，易引起过烧。因此，加热时要控制好炉温，且加热要缓慢均匀。对于直径≥φ200 mm的坯料，应先在800～900℃区间预热，然后再加热至始锻温度1060～1180℃，使得材料充分奥氏体化。预热加热速度为1.2～1.5 mm/min，高温加热速度为0.8～1 mm/min。为保证加热均匀，坯料在炉膛内要翻转180°不少于3次。锻造时，采用“二轻一重”锻造法，进行多次拔长镦粗[6]，总锻造比≥3，各工序镦粗比≥2。

2.2 预备热处理

H13E钢常规预备热处理工艺为锻后球化退火，目的是均匀组织、降低硬度，改善切削性能。由于合金元素的影响，H13E钢本质上为过共析钢，一般采用等温球化退火。H13E钢等温球化退火工艺为：加热至845～900℃保温1 h+l mim/mm，炉冷至720～740℃等温2 h+l min/mm，随炉冷至500℃以下出炉空冷，组织为粒状珠光体[7]（见图 la），硬度≤250HBS。

H13E钢通过扩散退火及球化退火，能消除一次碳化物，改善偏析，使二次碳化物呈球状均匀分布在铁素体基体上，这种微观组织能显著提高钢的横向冲击韧性。试验表明，H13E钢经高温均匀化处理，横向冲击功超过95 J，淬火回火态冲击功超过23 J，其冲击功较未扩散退火处理的材料提高1倍以上，达到或接近4Cr5MoSiV1钢的水平[8]（其冲击功分别为78 J和23 J）。文献[9]介绍，H13E钢通过1060℃×100min油冷+920℃×6 h炉冷+760℃×8 h炉冷的扩散退火加球化退火的预备热处理，然后经常规淬火+回火处理，模具具有较高的硬度及冲击韧性和最佳的使用寿命。虽然该工艺时间和经济成本稍有增加，但结合使用寿命对成本的重要影响考虑，该项工艺成本还是最低的。

H13E钢也可采用调质 （1160℃淬火+720℃回火）代替球化退火[10]。研究表明，随着奥氏体化温度升高，H13E钢硬度及断裂韧性升高，但冲击韧性下降。若采用调质作为预备热处理，可在几乎不降低冲击韧性的条件下得到最大的断裂韧性，有利于提高H13E刀圈的抗疲劳性能，硬度值也有所提高。

3 H13E钢的热处理工艺

盾构刀圈的制造工艺一般为：下料——锻造——球化退火——机械加工——热处理——精加工。本文主要针对刀圈的整体热处理工艺，包括：退火、正火、淬火和回火四种基本工艺进行介绍。

3.1 淬火

H13E钢淬火工艺一般要进行两次预热[7]：第一次为 650℃×(30 min+l min/mm)，第二次为850℃×(10 min+0.5 min/mm)，达到预热温度后，再升温至奥氏体化温度，避免造成过大的热应力，防止变形开裂，并能有效地促进奥氏体均匀化。

H13E钢较合适的淬火温度[7]为1060℃×(20～25 s/mm)。淬火后组织为淬火马氏体 （见图ld）。对于盾构刀圈，要求红硬性高，可采用上限温度淬火。对于盾构刀圈，要求良好的强韧性及耐磨性，可采用下限温度淬火。H13E钢淬火加热后要在高温时立即淬火，不宜停留时间太长，否则过冷奥氏体在珠光体转变区缓冷时会从中直接析出碳化物，使冲击韧性下降[10]。

3.2 回火

H13E钢淬火后冷至100℃左右应立即回火并回火二次以上。425～500℃为回火脆性区，为避免该温度区间，一次回火温度一般为520～540C。一次回火后的组织为回火马氏体 （见图lb）。二次回火温度选择一般取决于刀圈的工作条件及硬度要求。对于不同岩层选择不同硬度的刀圈，二次回火温度根据不同的地质刀圈硬度要求而不同。二次回火后的组织为回火马氏体+少量索氏体（见图lc）。硬度是确定回火温度的重要依据，具体关系见表1所示。

图1 H13E不同热处理工艺后微观组织

表1 H13E刀圈回火温度与硬度的关系[9]

一般刀圈的硬度要求为56～58 HRC，硬度越高，热疲劳性能越好，但韧性变差，一般取硬度≤58HRC，最佳为55HRC。对于热疲劳性能要求高的可取上限58 HRC；对于韧性要求高的可取下限55HRC。大尺寸刀圈淬火后难以得到高硬度，同时为保证韧性，硬度一般取下限。

采用H13E钢制作的刀圈，由于其成分偏析，经常规处理后会出现回火不足及残余奥氏体带状组织，导致热疲劳性能下降，使刀圈出现早期破坏。适当提高回火温度(600℃)可消除带状组织。因此采用常规处理工艺时，设计硬度指标可提高2～3 HRC，以便降低回火温度。改锻后经过扩散退火及球化退火预备热处理，能够改善带状组织，提高性能。

3.3 退火

H13E钢淬透性良好，在硬度为60～62 HRC时，冲击韧性极低，脆性极高。鉴于国内盾构施工刀圈异常失效形式多为开裂和崩刃，对H13E钢制刀圈进行硬度梯度化处理，能有效改善刀圈的使用性能。

