Page 26 - 《摩擦学学报》2021年第1期

第 1 期 蒋金哲, 等: 新型TBM刀圈材料微观组织及耐磨性能研究 23

Carbide fracture Rock 1 (80 MPa) 49.2
Peeling pit 50
Rock 2 (150 MPa)
Rock 3 (200 MPa)
40
Wear loss/mg 30 24.1

Primary 20
carbide
10
4.9 9.3
6.4
4.1
0
0.3 0.5 1
2 μm 400 500 600 700 800
Load/N

Fig. 7 Cross-sectional microstructure of DC53 steel Fig. 8 Wear of DB1 steel against different compressive
图 7 DC53钢磨损截面微观组织 strength rocks
图 8 DB1钢与不同抗压强度岩石对磨时的磨损失重曲线
能，并且从磨损表面脱落的一次碳化物可能成为新的
[22]
磨粒，加剧材料的磨损消耗 . 压强度居中的2号岩石(150 MPa)体现出较低的磨损失
2.3 新型TBM刀圈材料DB1与岩石硬度匹配性 重，即DB1钢与抗压强度150 MPa的岩石匹配性较好.
影响TBM刀圈磨损性能的主要岩石性质包括岩 由于1号岩石单轴抗压强度较低，并且含有较高
石的抗压强度、硬质相石英含量. 岩石强度和石英含 的硬质矿物相(石英质量分数18%)，岩石对硬质矿物
[23] 相的支撑强度较低，在磨损过程中硬质矿物相容易从
量越高，岩石的耐磨性越强，刀具消耗越大 . 由图4
可知，DB1钢中碳化物平均尺寸为10.05 μm，由表2可 岩石中裸漏出来，尖锐的棱角对刀圈材料表面造成严
知，岩石中硬质矿物相的尺寸在0.01~4 mm之间，岩石 重刮削磨损，如图9(a~b)所示. 2号岩石虽然单轴抗压
矿物相整体尺寸较BD1钢中碳化物尺寸大，磨损过程 强度较高，但是岩相以硬度较低的方解石为主，方解
[24]
中主要发生岩石矿物相在DB1钢表面的持续刮削. 石的主要成分为碳酸钙，莫氏硬度为3左右 ，硬度较
图8为DB1钢刀圈材料在不同载荷下对不同抗压 低的方解石不足以对刀圈材料表面造成严重刮削，因
强度岩石摩擦副的磨损失重曲线. 以抗压强度较小的 此刀圈磨损表面比较平整，如图10(c~d)所示. 3号岩石
1号软岩(80 MPa)作为摩擦副时，随着载荷的增大， 单轴抗压强度最高，并且含有质量分数35%的石英，
DB1钢的磨损量急剧增加；以抗压强度为150 MPa的 岩石的耐磨性最强，由图9(c)可以看出，3号岩石的磨
2号中硬岩及200 MPa的3号硬岩作为摩擦副时，随载 损沟槽最浅，磨损过程中刀圈与岩石间粉化的岩石量

荷的增加DB1钢的磨损量上升幅度较小. 对比DB1钢 较少，并且岩石表面的硬质矿物相尖角被磨平，对刀
刀圈以岩石2和岩石3为摩擦副时的磨损失重可以看 圈材料表面的刮削程度较弱，因此刀圈的磨损量较小.
出，并非岩石抗压强度越高，材料的磨损失重就越大， 图10为800 N载荷下，DB1钢分别与抗压强度为
相比抗压强度最高的3号岩石(200 MPa)，DB1钢对抗 80、150和200 MPa岩石磨粒磨损后的表面层微观形

(a) (b) (c)

Fig. 9 Morphology of rock friction pair after wear under 800 N applied load
图 9 800 N外加载荷下磨损后岩石摩擦副的形貌