盾構(gòu)機(jī)刀具用合金鋼sdh55及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種合金材料及其制備方法，特別是涉及一種刀具用合金鋼及其制備方法，應(yīng)用于高耐磨高韌性合金鋼及其制造工藝技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]由于地球人口的增長和城市化進(jìn)程的加劇，人們把越來越多的目光聚焦到地下空間的開發(fā)與利用。這就極大地促進(jìn)了隧道及地下工程修建技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。在隧道及地下工程眾多的修建方法中，盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)以其機(jī)械化施工、對周圍環(huán)境影響較小等優(yōu)點(diǎn)在世界各國被廣泛應(yīng)用。盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)(簡稱“盾構(gòu)機(jī)”)是盾構(gòu)施工方法的主要施工機(jī)械，它實(shí)質(zhì)就是一個(gè)既可以支承地層壓力又可以在地層中推進(jìn)的活動(dòng)鋼筒結(jié)構(gòu)。根據(jù)地質(zhì)條件的變化，以及盾構(gòu)機(jī)械的發(fā)展與改進(jìn)，在鋼筒結(jié)構(gòu)的前端、中段、尾部以及盾構(gòu)后續(xù)部分與地面上，綜合配有各種不同的挖掘、頂進(jìn)、轉(zhuǎn)向、支護(hù)、排渣、襯砌、運(yùn)輸?shù)葯C(jī)械，形成一個(gè)完整的施工機(jī)械系統(tǒng)。
[0003]盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)表明，盾構(gòu)機(jī)刀具承受著來自地下土質(zhì)、水壓等持續(xù)和變化著的擠壓、沖擊、刮削等而產(chǎn)生強(qiáng)力磨損，當(dāng)沖擊力超過合金材料能承受的強(qiáng)度極限時(shí)則導(dǎo)致刀片崩裂。這對于作為承載主要切削作用的盾構(gòu)刀具材料性能提出了很高的要求。盾構(gòu)機(jī)刀具屬于易損件，需經(jīng)常更換，國外進(jìn)口刀具價(jià)格昂貴，且制作周期較長。當(dāng)前，我國的盾構(gòu)刀具產(chǎn)品與技術(shù)相對而言比較落后，目前主要依賴進(jìn)口，其國產(chǎn)化率極低。但是，由于國內(nèi)的需求快速增長且發(fā)展空間巨大，因此，近年來不少高校、研宄機(jī)構(gòu)和企業(yè)紛紛開展盾構(gòu)刀具的研宄試制工作，但其中大多數(shù)處于仿制階段，產(chǎn)品存在強(qiáng)韌性低、耐磨性差、使用壽命短等問題，總體而言技術(shù)水平較低，且都未實(shí)現(xiàn)大批量化生產(chǎn)。目前國內(nèi)最常用盾構(gòu)機(jī)刀具專用合金鋼為5Cr5MoSiVl。5Cr5MoSiVl化學(xué)成分質(zhì)量百分比為::C 0.4?0.55%，Si0.10-0.40%，Mn 0.10 ?0.30%，Cr 5.10 ?6.50%，Mo 2.20 ?3.00%，V 0.45 ?0.85%，余量為Fe和不可避免雜質(zhì)元素，雜質(zhì)元素中S彡0.005%，P彡0.010%。
[0004]但通過現(xiàn)場調(diào)研和施工反饋得知:5Cr5MoSiVl鋼并不能滿足盾構(gòu)機(jī)刀具關(guān)鍵的兩個(gè)性能，即高的耐磨性和優(yōu)良的沖擊韌性，使得盾構(gòu)機(jī)刀具壽命大大降低，不能滿足現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)刀具的服役要求。所以，自行研發(fā)集較好的強(qiáng)韌性、耐磨性于一體的盾構(gòu)機(jī)刀具，對于加快我國地鐵、鐵路隧道建設(shè)，提高我國的技術(shù)水平，降低建設(shè)成本、實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)刀具國產(chǎn)化等都具有重要意義，同時(shí)對提高國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)刀具的使用壽命，降低工程施工成本具有不可估量的前景，這已經(jīng)成為亟待解決的產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種盾構(gòu)機(jī)刀具用合金鋼SDH55及其制備方法，基于高耐磨高韌性盾構(gòu)刀具專用合金鋼種成份的優(yōu)化、組織控制、冶金質(zhì)量控制、鍛造工藝控制、供貨狀態(tài)及使用狀態(tài)的組織控制、應(yīng)用性技術(shù)等方面，本發(fā)明盾構(gòu)機(jī)刀具用合金鋼SDH55具有高耐磨高韌性，能顯著提高國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)刀具的使用壽命，降低工程施工成本，其制備工藝易于工業(yè)化，能有效扭轉(zhuǎn)國內(nèi)盾構(gòu)機(jī)刀具專用合金鋼仍需依賴進(jìn)口的局面，改善現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)刀具用鋼耐磨性差，韌性不足的現(xiàn)狀。
