Page 21 - 《摩擦学学报》2021年第1期

18 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

刀圈的主要失效形式为磨损和断裂，刀圈失效对TBM 表 1 试验材料化学成分(质量百分数)
[4]
施工成本、掘进效率有重大影响 . 因此开发具有高硬 Table 1 Chemical composition of experimental steels
(weight fraction)
度、高韧性、高耐磨性的新型TBM刀圈材料对于未来
Steel w(C)/% w(Si)/% w(Mn)/% w(Cr)/% w(Mo)/% w(V)/%
TBM行业的发展非常关键. 近年来，国内外学者在TBM
H13 0.41 1.2 0.35 5.1 1.2 0.9
[5]
刀圈强韧型、耐磨性方面做了大量研究. 陈欢 、唐欢 DB1 0.87 1.02 0.44 7.67 2.01 0.24
[6]
[7]
等 和燕云等 在H13钢基础上提高C元素含量开发出 DC53 1.01 0.96 0.32 8.08 2.0 0.26
的5Cr5MoSiV1、H13E型刀圈材料，洛氏硬度较H13钢
岩的抗压强度为别为80、150和200 MPa. 三种岩石材
[8]
[9]
提高了HRC2~3. 韦家波等 、陈欢等 和贾慈力等 [10]
[14]
对H13、DC53型刀圈的热处理工艺做出了详尽的研 料的矿物种类列于表2中 .
1.2 试验方法
[11]
究，一定程度上改善了刀圈材料的强韧型. 夏毅敏等 、
[12]
[13]
Lin等 和Zhang等 对TBM刀圈的磨损机理做了深 热处理后将试样用线切割机加工成10 mm×10 mm×
55 mm的夏比U型缺口冲击试样，采用JBN-300B摆锤
入研究，发现随着刀圈硬度的增加，刀圈磨损机制由
式冲击试验机测定材料冲击性能；并通过线切割机加
显微切削去除向韧性断裂剥落去除转变.
以上关于TBM刀圈材料的研究一方面在改进刀 工成15 mm×15 mm×15 mm的金相试样块，采用HRS-
圈材料强韧性方面还不够充分，另一方面关于刀圈强 150型数显洛氏硬度计测定材料硬度；金相试样采用
韧型与耐磨性的综合性研究还比较少. 本文作者在常 4%的硝酸酒精腐蚀，用OLYMPUS DSX-500金相显微
用H13、DC53型TBM刀圈材料基础上通过优化合金元 镜进行金相观察和分析；用Zeiss Ultra Plus场发射扫
素开发出一种综合力学性能更好的新型TBM刀圈材 描电镜(SEM)观察试样微观组织和断口形貌，并进行
料DB1，对比研究了新型刀圈材料DB1与H13、DC53 能谱分析(EDS)；使用Image pro plus软件统计材料组
钢微观组织及力学性能的差异，同时对三种刀圈材料 织中碳化物平均尺寸及含量.
的磨损性能及磨损形貌进行充分研究，另外还对DB1 采用MMU-10G型摩擦磨损试验机对材料进行磨
与岩石的匹配性做了初步探究. 损试验. 用线切割将刀圈材料加工成φ5 mm×15 mm的
圆柱试样销，装于上摩擦副中，加载一定的载荷和扭
1 试验部分
矩，使试样销在岩石面上进行滑动摩擦，利用FA2204B
1.1 试验材料及制备 电子天平(0.000 1 g)准确测量并记录磨损前后试样销
试验材料H13、DC53钢来自中铁工程装备集团隧 的质量.
道设备制造有限公司生产的TBM刀圈；DB1钢成分为
2 结果与讨论
自主设计，用200 kg真空感应炉冶炼并浇铸成钢锭，钢
锭经三墩三拔锻造成直径为90 mm的钢棒，始锻温度 2.1 微观组织及力学性能分析
1 050 ℃，终锻温度850 ℃，锻造比2.63. 三种材料化学 图1为三种试验钢的洛氏硬度及冲击功对比结果.
成分列于表1中. 将H13、DB1和DC53钢进行相同的淬 从图1中可以很直观地看出C、Cr含量较低的H13钢刀
火及回火处理，热处理工艺为1 020 ℃保温60 min油 圈材料硬度最低，但冲击功是另外两种钢的2~5倍.
淬，520 ℃保温30 min空冷，回火3次. DC53钢刀圈材料冲击功最低. 新型DB1钢在保持洛氏
摩擦磨损试验用到的岩石摩擦副有砂岩、大理石 硬度与DC53大致相同的情况下冲击功较DC53钢提高
和花岗岩. 将每种岩石加工成直径50 mm、高度100 mm 了97.2%，综合力学性能最佳.
的圆柱体，采用MTS-H20型微机控制电液伺服压力试 为了进一步研究造成三种试验钢力学性能差异
验机对试样进行压缩试验，测得砂岩、大理石和花岗 的原因，对试验钢的冲击断口形貌进行了扫描电镜及

表 2 岩石矿物成分
Table 2 Rock mineralogical compositions

Granite Marble Sandtone
38% plagioclase，Size 0.1~3.6 mm；25% K-feldspar，Size 0.1~3.2 mm；5% 98% calcite， 12% sand debris，Size 0.05~0.6 mm；30% plagioclase，Size
albite，Size 0.1~1.2 mm；18% quartz，Size 0.05~1.2 mm；5% hornblende， Size 0.05~1.2 0.05~0.4 mm；12% K-feldspar，Size 0.05~0.4 mm；35% quartz，
Size 0.02~3.0 mm；2% calcite，Size 0.01~0.3 mm；7% others mm；2% others Size 0.05~0.7 mm；1% calcite，Size 0.01~0.05 mm；10% others