超粗晶硬質合金在盾構刀具上的應用摘要：隨著國內盾構施工技術的發展，盾構越來越廣泛應用于各地鐵、市政和地下管網等工程建設，硬質合金作為盾構軟土刀具的關鍵原材料，其性能和壽命決定著盾構硬質合金刀具的壽命，也決定著整個工程的掘進效率和經濟效益。通過理論研究及工程實踐證明：一方面，硬質合金耐磨性與刀具的壽命呈正相關關系；另一方面，高脆性刀具在高沖擊、高強度的地質條件下更易斷裂。從導熱性、彈性模量、耐磨性等方面，對常用硬質合金YG13C與超粗晶硬質合金ZJ01C的性能進行對比分析，通過工程實踐證明采用超粗晶硬質合金制造的盾構刀具表現出了更好的抗沖擊性能及耐磨性。關鍵詞：盾構；超粗晶；硬質合金；抗崩性1引言盾構施工具有機械化程度高、施工速度高、安全性高等優點，被廣泛應用于地鐵、隧道、水電等重大工程[1]。盾構機是衡量一個國家裝備制造業水平和能力高低最具代表性的重大關鍵裝備之一[2]，而盾構刀盤及刀具是隧道掘進機掘進的關鍵配套工具，其性能和壽命制約著整個工程的掘進效率。盾構刀盤按照其結構形式和刀具設置通常有三種形式[3]：軟土刀盤：在軟土和砂層掘進，全部刀具都為硬質合金切削刀；復合刀盤：在砂土及巖層共同分布的地層掘進，刀具由滾刀和硬質合金切削刀共同組成；硬巖刀盤：在純巖層掘進，刀具由滾刀和耐磨刮板組成。軟土刀盤及復合刀盤都安裝硬質合金刮刀，在掘進過程起的作用分別體現為：對于軟土刀盤：起著刮削和擾動土體，使之進入土倉的作用；對于復合刀盤：掘進過程中，滾刀將完整的掌子面進行滾壓破碎，硬質合金刮刀負責將已產生裂紋的，尚未完全剝落的巖石從掌子面刮削下來，并使之進入土倉。硬質合金刮刀失效的形式主要有硬質合金崩裂、硬質合金脫落（見圖1）、硬質合金磨損到極限等。通過大量工程實踐發現，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。硬質合金崩裂占硬質合金刮刀失效比例的35%左右，硬質合金脫落占所有刮刀損壞比例的15%左右。由此可見：硬質合金崩裂所占的比例之大，這部分硬質合金都白白地浪費掉了，沒有發揮正常的作用。更為嚴重的是這部分刀具失去了刮削作用，會造成盾構機扭矩增大，掘進速度開始下降等一系列問題，因此提高硬質合金的韌性和抗崩性能是很有必要的。圖1硬質合金崩裂2常用硬質合金及性能盾構機切削刀在工作中，受到巖土的磨損和巖石的不斷沖擊，對盾構刀用硬質合金的要求為：（1）較高的耐磨性。盾構刮刀在切削巖土過程中要受到來自巖土的強力磨損，石英含量越高，磨損越厲害，現從硬質合金磨損機理來研究提高硬質合金耐磨性的渠道。表1硬質合金磨損機理刃序號冠磨損食類型歇磨損機洞理圓1揪粘著危磨損師材料的岡相互作足用是主爹要因素新。粘著無磨損的倚過程實伍際上是召摩擦副里雙方間告原子鍵瞧的形成字（顯微刊熔接）醉和分離政過程。南2摘磨料軟磨損加硬顆粒彈或硬突錄起引起窮摩擦表血面破壞借，分離蹈出屑或惱形成擦梨傷的過薄程。至3及疲勞倆磨損酒摩擦副補材料微蘆體積受拴循環接封觸應力系，產生撕重復變庸形，導跪致裂紋漁和分離陶出微片艙或顆粒大的過程萬。粘著磨損：兩接觸表面局部的粘著使材料由一表面轉移到另一表面所引起的磨損。圖2粘著磨損刮磨料磨年損：硬苗顆粒或究硬凸起府與材料罩產生相舉對運動打，引起倘的材料集損傷。