冷作钢7Cr5Mo2MnVSi在盾构机滚刀中的应用研究

苏 薇，刘伟峰

冷作钢7Cr5Mo2MnVSi在盾构机滚刀中的应用研究

苏 薇1，刘伟峰2

（1.河南机电职业学院，河南 郑州 451191；2.壹胜百模具有限公司，北京 102600）

文章介绍了德国和瑞典两种不同品牌钢在盾构机滚刀上的工程应用试验，结果表明，瑞典材料7Cr5Mo2MnVSi（冷作钢）表现出优良的耐磨性能，突破了盾构机刀圈用热作钢的工程惯例，是制造硬岩刀圈的理想材料之一。当然，冷作钢7Cr5Mo2MnVSi呈现出的优良的力学性能与其材料成分、加工工艺和热处理工艺是密切相关的，论文详细介绍了瑞典材料7Cr5Mo2MnVSi独特的热处理工艺和加工工艺，为我国制造刀圈提供了参考和借鉴。

盾构机滚刀；冷作钢；耐磨性；刀圈

前言

目前，我国城市轨道交通行业发展如火如荼，特别是近几年一直保持快速发展的势头。而作为一种在地铁、铁路、公路、市政、水电等各隧道工程中广泛使用的机器，盾构机有着举足轻重的作用。盾构机作为一种隧道掘进的专用工程机械，其滚刀作为其掘削系统的重要组成部分对盾构机的施工效果有着决定性作用[1]。

1 盾构机滚刀介绍

盾构机刀盘是一个带有多个进料槽的切削盘体，刀盘上可根据被切削土质的软硬而选择安装硬岩刀具或软土刀具。

盾构机滚刀的作用是破岩掘进，由刀圈、刀体、刀轴、轴承、金属浮动密封环等组成，如图1所示。

图1 滚刀装配图

滚刀嵌置在盾构机的刀盘槽内，在刀盘的推力和扭矩的作用下，刀圈在岩面上切出一系列同心圆沟槽，当推力超过岩石的强度时，刀圈下的岩石直接破碎如图2所示[2]。滚刀工作时受到剧烈的岩石磨料磨损，消耗量大，是盾构机的易损部件之一，其主要失效形式有刀圈的磨损、断裂、压馈及崩刀等，因此刀圈材料应具有足够的强度、硬度和韧性[3]。

因此，刀圈材料的力学性能是盾构机稳定工作的前提与保证。本文主要介绍冷作钢模具钢7Cr5Mo2MnVSi（瑞典某品牌钢）在刀圈上应用试验和工艺特点，为我国选择刀圈材料和改善刀圈材料性能提供参考。

2 试验

2.1 试验材料

德国某品牌钢和瑞典某品牌钢的化学成分如下表1。

表1 两种牌号钢的化学成分

牌号C/%Si/%Mn/%Cr/%Mo/%V/% 德国品牌0.48～0.530.80～1.100.20～0.404.80～5.201.25～1.450.80～1.00 瑞典品牌0.70.20.55.02.30.5

德国品牌的钢是一种铬钼钒锰合金工具钢，属于热作模具钢。其主要特点有：优良的耐热冲击和抗热疲劳性能、良好的高温强度、优异的韧性和良好的淬透性、良好的热处理尺寸稳定性。

钢锭冶炼方法：电渣重熔（ESR）。

成型工艺：方料钢锭加热→模锻（冲孔、切边复合进行）→毛坯（留加工余量3 mm）→超声波探伤（排除内部有裂纹的不良品）→粗加工（留加工余量0.2 mm～0.5 mm）→热处理（淬火、回火）→精加工→装配。

德国品牌的钢（7Cr5Mo2MnVSi）为铬钼钒锰合金工具钢，属于冷作模具钢，其具有优良的抗崩角抗开裂性能和良好的耐磨性、高温回火后的高硬度（>60 HRC）、良好的热处理尺寸稳定性、极佳的淬透性。

