Erstellt 08.21

Einführung in die Materialien von TBM-Schneidwerkzeugen

Die Auswahl der Werkzeugmaterialien für TBM-Schneidwerkzeuge (Tunnelbohrmaschinen) wird in erster Linie durch die Verschleißeigenschaften der Gebirgsschichten bestimmt (z. B. „Verschleiß durch hohe Härte und Abrasivität“ gegenüber „Schlagverschleiß“ im harten Gestein); der entscheidende Gesichtspunkt ist die Abwägung zwischen „hoher Härte und Verschleißfestigkeit“ und „hoher Zähigkeit und Bruchfestigkeit“. Das Kernschneidwerkzeug einer TBM ist der Scheibenmeißel, und seine Materialien werden hauptsächlich in Meißelringmaterial, Meißelkörpermaterial, Lagermaterial und Oberflächenhärtungsmaterial unterteilt, wie im Folgenden detailliert beschrieben:

1. Schneidringmaterial (Kernlasttragende Komponente)

Der Schneidring ist direkt hohem Druck und hochfrequenten Stößen durch das Gestein ausgesetzt; daher muss sein Material eine extrem hohe Härte, Verschleißfestigkeit und Schlagzähigkeit aufweisen. Häufige Materialien umfassen:

Warmarbeitsstahl: z. B. H13 (4Cr5MoSiV1) und verbesserte Sorten (z. B. Cr8Mo2SiV). Mit einer Härte von 55 bis 60 HRC bietet dieser Stahl gute Zähigkeit sowie Beständigkeit gegen Kalt- und Hochtemperaturverschleiß; er eignet sich für Anwendungen, die mittlere Härte und gleichmäßige geologische Bedingungen erfordern.

Kaltarbeitsstahl: z. B. DC53, DJ-1 usw. Mit einer Härte von 59 bis 62 HRC und außergewöhnlicher Verschleißfestigkeit eignet sich dieser Stahl für Anwendungen mit stark abrasivem Gestein oder weichen Gesteinsbedingungen; seine Schlagzähigkeit übertrifft die herkömmlicher Warmarbeitsstähle.

Pulvermetallurgischer Schnellarbeitsstahl: z. B. SAM23. Im Vergleich zu herkömmlichem Schnellarbeitsstahl bietet er höhere Festigkeit, Härte, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit und eignet sich daher für komplexe geologische Umgebungen, die durch hohe Härte und starken Verschleiß gekennzeichnet sind.

Hartmetall (Wolframcarbid, WC): z. B. vollständig gesintertes Wolframcarbid (WC-Gehalt > 90 %) oder eine „Matrix aus hochfestem legiertem Stahl + Verstärkungsschicht aus Wolframcarbid.“ Die Härte kann HRC 60–65 erreichen und bietet außergewöhnlichen Widerstand gegen abrasiven Verschleiß; es eignet sich für extrem harte Gesteine (z. B. Granit) oder stark abrasive geologische Formationen.

Gradientenleistung/Verbundwerkstoffe: z. B. Schneidringe mit Gradientenhärte (hohe Kantenhärte kombiniert mit ausgezeichneter Kernzähigkeit) oder zentrifugal gegossene/schmelzbeschichtete Materialien (z. B. H13-Stahl mit Wolframcarbid-Partikeln oder oberflächlich laser-/plasmabeschichtete Wolframcarbid-Schichten); diese Verbundwerkstoffe verbessern die Gesamtleistung und eignen sich für komplexe oder extrem anspruchsvolle geologische Bedingungen.

2. Klingenmaterial (Hauptstruktur)

Niedriglegierter hochfester Stahl: z. B. 40CrNiMo, 9Cr2Mo usw. Diese Stähle besitzen eine ausgezeichnete Gesamtzähigkeit (hohe Schlagenergie) und Festigkeit, sodass sie versehentliche Stöße durch harte Zwischenschichten wie Kies aushalten und ein Reißen des Schneidwerkzeugkörpers verhindern können.

3. Lager und Dichtungsmaterialien (Hilfskomponenten)

Lagermaterial: Wälzlagerstahl mit hohem Kohlenstoff- und Chromgehalt (z. B. GCr15), ausgelegt für die Aufnahme sowohl radialer als auch axialer Lasten, die vom Schneidring übertragen werden; gepaart mit Hochtemperaturschmierstoff, um den hohen Temperaturen standzuhalten, die durch Reibung an der Schneidscheibe entstehen.

Dichtungsmaterial: Nitrilkautschuk, Fluorkautschuk usw., verwendet, um Gesteinsmehl und Verunreinigungen vom Eindringen in das Lager abzuhalten und so die Lebensdauer des Lagers zu gewährleisten.

Hinweis: Das Werkzeugmaterial der TBM sollte basierend auf den spezifischen geologischen Bedingungen (Gesteinshärte, Abrasivität und Schlagbelastungen) ausgewählt werden, um eine optimale Vortriebseffizienz und Werkzeuglebensdauer zu erreichen.

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