[0006]為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，采用如下發(fā)明構(gòu)思:
成分設(shè)計(jì):在目前常用盾構(gòu)機(jī)刀具用鋼5Cr5MoSiVl基礎(chǔ)上降低S1、Mn、V的含量，大大增加Mo的含量。Si有助于提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，但是Si易使鋼呈現(xiàn)帶狀組織，當(dāng)Si含量較高時(shí)，尤其當(dāng)Si重量百分比含量> 1.00%時(shí)，會(huì)增加鋼的回火脆性和脫碳敏感性，Si的固溶還會(huì)使得鋼的沖擊韌性降低，同時(shí)Si加入量過多，會(huì)使碳化物聚集的過時(shí)效速度增大，以至于難以控制，因此Si含量控制較低范圍。Mn溶入奧氏體中可以強(qiáng)烈地提高鋼的淬透性，但是含量過高有使晶粒粗化的傾向，會(huì)使沖擊韌性下降，同時(shí)鋼的偏析加重，因此Mn元素也不宜過高。V是強(qiáng)碳化物形成元素，能形成穩(wěn)定的VC，鋼在加熱至淬火溫度時(shí)，大部分V溶于固溶體，而在回火過程中溶入的V又以彌散分布的VC細(xì)小質(zhì)點(diǎn)析出，造成二次硬化。VC硬度高，彌散度大，因此可以顯著提高鋼的耐磨性；但V。含量過高會(huì)形成大量液析碳化物，很難消除，嚴(yán)重影響鋼的性能，因此，V含量應(yīng)適量。Mo可以細(xì)化晶粒，減少鋼的過熱傾向，同時(shí)提高鋼的強(qiáng)韌性，提高回火穩(wěn)定性、淬透性、耐磨性，同時(shí)在鋼中可以形成多種碳化物如MC、M2C、M6C，產(chǎn)生二次硬化。Mo含量太少時(shí)，鋼的二次硬化效應(yīng)會(huì)變的不明顯，會(huì)使鋼的穩(wěn)定性、抗熱裂性下降，因此，Mo含量可以增加到一個(gè)合適的范圍，以同時(shí)滿足高的強(qiáng)韌性、耐磨性。
[0007]根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種盾構(gòu)機(jī)刀具用合金鋼SDH55，以各合金組分元素的質(zhì)量百分含量計(jì)，合金化學(xué)成分由下列元素組成:C含量為0.4?0.55%，Si含量為0.10~0.40%，]^含量為0.10?0.30%，Cr含量為5.10?6.50%，Mo含量為2.20?3.00%，V含量為0.45?0.85%，其余合金組分為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素，其中雜質(zhì)元素中S含量< 0.005%，P含量< 0.01%。
[0008]作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，以各合金組分元素的質(zhì)量百分含量計(jì)，合金化學(xué)成分由下列元素組成:c含量為0.44?0.55%，Si含量為0.10-0.37%，Mn含量為0.15?
0.30%，Cr含量為5.18?6.24%，Mo含量為2.33?2.85%，V含量為0.55?0.82%，其余合金組分為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素，其中雜質(zhì)元素中S含量< 0.005%，P含量< 0.01%。
[0009]作為本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，雜質(zhì)元素中S含量< 0.004%，P含量彡 0.009%。
[0010]一種制備本發(fā)明盾構(gòu)機(jī)刀具用合金鋼SDH55的方法，包括如下步驟:
a.鋼錠冶煉:以盾構(gòu)機(jī)刀具用合金鋼SDH55的各合金原料組分元素的質(zhì)量百分含量進(jìn)行配料，合金化學(xué)成分由下列元素組成:C含量為0.4?0.55%，Si含量為0.10-0.40%，Mn含量為0.10?0.30%，Cr含量為5.10?6.50%，Mo含量為2.20?3.00%，V含量為0.45?0.85%，其余合金組分為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素，其中雜質(zhì)元素中S含量(0.005%，P含量< 0.01% ;配料后，將各合金組分原料放入電弧爐中進(jìn)行熔煉，然后進(jìn)行精煉，再經(jīng)過真空脫氣處理，最后澆注盾構(gòu)機(jī)刀具用合金鋼SDH55鋼錠，待用；
b.電渣重熔:以在所述步驟a中制備的盾構(gòu)機(jī)刀具用合金鋼SDH55鋼錠作為電渣重熔工藝的熔煉原料，在電渣重熔工藝中，采用的電壓為48~52V，電流為2800~3000A，熔速為10~14mm/min，熔池深度為50~60mm，電渣重熔工藝制備的電渣鋼錠采用熱送進(jìn)鍛造加熱爐進(jìn)行處理； C.高溫均質(zhì)化熱處理:將經(jīng)過在所述步驟b中鍛造加熱爐處理的鋼錠再加熱到1250?1280°C，并保溫15?20h進(jìn)行熱處理；
