盾構(gòu)滾刀表面鎳基碳化鎢涂層磨損特性研究

盾構(gòu)機(jī)是一種用于暗挖隧道的工程機(jī)械，具有切削巖土、輸送巖渣和隧道襯砌等功能，是現(xiàn)有最先進(jìn)的隧道掘進(jìn)設(shè)備之一，盾構(gòu)機(jī)如下圖所示。盾構(gòu)法具有進(jìn)度快、土方量少、施工成本低、施工安全可靠、對周圍環(huán)境影響小、機(jī)械化自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

盾構(gòu)刀具是盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的主要消耗品之一，直接影響盾構(gòu)掘進(jìn)的成本和效率。

目前盾構(gòu)刀具生產(chǎn)制造技術(shù)被少數(shù)幾家國外企業(yè)壟斷，不僅刀具價格昂貴，生產(chǎn)周期也相對較長。盾構(gòu)滾刀是盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)破巖的關(guān)鍵部件，磨損為滾刀的主要失效形式，占比達(dá)80%以上，因此滾刀的刀圈表層必須具有高強(qiáng)度、高硬度和高耐磨的性能，同時兼具較好的韌性。

滑動是摩擦副的一種相對運(yùn)動和相互作用的摩擦學(xué)行為，也是盾構(gòu)滾刀服役時的典型磨損形式之一，研究滾刀材料在滑動模式下的摩擦磨損行為具有重要意義。

考慮到盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)不同時，滾刀受力不同可能會對滾刀磨損特性產(chǎn)生影響，本文結(jié)合滾刀在實(shí)際工況中的接觸應(yīng)力，設(shè)置不同法向載荷，以研究在不同法向載荷條件下，Ni-WC涂層與Si3N4陶瓷球滑動對磨時的摩擦磨損性能。揭示Ni-WC涂層在滑動工況下的損傷特性，并對比Ni-WC涂層和未經(jīng)涂層處理的基材在不同磨損階段的磨損性能。

往復(fù)滑動磨損試驗(yàn)過程中，Ni-WC 涂層的摩擦系數(shù)變化曲線如圖4-1所示。

可見在不同法向載荷條件下，Ni-WC 涂層在初期磨合階段的摩擦系數(shù)較低，隨磨損時間的增加，Ni-WC 涂層摩擦系數(shù)緩慢上升。一定循環(huán)次數(shù)后，涂層的磨損趨于動態(tài)平衡，摩擦系數(shù)較平穩(wěn)。

圖 4-5 為不同法向載荷條件下H13 鋼往復(fù)滑動磨損15000 次后的磨痕三維形貌圖和橫截面輪廓圖。

圖4-6為不同法向載荷條件下H13 鋼在往復(fù)滑動磨損后的微觀形貌

圖4-7為對磨屑粘附區(qū)域和無磨屑區(qū)域進(jìn)行EDS 能譜分析

小結(jié)：不同法向載荷條件下 H13 鋼表面均存在微觀切削，材料易被去除，且隨著法向載荷Fn 的增大，磨屑形成的三體層增多，H13 鋼表面的磨損形式越來越復(fù)雜，在三體層研磨作用和對磨球表面微凸體的擠壓作用下，H13 鋼表面還出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。

盾構(gòu)滾刀在實(shí)際服役過程中被反復(fù)磨損，不同磨損階段存在不同的磨損形式和損傷機(jī)理。

圖4-8 為兩種材料不同磨損階段的三維形貌，相比之下，在不同磨損階段H13 鋼的磨損都更加嚴(yán)重。隨摩擦次數(shù)的增加，Ni-WC 涂層表面的WC 顆粒僅被緩慢磨損，鎳基合金區(qū)存在少許剝落現(xiàn)象，而H13 鋼表面出現(xiàn)較多的犁溝，且溝槽與滑 動方向均勻一致。

圖 4-9 示出法向載荷Fn 為10 N 時Ni-WC 涂層和H13 鋼在往復(fù)滑動磨損后材料被去除的體積隨磨損次數(shù)的變化規(guī)律?？捎^察出不同磨損階段Ni-WC 涂層的磨損體積都小于H13 鋼，且Ni-WC 涂層在往復(fù)磨損的整個過程中磨損體積的增長速度相對緩慢。因此Ni-WC 涂層的耐磨性和穩(wěn)定性都明顯優(yōu)于未經(jīng)涂層處理的基材。

