【摘要】：全斷面隧道掘進機(Full-face Tunnel Boring Machine-TBM)由于具有高效的掘進速率和極好的安全性已成為開挖隧道必不可少的重要工程機械,目前已在鐵路、地鐵、城軌等基礎(chǔ)建設(shè)中廣泛應(yīng)用,并且隨著“十三五”規(guī)劃及“一帶一路”戰(zhàn)略的實施,隧道掘進機的需求量日益增加。掘進機刀具是掘進機破碎巖石的關(guān)鍵部件,也是掘進機中的易損耗部件。據(jù)統(tǒng)計,在隧道施工過程中所消耗的掘進機刀具成本可占總施工成本的30%左右,可見,提高刀具使用壽命、降低刀具生產(chǎn)成本可有效降低隧道施工總成本。目前,由德國Wirth公司、美國Robbins公司等生產(chǎn)的掘進機刀具綜合性能和市場口碑良好,已基本壟斷了掘進機刀具的市場;而我國掘進機刀具的生產(chǎn)水平較低,刀具的綜合性能和使用壽命尚不能達到國際水平,大部分刀具仍然依賴進口,嚴重制約了我國隧道掘進事業(yè)的發(fā)展。因此,開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的優(yōu)質(zhì)掘進機刀具鋼,提高掘進機刀具使用壽命,降低刀具生產(chǎn)成本具有重大的國民經(jīng)濟意義。本研究通過合金成分優(yōu)化以及特定的熱處理工藝(預(yù)處理+淬火和回火工藝)制得了一種新型高Cr鑄造掘進機刀具鋼(High-Cr cast tunnel boring machine cutter steel-HBC鋼),此鋼材與鍛造H13鋼相比具有高強度、高硬度、高耐磨粒磨損性、高抗熱疲勞性,同時具有較高的室溫沖擊韌性。本文通過對HBC鋼的熱處理工藝優(yōu)化、力學(xué)性能、磨粒磨損性能以及熱疲勞性能的研究得出以下結(jié)論:(1)通過對鑄造HBC鋼的組織、力學(xué)性能、耐磨粒磨損性能以及抗熱疲勞性能的研究,確定了新型高Cr鑄造掘進機刀具鋼(HBC鋼)化學(xué)成分的最佳含量,其主要化學(xué)元素的最佳含量如下,C:0.33 wt.%—0.40 wt.%,Cr:9.5 wt.%—10.5 wt.%,Mo:1.8wt.%—2.1 wt.%,N i:0.8 wt.%—0.9 wt.%,V:0.8 wt.%—0.9 wt.%,Si:0.6 wt.%—0.8 wt.%,Mn:0.15 wt.%—0.25 wt.%。其中碳含量為0.40 wt.%時,HBC鋼表現(xiàn)出了良好的綜合性能,其硬度約為58 HRC,屈服強度約1650 MPa,抗拉強度約2200 MPa,延伸率約7.4%,沖擊韌性約40 J/cm~2,各項性能指標均達到或超過了鍛造H13鋼水平,達到了本研究中“以鑄代鍛”的預(yù)期目的。(2)確定了鑄造HBC鋼的最佳熱處理工藝:預(yù)處理+油淬+兩次回火。其中預(yù)處理工藝包括1230℃均勻化處理+1080℃正火處理+750℃退火處理;均勻化處理后,HBC鋼鑄態(tài)組織中的成分偏析現(xiàn)象基本得已消除,較大的碳化物部分分解或融入到基體當中,碳化物的尺寸和形狀得到了明顯改善。HBC鋼的最佳淬火溫度為1070℃,最佳回火溫度為540—560℃,其回火組織主要為回火板條馬氏體,并在板條馬氏體上彌散析出了大量尺寸僅為30—60 nm的細小碳化物,這些納米尺寸的碳化物起到了很好的第二相強化作用,保證了HBC鋼的強度。(3)隨著碳含量的增加,HBC鋼的體積磨粒磨損率先降低后增加,碳含量為0.40 wt.%時體積磨損率達到最低,其耐磨損性能比H13鋼提高了約45%。當碳含量小于0.40wt.%時,HBC鋼的主要磨粒磨損機制為微觀切削磨損和犁溝磨損;當碳含量大于0.45 wt.%時,除微觀切削磨損和犁溝磨損外,微觀斷裂(剝落)磨損明顯增多,磨損表面出現(xiàn)較多麻點凹坑及脆斷現(xiàn)象,耐磨損性能有所下降。(4)隨著碳含量的增加,HBC鋼的抗熱疲勞性能呈下降趨勢,碳含量越高,熱疲勞裂紋等級越高;隨著熱疲勞循環(huán)次數(shù)的增多,碳含量越高的HBC鋼點蝕現(xiàn)象越嚴重,由點蝕坑處萌生的裂紋數(shù)量也越多,尤其是碳含量大于0.45 wt.%以后點蝕現(xiàn)象更為嚴重。熱疲勞過程中,碳含量為0.33 wt.%和0.40 wt.%的HBC鋼表現(xiàn)出了很高的熱穩(wěn)定性,10000次熱疲勞之后,兩者的硬度僅下降了約1.5 HRC,而強度不僅沒有下降反而有少量提高。另外,在熱疲勞試驗過程中發(fā)現(xiàn),氧化對熱疲勞裂紋的萌生及擴展都有促進作用,所以較高的抗氧化性是保證HBC鋼具有良好的抗熱疲勞性能的重要因素。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U455.31
【圖文】：

