5CrNiMoV鋼用于盾構刀圈力學性能研究

曾祥盛，于慶增，寧向可

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

盾構刀圈主要采用H13鋼、DC-53 鋼、X40CrMoV5-1 鋼、5Cr5MoSiV1（X50CrMoV5-1）鋼等模具鋼制造，國內(nèi)外學者針對性研究較多，特別是德國鋼種X50CrMoV5-1 因其具有硬度和韌性均衡的特點，在刀圈制造中應用廣泛。燕云等[1-2]研究盾構滾刀刀圈材料H13E 鋼的高溫拉伸性能，陳歡等[3-4]對H13 鋼、DC-53 鋼刀圈材料開展試驗，通過仿真得到較佳的熱處理工藝；陳磊等[5]研究了不同熱處理工藝對5Cr5MoSiV1 鋼力學性能的影響，閆洪、顧紅星等[6-7]研究了淬回火工藝對5Cr5MoSiV1 鋼硬度和耐磨性的影響。為了優(yōu)化刀圈的性能，降低生產(chǎn)成本，國內(nèi)盾構刀具企業(yè)在持續(xù)進行刀圈材料及熱處理工藝的研發(fā)工作，隨著國內(nèi)基礎建設的推進，盾構刀圈的消耗量增大，開展新刀圈材料的研究勢在必行。

5CrNiMo 鋼、5CrNiMoV鋼是高耐磨性熱鍛模具鋼，通過針對性的熱處理工藝處理具有韌性好、強度高、耐磨性好的特點。國內(nèi)外關于5CrNiMo 鋼的研究較多，周新軍[8]系統(tǒng)介紹了提高5CrNiMo 鋼力學性能的主要方法和途徑，童高鵬[9]研究了深冷處理后5CrNiMo 模具鋼不同回火溫度對鋼組織、硬度、耐磨性及韌性的影響；楊梅梅等[10]對5CrNiMoV鋼滲碳淬火特性進行研究；尚未見5CrNiMo、5CrNiMoV 鋼用于盾構刀圈材料的研究?；?CrNiMoV 的優(yōu)良性能及研究工作的深入，同時5CrNiMoV 比傳統(tǒng)刀圈材料更容易獲得，本文通過工藝試驗研究5CrNiMoV用于刀圈的熱處理工藝及力學性能，推進新刀圈材料的研究工作。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗用鋼材料成分測定

采用便攜式全譜直讀光譜儀PMI-MASTER PRO 對進行檢測的兩種刀圈試樣進行化學成分測定[11]，測定十點取平均值，結果如表1 所示。試驗用鋼為經(jīng)過電渣重熔、多向鍛造等工序的試樣毛坯，材料為5Cr5MoSiV1 和5CrNiMoV 鋼。

表1 試驗用鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

1.2 試驗方案

5Cr5MoSiV1 材料刀圈采用常規(guī)的熱處理工藝，1 040℃淬火+550℃、540℃、520℃3 次溫度遞減的回火，并對刀圈內(nèi)孔進行600℃的中頻感應回火后在空氣中自然冷卻。

5CrNiMoV 材料熱處理工藝為890 ℃淬火+250℃回火，對刀圈內(nèi)孔進行550℃的中頻感應回火后在空氣中自然冷卻。

圖1 刀圈試樣

2 試驗結果與分析

2.1 硬度及耐磨性能

將兩種材料刀圈試樣進行切割，用磨床將切割試樣打磨光潔平整，將樣塊截面劃分成10mm×10mm 的網(wǎng)格，以便分析硬度的變化趨勢。用洛氏硬度計進行硬度測試[12]，結果如圖2所示。

圖2 兩種材料硬度測試結果

5Cr5MoSiV1 刀圈刃部硬度值分布范圍58.1～57.3HRC，區(qū)間差0.8HRC，刀圈底部硬度值逐漸降低，梯度硬度分布明顯，硬度范圍47.1～54.6HRC。

5CrNiMoV 刀圈刃部硬度值分布范圍56.5～55.3HRC，區(qū)間差1.2HRC，大于5Cr5MoSiV1刀圈刃部的區(qū)間差，說明5Cr5MoSiV1刀圈刃部一致性好；刀圈底部硬度值逐漸降低，梯度硬度分布明顯，硬度范圍45.5～53.5HRC。

5Cr5MoSiV1 刀圈刃部硬度值更均勻，由碳當量公式CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15計算，5Cr5MoSiV1 的CE=1.82，5CrNiMoV 的CE=1.02，5Cr5MoSiV1的碳當量高于5CrNiMoV 的碳當量，淬透性更好，所以5Cr5MoSiV1 檢測樣塊硬度分布均勻。

在兩種材料刀圈刃部各取75mm×25mm×15mm 的試樣3 塊，進行磨粒磨損性能試驗。磨粒磨損性能試驗采用ASTM-G65-71 標準的橡膠輪磨粒磨損試驗機進行。采用被測試的材料試樣的磨損失重量進行評價，失重損失量越小，說明被測試材料耐磨粒磨損性能越好。試驗過程中采用40/60 目的石英砂磨料，加載力200N，轉速100r/min，試驗時間60min。經(jīng)測量，3 組5Cr5MoSiV1 材料試樣平均磨損失重量3.1g，5CrNiMoV 材料試樣平均磨損失重量3.42g，5Cr5MoSiV1 刀圈刃部磨損失重量少10.3% 。

