انتخاب مواد ابزار برشی TBM (دستگاه حفاری تونل) در درجه اول توسط ویژگیهای سایش لایههای زمین تعیین میشود (به عنوان مثال، «سایش ساینده با سختی بالا» در مقابل «سایش ضربهای» در سنگ سخت)؛ ملاحظه کلیدی، ایجاد تعادل بین «مقاومت به سایش با سختی بالا» و «مقاومت به شکست با چقرمگی بالا» است. ابزار برشی اصلی مورد استفاده در TBM، کاتر دیسکی است و مواد آن عمدتاً به مواد حلقه کاتر، مواد بدنه کاتر، مواد بلبرینگ و مواد سختسازی سطحی تقسیم میشوند که در زیر به تفصیل آمده است:
۱. جنس حلقه برش (جزء اصلی تحملکننده بار)
حلقه برش به طور مستقیم تحت فشار بالا و ضربات با فرکانس بالا از سنگ قرار میگیرد؛ بنابراین، جنس آن باید دارای سختی، مقاومت سایشی و مقاومت ضربهای بسیار بالایی باشد. مواد رایج شامل:
فولاد قالب کار گرم: به عنوان مثال، H13 (4Cr5MoSiV1) و گریدهای بهبود یافته آن (به عنوان مثال، Cr8Mo2SiV). با سختی از 55 تا 60 راکول C، این فولاد چقرمگی خوب و مقاومت در برابر سایش سرد و دمای بالا را ارائه میدهد؛ برای کاربردهایی که نیاز به سختی متوسط و شرایط زمینشناسی یکنواخت دارند، مناسب است.
فولاد قالب کار سرد: به عنوان مثال، DC53، DJ-1 و غیره. با سختی از 59 تا 62 راکول C و مقاومت سایشی استثنایی، این فولاد برای کاربردهای مربوط به سنگهای بسیار ساینده یا شرایط سنگ نرم مناسب است؛ مقاومت ضربهای آن از فولادهای قالب کار گرم معمولی فراتر میرود.
فولاد پرسرعت متالورژی پودر: به عنوان مثال، SAM23. در مقایسه با فولاد پرسرعت معمولی، استحکام، سختی، چقرمگی و مقاومت سایشی بالاتری را ارائه میدهد و برای محیطهای زمینشناسی پیچیده که با سختی بالا و سایش شدید مشخص میشوند، مناسب است.
آلیاژ سخت (کاربید تنگستن، WC): به عنوان مثال، کاربید تنگستن کاملاً زینتر شده (محتوای WC> 90%) یا «ماتریس فولاد آلیاژی با استحکام بالا + لایه تقویتشده با کاربید تنگستن.» سختی میتواند به HRC 60–65 برسد و مقاومت استثنایی در برابر سایش ساینده ارائه دهد؛ برای سنگهای بسیار سخت (مانند گرانیت) یا سازندهای زمینشناسی بسیار ساینده مناسب است.
مواد با عملکرد گرادیانی/کامپوزیت: به عنوان مثال، حلقههای برش با سختی گرادیانی (سختی لبه بالا همراه با چقرمگی عالی هسته) یا مواد پوششدادهشده با ریختهگری گریز از مرکز/ذوب (مانند فولاد H13 با ذرات کاربید تنگستن، یا لایههای کاربید تنگستن پوششدادهشده با لیزر/پلاسما روی سطح)؛ این مواد کامپوزیت عملکرد کلی را بهبود میبخشند و برای شرایط زمینشناسی پیچیده یا بسیار سخت مناسب هستند.
2. جنس تیغه (ساختار اصلی)
فولاد کمآلیاژ با استحکام بالا: به عنوان مثال، 40CrNiMo، 9Cr2Mo و غیره. این فولادها دارای چقرمگی کلی عالی (انرژی ضربه بالا) و استحکام هستند که آنها را قادر میسازد تا ضربههای اتفاقی از لایههای میانی سخت مانند شن را تحمل کنند و از ترک خوردن بدنه ابزار برش جلوگیری کنند.
۳. مواد بلبرینگ و آببندی (اجزای کمکی)
جنس بلبرینگ: فولاد بلبرینگ کروم کربن بالا (به عنوان مثال GCr15)، طراحی شده برای تحمل بارهای شعاعی و محوری منتقل شده توسط حلقه برش؛ همراه با روانکننده با دمای بالا برای تحمل دمای بالای تولید شده توسط اصطکاک روی دیسک برش.
جنس آببند: لاستیک نیتریل، لاستیک فلوئوری و غیره، برای جلوگیری از ورود پودر سنگ و ناخالصیها به بلبرینگ، در نتیجه تضمین عمر مفید بلبرینگ.
توجه: جنس ابزار TBM باید بر اساس شرایط زمینشناسی خاص (سختی سنگ، سایندگی و بارهای ضربهای) انتخاب شود تا به راندمان بهینه حفاری و عمر مفید ابزار دست یابد.