岩石掘进机盘形滚刀刀圈材料耐磨性研究_吕良和.pdf

专题研究SPECIAL RESEARCH94 建筑机械岩石掘进机盘形滚刀刀圈材料耐磨性研究吕良和（中铁建发展集团有限公司，北京 100043）摘要本文研究了岩石掘进机盘形滚刀刀圈材料6Mo2Cr2SinNiV钢1050淬火后在不同回火温度下的显微组织、硬度和冲击韧性。结果表明，回火后的组织由回火马氏体、初生碳化物和二次碳化物组成，一次碳化物和二次碳化物分别为（V，Mo）C和Fe3C。随着回火温度的升高，碳和合金元素的偏析逐渐减少。在550回火后，碳和合金元素的偏析完全消除，聚集的初生碳化物变成棒状并均匀分散在基体中。该钢具有良好的回火稳定性。在本文的试验范围内，试验材料在550回火时获得最高硬度59.0HRC，并且随着回火温度的升高其冲击韧性缓慢下降，在1050淬火和550回火后具有良好的耐磨性，其耐磨性是Q275A钢的10.59倍。关键词耐磨钢；马氏体；回火温度；微观结构；性能中图分类号U455.31 文献标识码B 文章编号1001-554X（2023）02-0094-05Study on wear resistance for disc hob ring of rock boring machineLYU Liang-he岩石掘进机（TBM）主要用于硬岩地层的开挖1-3，主要使用的刀具是盘形滚刀（简称滚刀）。滚刀由轴、端盖、浮动密封、轴承、刀圈、挡圈、刀体、压板、加油螺栓等组成，其中刀圈是刀具的关键件之一。刀圈在均匀加热到150200后热装在刀体上，滚刀依靠刀圈挤压破岩。在此过程中，大载荷、强冲击、严重摩擦和高温工作环境非常容易导致刀圈磨损。刀圈的耐磨性和热稳定性已成为限制滚刀使用寿命的主要因 素4-6。我国在20世纪60年代初开始对滚刀刀圈材料进行了多方面的探索试验7-11，但由于我国TBM的滚刀是各厂家为解决自己生产的TBM施工需要而生产的，专业的生产厂家很少且规模不大，科研单位也没有足够的资金进行深入试验，所以国内对刀圈材料的化学成分和热处理研究还不够充分，大多是在化验国外刀圈成分的基础上进行试验。常用的刀圈材料是含碳量在0.40%0.60%之间且含有一定的铬、镍、钼和钒等合金元素的合金耐磨钢，组织为回火马氏体分布着细小均匀的碳化物，碳化物的种类为VC、Mo2C、M23C6或M3C等。目前国内刀圈在高硬度方面做的较好，在高韧性方面差距较 大7-11。在工程实践中，对于一些研磨性较强的砂岩、断裂砾岩等地层，单纯提高刀具材料的硬度而牺牲刀具韧性的做法是适得其反的，国内急需研究具有高韧性的TBM刀圈来满足在硬岩中掘进的需要。GD钢的耐磨性、强韧性较好，淬透性高，淬火变形小，可用于低温淬火、低温回火工艺12。但GD钢高温稳定性差，不适于制作在较高温度下使用的TBM滚刀刀圈。本文在GD钢的基础上，通过提高Mo和V等元素含量，提高其回火稳定性，进行适于刀圈的6Cr2SiMnNiMoV耐磨钢的研制。1 材料和试验方法文中所用的钢是100kg的中频感应炉中熔炼，用到的原材料有废钢、高碳铬铁、钼铁、钒铁、镍板、锰铁、硅铁和低硅生铁等。首先将钢液过热至16301650，用约0.10wt%的纯铝加入钢液中进行脱氧。然后将熔体转移到预热的浇包中，将钢 DOI:10.14189/ki.cm1981.2023.02.013收稿日期2022-11-22通讯地址吕良和，北京市石景山路22号CONSTRUCTION MACHINERY 952023/02总第564期液从浇包中浇入二氧化碳-水玻璃制作的铸型中并制作标准的基尔试块。通过光谱分析测定刀圈的化学成分如表1所示。热处理在ZDXS2箱式炉中进行，执行表2中概述的热处理工艺。将所有试块置于室温下的熔炉中，并以100h-1的速率加热至所需温度。当试块达到所需温度时，计算保温时间。表1 刀圈的主要化学成分/wt%CSiMnCrNiMoVPSFe0.60 0.701.02.01.02.02.03.01.02.01.03.01.02.00.0200.020 Bal.表2 热处理参数试样 代号淬火液热处理工艺1油10502h，淬火+4004h空冷2油10502h，淬火+4504h空冷3油10502h，淬火+5004h空冷4油10502h，淬火+5504h空冷用标准夏比V形冲击试样测定冲击韧性，使用JB30A-30/15冲击试验机进行冲击韧性，取3次测量结果的平均值。