由測試結果可知，兩種材料硬度分布均滿足要求，但5Cr5MoSiV1 材料刃部硬度更高，均勻性更好，5Cr5MoSiV1 材料耐磨性應優(yōu)于5CrNiMoV。

2.2 力學性能

在兩種材料的盾構刀圈截面上，沿縱向切取，打磨，分別在刀圈刃部、底部制備8 個沖擊試樣（試樣規(guī)10mm×10mm×55mm，U2形缺口，尺寸偏差≤0.07mm），測量環(huán)境溫度為23℃的條件。經(jīng)檢測，兩種材料刀圈沖擊功檢測平均值如表2 所示。

表2 刀圈U型缺口沖擊實驗測量值

兩種材料均為刃部沖擊功較低，沖擊韌性較差；底部沖擊功大幅提高。5CrNiMoV 材料刀圈刃部、底部的沖擊功均大于5Cr5MoSiV1 材料，符合材料的硬度低，沖擊功大的規(guī)律。同時，5CrNiMoV材料中Ni元素的含量達到1.5%以上，對材料的抗沖擊性提高較大。

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2.3 殘余應力

殘余應力檢測采用盲孔法進行，在試樣表面均布4 個?1.5mm、深度1.8mm 的測量點，每個試樣正反兩面共8 個測點，并求試樣殘余應力的平均值，測試過程如圖3 所示。對不同材料的殘余應力進行分析統(tǒng)計，檢測結果表明表面殘余應力均為壓應力，5Cr5MoSiV1 材質(zhì)刀圈殘余應力8 個測點平均值為304.2MPa，5CrNiMoV材質(zhì)殘余應力8 個測點平均值為230.4MPa，5Cr5MoSiV1 殘余應力高于5CrNiMoV 的殘余應力，具體結果見圖4 所示。

圖3 殘余應力測量

圖4 殘余應力結果

淬火時試樣表層溫度低于芯部溫度，表層收縮大于芯部而使表層受壓、芯部受拉，產(chǎn)生殘余壓應力。5Cr5MoSiV1 材質(zhì)合金含量高，試樣淬火溫度比5CrNiMoV 高120℃左右，進入淬火液時，試樣表面與淬火冷卻液（溫度30～40℃）的溫差大，在熱應力的作用下，冷卻過程產(chǎn)生的不均勻塑性變形逐步增加，最終的殘余應力也較大。5CrNiMoV 屬中碳低合金鋼，淬火溫度低，淬火產(chǎn)生大量板條馬氏體組織，內(nèi)部存在的應力場較小，最終的殘余應力也較小。5Cr5MoSiV1材質(zhì)試樣經(jīng)過高溫回火后，殘余應力消除有限。

材料過大的殘余應力降低其抗疲勞強度，影響使用壽命，要盡量減小淬火時熱應力引起的殘余應力。5CrNiMoV 材料的刀圈殘余應力指標具有優(yōu)勢。

2.4 金相組織

在滾刀刀圈刃部和底部分別截面切取25mm×25mm×20mm的金相試樣，經(jīng)磨去表面割痕后（磨去0.2mm），打磨、拋光、4%硝酸酒精溶液腐蝕處理后，進行顯微組織觀察（圖5）。

圖5 金相組織

如圖5(a)所示，100 倍下觀察5CrNiMoV 刀圈刃口和根部金相組織均勻，不存在明顯偏析現(xiàn)象。500 倍下觀察刃口金相組織，其組織主要呈現(xiàn)針狀形貌，為回火馬氏體組織+極少量回火屈氏體。底部金相組織500 倍下觀察，組織中存在一定的針狀形貌，同時存在黑色粒狀的滲碳體，組織為回火屈氏體。

如圖5(b)所示，100 倍下觀察5Cr5MoSiV1 刀圈刃口和底部金相組織純凈度高、夾雜物數(shù)量少，無組織偏析等問題。500 倍觀察刃部組織為回火屈氏體+殘余奧氏體+極少的一次碳化物，觀察底部金相組織，其組織主要呈典型的回火索氏體。

兩種材料熱處理后金相組織均勻，都為典型組織。

3 結論

在試驗工藝下，通過對兩種材料刀圈的對比分析如下。

1）5CrNiMoV 材料刀圈的淬硬性低于5Cr5MoSiV1，硬度值低1.6HRC，耐磨性低10.3%。

2）5CrNiMoV 材料刀圈刃部的沖擊韌性高于5Cr5MoSiV1，沖擊韌性高84%。

3）5CrNiMoV 材料刀圈的殘余應力低于5Cr5MoSiV1，低24.3%。

4）兩種材料熱處理后金相組織都均勻。

5）5CrNiMoV 材料熱處理工藝相對簡單，熱處理經(jīng)濟性好。

基于上述分析，5CrNiMoV 材料在對刀圈材料沖擊性要求高的工況下具有明顯的優(yōu)勢，下一步需加強對5CrNiMoV 材料工藝的研究，推出新材料刀圈，對盾構刀具企業(yè)降低成本，增加效益具有較大意義。