d.多向鍛造:對經(jīng)過在所述步驟c中熱處理的鋼錠進(jìn)行多向鍛造，使開鍛溫度為1100?1200°C，終鍛溫度800?900°C，控制總鍛造比大于6 ；
e.鍛后冷卻:鋼錠完成在在所述步驟d中的鍛造工藝后，再對鍛后鋼錠采用風(fēng)冷快速冷卻至 200~250°C ；
f.軟性退火:鋼錠完成在在所述步驟e中的冷卻過程后，再將鋼錠在820~840°C下退火12?14h，然后再使鋼錠隨爐冷卻，得到鋼鍛件毛坯；
g.超細(xì)化處理:將在所述步驟f中制備的鋼鍛件毛坯放入加熱爐中，加熱到1080?IlOO0C，保溫5~8h，然后將鋼鍛件毛坯放入水池進(jìn)行強(qiáng)制快冷，再對鋼鍛件毛坯進(jìn)行兩段式等溫球化退火，兩段式等溫球化退火工藝為:首先再820~840°C下保溫12~15h，然后爐冷至720~740°C下再保溫20~25h，再緩冷至室溫，最終得到盾構(gòu)機(jī)刀具用合金鋼SDH55。
[0011]作為本發(fā)明盾構(gòu)機(jī)刀具用合金鋼SDH55的制備方法優(yōu)選的技術(shù)方案，在所述步驟b中，電渣重熔工藝制備的電渣鋼錠的規(guī)格為Φ480mm。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn):
1.本發(fā)明合金鋼SDH55的制備方法是簡單的合金化，主要以Cr、Mo、V三種元素為主；其次，本發(fā)明考慮到實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用當(dāng)中，盾構(gòu)機(jī)刀箱與刀盤基體主要以焊接方式連接，故對其焊接性能提出了極高的要求，因此本發(fā)明針對性地降低了合金鋼中的Si含量，并將其含量控制在0.4%以下，保障了良好的焊接性能；
2.本發(fā)明合金鋼SDH55具有較低的Mn元素，使得該鋼具有高的強(qiáng)韌性配合，同時(shí)大大提高耐磨性，克服了目前最廣泛使用的國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)刀具專用合金鋼5Cr5MoSiVl強(qiáng)韌性和耐磨性低，使用壽命較低的這一技術(shù)難題；
3.本發(fā)明合金鋼SDH55相對傳統(tǒng)的5Cr5MoSiVl鋼加入兩倍含量的Mo，Mo在鋼中既能提高淬透性和熱強(qiáng)性，防止回火脆性；又能提高鋼的抗回火性或回火穩(wěn)定性，使零件可以在較高溫度下回火，從而更有效地消除或降低鋼中殘余應(yīng)力，提高鋼材塑性；還可以細(xì)化鋼晶粒，同時(shí)提高強(qiáng)度和韌性；此外Mo還能在滲碳層中降低碳化物在晶界上形成連續(xù)網(wǎng)狀的傾向，減少滲碳層中殘留的奧氏體，相對地增加了表面層的耐磨性；
4.本發(fā)明合金鋼SDH55結(jié)合了目前盾構(gòu)機(jī)刀具所需高耐磨性和高沖擊韌性兩大關(guān)鍵性能指標(biāo)，能顯著提高國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)刀具的使用壽命，降低工程施工成本，制備工藝易于工業(yè)化。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明實(shí)施例一盾構(gòu)機(jī)刀具用合金鋼SDH55退火組織圖。
[0014]圖2是本發(fā)明實(shí)施例二盾構(gòu)機(jī)刀具用合金鋼SDH55退火組織圖。
[0015]圖3是本發(fā)明各實(shí)施例盾構(gòu)機(jī)刀具用合金鋼SDH55和5Cr5MoSiVl鋼強(qiáng)韌性對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下: 實(shí)施例一:
在本實(shí)施例中，參見圖1和圖3，一種制備盾構(gòu)機(jī)刀具用合金鋼SDH55的方法，包括如下步驟:
a.鋼錠冶煉:以盾構(gòu)機(jī)刀具用合金鋼SDH55的各合金原料組分元素的質(zhì)量百分含量進(jìn)行配料，合金化學(xué)成分由下列元素組成:C含量為0.42%，Si含量為0.37%，Mn含量為0.30%，Cr含量為5.8%，Mo含量為2.55%，V含量為0.80%，其余合金組分為Fe和不可避免的雜質(zhì)元素，其中雜質(zhì)元素中S含量為0.005%，P含量為0.01% ;配料后，將各合金組分原料放入電弧爐中進(jìn)行熔煉，然后進(jìn)行精煉，再經(jīng)過真空脫氣處理，最后澆注盾構(gòu)機(jī)刀具用合金鋼SDH55鋼錠，待用；
b.電渣重熔:以在所述步驟a中制備的盾構(gòu)機(jī)刀具用合金鋼SDH55鋼錠作為電渣重熔工藝的熔煉原料，在電渣重熔工藝中，采用的電壓為52V，電流為3000A，熔速為14mm/min，熔池深度為60mm，電渣重熔工藝制備的電渣鋼錠的規(guī)格為Φ480πιπι，電渣重熔工藝制備的電渣鋼錠采用熱送進(jìn)鍛造加熱爐進(jìn)行處理；
c.高溫