還當磨粒賞的形狀深與運動列方向合荷適，有斃利于切宣削時，濤磨粒在禍切向力盞的作用輔下，在樣料表面營刮起一農層薄片燥，形成挪一次切疏削，脫敲離材料軋表面。弓這種切勉削溝的尚寬度和諸深很小寧，切屑猛也非常芝小。巧圖可4吉割磨料磨雨損孕疲勞磨鑒損：表昂面微觀烈部分受誘循環變鄙應力產脫生重復袍變仔形字襖導致裂頭紋形成膨，最終康使表面葉產生破鴿損，包集括熱疲云勞磨損巨等。摩圖狗5個廟疲勞磨菜損割盾鏟從硬質天合金施押工工況賀及最終珠硬質合映金磨損蓮狀況可槳以得知脫硬質合固金磨損抓形式主宣要為粘蒙著磨損副及磨料鳳磨損。伍（杯2條）良好翼的沖擊勁韌性。帳當遇到嘆巖土中相夾雜有研大量大江粒徑卵毀石、大毒型漂石盟，裂隙斧發育巖弱層及軟瑞硬不均逢地層時王，刀具談會遭受爬巨大的萬沖擊，遵要求硬戴質合金期能承受圓一定的柱沖擊，艷避免刀獵具因硬確質合金非碎裂而疤發生失餅效。秘目前盾剛構刀常紙用的硬部質合金茂牌號主催要茄是脆YG1卷1脂C茂及非YG1背3賺C語，這主鑄要得益好于含鈷脂量適中嬸，兼顧側耐磨性赴及抗沖端擊性券[1-百4]頂，其硬慶質合金仇參數性缸能見錫表攝2敵。雁表迷2變鵝常用硬煩質合金泉參數表膊牌號舊密敗度脈g/c搜m3滾硬度柏（跑HR秀A稿）械抗彎強藝度拼N/m膛m2鈔YG1港1C微14.類3錢～女14.三5呢≥健87.射5挨265底0炎YG1亦3C者14.蛋1印～飲14.檢3幟≥貿86男280濤0限由表格展可以看饞出春，佩YG1洲1卡C波牌號的懶硬質合案金耐磨梳性較好誘，肥而槐YG1屠3侵C米牌號的音硬質合關金，其濾抗沖擊乒韌性較電好，我霸們一般最在較軟莖地層（亡巖石單己軸抗壓陷強度低更于鞋5彩0寨兆帕以拖下）采吹用舒YG1繼1隔C丟牌號硬喬質合金別，在較巷硬地層激（巖石就單軸抗藏壓強度鏈低扒于綿5挪0簡兆帕以童下）或堂者強沖稅擊地層拾，采鬼用盼YG1串3叔C陶牌號硬辱質合金灑。擾3逐宿超粗晶叨硬質合待金性能充及應用抖機理專伸裂隙發泊育，軟呼硬不均背以及含慚孤石漂嘩石地層殘對盾構斷刮刀有戰著巨大叛破壞作核用。它醫使得刀預具的刃培口部位篩瞬間受疾到極大練的剪切語應力和靜沖擊荷細載，導貫致合金捧崩裂和悠斷裂，竭同時刀浮具在與披巖石不潮斷地摩煤擦的過脊程中，思不可避慮免的產脾生熱量顏，硬質幻合金處里于不斷摟地升降禁溫循環囑中，合嗽金表面奔出現熱懂疲勞裂槳紋，隨扔著裂紋晝不斷擴猴展，最漁終導致霞硬質合久金出現麻裂紋，悼刀具損織壞。駁盾構刀都具切刀污失效的挨主要機鈔理為沖組擊、沖數擊疲勞凡以及熱丙疲勞裂勵紋。因獵此，對肺盾構刀柔切削刀墨具用硬志質合金首提出的質要求就奏是：高津沖擊韌奸性，高股導熱性焰，低熱腥膨脹系仙數，以悔保證最化小的熱渡裂紋長奴大速率震，良好透的抗疲博勞沖擊惠特性。硬高鈷含糊量硬質帝合金具表有更好譽的抗彎甲強度和姨斷裂韌炎性，但赤是鈷具嫩有較低穿的熱導灑率和高戶熱膨脹病系數，虛在不斷某進行的達的溫變賽循環中供，極易兇產生熱貌疲勞裂宮紋，不甲利于硬營質合金梅抗裂性團能的提飛高，因畜而作為雕高沖擊叛硬質合界金，鈷膊含量應邁保持在瓶一個適沸當水平詢。奴研究發朵現：通往過吳對漆W仗C都的晶粒紗尺寸進洽行控制肢，采用鐵提高硬栗質合金擱晶粒度袋的辦法獻可以達型到改善圍硬質合巡金的抗城沖擊性追能旺[5]膀，同時欣可適當突降低鈷檔含量，垂以達到摔提高硬糖質合金救導熱性風，降低揮熱膨脹補系數的觸目的。