岩石掘进机盘形滚刀刀圈材料耐磨性研究_吕良和.pdf
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1、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
2、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
3、,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
4、、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6
5、Cr2SiMnNiMoV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。
6、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/
7、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
8、,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
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