Page 24 - 《摩擦学学报》2021年第1期

第 1 期 18 Volume percentage of 蒋金哲, 等: 新型TBM刀圈材料微观组织及耐磨性能研究 21

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造成H13与DB1钢磨损量差异之大的原因主要有
Volume percentage of primary carbide/% 14 8 6 4 Average size of 10.05 14 Average size of primary carbide/µm 物)含量不同. 刀圈钢与岩石间的摩擦可以看作是岩石
16
16
16.43
primary carbide
两个：一是两者基体硬度不同，二是两者硬质相(碳化
12
primary carbide
12
中的磨粒在岩石基体的支撑下对刀圈材料表面的刮
10
10
8
削行为，如果刀圈材料的基体硬度较高，则磨粒在刀
6
圈表面的贯入度就比较浅，对刀圈材料基体的刮伤程
4
度就比较低，反之亦然. 除此之外，刀圈材料中高硬度
2
2.09
1.81
0
0
−2
[18]
保护作用 . 刀圈钢基体组织主要以马氏体为主，马
H13 DB1 DC53 2 0 −2 碳化物可以阻碍磨粒对基体的刮削，对刀圈材料起到

Fig. 4 Volume percentage and average size of primary 氏体硬度取决于C元素含量，当C质量分数低于0.6%
carbide in experimental steels 时，马氏体硬度随C含量的增加而增加，当C质量分数
图 4 试验钢一次碳化物体积百分数及平均尺寸
超过6%时，马氏体硬度基本上达到峰值，由此看来，
含碳量较低(4%C)的H13钢刀圈材料基体硬度低于
出合金碳化物. 合金碳化物具有硬而脆的特点，一方
DB1钢(0.87%)，因此导致了H13钢较低的耐磨性. 由
面可以增加材料硬度和耐磨性，另一方面尺寸过大或
此看来，通过优化合金成分改善刀圈材料基体组织对
者数量过多的合金碳化物将会降低材料的冲击韧
[17]
性 ，因此对合金元素的优化和对碳化物尺寸数量的 刀圈耐磨性提高有重大意义.
材料的耐磨性不仅与其表面硬度有关，还与材料
控制是开发高强韧TBM刀圈材料的主要研究方向.
[19]
的冲击韧性有关 . TBM刀圈实际工作状况下，不仅
2.2 磨损性能及磨损形貌对比
与岩石发生磨粒磨损，而且还在滚动过程中发生不规
以TBM隧道掘进过程中常见的砂岩作为摩擦副，
律震动，因此对TBM刀圈性能的要求是在保证刀圈不
对三种不同性能的TBM刀圈材料进行耐磨性试验. 图5
发生脆断的前提下，进一步提高材料耐磨性. 由于实
为相同磨损条件下(转速100 r/min，磨损时间30 min)，
验室设备受限，不能在磨损试验过程中对试验材料加
H13、DB1、DC53三种不同成分及性能的TBM刀圈材
载不规律震动，因此出现了材料硬度越高，耐磨性越
料随载荷变化的磨损失重曲线. 由图5可以看出，随着
好的情况，但是在实际刀圈选材时，需要综合考虑实
载荷量的增加，三种刀圈材料的磨损失重均呈增加趋
验室所测耐磨性及材料的冲击韧性. 基于以上考虑，
势，其中H13钢磨损失重增长速率最快，DC53钢磨损
在三种试验材料中，DB1钢综合性能最佳.
失重增长速率最慢. 相同磨损条件下，硬度最低的
图6为相同磨损条件下(转速100 r/min，磨损时间
H13钢(HRC 56.3)磨损失重最大，为DC53钢的4~9倍，
30 min，载荷200 N)，H13、DB1和DC53三种刀圈材料
硬度最高的DC53钢(HRC 61.7)磨损失重最小. 综合力
与岩石对摩后的表面微观形貌. 从图6(a~b)可以看出
学性能较好的DB1钢刀圈材料磨损失重介于H13与
H13的磨损表面有大量的沿滑动方向分布的犁沟以及
DC53之间，并且不同载荷下，其磨损失重与DC53钢极
塑性变形产生的褶皱，同时还存在一定的微观断裂，
为相近.
这是由于H13钢基体硬度较低，并且缺少碳化物的保
16 H13 Steel 护，因此H13钢表面很容易受到磨粒的刮削；由图6(c~
14 DB1 Steel 15.6 d)可以看出，DB1钢的一次碳化物呈孤岛状裸露于磨
DC53 Steel 12 损表面，并且在一次碳化物前端积聚了大量二氧化硅
12
Wear loss/mg 10 9 岩石碎屑，这是因为DB1钢一次碳化物数量有限，不
8
能完全对基体起到保护作用，因此硬度较低的基体部
6
4.3 分磨损严重，致使碳化物凸显于基体之上. 从图6(e~
4
2.8
2 1.3 3.2 f)可以看出，DC53钢磨损表面存在非常细小的划痕，
1.6
1 且划痕深度较浅，磨损表面整体相对较为平整、光滑，
0
100 120 140 160 180 200
Load/N 因此耐磨性相对较好，这是由于DC53钢磨损面上的

Fig. 5 Wear of experimental steels under different load 一次碳化物尺寸较大且数量密集，并且在一次碳化物
图 5 相同磨损条件下试验钢随载荷变化的磨损失重 周围密集分布着尺寸较小的颗粒状碳化物，这些硬质