TBM刀圈材料5Cr5MoSiV1力学及磨损性能研究.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中国铁建股份有限公司科技研发计划项目()作者简介:廖剑平()男湖北武汉人高级工程师主要研究方向为盾构施工技术:.引文格式:廖剑平.刀圈材料 力学及磨损性能研究.铁道建筑技术():.刀圈材料 力学及磨损性能研究廖剑平(中铁建华南建设(广州)高科技产业有限公司 广东广州)摘 要:全断面硬岩掘进机()滚刀服役于复杂地质环境中极易引起刀圈材料的磨损失效进而影响施工效率和成本因此选用合适的耐磨材料十分重要 为此针对新型刀圈材料 通过与传统刀圈材料 对比进行了冲击韧性试验和三体磨粒磨损试验并采用金相分析、硬度分析、微观形貌分析等方法检测了两种材料的冲击性能和耐磨性能探讨了材料的磨损特性和机理 结果表明:钢热处理后的洛氏硬度相比 钢高约.硬度提升约 相比 钢冲击韧性增加约./提升近 韧性增加十分显著 钢以严重的犁削和凿削为主 钢以轻微犁削和划伤为主且 钢磨损率相对 较高增加约.关键词:滚刀刀圈 钢 力学性能 磨损性能 冲击韧性 磨粒磨损中图分类号:.文献标识码:./.().):()./.:引言全断面硬岩掘进机()广泛应用于公路、铁路、地铁等诸多行业的隧道掘进工程中 滚刀服役于复杂地质环境用于切割岩石是一种易损耗的机械部件 滚刀刀圈磨损不仅影响施工速度还极大增加了施工成本 针对滚刀刀圈服役环境差、易磨损等特点国内外有关学者主要通过提高刀圈材料的耐磨性能达到延缓刀圈磨损的效果从而提高 施工效率()钢是美国牌号的优良性能模具钢在世界范围内各领域应用广泛根据目前市场国内外大多选用 材料制作滚刀刀圈 但 钢服役期间仍会出现耐磨性能不佳、刀圈失效过快等特点 针对这些问题主要通过材料表层改性和优化合金元素配比来改善材料的强韧性和耐磨性能 骆卫东通过激光淬火和离子渗氮表面改性技术相结合在 钢表层形成改性硬化层抗塑性变形能力和抗磨损能力显著提高 杨程等通过喷砂处理在 钢表面诱导塑性变形硬化层磨损机理由磨粒磨损和氧化磨铁道建筑技术 ()廖剑平:刀圈材料 力学及磨损性能研究损转变为黏着磨损和氧化磨损耐磨性能提升约 然而表面改性处理具有工艺复杂、成本较高、表层易开裂的特点容易在表层形成应力裂纹降低材料的服役性能 因此通过优化合金元素配比能有效提高延长材料的服役寿命提升材料冲击韧性并防止表层结构突变引起表层的开裂是提高材料耐磨和韧性强有力的途径 优化合金元素主要通过在钢中添加元素或优化元素配比来实现在基体组织内形成大量弥散质点加快非均匀形核抑制了晶粒生长起到了细化组织改善韧性的作用 本文针对新型刀圈材料通过与传统刀圈材料 对比进行了冲击韧性试验和三体磨粒磨损试验并采用金相分析、硬度分析、微观形貌分析等方法检测了两种材料的冲击性能和耐磨性能并重点探讨了材料的磨损特性和机理 试验部分.试剂材料与制备本试 验 采 用 的 材 料 为 钢 成 品 刀 圈 材 料(某进口刀具品牌)和国内研制生产的 钢其化学成分见表 钢采用热处理正交试验方法选取硬度和韧性的良好匹配 如图 所示为得到材料硬度与韧性良好匹配热处理工艺为:先升温至 保存 再升温至 保存 最后升温 保存 后淬火然后在 下回火 次 利用电火花线切割摩擦磨损测试和冲击韧性测试试样其尺寸分别为 和 利用磨床将切割后试样抛光至表面粗糙度().以下以备进行三体磨粒磨损试验和摆锤冲击试验表 与 钢化学成分(质量分数)材料.图 钢热处理工艺曲线.试验方法采用半自动冲击试验机(中国)进行冲击韧性测试重复测试 次 采用搭建了磨粒给料装置的硬质合金摩擦磨损试验机(中国)进行三体磨粒磨损试验 三体磨粒磨损试验装置如图 所示 对摩副采用退火态的钢轮根据硬质合金耐磨试验方法(/)钢轮材质选用 号碳素结构钢直径为 轮缘宽度为.旋转速度为 /磨粒给料装置所采用粒度约.的河砂流量为 /采用杠杆悬臂系统施加静载荷砝码质量为 轮间接触载荷为 在室温和大气环境下试验时间为 为避免随机误差每种试样开展 次重复试验以算术平均值作为对比结果 在试验前后均需用丙酮对试样进行超声波清洗至少 以备进一步表征图 三体磨粒磨损试验装置示意采用光学显微镜()观察 和 处理后微观组织 通过精度为万分之一克的电子分析天平(中国)称量并计算试样在磨损试验前后的质量差 磨损率()计算公式为:/()式中:是磨损质量()为测试距离()通过洛氏硬度计(中国)测试两种试样热处理后硬度 采用扫描电镜()观察试块表面磨损状态的微观结构并分析犁沟、凿坑等破损形貌同时利用能谱仪()分析磨损痕迹中各元素的分布状态 结果与讨论.