（1）退火刀圈内圈退火工艺

H13E内圈采用局部加热的办法，使得内圈表面温度达到840-860℃，迅速放进回火炉回火4h，回火温度520±10℃。实测后刀圈内表面硬度45-50HRC，能达到较为理想的状态。

（2）退火刀圈的性能

钢制刀圈硬度一般控制在55-58 HRC，刀圈硬度高，则其抗冲击能力下降、耐磨性略有提升。因此在硬质岩或软硬极不均匀的岩层采用下限硬度刀圈，提高刀圈的抗崩刃能力；在强风化等软质岩层采用上限硬度刀圈，体现其耐磨性。

梯度化刀圈能确保刀圈刃部具有极高的硬度60-62HRC（见图2），这种硬度能有效对抗外部极其恶劣的工作环境（即石英砂含量极高的地层）。同时内圈部位的硬度为45-50HRC，这样的硬度能保证极好的抗冲击性能，有效吸收外界冲击力，防止刀圈整体开裂和崩刃。中部硬度为53-58 HRC，自由过渡，呈梯度变化，这样当遇到石英砂含量较高时，需要刀圈既具备良好耐磨性同时地层含有孤石漂石需要刀圈具备优良抗冲击韧性的时候，这种刀圈的优势就凸显出来。同时在盾构大推力大贯入度情况下也不容易出现刀圈开裂的现象。

图2 梯度刀圈示意图

4 工程应用

案例一：在中铁三局南京地铁项目中，线路呈S形曲线，最大坡度为30‰，最小坡度为3‰。区间最大埋深约22.8米，最小埋深约8.4米。采用两台直径为φ6420德国产海瑞克复合式土压平衡盾构机施工，刀具配置见表1。地质情况为全断面砂岩，夹杂少量砂卵石，岩石单轴抗压强度为30-50 MPa，石英含量高达85%，普通刀圈硬度56-57 HRC，掘进距离为60-80环。而采用特制梯度刀圈 （刃口硬度60-62 HRC）实现掘进距离220环的成绩，未出现崩刃和开裂的现象。

普通刀圈在遇到砂卵石地层的强力磨损和冲击后，出现了刀圈不耐磨，刀圈崩刃及刀圈开裂三种问题（见图3）。且这三种问题导致的滚刀失效比例超过60%，梯度化热处理刀圈的使用效果良好，很大程度上提高了滚刀使用寿命（见图4）。

案例二：在莞穗城际中铁十八局项目中，采用德国海瑞克直径8.83 m土压平衡盾构，区间隧道最大线路纵坡为30‰，隧道顶部最小埋深8.6 m，最大埋深40 m，地层软硬不均非常严重，多处出现掘进掌子面上部为全风化花岗岩，下部为中微风化花岗岩的情况，岩石最大抗压强度140 MPa，隧道上方有民屋、河道、繁华市区高层建筑物等，存在着巨大的安全风险。施工中采用新型梯度刀圈有效解决了刀圈崩块和开裂现象，保证了工程安全，刀具布置见表2。

由图5、图6可以看出：通过梯度化热处理，刀圈崩刃及刀圈开裂现象较标准刀圈明显改善。

表1 刀具配置表

图3 标准刀圈使用后效果

图4 梯度刀圈使用后效果

表2 刀具配置表

图5 标准刀圈使用后效果

图6 梯度刀圈使用后效果

5 结语

随着科学技术的发展，超大直径、超长距离隧道盾构掘进施工越来越多，刀具的正常使用是顺利、安全施工的保证。由于盾构机复杂的工作环境，采用梯度刀圈可有效解决刀具过早失效问题，但仍应继续针对热处理设备、工装进行改进，对工艺方法进行改进，寻求一条更为简洁、稳定的途径，实现刀圈硬度梯度化分布的特性。在我国热处理及材料落后于西方的现实情况下，实现另辟蹊径，异曲同工。

参考文献：

[1]张占普，杜文华等.盾构滚刀的实效分析及H13E刀圈坯新材料[J].河北冶金，2011(10)：16-18.

[2]陈磊.TBM滚刀刀圈用5Cr5MoSiVl钢的热处理特性研究[D].南昌：南昌大学，2012.

[3]白小波.具有硬度梯度的刀圈材料的热处理工艺研究[D].南昌：南昌大学，2012.

[4]程巨强，盾构滚刀材料及其热处理工艺[J].建筑机械，2015(2)：96-99.

[5]于广洋.H13钢模坯取消改锻工艺试验[J].轻合金加工技术，1998，26(3)：30-34.

[6]黄春峰.新型热作模具钢H13的热加工工艺研究[J].缎压技术，1995(2)：8-13.

[7]朱宗元.我国热作模具钢性能数据集（续Ⅺ）[J].机械工程材料，2001，25(12)：36-40.

[8]唐文军，吴晓春，闵永安，等，高温均匀化对H13钢强韧性的影响[J].上海金属，2002，24(2)：14-17.

[9]李茅坪.H13钢的热处理改进[J].金属热处理，2003(3)：56-59.

[10]黄春峰.国外新型热作模具钢及其热处理[J].模具技术，2000(3)：89-93.