為進(jìn)一步對比 Ni-WC 涂層和H13 鋼的往復(fù)滑動損傷機(jī)理，對不同磨損階段的磨損微觀形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4-10所示。對比不同磨損階段可以推測出兩種材料損傷演變過程，Ni-WC 涂層在磨損初期幾乎無磨損，隨著磨損次數(shù)的增加，WC 顆粒表面逐漸出現(xiàn)微裂紋。

H13 鋼的材料硬度較低，在磨損初期摩擦表面易被擦傷或犁削，生成較多磨屑且不易排出，形成三體層使材料表面磨損更加劇烈，隨著磨損次數(shù)的增加，H13 鋼表面還出現(xiàn)槽狀磨痕和剝落。

Ni-WC涂層是由鎳基合金和球型WC顆粒組成的復(fù)合涂層，WC顆粒硬度較高，硬度是抗磨材料的基本前提，在服役過程中機(jī)械零部件硬度需超過對磨材料硬度或至少達(dá)到其80%，否則耐磨性不足，因此WC顆粒對提高涂層耐磨性有重大作用。

圖4-11為不同法向載荷下，分別與Ni-WC涂層和H13鋼對磨的Si3N4陶瓷球的磨損形貌。隨著載荷的增大，與Ni-WC涂層對應(yīng)的對磨球磨損面積逐漸增大，由于鎳基合金與WC 顆粒的協(xié)調(diào)變形，使WC顆粒的剛性減小，不至于因局部接觸應(yīng)力過大而擦傷表面。

為更直觀的對比 Ni-WC 涂層和H13 鋼的往復(fù)滑動磨損特性，圖4-12 示出了兩種材料的磨損過程的示意圖。

Ni-WC涂層的往復(fù)滑動磨損呈周期性特征。

磨損初期：凸出的WC顆粒作為主要接觸平臺，可以有效的阻隔磨粒對鎳基合金區(qū)的切削。

磨損中期：凸出的WC顆粒中上部經(jīng)過長時間的磨損后，高度逐步下降，與鎳基合金區(qū)逐漸平齊，當(dāng)鎳基合金區(qū)的材料被快速去除后，涂層磨損區(qū)域自動恢復(fù)到高WC低鎳基合金組合的結(jié)構(gòu)，開始下一周期的磨損。

相比之下，H13 鋼材料硬度較低，在磨損過程中被迅速去除，且在磨損區(qū)域留下較深的犁溝痕跡，而產(chǎn)生的磨屑在界面反復(fù)移動，發(fā)生了嚴(yán)重的三體磨粒磨損，加速磨損表面的疲勞或剝落。

1. Ni-WC 涂層的滑動磨損受法向載荷Fn的影響較小，往復(fù)滑動磨損穩(wěn)定性較好，隨法向載荷Fn的增加，WC顆粒表面材料被去除的速度加快，磨損機(jī)理也發(fā)生由磨粒磨損向疲勞磨損、磨粒磨損等復(fù)雜形式的轉(zhuǎn)變。

2. 法向載荷Fn對H13 鋼的滑動磨損行為明顯影響。法向載荷Fn為5 N時材料表面磨損穩(wěn)定性較好。法向載荷Fn為10 N和20 N時，H13鋼表面的磨損表現(xiàn)出較大的不穩(wěn)定性。

3. Ni-WC 涂層往復(fù)滑動過程中主要受到二體磨粒磨損，主要損傷形式為剝落。H13鋼主要受到二體磨粒磨損、三體磨粒磨損，損傷形式主要為犁削和剝落。

4. 對比兩種材料，Ni-WC涂層的耐磨性和穩(wěn)定性都明顯優(yōu)于未經(jīng)涂層處理的基材，其高WC 低鎳基合金結(jié)構(gòu)在磨損過程打斷磨粒對材料的連續(xù)切削，同時使大部分的磨屑滯留在較低的鎳基合金區(qū)，減少材料的三體磨粒磨損。

《盾構(gòu)滾刀表面鎳基碳化鎢涂層磨損特性研究》

西南交通大學(xué)-李貞