新型盾构机刀圈用6Cr5Mo2V钢力学性能研究

UoUGSl9U · 发表于 2019-7-19 15:46

新型盾构机刀圈用6Cr5Mo2V钢力学性能研究

燕云，冯淑玲，刘宝石，岳彩超，刘晓，蔡清

抚顺特殊钢股份有限公司技术中心（辽宁抚顺 113006)

【摘要】抚顺特钢通过非真空感应+电渣重熔、精快锻联合成材生产出新型盾构机滚刀刀圈材料6Cr5Mo2V钢，通过实验得到了 6Cr5Mo2V钢的淬火、回火曲线，研究了 6Cr5Mo2V钢的横向及纵向力学性能。结果表明，6Cr5Mo2V钢经1，100℃：泮火时硬度值最高，达到 63.9HRC。选择热处理工艺1，05℃：淬火、56(K：回火时硬度为57.7〜58.9HRC。6Cr5Mo2V 钢纵向屈服强度及抗拉强度数值均高于横向数值，其中横向抗拉强度达到2,262MPa,纵向抗拉强度达到2,290MPa,横纵比98.8%。该材料能够满足盾构机刀圈所需的力学性能要求。
关键词：盾构机；刀圈；力学性能；显微组织
1 引言
目前我国城市轨道交通行业发展如火如荼，特别是近几年一直保持快速发展的势头,而作为一种在地铁、铁路、公路、市政、水电等各隧道工程中广泛使用的机器，盾构机有着举足轻重的作用。而盾构机刀具作为其掘削系统的重要组成部分对盾构机的施工效果有着决定性作用。盾构机刀圈是盾构机破岩掘进的关键部件，在工作过程中与岩石表面直接接触，承受刀盘对它的推力和扭力，同时岩石对刀圈产生强烈的冲击与磨损作用。盾构机刀圈在掘进过程中比较容易损坏，刀圈材料的力学性能是盾构机稳定工作的前提与保证。
我国盾构机的研制起步较晚目前我国盾构机滚刀刀圈所使用的材料大多为H13钢（国标牌号 4Cr5MoSiVl),H13钢是应用最广泛的热作模具钢。具有较好的耐冷热疲劳性能和良好的耐磨性。在中温条件下具有很好的韧性。热处理变形小，热处理时产生氧化皮倾向小，而且可以抵抗熔融铝的冲蚀作用。但 H13钢在56HRC以上的高硬度下，其力学性能不能完全满足盾构机刀圈的使用要求，所以急需开发一种在较高硬度下具有高的力学性能的新型盾构机刀圈材料。
2 试验方案
抚顺特殊钢股份有限公司在通用型热作模具钢 H13的基础上，适当提高C、Cr、Mo等合金元素的含量，降低Si元素含量，生产出盾构机滚刀刀圈专用热作模具钢6Cr5Mo2V (见表1)。

本文中用于研究的6Cr5Mo2V钢锻制棒材生产工艺流程为:非真空感应炉冶炼电极—电渣重熔—快锻机开坯—精锻机成材—钢材退火。采用非真空感应+电渣重熔冶炼方法控制非金属夹杂物及减少成分偏析，采用3,150mN快锻机开坯+1,800mN精锻机成材的成型工艺，生产规格180mni成品圆钢。钢材退火后硬度HB <229，其化学成分、非金属夹杂物、低倍质量和超声波探伤满足相关标准要求。表2为 6Cr5Mo2V钢的非金属夹杂物级别(评级按ASTM E45 标准检验)。
从表2可以看出，通过非真空感应+电渣重熔冶炼工艺生产的6Cr5Mo2V钢中各类夹杂物粗系均为0级，氧化物、硫化物夹杂细系为1.0级，纯净度满足要求。

在180mm锻制圆钢头部切取横向及纵向试验料，进行力学性能研究。

UoUGSl9U · 发表于 2019-7-19 15:56

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3 试验结果及讨论
3.1 试验材料与试件
根据滚刀刀圈使用的工况条件和钢材的热处理特点，设计材料的热处理工艺为高温淬火加二次高温回火。高温淬火的目的是保证碳化物充分溶解，获得均匀的奥氏体组织。高温回火能够保证淬火应力的消除，通过析出小的碳化物产生二次硬化，保证滚刀具有高硬度和耐磨性，同时具有一定的韧性。
首先进行6O5M02V钢淬回火温度测定，选取 1,000〜1，120℃每隔20℃进行淬火试验，冷却介质为油。对淬火试样进行HRC硬度测试，硬度值61.6〜 63.9HRC,其中淬火温度为1，100℃时试样硬度值最高，达到63.9HRC。根据淬火硬度测试数值绘制 6Cr5Mo2V钢淬火曲线如图1所示。