脾粗晶硬泄質合金服可相對彎提高鈷勸層厚度控，提高阿鄰接度尸，因此聽硬質合寬金的抗蛾彎強度悟與斷裂歇韌性將皮會有明溜顯提高楚。另外廣，粗晶向合金的贏紅硬性哄比細晶肚合金高硬得多，背受溫度持影響硬腰度下降賺更少，驚因而耐內磨性也窯更好。端株洲鉆裹石鉆掘頂工具有旬限公司遺針對盾雪構刀具刻的工況盯特點及佛盾構掘仿進技術貨發展的盼需求，對聯合硬擇質合金議國家重金點實驗開室設計壤開發扁了芽ZJ0竊1園C倍牌號的棄超粗晶豎硬質合陡金。考勵慮合金燈耐磨性幸和韌性低的平衡賞，避在宰W熟C蘋晶粒大撤幅增大糖的情況誕下，適艙當降低痕合金鈷禁含量，霉我們研夢制的硬容質合金敢材質設垂計為鈷嫂含量癢為蜜10警%富，晶粒扔度湯8.狠0押μ余m置；針對忌夾雜有套大量堅承硬巖層貫的合金低材質設導計為鈷墨含然量厭11.寒5僻%雙，晶粒丹度憑8.楚0示μ減m望，這種槐合金具獄有良好信的耐磨橋性、優幻良的導默熱性和弱低的熱拼膨脹系帝數，良坑好的抵倘御疲勞對沖擊性追能，性膀能明顯飼優于其魔他常規味結構盾棄構刀用著硬質合殃金。硬晃質合金堡參數見巡下伙表臥3艱。被表恥3島紅硬質合緞金參數尚表情牌幻號壽硬連度欠HRA靈矯頑磁躍力船kA/神m奴鈷片磁肆%殖抗彎掛強度堤W射C降晶綿粒度帆ZJ0努1C攝85.椅0儉～糊86.因5形3.銷4問～半5.0充8.茂8狠～地9.7題≥吼285殲0盈MPa浩≥煌8.北0掉μ沙m湖由上表虎可以看梨出該型挺超粗晶假硬質合事金在硬迫度方面字與納YG1著3鎮C診幾乎無慘區別，濃但抗彎棕強度明叼顯優嚼于臟YG1鉆3安C騙，這決才定了它慨抗沖擊眠韌性優郊于脂YG1守3高C泥。超粗革晶硬質化合金導冒熱性見塑下診表竿4屠。銜表期4傘ZJ獄01綠C尊與答YG1扣3溜C撿導熱性傍比較外項目死導熱系領數障W/m宋*K諒熱擴散慌系數悼mm險2夸/S認比容葵MJ/務m3*皇K余ZJ0絞1C股141幟43.汁14俗3.2榨68喪YG1負3C饅109患.8江30.晝69打3.5嘗78博ZJ0腫1默C刪牌號導歇熱性舍比在YG1禁3業C混牌號償高接28.迫4慮%醫，這意帝味著刀晉具在工五作過程開中能迅釘速將于閉巖石摩胖擦產生啦的熱量透帶走，屯減緩因爺反復變鐘溫循環籌產生熱瞞疲勞裂嫁紋，裂嫂紋不斷估擴展最墳終碎裂邁致使刀虎具早期餅失效的曉狀況。襖彈性模蝴量薯與惡YG1晉3畜C致比較見悄下俊表豪5仔。斤表是5繩ZJ罷01憤C循與位YG1案3敘C犧彈性模娘量比較響項目重彈性模吧量勞/GP目a擱ZJ0雹1C瓶632孫YG1給3C奮582吊雖繩然遣ZJ0的1拳C起含鈷量駐低推于騰YG1夜3趕C炎，但彈甜性模量殃較保YG1兄3象C終牌號繞高熟8.6北%誓，這得之益于超議粗煤W紗C譜晶粒帶組來鑄的厘W譜C攜晶粒鄰娘接度的走提高，筆意味蹦著刻ZJ0輔1揀C巖牌號抵獎御巖層旅沖擊產盆生變形蓋破壞的押能力更疲強，這隆樣我們補刀具抗討沖擊性寄能自然他提高，普有益于半提高盾惱構硬質洗合金刀維的使用謊壽命。畝與舊YG1僻3膏C鞋耐磨性披比較見盲表夸6愈。撫表剪6甚KC賢6娘0撞與脂YG1傻3困C樓耐磨性坦比較達牌號堵磨前重卵量繩（埋g厲）滿磨后重快量忽（省g邪）賺損失重朱量糕（鏟g蓮）妹ZJ0脹1C浙58.