用尺寸为（202020）mm的试样测定硬度，使用HRS-150数字洛氏硬度计进行硬度检测，取5次测量结果的平均值。使用Neo-phot 32光学显微镜和ZEISS GEMINI 300扫描电子显微镜（SEM）检查微观结构。用MXP21VAHF衍射仪对样品的物相进行X射线衍射分析。利用MMW-1A型万能摩擦磨损试验机对该钢进行了磨损试验，研究了其磨损行为。采用硬度为240HB的Q275A钢作为标准试样。将3个均匀分布在直径为46.15mm圆上的磨损试样压在硬度为62HRC的GCr15钢制成的圆盘上。试验压力为200N，主轴转速为400r/min，摩擦过程为干摩擦15min。在精度为0.0001g电子天平上测量试样的质量损失Gi。根据式（1）计算试样的相对耐磨性。值越大，试样的相对耐磨性越好。=GSS/GSP （1）式中 为试样的相对耐磨性；GSS和GSP分别为标准试样和试验试样的平均质量损失，g。2 结果分析2.1 合金钢的铸态组织和力学性能图1为合金钢的铸态光镜照片和电镜照片。从图中可以看出，合金钢的铸态组织主要由针状下贝氏体和初生碳化物组成。由于凝固过程不均匀，初生碳化物和合金元素出现明显偏析。初生碳化物附近的碳元素和合金元素浓度较高，且离碳化物越远，碳和合金元素的浓度越低。铸态钢的平均硬度为52.6HRC。a低倍b高倍图1 合金钢铸态金相照片2.2 热处理后合金钢的组织在1050下淬火后，试验材料在4个回火温度下的光学显微结构如图2和图3所示。图4、图5和图6分别为试样4的SEM、EDS和XRD分析结果。从这些图可以看出，回火后的显微组织由回火马氏体、初生碳化物和二次碳化物组成。一次碳化物为（V，Mo）C，二次碳化物为Fe3C。与铸态组织相比，在1050淬火后，一些初生碳化物分解并溶解到基体中，合金元素的偏析明显减少。随着回火温度的升高，碳和合金元素的偏析逐渐减少。当在550回火时，碳和合金元素的偏析完全消除，聚集的初生碳化物变成棒状并均匀分散在基体中（见图2和图3）。专题研究SPECIAL RESEARCH96 建筑机械a400回火b450回火c500回火d550回火图2 1050淬火后合金钢的低倍光镜组织 a400回火b450回火c500回火d550回火图3 1050淬火后合金钢的高倍光镜组织2.3 热处理后合金钢的性能回火温度对合金钢力学性能的影响如图7所示。在400550温度范围内回火，钢的硬度均超过58.0HRC，因此该钢的回火稳定性良好。回火后，部分初生碳化物分解并溶解在基体中，偏析合金元素也溶解在基体内，使淬火组织中的残余奥氏体转变为马氏体，有利于硬度的提高。在本文的试验范围内，在550回火时，钢的最高硬度为59.0HRC。在400550的回火温度范围内，回火温度对冲击韧性影响不大。随着回火温度的升CONSTRUCTION MACHINERY 972023/02总第564期高，试样的冲击韧性缓慢下降。图4 试样4的SEM显微照片2.4 热处理后合金钢的磨损性能选择硬度最高的试样4进行磨损试验，获得的数据如表3所示。试样4磨损表面的SEM微观结构如图8所示。与Q275A相比，试样4的相对耐磨性达到10.59，具有良好的耐磨性。从图8（a）（低倍率）可以看出，在正压力为200N的干摩擦条件下，试样4的磨损表面呈现大量细长沟槽。图8（b）（高放大率）中可见少量磨损碎屑。合金钢经1050淬火和550回火后的显微组织主要由马氏体、初生碳化物和二次碳化物组成。基体硬度高，韧性好，初生碳化物和次生碳化物硬度高，分布均匀。在干摩擦中，在摩擦热产生和载荷的联合作用下，磨损表面上有少量磨屑。在磨损过程中，由于碳化物具有较高的硬度，因此它可以抵抗磨削的侵入，并保护基体免受磨削的直接影响。同时，碳化物是孤立的，也需要基体的支撑，因此高硬度、高韧性的基体也有利于提高钢的耐磨性。在配对的压力和摩擦下，钢中的硬强化相由于硬度较高而逐渐从基体表面突出，并在摩擦过程中与配对直接接触。通常，实际摩擦接触表面的接触面积仅为整个表面面积的约0.1%。因此，在高载荷、高滑动速率的摩擦磨损实验中，试样表面微凸体接触点处的压应力可达到3000MPa以上，接触点处温度立即达到相变点以上。