冶炼方法：电渣重熔（ESR）。

成型工艺：标准圆棒→锯切下料→加热→墩粗→预锻→冲孔→辗环→退火→超声波探伤（排除内部有裂纹的不良品）→粗加工→真空热处理→精加工→装配。

选料与下料原则：高度与直径比小于2，1.6～1.7最佳。

辗环毛坯尺寸要求：预留加工余量3 mm～5 mm。

粗加工后尺寸要求：预留加工余量0.2 mm～0.5 mm。

2.2 实验条件

在刀盘上选取5个对应的位置，以德国品牌和瑞典品牌两种不同材料的滚刀刀圈，进行掘进施工，工况条件相同，均为新疆北屯市红色花岗岩，并记录一定的掘进距离下各位置的滚刀的刀圈磨损量。

2.3 试验结果

表2给出了5个工作位置不同掘进距离对应的磨损量，将表2中的数据进一步处理，得出不同位置单位磨损量对应的掘进距离，如图3所示。从图3可以看出，两种材料单位磨损量瑞典品牌钢的掘进距离远大于德国品牌钢的掘进距离，抗磨性能瑞典品牌钢约是德国品牌钢的2倍，相比德国品牌钢，在满足工程使用强度、韧性的条件下，抗磨性能更好。

表2 试验数据

序号50#51#52#53#54# 瑞典材料掘进距离/m49.149.169.769.769.7 瑞典材料磨损量/mm55977 德国材料掘进距离/m76.576.555.955.955.9 德国材料磨损量/mm1713131211

图3 两种材料抗磨性能对比

3 结果分析

瑞典品牌钢之所以具有优越的抗崩性能和抗磨性能，是因为它的材料成分、加工工艺和热处理工艺不同。

3.1 合金元素对材料性能的影响

瑞典材料7Cr5Mo2MnVSi的含碳量高达0.7%，较高的含碳量可以提高热处理后刀圈材料的硬度，保证耐磨性能和使用寿命。

瑞典材料7Cr5Mo2MnVSi模具钢中，Cr元素含量达5%，使材料具有较高的淬透性并阻止碳元素石墨化。7Cr5Mo2MnVSi在较高回火温度下，形成弥散分布的特殊碳化物，钼（Mo）有二次硬化作用，能够提高钢的热强性和蠕变强度，确保高温回火的稳定性。钒（V）含量较低，主要是提高模具钢的淬透性、耐磨性。 锰（Mn）在钢中熔于铁素体和渗碳体，使钢的强度、硬度提高。此外由于Mn和S的亲和力大于铁与硫的亲和力，可以夺走部分有害物质硫，形成高熔点的MnS（高于1 600 ℃），从而减轻S对钢的有害作用。硅（Si）含量较低，主要固溶于基体中，除了提高钢的淬透性外，还有助于提高在高温回火过程中析出特殊碳化物的弥散度，可使二次硬化峰增高，因而硅对提高基体的强度及回火抗力有利[4]。

7Cr5Mo2MnVSi中的合金元素，对硬度的影响较小，主要是为了提高热处理时的淬透性，提高刀圈截面硬度的均匀性，提高回火抗力及全相组织的热稳定性[5]。

3.2 加工工艺

为防止墩裂，改锻前先预热650 ℃～750 ℃，再加热到1 030 ℃，保温2小时，此时该材料具有最佳塑性，能够避免在墩粗过程中端部、中心开裂。辗环后终锻温度要求，不低于800 ℃，然后进行退火，以细化晶粒、均匀组织、消除组织缺陷、改善切削加工性能，消除应力、稳定尺寸。

