材料成分與顯微組織對盾構機刀盤耐磨板性能的影響

狄曉紅，尚 勇，趙云沖

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

盾構機在掘進過程中刀盤前端面會接觸各種巖性地質，長時間承受各類巖片、泥沙等的沖刷、磨損，需要在刀盤表面焊接一層復合耐磨鋼板對刀盤進行保護，提高刀盤的使用壽命。盾構刀盤用復合耐磨鋼是在Q345鋼板上通過藥芯焊絲堆焊的方式形成的高鉻鑄鐵堆焊層［1-2］，這些復合耐磨鋼板在與不同地質條件接觸時，有可能會發(fā)生快速磨損或者大面積脫落。為了提高耐磨復合鋼板的使用壽命，研究盾構復合鋼板耐磨層的耐磨性能與堆焊材料和耐磨相的關系十分必要，以更好地保護刀盤的主體結構，從而提高掘進效率。

1 試驗過程及方法

在與刀盤同質材料10mm厚的Q345鋼板上堆焊4種不同成分的耐磨層，完成總厚度20mm的復合鋼板的制作。利用直讀光譜儀測定化學成分，用DK7732AZ電火花線切割在耐磨復合鋼板上切取55mm×15mm×5mm的磨損試樣，20mm×20mm的金相試樣，30mm×30mm的硬度試樣，經(jīng)磨床處理。將硬度塊打磨后在HR-150A型洛氏硬度計上進行測量，結果取10個測試點的平均值；金相試樣經(jīng)打磨拋光處理后，用體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，在DM2700M型光學顯微鏡上進行顯微組織觀察；試樣要經(jīng)過超聲波清洗機清洗、干燥箱烘干、萬分之一天平稱重處理后質量記為M1，用振篩機篩選2～5目石英砂和5～10目的砂巖粗顆粒分別在MDL-10型動載磨料磨損試驗機上轉速試驗8h，試驗完成后再次對試樣進行清洗、烘干、稱重后質量記為M2，然后計算出磨損失重率∑（M1-M2）/M1。

為了更準確地體現(xiàn)耐磨板在真實環(huán)境下的耐磨性能，以地質多為砂巖、泥巖的我國西南地區(qū)為例，在同一復合盾構刀盤上的不同直徑位置，焊接不同成分、相同厚度的耐磨板，在完成階段掘進任務出井時，對磨損后的平均高度進行測量，對比耐磨性能。

2 試驗結果及分析

2.1 化學成分

測定化學成分如表1所示，4種耐磨層的主要區(qū)別主要集中在Cr和Si元素含量的變化。

表1 4種耐磨鋼板的耐磨層化學成分

2.2 硬度

對不同的試樣進行洛氏硬度檢測，結果如表2所示，試樣C-3、D-4的硬度明顯高于A-1、B-2，對比化學成分中的主要變化Cr元素含量，得到如圖1所示。

表2 不同廠家樣品硬度檢測結果

圖1 Cr添加量與堆焊層硬度的關系

2.3 顯微組織及維氏硬度

不同試樣的顯微組織如圖2所示。L為萊氏體，K為一次合金碳化物，呈六角形或條狀，K＇為共晶碳化物，G為石墨，A為奧氏體，M為馬氏體。顯微組織均為共晶或過共晶的萊氏體組織，4個試樣中碳化物分布狀態(tài)差別較大，但試樣A-1凝固萊氏體組織的枝晶明顯，碳化物連成網(wǎng)狀，分布于枝晶間，在碳化物集中區(qū)域還有一定的黑色相，經(jīng)分析為石墨，組織判定為：L（K＇+（M+A））+G；試樣B-2的組織，基體為馬氏體組織中沿著堆焊方向規(guī)律排布著亮白色的花瓣狀共晶碳化物組織，組織判定為：L（K＇+M），無黑色的石墨C發(fā)現(xiàn)，可能原因是Si元素的存在，影響了C形成碳化的傾向性；試樣C-3作為耐磨相的共晶碳化物分布均勻，相對細小，且邊界圓潤，組織判定為：L（K＇+（A+M））；試樣D-4為萊氏體及粗大的六邊形一次碳化物，硬質相呈六角形，中間有空洞，這是典型的（Cr，F(xiàn)e）7C-3碳化物［3］，萊氏體與試樣C-3組織相似。通過維氏硬度儀，測量了試樣不同組織的硬度分布如表3所示。作為主要耐磨相為高硬度的共晶碳化物或一次合金碳化物，而硬度稍低的馬氏體和奧氏體組織起到支撐作用。與表2的宏觀硬度對比，試樣B-2比試樣A-1可能因耐磨相的硬度更高，總體硬度有所提升，分析與化學成分中C元素和Cr元素增加，而試樣A-1中部分C元素以石墨形式存在未起到強化作用有關；試樣C-3總體硬度最高，而試樣D-4雖然有高硬度的一次合金碳化物（Cr，F(xiàn)e）7C-3，但與基體組織硬度差別較大，與兩相硬度較為均衡的試樣C-3相比，總體硬度低些。

