新型盾构机刀圈用6Cr5Mo2V钢力学性能研究

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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。
( V( v  v' m& b) Q9 i4 [, c关键词：盾构机；刀圈；力学性能；显微组织
1    引言
( O' I2 ]  `3 k: G8 Q. d8 X+ z    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。
" @9 ]' H6 e$ I/ q* l7 D    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)。
1 R; U2 y4 R3 f$ i2 b. g1 ^3 q    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。
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" i$ s) ^: [% x( ^3 q: `9 ?) \& e    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。
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3    试验结果及讨论
3.1    试验材料与试件
% ?: Q8 Q% @6 a. a8 Z- ?! E# J    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。
5 W- ~* }1 E. w8 U8 `    首先进行6O5M02V钢淬回火温度测定，选取 1,000&#12316;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&#12316; 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℃:&#12316;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&#12316; 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。
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& l& |- a1 g% W3 h2 k$ e4 m7 |, y    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。
" x+ W' j, s( w' Y, F3.2    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。

8 B, B8 s) @. w( p, p: [    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。



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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&#12316;2s,使用金相显微镜在500倍下观察其 显微组织，如图6所示。
! `- i6 X. W  F    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。
+ Y2 Y! g8 `0 R2 e    将6Cr5Mo2V钢冲击试样进行拋光，经4%硝酸酒 精腐蚀1&#12316;2s,使用金相显微镜在500倍下观察其显微组织，如图7所示。
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    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
$ g$ L6 b' l& j! ?% ?' c& J(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&#12316;58.9HRC。
4 [) Z6 k7 [* W- R4 W(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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