因此，摩擦表面上微凸体的接触点熔合，熔合点在随后的滑动过程中断裂并脱落。此时，在上下摩擦表面之间有掉落的硬磨屑，这些硬磨屑犁过表面，导致钢表面出现沟槽。b EDS分析结果 a SEM10510152025cps/eVElementMoFeCVSiCrTotal1002.093.215.718.2632.4948.245.615.5033.7228.5324.661.97100Wt.%Atom%23EnergykeV4567FeFeCrCrVVMoCSi50 nmaSEMb EDS分析结果 a SEM10510152025cps/eVElementMoFeCVSiCrTotal1002.093.215.718.2632.4948.245.615.5033.7228.5324.661.97100Wt.%Atom%23EnergykeV4567FeFeCrCrVVMoCSi50 nm图5 试样4的SEM和EDS分析结果20050100Inrensity/cps150200250303331221-Martensite/Fe-Cr12-Fe3C3-（V,Mo）C/VC4050607080902 /图6 试样4的XRD衍射结果 4005.05.56.0Impact toughness/J/cm26.545050055060.059.559.058.558.0Hardness/HRC57.557.0Temperature/HardnesImpact toughness图7 1050淬火后回火温度合金钢力学性能影响专题研究SPECIAL RESEARCH98 建筑机械a低倍b高倍图8 试样4的SEM磨损形貌表3 磨损试验结果磨损前 质量/g磨损前 质量/g磨损失重/g相对耐磨性Q275A6.94736.83430.10801.0Specimen 46.34746.33720.010210.593 结论（1）在1050淬火后，回火后的组织由回火马氏体、初生碳化物和二次碳化物组成。随着回火温度的升高，碳和合金元素的偏析逐渐减少。在550回火后，碳和合金元素的偏析完全消除，聚集的初生碳化物变成棒状并均匀分散在基 体中。（2）该钢具有良好的回火稳定性。在本文的试验范围内，在550回火时，钢的最高硬度为59.0HRC。在400550的回火温度范围内，回火温度对冲击韧性影响不大。随着回火温度的升高，试样的冲击韧性缓慢下降。（3）该钢在1050淬火和550回火后具有良好的耐磨性。在试验条件下，其耐磨性是Q275A钢的10.59倍。参考文献1杜彦良，杜立杰.全断面岩石隧道掘进机系统原理与集成设计M.武汉：华中科技大学出版社，2011.2张耘获，乐贵平，苏艺.盾构刀具的磨损及检测措施J.市政技术，2008，26（05）：416-419.3刘进志，智小慧，郭京波.盾构掘削刀具概述J.工程机械，2009，40（06）：50-54.4张照煌.全断面岩石掘进机盘形滚刀寿命管理理论及技术研究D.北京：华北电力大学，2008.5Hansen，A.Boreability Testing in Norwegian TBM TunnellingM.Trondheim：Norwegian Tunnelling Society，1998.6张照煌，李福田.全断面隧道掘进机施工技术M.北京：中国水利水电出版社，2006.7樊云昌，柴永模.全断面隧道掘进机刀圈材料及加工工艺 世界隧道J.1998（04）：22-24.8张占杰，刘朴，赵海峰，等.TBM滚刀刀圈材料性能的研究J.钢铁研究，2013（41）：15-19.9胡怡，顾红星，张国利.全断面隧道掘进机盘形滚刀用钢5Cr5MoSiV的研制J.特殊钢，2001，22（04）：47-48.10 胡怡.进口与国产盘形滚刀的性能对比与分析J.国外金属热处理，2001，22（04）：31-33.11 万毅.全断面隧道掘进机（TBM）切割圈的研制J.江西冶金，2002，22（05）：21-24.12 孙楠楠.TBM大直径盘形滚刀刀圈材料和热处理工艺及损耗规律研究D.石家庄：石家庄铁道学院，2008.13 文翠娥，孙培祯，谢长生，等.硅对GD钢下贝氏体组织形态及力学性能的影响J.钢铁研究学报，1993（03）：47-52.