昌236呼1節57.節292收8蠻0.9誼443峰YG1聽3C倍58.裂589嘉0刃57.嫌425饞6姑1.1朝634紡ZJ0立1隨C替耐磨性別的提高桿，得益親于它的案含鈷量侍的降低籍。扣YG1捎3神C燦含鈷量腸為皇13吸%科，青而顛ZJ0籌1喘C屋含鈷盞量較10%悉-集11蠢%谷，鈷是絞一種粘炎結相，績它的減提少會提鋸升耐磨臺相識W誼C忠的質量容分數，皂這樣使召得硬質臘合金的列耐磨相鳥自然會扁上升。尺4刺僵工程運逐用案例殃我們陽用爬ZJ0趙1蝦C壓及團YG1縱3化C紅兩種牌輪號硬質胞合金各漏做了一堪盤刮刀戴，在蘇課州地鐵矛二號線粱某項目哭上應用發，該項丈目采用迎兩臺同跨樣的盾穩構機，鈴同時，麗同向掘岡進，以剝檢慶驗愚ZJ0或1拜C挪牌號鵝與普YG1哄3辨C墳牌號兩惠種硬質澡合金性預能的優裝劣。舒圖植6a耍牛正面切擦刀獲僻慮貧潔該圖庫6b貫努撕裂刀灘圖差6c碰曾中心灰刀至漏輸示卸紋匯圖鋸6d往絡先行刀捧圖票6銳繼刀具配神置后圖隆牲該項目傍地質情釋況以粘允土，粉石質粘土亮及淤泥爽質土為判主，屬成典型軟竿土地質幫[6]單，盾構略歷扒時杰15較7寄天，實桃現掘卸進何143旋0紛米，順閣利貫通典，貫通喘后對刀腫盤刀具閑進行檢核查，情咱況如下勢：慰（思1痛）左線仿刀具采回用演ZJ0征1埋C廢牌號硬普質合金宗，刀具獄磨損量你好，未閃出現硬尤質合金度崩裂的鄭情況，憶刀具情錘況見鞏圖餐3逼。款圖舅7階汗左線刀關具使用你后的情泄況鍬由上圖邁可以看賄出：左手線采用御超粗晶尋硬質合副金的軟堂土刀具購未出現弟任何硬櫻質合金街崩裂現眼象，且洋刀具磨斷損較小紐。歡（零2副）右線蒸刀具采匪用牌YG1丸3臂C悅牌號硬墻質合金而，刀具邪使用情芒況見簡表驅4目。久圖崖8贈親右線刀雁具使用身后的情膠況梨由圖片跪可以看尊出右線齊采航用嬸YG1紋3遣C漢牌號硬槍質合金役的軟土幟刀具，撓出現了巾少數硬潮質合金荒崩裂現麗象，且亡刀具磨沃損較大拼。被蘇州地堡質為軟膨土為主息，地層杠松散，胞圍巖穩振定性差紋，項目觀部曾多耀次對地處層進行黃過加固特處理，癥加上后鑒期盾構腹出洞時翼，洞門逐破除不閣完全，改人為造蕩成掘進鹽過程出繳現的軟黃硬不均柏狀況，煤造成刀耳具遭受割到較大項沖擊，譯而出現乖崩裂現聰象。而倘左線采堡用粗晶握硬質合宅金利用臂其本身善的特性與很好地律避免了做硬質合頁金崩裂銹現象。俗5磁睡超粗晶莫硬質合鹿金在復肥合刀圈料上的運祖用亞由于硬甩質合金使本身的緣物理特膜性，注麥定了其灰在高沖揀擊，高務強度地慌層易發潑生崩裂糖的特性宗，不能掩作為高兩強度巖貓層盾構江破巖的例主要工序具。握英耕超粗晶冒硬質合恢金以其透良好的鍵抗沖擊燭性能和漸抗熱裂炭性，以幟及高耐津磨性決做定了他述相較于潔普通硬侮質合金蛾具有絕棕對的優街勢，復逆合在刀朱圈上能臟有效擴熟大刀圈返的使用截范圍，抹提高它抬們在復成雜情況櫻下的適習應能力沸，在強攤磨損，夸裂隙發浮育，軟嫌硬不均塞以及含行孤石漂圈石的地渴層將發袖揮著重值要作用肚。知圖申9限姻硬質合屢金復合續刀圈秤5蛾魔結論必窩洽盾構硬水質合金黃刀具因惡硬質合沾金本身悉脆性問資題的局竿限，加炊上同時俘受外界濕溫度的偽影響，淋硬質合未金易出鋤現微裂俗紋的問予題，注男定了硬腔質合金馳在高沖囑擊，高塑強度地唐層掘