论文标题：
盾构机盘形滚刀刀圈表面强化技术的研究进展
论文作者：
刘鹏
作者单位：
中铁十四局集团有限公司
DOI: 10.11973/jxgccl240228
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盾构机是矿山开采、油气管道、水利工程、轨道交通等大型隧道设施建设施工的关键装备。盾构机主要由盾构壳体、刀盘、推进系统、出土系统等部分组成，其中刀盘位于盾构机的最前端，直接与待挖掘的地层接触；在隧道施工时，通过刀盘上的刀具对地层进行切削。我国东南部沿海区域的典型火山岩以A型花岗岩、闪长岩等硬岩（抗压强度达180 MPa）为主，在这些区域开挖隧道时，多采用单刃、双刃或多刃盘形滚刀进行高效破岩，滚刀主要由刀圈、刀体、刀轴、轴承等部件组成。在盾构施工中，盘形滚刀的刀圈与岩石直接接触产生巨大接触应力，产生的刀圈磨损按照磨损特征及程度可分为正常磨损、非线性磨损和结构失效，存在表面疲劳、黏着磨损和磨粒磨损三种磨损机制。滚刀一旦出现严重磨损失效则无法维持其稳定破岩效果。据统计，盾构机刀具系统的检查、维修和更换耗时占盾构施工总时间的30%~40%，刀具成本约占施工总费用的25%。因此，刀具的耐磨性能决定了工程的质量、成本、安全和效率。如何提升盾构机盘形滚刀刀圈的耐磨性能，延长刀具的服役寿命，降低使用成本，是盾构施工需攻克的关键问题。
为延长盘形滚刀的寿命，早期研究多关注刀圈材料的选型。国内多采用H13中碳合金钢作为盘形滚刀刀圈材料，而德国海瑞克、维尔特等公司多采用4Cr5MoSiV1热作模具钢，其成分与H13钢接近。H13钢和4Cr5MoSiV1钢均具有良好的淬透性，中高温回火后具有较高的强度和硬度。由于强度的提升往往伴随着韧性的降低，少有材料仅通过成分调整就能兼具高强度、高耐磨性及高韧性，满足盘形滚刀服役要求。在不改变基体材料的前提下，表面强化技术是一种能显著提升机械零部件耐磨、耐腐蚀及抗疲劳性能的有效方法。为了给相关工作人员提供参考，作者从表面改性和表面涂覆两个方面，综述了近年来为提高盾构机盘形滚刀刀圈耐磨性能而采取的表面强化技术的研究进展，重点探讨了不同表面强化技术的优缺点，并对未来的发展趋势进行了展望。
1 表面改性技术
本章节重点介绍了四种盾构机滚刀刀圈表面改性技术：
1. 梯度硬度技术：通过热处理形成"外硬内软"的梯度结构（刃部60-62HRC，心部45-50HRC），平衡耐磨性与抗冲击性，已在实际应用中显著提升刀具寿命。
2. 激光表面淬火：利用激光快速加热/自冷淬火形成细马氏体层（0.3-1.5mm），硬度提升7.95%，但设备成本高制约中小企业应用。
3. 超声喷丸强化：通过高频撞击产生深层残余压应力（最大1182MPa）和硬化层（240μm），耐磨/耐蚀性显著提升，且表面质量优于传统喷丸。
4. 离子渗氮技术：通过氮原子渗透形成高硬度层（可达1000HV），可调控工艺参数优化渗氮层结构，但需注意表层与基体结合力问题。 各技术均通过材料-工艺协同优化解决传统刀圈耐磨性差、易断裂的问题。
2 表面涂覆技术
本章节重点介绍了三种用于盾构机盘形滚刀刀圈表面强化的涂覆技术：
1. 激光熔覆技术： 通过激光熔化合金粉末与基体实现冶金结合，具有高效、热影响区小的特点。 常用铁基、钴基、镍基合金粉末，添加WC、TiC等增强颗粒可提升硬度与耐磨性。 案例显示熔覆层耐磨性显著提高（如FeCrMoVC涂层磨损量仅为基体1/3），但抗冲击性能可能下降（脆性断裂风险）。
2. 等离子堆焊技术：利用等离子电弧熔化材料形成堆焊层，优势为熔覆速率快、涂层抗压/抗冲击性好。WC增强镍基/钴基涂层硬度高（＞55HRC），耐高温（＞1000℃），耐磨性优于基体（磨痕宽度减少46%）。
3. 超音速火焰喷涂技术：超音速焰流加速粉末沉积，形成致密涂层，减少脱碳/氧化问题。 WC基涂层（如WC-12Co）在高温下表现不同磨损形式（黏着/氧化磨损），耐磨性提升50%。梯度涂层硬度分布更均匀。
总结：三种技术均能显著提升刀圈硬度和耐磨性，但需根据地层条件（如冲击负荷、温度）选择适配技术。激光熔覆需关注抗冲击性不足，等离子堆焊和超音速喷涂综合性能更优。
盾构机盘形滚刀刀圈是坚硬岩地层盾构施工的关键部件，其耐磨性能决定了隧道工程的质量、成本、安全和效率。滚刀刀圈表面强化技术主要分为表面改性和表面涂覆两类。在不改变基体材料的前提下，两类技术均能显著提升刀圈的硬度和耐磨性能，延长刀圈的服役寿命。盾构施工后滚刀刀圈表面存在疲劳、黏着磨损和磨粒磨损3种失效机制，推测单一表面强化技术无法解决滚刀表面磨损失效问题，应针对目标隧道项目的地质特点及刀具主要失效形式，制定妥善的刀具强化工艺路线。未来盾构机滚刀刀圈的研究方向应集中在：
（1）在现阶段力学、材料学、摩擦学等分析基础上，建立和完善表面强化方案与不同地质条件和不同掘进工况之间的匹配关系；
（2）根据不同岩性条件、受冲击条件以及磨损失效形式，对滚刀表面实施分区域、差异化的表面强化处理，或能突破单一技术的局限性；
（3）现有盾构机滚刀表面强化技术的研究以基础工艺和模拟试验为主，强化表面的失效判据、寿命预测，以及复杂岩性条件下的适应性等有待深入研究。
《机械工程材料》创刊于1977年，由上海材料研究所有限公司主办，为中国机械工程学会材料分会会刊，是公开发行的有关工程材料的应用类技术期刊，是中文核心期刊、中国科学技术论文统计源期刊、中国科学引文数据库（CSCD）来源期刊、RCCSE中国核心学术期刊、中国科技核心期刊，并被中国学术期刊综合评价数据库、《中国期刊网》、《中国学术期刊（光盘版）》、CA、SA和PЖ等收录。荣获“华东地区优秀期刊奖”等荣誉称号，入选《世界期刊影响力指数（WJCI）报告（2020科技版）》、“《机械工程领域高质量科技期刊分级目录（第二版）》T3级期刊”。
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