和 金相组织分析图 所示为 钢和 显微金相组织铁道建筑技术 ()廖剑平:刀圈材料 力学及磨损性能研究由图 可以看出 钢金相组织由大量马氏体、少量残余奥氏体和未溶碳化物组成 马氏体分布较广主要以针状马氏体组成 部分区域马氏体形貌并不明显为“隐晶”马氏体其主要特点为基体内分布碳化物的整合组织 由图 可以看出 钢热处理后金相组织主要以马氏体和碳化物组成其中未溶碳化物较多 从表 可以看出 钢化学成分含有较多的 其原子半径略小于 原子半径 当 被取代并固溶在基体中时导致基体中原子不规则基体的晶格常数降低并伴随发生晶格畸变致使 在基体中的扩散速度严重减缓未溶碳化物向奥氏体的溶解转变过程也因此受到影响图 显微金相组织.和 力学性能分析图 所示为 和 钢热处理后洛氏硬度和冲击韧性 可以明显看出 钢的洛氏硬度相比 钢高约.硬度提升约 这说明热处理后 抑制碳化物的固溶 碳化物作为强化相能有效提高材料的硬度 并且 钢的洛氏硬度相比 钢分布不均匀这是由于内部金相组织分布状态所导致 钢中马氏体、奥氏体、碳化物呈现出分布不均匀的特点而 钢金相组织呈现出均匀分布的特点图 和 钢洛式硬度和冲击韧性从冲击韧性可以看出 相比 钢冲击韧性增加约./提升近韧性增加十分显著 金属元素分布不均匀会影响淬火过程中的组织转变进而影响金相组织的均匀程度力学性能也会严重降低 钢热处理后金相组织分布不均匀影响材料的耐冲击性能另一方面热处理后晶粒尺寸相对较大进一步降低了其冲击性能 钢热处理后马氏体、奥氏体、碳化物分布相对较均匀且奥氏体与碳化物尺寸更为细小从而导致材料耐冲击性能的提高.和 摩擦磨损性能分析图 所示为 钢和 磨损率 可以明显看出 钢磨损率相对 较高增加约.这说明 三体磨粒磨损性能相对较好 一般来说材料的耐磨性能与磨痕形貌关系密不可分 为进一步分析其中磨损机理做了 和 来解释磨损性能的差异图 和 钢磨损率图 所示为 钢和 钢扫描电镜()磨损形貌 图 所示为 钢磨损后磨痕形貌发现磨痕形貌中大量的犁沟、凿削坑和裂纹且磨痕表面嵌入白色颗粒物 从 元素分析上看(见图)白色颗粒物以、为主这说明摩擦过程中大量的河沙侵入磨痕表面 从 钢的磨痕局部放大图看(见图 左上方)磨痕表面犁沟呈现宽且深的特点并且犁沟边缘出现材料的堆积这说明 钢磨粒侵入较深进而增强摩擦副之间犁削作用 这同时会导致摩擦副之间剪切作用较强磨痕形貌出现垂直于摩擦方向的裂纹 图 所示为 钢磨损后磨痕形貌发现磨痕形貌中存在大量犁沟和白色颗粒且部分区域存在较小的凿削坑 从 钢的磨痕局部放大图看(见图 左上方)磨痕表面犁沟与 钢对比呈现出窄且浅的特点这说明磨粒在摩擦副之间侵入较浅对材料的去除作用较弱 因此 钢磨损过程中材料去除较少磨粒磨损相对较轻耐磨性能较好(见图)铁道建筑技术 ()廖剑平:刀圈材料 力学及磨损性能研究图 和 扫描电镜()磨损形貌及元素分析()结论()钢热处理后金相组织由大量马氏体、少量残余奥氏体和未溶碳化物组成 马氏体分布较广且晶粒分布不均匀部分区域粗大 钢热处理后金相组织主要以马氏体和碳化物组成且分布较均匀()钢的洛氏硬度相比 钢高约 硬度提升约 碳化相及其均匀分布能有效提高材料的硬度 相比 钢冲击韧性增加约./提升近 韧性增加十分显著()钢磨损后磨痕形貌以严重的犁削和凿削为主 钢磨损后磨痕形貌以轻微犁削和划伤为主 钢磨损率相对 较高增加约.钢耐磨性能明显提高参考文献 鲁雪 王思惟.携手奋进打造“地下航母”:隧道掘进机.长安大学学报(自然科学版)():前插 前插.刘晓丽 孙欢 董勤喜等.深埋引水隧洞极硬岩 掘进及辅助破岩技术.清华大学学报(自然科学版)():.()().:.周子龙 董晋鹏 王少锋等.硬岩隧道 施工中的典型掘进破岩难题与对策.中国有色金属学报 ():.:():.():.孙瑞雪 段文军 牟松等.盾构滚刀刀圈材料的冲滑复合磨损性能研究.摩擦学学报 ():.蒋金哲 王锴 郭浩等.新型 刀圈材料微观组织及耐磨性能研究.摩擦学学报 ():.骆卫东.钢激光淬火与渗氮复合处理改性层组织性能研究.兰州:兰州理工大学.杨程 张金虎 彭迎娇等.不同表面处理下 钢的高温摩擦磨损行为.塑性工程学报 ():.闫雪芳 向军淮 胡敏等.球墨铸铁表面改性技术及其耐磨涂层研究现状.热处理技术与装备 ():.():.陈杰.新冶炼工艺下 型钢的热处理工艺及组织性能研究.成都:西华大学.():.():.刘宗昌 计云萍.马氏体相变研究的最新进展(十二).热处理技术与装备 ():.铁道建筑技术 ()