圖2 各試樣顯微組織形態(tài)

2.3 磨損性能

從圖3中可以看出耐磨材料在石英砂中要比砂巖中相對耐磨一些，試樣C-3在2種磨料中磨損性能均為最好。從組織上看，試樣C-3中的組織最為均勻，兩相之間的微觀硬度差最小，綜合硬度最高。但硬度同樣超過60HRC的過共晶組織的試樣D-4具有最高硬度的一次合金碳化物，其耐磨性能卻最差，原因為堆焊層基體由大量馬氏體、鐵鉻固溶體和少量奧氏體所組成，本身就具有較高的硬度和較低的韌性。Cr7C3、Cr23C6等鉻碳化合物硬質相的適量形成雖然能在一定程度上幫助提高堆焊層組織的硬度和耐磨性，但過量的碳化物會將本來就韌性不高的基體組織割裂，使晶粒間的聯(lián)接程度降低，從而進一步降低基體韌性，不利于材料在沖擊條件下的耐磨性［4］。這也說明高Cr耐磨復合鋼板的耐磨性與材料硬度關系密切，但不是線性關系［5］，與顯微組織中材料耐磨相形貌及分布狀態(tài)直接相關［6］。要避免C元素在材料中以石墨形式存在，只有參與固溶強化或者形成耐磨相，才能起到耐磨效果［7-8］。

表3 金相組織及顯微硬度結果

圖3 在2種磨料中磨損失重對比

2.4 應用效果

為了更準確地體現(xiàn)耐磨板在真實環(huán)境下的耐磨性能，在同一復合盾構刀盤上的不同直徑位置焊接了不同成分、相同厚度的耐磨板。忽略不同旋轉速差別的微小影響，又因為整個刀盤的開挖軸線距離相同，刀盤轉速也相同，因此，耐磨板掃過的距離僅與半徑相關，所以可以用磨損高度/安裝半徑即ΔV=ΔH/R計算單位摩擦距離的磨損量來表征不同耐磨層的耐磨性。耐磨板的安裝位置及磨損數(shù)據(jù)見表4、圖4，工程試驗的耐磨性與試驗室對比結果基本一致。

表4 在刀盤不同半徑焊接20mm厚耐磨板磨損結果

圖4 工程試驗結果

考慮到對于復雜的盾構機刀盤外部的服役條件，磨粒尺寸變化比較大，可能是顆粒較細的磨粒，也可能是巖片，甚至較大尺寸巖體沖擊，應選取綜合性能最好的共晶碳化物作為均勻、相對比細小，且周圍比較圓潤的理想組織。

3 結束語

（1）復合鋼板在亞共晶和共晶組織條件下，耐磨性與硬度基本成正相關的關系；過共晶組織下耐磨性能有所下降。

（2）就耐沖擊磨料磨損性能來講，以馬氏體強化的堆焊層比以高硬質相+軟性基體為主要過共晶組織的高鉻鑄鐵堆焊層差。

（3）對于復雜的盾構機刀盤外部的服役條件，磨?？赡苁穷w粒較細的磨粒，也可能是巖片，甚至較大尺寸巖體沖擊，選取綜合性能最好的共晶碳化物分布作為均勻、相對比細小，且周圍比較圓潤的理想組織。

（4）在以砂巖、泥巖為主的巖性掘進過程中，耐磨板的磨損率規(guī)律與實驗室采用粉狀石英砂和砂巖粗顆粒比較相近，因此可以在實驗室中模擬耐磨板在真實巖體掘進的磨損過程。

［1］ 劉政軍，李永奎，陳宏，等. 鐵基高溫耐磨堆焊焊條的設計［J］. 沈陽工業(yè)大學學報，2004，8（4）：382-384.

［2］ Sue J A，F(xiàn)ang Z G，White A C.Rock bit with wear and fracture resistant hard facing［P］. US. Patent：5921330，1999-07-3.

［3］ 劉政軍，張桂清，尹奕君，等．合金元素對鐵基耐磨堆焊合金性能的影響［J］. 焊接學報，2007，28（3）：69-72.

［4］ 趙梓淳，蘇允海，黃宏軍. 鉻碳化合物對Fe-Cr-C堆焊層組織耐磨性影響的研究［J］. Hot Working Technology，2015，44（15）.

［5］ 高萬振，劉佐民，高新蕾，等. 表面耐磨損與摩擦學材料設計［M］. 北京：化學工業(yè)出版社，2014.

［6］ 邵荷生，張清. 金屬的磨損與耐磨材料［M］. 北京：機械工業(yè)出版社，1988.

［7］ 陳華輝，邢建東，李衛(wèi). 耐磨材料應用手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［8］ R.B.Gundlaehand J.L.Parks：Influence of Abrasive Hardness on the Wear Resistance of High Chromium Irons［J］. WEAR，1978（46）：97-108.