退火工艺要求：

（1）锻后空冷到500 ℃～600 ℃。

（2）重新加热到700 ℃保温12个小时。

（3）空冷到室温。

（4）再次加热到820 ℃热透后保温2小时。

（5）以10 ℃/h的速度冷却到650 ℃，空冷。

（6）最终硬度180 HB～215 HB（不高于230 HB）。

为避免氧化，建议以上空冷均尽可能在炉内冷却。

瑞典材料7Cr5Mo2MnVSi的刀圈采用辗环加工。辗环加工使刀圈内部组织致密、晶粒细小、金属纤维沿圆周方向连续分布，流线分布合理，其机械强度、耐磨性和疲劳寿命明显高于其他锻造和机械加工生产的环件[6]。

3.3 热处理工艺

热处理工艺如图4所示，预热两个阶段分别为：650 ℃和850 ℃，分别保温50分钟以确保热透；奥氏体化处理温度，1 010 ℃，保温95分钟，使工件内部温度均匀一致，以获得良好的加热组织。真空炉氮气冷却（高速及充足过压气体），淬火速度越快越好，但不能造成严重的变形和破裂，冷却速度1.1 ℃/S；冷却至50 ℃～70 ℃应立即回火，第一次回火后进行一次超深冷处理，然后再进行两次回火，每次回火必须冷却至室温，综合调整了材料的硬度和韧性，使工件具有良好的综合力学性能，以满足工况使用要求。

图4 刀圈热处理工艺

4 结论

滚刀刀圈作为盾构机的关键部件，在掘进过程中容易损坏、失效，刀圈材料的综合力学性能是盾构机稳定工作的前提与保证[7]。工程试验表明，瑞典某品牌材料冷作钢（7Cr5Mo2MnVSi）是制造硬岩刀圈的理想材料之一，突破了盾构机刀圈用热作钢的工程惯例，同时也为我国新钢种的发现提供了指导和借鉴。

[1] 燕云,李铮,岳彩超,等.盾构机滚刀刀圈材料H13E钢高温拉伸性能研究[J].模具制造,2018,18(09):86-90.

[2] 谭青,李建芳,夏毅敏,等.盘形滚刀破岩过程的数值研究[J].岩土力学,2013,34(09):2707-2714.

[3] 程巨强.盾构滚刀材料及其热处理工艺[J].建筑机械,2015 (02):96-100.

[4] 叶宏.金属材料与热处理[M].北京:化学工业出版社,2011.

[5] 胡怡,顾红星,张国利.TBM盘形滚刀的失效分析[J].金属热处理,2002(01):55-56.

[6] 赵海燕,张恒.0.9C-9Mn-2Cr-Mo中锰耐磨钢的冲击滚动复合磨损性能[J].特殊钢,2018,39(06):47-50.

[7] 陈磊,闫洪,胡志,等.国内盾构机滚刀磨损的研究概况[J].热处理技术与装备,2011,32(03):52-56.

Application Research of Cold-worked Steel 7Cr5Mo2MnVSi in Shield Machine Hob

SU Wei1, LIU Weifeng2

( 1.Henan Mechanical and Electrical Vocational College, Henan Zhengzhou 451191;2.Yishengbai Mould Steel Co., Ltd., Beijing 102600 )

This paper introduces the engineering application test of two different German and Swedish brands of steel on the Shield hob. The results show that the Swedish material 7Cr5Mo2MnVSi(cold-worked steel) shows excellent wear resistance and breaks through the engineering practice of hot steel for the blade ring of the shield machine. It is one of the ideal materials for making hard rock cutter ring. Of course, the excellent mechanical properties of cold-worked steel 7Cr5Mo2MnVSi are closely related to its material composition, processing process and heat treatment process. The paper describes in detail the unique heat treatment process and processing process of Swedish material 7Cr5Mo2MnVSi. It provides reference and reference for China's manufacturing of hob ring.

Shield hob;Cold-worked steel;Wear resistance;Hob ring

TG142.7

A

1671-7988(2022)02-132-04

TG142.7

A

1671-7988(2022)02-132-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.030

苏薇，就职于河南机电职业学院。