根据实际情况选取1，060℃作为力学性能试样的萍火温度，试样经1，060℃：淬火后，在300℃:〜700℃之间进行12组回火试验。试样回火温度从300℃上升至530℃，试样硬度从55.6HRC升高至最高60.0HRC，然后随回火温度的升高，试样硬度迅速降低，回火温度700T时试样硬度值降低至36.4HRC。随着回火温度的提高，材料的组织发生转变，碳化物析出逐渐加剧，硬而脆的板条状回火马氏体逐渐向颗粒状的回火贝氏体和回火屈氏体转变'组织硬度下降，韧性提高。根据回火硬度测试数值绘制6Cr5Mo2V钢回火曲线如图2所示。

根据以上淬回火曲线测定结果，选取热处理工艺为1，050^淬火，560^回火，测试试样硬度为57.7〜 58.9HRC。
试验用6Cr5M02V钢力学性能试样均取自圆钢截面中心处。冲击试样尺寸为10x10x55mm,开2mmU型口（机加工的横截面尺寸公差为±0.10mm);拉伸试样尺寸为长度120mm(机加工的圆形横截面直径尺寸公差为±0.I0mm)。试样具体尺寸如图3和图4所示。

按GB/T 229规定检测冲击性能，按GB/T 228规定检测室温拉伸性能。采用NI500C型冲击试验机和INSTRON 4483型电子拉伸试验机检测试样力学性能。
3.2 试验结果
表3给出了 6Cr5Mo2V钢在57.8HRC下横向及纵向冲击功、屈服强度及抗拉强度数值。

从表3中的数据可以看出，6Cr5M02V钢因其较高的热处理硬度，横向冲击功数值较低，其中横向冲击功8.2J，纵向冲击功达到17.8J，横纵比46.1 %。
通过图5对比，在室温下6Cr5Mo2V钢纵向屈服强度及抗拉强度数值均高于横向数值，其中横向抗拉强度达到2,262MPa,纵向抗拉强度达到2,290MPa，横纵比98.8%，相比普通H13钢具有更高的强度，保证了盾构机在掘进过程中的连续工作能力及稳定性。

UoUGSl9U · 发表于 2019-7-19 16:00

3.3 显微组织
6Cr5Mo2V钢热处理前试样进行抛光，经4%硝酸酒精腐蚀1〜2s,使用金相显微镜在500倍下观察其显微组织，如图6所示。
6O5M02V钢退火状态下的组织主要为铁素体基体上分布片状及粒状珠光体，横向及纵向组织差别不大。在退火状态下6Cr5Mo2V钢组织较为均匀，基体硬度较低，适于切削加工。钢材的退火组织在一定程度上影响模具热处理后的组织与性能,因此控制钢材的退火组织形态极为重要。
将6Cr5Mo2V钢冲击试样进行拋光，经4%硝酸酒精腐蚀1〜2s,使用金相显微镜在500倍下观察其显微组织，如图7所示。

6Cr5Mo2V钢经过淬火加回火热处理之后，组织主要为回火马氏体、回火托氏体及部分剩余碳化物' 组织结构均匀，横向及纵向组织无明显差別，说明 6Cr5M02V钢具有优良的组织等向性。经淬火后的钢材硬度较高，韧性较差，通过回火处理，钢材硬度略有降低，韧性提高,具有良好的综合机械性能。
4 结论
(1)    抚顺特钢通过非真空感应+电渣重熔、精快锻联合工艺生产出新型盾构机滚刀刀圈材料 6Cr5Mo2V 钢。
(2)    6Cr5Mo2V钢经1，100T：淬火硬度值最高，达到63.9HRC。选择热处理工艺1，050尤淬火、560<1:回火时硬度为57.7〜58.9HRC。
(3)    6Cr5Mo2V钢纵向屈服强度及抗拉强度数谊均高于横向数值，其中横向抗拉强度达到2,262M Pa，纵向抗拉强度达到2,290MPa，横纵比98.8%。(4)    6Cr5Mo2V钢退火组织为铁素体基体上分布片状及粒状珠光体，热处理后的组织主要为回火马氏体、回火托氏体及部分剩余碳化物，组织结构均匀，横向及纵向组织无明显差别。

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