盾构刀具用5Cr5MoSiV1钢的回火工艺

来源: 南昌大学机电工程学院材料加工作者: 闫洪

研究了盾构刀具用5Cr5MoSiV1钢不同加热温度回火和保温时间对其显微组织和力学性能的影响。结果表明:试验钢在500~650℃回火1.5h时,随着加热温度的升高,组织由板条状回火马氏体+残留奥氏体转变成等轴状回火索氏体+粒状碳化物,在550~600℃保温时出现二次硬化效应,且硬度在600℃左右时达到峰值,试验钢的冲击韧性随回火温度的升高而不断增强;600℃回火保温1~2.5h时,马氏体随保温时间延长而不断分解,最终转变为保持马氏体位向的回火索氏体,试验钢的回火硬度随保温时间的延长而降低。为了使试验钢在回火后获得较好的强韧性配合,较佳的回火工艺为600℃×2h。

在地铁、隧道等地下工程的施工中,盾构法是目前应用最为广泛的施工方法之一。在用盾构法进行隧道施工时,主要是通过盾构机刀盘上的刀具对前方土体进行切削。由于山体岩石的高强度、高硬度以及地质条件的复杂性,使刀具工作在强挤压、大扭矩、强冲击、高磨损的恶劣工况下,经常会出现裂纹甚至断裂等缺陷,使其成为掘进过程中最易损坏的零部件,严重影响了施工效率,致使其费用占到整个施工成本的30%左右。当前,我国的盾构刀具产品与技术相对而言比较落后,目前主要依赖进口,其国产化率极低。因此,近年来许多研究机构和企业纷纷开展盾构刀具的研究试制工作,但大多数处于仿制阶段,产品存在强度低、耐磨性差、使用寿命短等问题,总体而言技术水平较低。针对国产刀具存在的问题,课题组旨在通过较为合理的淬火加回火的调质工艺,研发一种集较好强硬性、耐磨性、耐热疲劳性和韧性于一体的

盾构刀具。在前面淬火工艺研究的基础上,本文主要研究其回火工艺。回火工序作为控制材料的组织和性能的最后一道热处理工序,其工艺参数的制定不合理与上述缺陷的产生有很大关系。ZHANG等研究了热作工具钢在回火过程中的微观组织转变,表明碳化物的形态和大小受到回火条件的影响。YI等研究了回火工序对未淬火贝氏体钢微观组织和力学性能的影响,并获得了该钢的最佳回火温度。ZHAO等研究了回火温度对含镍量为9%的钢的微观组织和力学性能的影响,分析了不同回火温度条件下组织及性能转变的原因。MOHSEN等研究了4.5Cr-2W-0.25V钢的回火行为,探究了不同回火条件下的回火组织,着重分析了回火过程中析出碳化物的类型。QIN等研究了回火温度对00Cr16Ni5Mo不锈钢性能的影响,并探索出其最佳强韧性组合的回火工艺。张占平等研究了55NiCrMoV7钢回火组织特征与回火温度和时间的关系,探索出55NiCrMoV7热作工具钢回火过程组织的演化规律。

李继红等研究了回火温度对40CrNiMo7钢组织与性能的影响,确定了在不同回火温度范围处理后的组织和性能。5Cr5MoSiV1钢是制造盾构刀具的一种重要材料,但有关该钢的热处理相关研究少见报道。

本文主要研究回火加热温度和保温时间等工艺参数对5Cr5MoSiV1钢显微组织和力学性能的影响,并确定该钢的较佳回火工艺参数。

1、试验材料及方法

1.1、试验材料

5Cr5MoSiV1钢属于过共析钢,它是在4Cr5MoSiV1钢的基础上,通过提高钢中的碳含量开发而来的,其化学成分如表1所示。试验用钢采用中频真空感应炉进行冶炼,再经电渣重熔浇铸成75kg的铸锭,将铸锭锻造成60mm的圆棒料。采用线切割的方法从锻后的棒料上切取12mm×12mm×65mm的试样若干,回火前先对切好的锻材依次进行900℃×2h的球化退火处理和1050℃×30min的淬火处理(油淬),为回火做准备。试验钢经淬火处理后的组织如图1所示,主要为板条状马氏体,此外还有少量的针状马氏体、残留奥氏体和未溶碳化物存在。

表15Cr5MoSiV1钢的化学成分(质量分数,%)

5Cr5MoSiV1钢的化学成分

试验钢淬火态组织

图1试验钢淬火态组织

结论

1)5Cr5MoSiV1钢经1050℃淬火,在500~650℃回火保温1.5h时,随着回火温度的升高,组织由板条状回火马氏体+残留奥氏体转变成等轴状回火索氏体+粒状碳化物,其中碳化物的析出量随温度的升高而逐渐增加,且细小、均匀分布;试验钢存在明显的二次硬化效应,二次硬化峰值硬度(52.8HRC)出现在600℃左右回火时,试验钢的冲击韧性随回火温度的升高而不断增强;

2)5Cr5MoSiV1钢经1050℃淬火,600℃回火保温1~2.5h时,若保温时间过短,马氏体分解不完全,当时间延长至1.5h以上时,马氏体完全分解,试验钢获得保持马氏体位向的回火素氏体,且随着回火时间的延长,马氏体位向变得越来越不明显,粒状碳化物有聚集长大的趋势;试验钢的回火硬度随回火保温时间的延长而降低,经回归分析可得回火硬度H与回火保温时间t之间满足关系式H=58.93-4.16t,与回火温度相比,回火保温时间对试验钢的冲击韧性影响不明显;

3)为了使试验钢在回火后获得较佳的强韧性配合,较佳的回火工艺为600℃×2h。