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硬質合金磨損機理序號磨損類型磨損機理1粘著磨損材料的相互作用是主要因素。粘著磨損的過程實際上是摩擦副雙方間原子鍵的形成（顯微熔接）和分離過程。2磨料磨損硬顆粒或硬突起引起摩擦表面破壞，分離出屑或形成擦傷的過程。3疲勞磨損摩擦副材料微體積受循環接觸應力，產生重復變形，導致裂紋和分離出微片或顆粒的過程。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粘著磨損磨料磨損：硬顆粒或硬凸起與材料產生相對運動，引起的材料損傷。當磨粒的形狀與運動方向合適，有利于切削時，磨粒在切向力的作用下，在料表面刮起一層薄片，形成一次切削，脫離材料表面。這種切削溝的寬度和深很小，切屑也非常小。圖4磨料磨損疲勞磨損：表面微觀部分受循環變應力產生重復變形導致裂紋形成，最終使表面產生破損，包括熱疲勞磨損等。圖5疲勞磨損從硬質合金施工工況及最終硬質合金磨損狀況可以得知硬質合金磨損形式主要為粘著磨損及磨料磨損。（2）良好的沖擊韌性。當遇到巖土中夾雜有大量大粒徑卵石、大型漂石，裂隙發育巖層及軟硬不均地層時，刀具會遭受巨大的沖擊，要求硬質合金能承受一定的沖擊，避免刀具因硬質合金碎裂而發生失效。目前盾構刀常用的硬質合金牌號主要是YG11C及YG13C，這主要得益于含鈷量適中，兼顧耐磨性及抗沖擊性[1-4]，其硬質合金參數性能見表2。表2常用硬質合金參數表牌號密度g/cm3硬度（HRA）抗彎強度N/mm2YG11C14.3～14.5≥87.52650YG13C14.1～14.3≥862800由表格可以看出，YG11C牌號的硬質合金耐磨性較好，而YG13C牌號的硬質合金，其抗沖擊韌性較好，我們一般在較軟地層（巖石單軸抗壓強度低于50兆帕以下）采用YG11C牌號硬質合金，在較硬地層（巖石單軸抗壓強度低于50兆帕以下）或者強沖擊地層，采用YG13C牌號硬質合金。3超粗晶硬質合金性能及應用機理裂隙發育，軟硬不均以及含孤石漂石地層對盾構刮刀有著巨大破壞作用。它使得刀具的刃口部位瞬間受到極大的剪切應力和沖擊荷載，導致合金崩裂和斷裂，同時刀具在與巖石不斷地摩擦的過程中，不可避免的產生熱量，硬質合金處于不斷地升降溫循環中，合金表面出現熱疲勞裂紋，隨著裂紋不斷擴展，最終導致硬質合金出現裂紋，刀具損壞。盾構刀具切刀失效的主要機理為沖擊、沖擊疲勞以及熱疲勞裂紋。因此，對盾構刀切削刀具用硬質合金提出的要求就是：高沖擊韌性，高導熱性，低熱膨脹系數，以保證最小的熱裂紋長大速率，良好的抗疲勞沖擊特性。高鈷含量硬質合金具有更好的抗彎強度和斷裂韌性，但是鈷具有較低的熱導率和高熱膨脹系數，在不斷進行的的溫變循環中，極易產生熱疲勞裂紋，不利于硬質合金抗裂性能的提高，因而作為高沖擊硬質合金，鈷含量應保持在一個適當水平。研究發現：通過對WC的晶粒尺寸進行控制，采用提高硬質合金晶粒度的辦法可以達到改善硬質合金的抗沖擊性能[5]，同時可適當降低鈷含量，以達到提高硬質合金導熱性，降低熱膨脹系數的目的。粗晶硬質合金可相對提高鈷層厚度，提高鄰接度，因此硬質合金的抗彎強度與斷裂韌性將會有明顯提高。另外，粗晶合金的紅硬性比細晶合金高得多，受溫度影響硬度下降更少，因而耐磨性也更好。株洲鉆石鉆掘工具有限公司針對盾構刀具的工況特點及盾構掘進技術發展的需求，聯合硬質合金國家重點實驗室設計開發了ZJ01C牌號的超粗晶硬質合金。