圖 1.1 全斷面隧道掘進機及所用刀具類型Fig. 1.1 Full-face tunnel boring machine and using cutter.2 TBM 刀具概述.2.1 TBM 刀具分類目前全斷面隧道掘進機使用的刀具一般分為滾動刀具和刮削刀具兩大類[16-22]。刀具也簡稱為滾刀，滾刀在隨刀盤轉(zhuǎn)動的同時還作自轉(zhuǎn)運動。其中根據(jù)刀刃的形狀刀可分為齒形滾刀和盤形滾刀。根據(jù)安裝位置的不同，滾刀又可分為正滾刀、中刀、邊滾刀以及擴孔滾刀，圖 1.1(b)所示滾刀為正滾刀。刮削刀具一般簡稱為刮刀或割刀，刮刀只隨著刀盤轉(zhuǎn)動而沒有自轉(zhuǎn)，刮刀的種多，目前掘進機上常用的刮刀有邊刮刀、齒刀、切刀和先行刀等，圖 1.1(c)和(d為齒刀和切刀。

第 1 章 緒論1.2.2 TBM 刀具的破巖機理及失效形式滾刀破巖機理：刀盤在縱向推力作用下，使刀盤上的滾刀壓入巖層，刀盤在驅(qū)動裝置的作用下帶動滾刀繞中心軸轉(zhuǎn)動，同時各滾刀還繞各自的刀軸自轉(zhuǎn)，使?jié)L刀在巖面上連續(xù)滾壓，通過滾刀對巖體的擠壓和剪切迫使巖體發(fā)生破碎[13, 17]。滾刀一般適合于硬巖層中挖掘，如圖 1.2(a)所示為滾刀破巖示意圖，滾刀在大載荷推力下壓入巖層，在巖石的破碎區(qū)產(chǎn)生裂紋；滾刀持續(xù)旋轉(zhuǎn)擠壓此部位巖石，裂紋便向內(nèi)部擴展，當裂紋交匯連接時，則此部位的巖石便會剝落。刮刀破巖機理：刮刀在推力的作用下嵌入巖層中，刀盤帶動刀具轉(zhuǎn)動時刮削巖層，在掌子面形成一環(huán)環(huán)溝槽[18]。刮刀適合于在軟土地層開挖，如圖 1.2(b)所示為切刀的破巖機理示意圖，切刀嵌入巖層后直接切除對應(yīng)土層，工作效率很高，但刀盤所受阻力較大，若遇到較硬的巖石時容易出現(xiàn)崩斷現(xiàn)象。

圖 1.3 TBM 刀具的部分失效形式 (a) 偏磨, (b) 崩裂Fig. 1.3 Partial failure of TBM cutter, (a) biasing wear, (b)brittle fracture另外，由于掘進機在不同的土質(zhì)環(huán)境中工作，尤其是在含有海水或者氯離子的土質(zhì)中挖掘時，氯離子的腐蝕作用對刀具的磨損壽命有著重要的影響[23, 24]。同時在硬巖中掘進時由于刀具與巖石劇烈摩擦產(chǎn)生大量熱量，容易在刀具表面產(chǎn)生疲勞裂紋[25, 26]，在巨大的推力下裂紋快速擴展容易導(dǎo)致刀具的斷裂失效。綜合來看，刀具在工作過程中的失效形式雖然比較多，但都與刀具所用材料的硬度、耐磨損性、抗腐蝕性以及抗熱疲勞性有密切關(guān)系。1.2.3 TBM 刀具常用鋼材及其性能由于 TBM 刀具直接與巖石接觸，承受載荷大，失效幾率也大，所以其所用鋼材必須具有高強度、高硬度同時兼具一定的韌性。前文中已提到過，目前國內(nèi)掘進機刀具還仍然依賴于進口，并且德國維爾特公司和美國羅賓斯公司已形成了壟斷之勢，通過對這兩家公司生產(chǎn)的刀具進行成分分析(如表 1.1 所示)可發(fā)現(xiàn)，德國維爾特公司采用

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本文編號：2786191