考慮合金耐磨性和韌性的平衡，在WC晶粒大幅增大的情況下，適當降低合金鈷含量，我們研制的硬質合金材質設計為鈷含量為10%，晶粒度8.0μm；針對夾雜有大量堅硬巖層的合金材質設計為鈷含量11.5%，晶粒度8.0μm，這種合金具有良好的耐磨性、優良的導熱性和低的熱膨脹系數，良好的抵御疲勞沖擊性能，性能明顯優于其他常規結構盾構刀用硬質合金。硬質合金參數見下表3。表3硬質合金參數表牌號硬度HRA矯頑磁力kA/m鈷磁%抗彎強度WC晶粒度ZJ01C85.0～86.53.4～5.08.8～9.7≥2850MPa≥8.0μm由上表可以看出該型超粗晶硬質合金在硬度方面與YG13C幾乎無區別，但抗彎強度明顯優于YG13C，這決定了它抗沖擊韌性優于YG13C。超粗晶硬質合金導熱性見下表4。表4ZJ01C與YG13C導熱性比較項目導熱系數W/m*K熱擴散系數mm2/S比容MJ/m3*KZJ01C14143.143.268YG13C109.830.693.578ZJ01C牌號導熱性比YG13C牌號高28.4%，這意味著刀具在工作過程中能迅速將于巖石摩擦產生的熱量帶走，減緩因反復變溫循環產生熱疲勞裂紋，裂紋不斷擴展最終碎裂致使刀具早期失效的狀況。彈性模量與YG13C比較見下表5。表5ZJ01C與YG13C彈性模量比較項目彈性模量/GPaZJ01C632YG13C582雖然ZJ01C含鈷量低于YG13C，但彈性模量較YG13C牌號高8.6%，這得益于超粗WC晶粒帶來的WC晶粒鄰接度的提高，意味著ZJ01C牌號抵御巖層沖擊產生變形破壞的能力更強，這樣我們刀具抗沖擊性能自然提高，有益于提高盾構硬質合金刀的使用壽命。與YG13C耐磨性比較見表6。表6KC60與YG13C耐磨性比較牌號磨前重量（g）磨后重量（g）損失重量（g）ZJ01C58.236157.29280.9443YG13C58.589057.42561.1634ZJ01C耐磨性的提高，得益于它的含鈷量的降低。YG13C含鈷量為13%，而ZJ01C含鈷量10%-11%，鈷是一種粘結相，它的減少會提升耐磨相WC的質量分數，這樣使得硬質合金的耐磨相自然會上升。4工程運用案例我們用ZJ01C及YG13C兩種牌號硬質合金各做了一盤刮刀，在蘇州地鐵二號線某項目上應用，該項目采用兩臺同樣的盾構機，同時，同向掘進，以檢驗ZJ01C牌號與YG13C牌號兩種硬質合金性能的優劣。圖6a正面切刀圖6b撕裂刀圖6c中心刀圖6d先行刀圖6刀具配置圖該項目地質情況以粘土，粉質粘土及淤泥質土為主，屬典型軟土地質[6]，盾構歷時157天，實現掘進1430米，順利貫通，貫通后對刀盤刀具進行檢查，情況如下：（1）左線刀具采用ZJ01C牌號硬質合金，刀具磨損量好，未出現硬質合金崩裂的情況，刀具情況見圖3。圖7左線刀具使用后的情況由上圖可以看出：左線采用超粗晶硬質合金的軟土刀具未出現任何硬質合金崩裂現象，且刀具磨損較小。（2）右線刀具采用YG13C牌號硬質合金，刀具使用情況見表4。圖8右線刀具使用后的情況由圖片可以看出右線采用YG13C牌號硬質合金的軟土刀具，出現了少數硬質合金崩裂現象，且刀具磨損較大。蘇州地質為軟土為主，地層松散，圍巖穩定性差，項目部曾多次對地層進行過加固處理，加上后期盾構出洞時，洞門破除不完全，人為造成掘進過程出現的軟硬不均狀況，造成刀具遭受到較大沖擊，而出現崩裂現象。而左線采用粗晶硬質合金利用其本身的特性很好地避免了硬質合金崩裂現象。5超粗晶硬質合金在復合刀圈上的運用由于硬質合金本身的物理特性，注定了其在高沖擊，高強度地層易發生崩裂的特性，不能作為高強度巖層盾構破巖的主要工具。超粗晶硬質合金以其良好的抗沖擊性能和抗熱裂性，以及高耐磨性決定了他相較于普通硬質合金具有絕對的優勢，復合在刀圈上能有效擴大刀圈的使用范圍，提高它們在復雜情況下的適應能力，在強磨損，裂隙發育，軟硬不均以及含孤石漂石的地層將發