曾祥盛，于慶增，寧向可

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

盾構(gòu)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(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)性研究較多，特別是德國(guó)鋼種X50CrMoV5-1 因其具有硬度和韌性均衡的特點(diǎn)，在刀圈制造中應(yīng)用廣泛。燕云等[1-2]研究盾構(gòu)滾刀刀圈材料H13E 鋼的高溫拉伸性能，陳歡等[3-4]對(duì)H13 鋼、DC-53 鋼刀圈材料開(kāi)展試驗(yàn)，通過(guò)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(duì)5Cr5MoSiV1 鋼力學(xué)性能的影響，閆洪、顧紅星等[6-7]研究了淬回火工藝對(duì)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(guó)內(nèi)盾構(gòu)刀具企業(yè)在持續(xù)進(jìn)行刀圈材料及熱處理工藝的研發(fā)工作，隨著國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)的推進(jìn)，盾構(gòu)刀圈的消耗量增大，開(kāi)展新刀圈材料的研究勢(shì)在必行。

5CrNiMo 鋼、5CrNiMoV鋼是高耐磨性熱鍛模具鋼，通過(guò)針對(duì)性的熱處理工藝處理具有韌性好、強(qiáng)度高、耐磨性好的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外關(guān)于5CrNiMo 鋼的研究較多，周新軍[8]系統(tǒng)介紹了提高5CrNiMo 鋼力學(xué)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(duì)鋼組織、硬度、耐磨性及韌性的影響；楊梅梅等[10]對(duì)5CrNiMoV鋼滲碳淬火特性進(jìn)行研究；尚未見(jiàn)5CrNiMo、5CrNiMoV 鋼用于盾構(gòu)刀圈材料的研究。基于5CrNiMoV 的優(yōu)良性能及研究工作的深入，同時(shí)5CrNiMoV 比傳統(tǒng)刀圈材料更容易獲得，本文通過(guò)工藝試驗(yàn)研究5CrNiMoV用于刀圈的熱處理工藝及力學(xué)性能，推進(jìn)新刀圈材料的研究工作。

1 試驗(yàn)材料及方案

1.1 試驗(yàn)用鋼材料成分測(cè)定

采用便攜式全譜直讀光譜儀PMI-MASTER PRO 對(duì)進(jìn)行檢測(cè)的兩種刀圈試樣進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)定[11]，測(cè)定十點(diǎn)取平均值，結(jié)果如表1 所示。試驗(yàn)用鋼為經(jīng)過(guò)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(yàn)用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)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(duì)刀圈內(nèi)孔進(jìn)行600℃的中頻感應(yīng)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(duì)刀圈內(nèi)孔進(jìn)行550℃的中頻感應(yīng)回火后在空氣中自然冷卻。

圖1 刀圈試樣

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 硬度及耐磨性能

將兩種材料刀圈試樣進(jìn)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(shì)。用洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試[12]，結(jié)果如圖2所示。

圖2 兩種材料硬度測(cè)試結(jié)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(shuō)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(dāng)量公式CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15計(jì)算，5Cr5MoSiV1 的CE=1.82，5CrNiMoV 的CE=1.02，5Cr5MoSiV1的碳當(dāng)量高于5CrNiMoV 的碳當(dāng)量，淬透性更好，所以5Cr5MoSiV1 檢測(cè)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(jìn)行磨粒磨損性能試驗(yàn)。磨粒磨損性能試驗(yàn)采用ASTM-G65-71 標(biāo)準(zhǔn)的橡膠輪磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。采用被測(cè)試的材料試樣的磨損失重量進(jìn)行評(píng)價(jià)，失重?fù)p失量越小，說(shuō)明被測(cè)試材料耐磨粒磨損性能越好。試驗(yàn)過(guò)程中采用40/60 目的石英砂磨料，加載力200N，轉(zhuǎn)速100r/min，試驗(yàn)時(shí)間60min。經(jīng)測(cè)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(cè)試結(jié)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(yīng)優(yōu)于5CrNiMoV。

2.2 力學(xué)性能

在兩種材料的盾構(gòu)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(gè)沖擊試樣（試樣規(guī)10mm×10mm×55mm，U2形缺口，尺寸偏差≤0.07mm），測(cè)量環(huán)境溫度為23℃的條件。經(jīng)檢測(cè)，兩種材料刀圈沖擊功檢測(cè)平均值如表2 所示。

表2 刀圈U型缺口沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)，5CrNiMoV材料中Ni元素的含量達(dá)到1.5%以上，對(duì)材料的抗沖擊性提高較大。

客商聚集，銷售信息格外重要。陽(yáng)圩的果農(nóng)們非常注重信息分享，各個(gè)家庭農(nóng)場(chǎng)自發(fā)組成一個(gè)“信息團(tuán)隊(duì)”，自覺(jué)地遵守市場(chǎng)規(guī)律，統(tǒng)一銷售價(jià)格，不壓價(jià)，不坐地起價(jià)，不斷優(yōu)化農(nóng)場(chǎng)芒果銷路。由于品質(zhì)優(yōu)良，陽(yáng)圩芒果的銷售價(jià)格比百色市其他地區(qū)的要高出0.3-1.7元/斤，芒果畝產(chǎn)平均約1噸，平均銷售單價(jià)在2.2-6.5元/斤之間。

2.3 殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力檢測(cè)采用盲孔法進(jìn)行，在試樣表面均布4 個(gè)?1.5mm、深度1.8mm 的測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)試樣正反兩面共8 個(gè)測(cè)點(diǎn)，并求試樣殘余應(yīng)力的平均值，測(cè)試過(guò)程如圖3 所示。對(duì)不同材料的殘余應(yīng)力進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，檢測(cè)結(jié)果表明表面殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力，5Cr5MoSiV1 材質(zhì)刀圈殘余應(yīng)力8 個(gè)測(cè)點(diǎn)平均值為304.2MPa，5CrNiMoV材質(zhì)殘余應(yīng)力8 個(gè)測(cè)點(diǎn)平均值為230.4MPa，5Cr5MoSiV1 殘余應(yīng)力高于5CrNiMoV 的殘余應(yīng)力，具體結(jié)果見(jiàn)圖4 所示。

圖3 殘余應(yīng)力測(cè)量

圖4 殘余應(yīng)力結(jié)果

淬火時(shí)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(yīng)力。5Cr5MoSiV1 材質(zhì)合金含量高，試樣淬火溫度比5CrNiMoV 高120℃左右，進(jìn)入淬火液時(shí)，試樣表面與淬火冷卻液（溫度30～40℃）的溫差大，在熱應(yīng)力的作用下，冷卻過(guò)程產(chǎn)生的不均勻塑性變形逐步增加，最終的殘余應(yīng)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(yīng)力場(chǎng)較小，最終的殘余應(yīng)力也較小。5Cr5MoSiV1材質(zhì)試樣經(jīng)過(guò)高溫回火后，殘余應(yīng)力消除有限。

材料過(guò)大的殘余應(yīng)力降低其抗疲勞強(qiáng)度，影響使用壽命，要盡量減小淬火時(shí)熱應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力。5CrNiMoV 材料的刀圈殘余應(yīng)力指標(biāo)具有優(yōu)勢(shì)。

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(jìn)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(shí)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(wú)組織偏析等問(wèn)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(jié)論

在試驗(yàn)工藝下，通過(guò)對(duì)兩種材料刀圈的對(duì)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(yīng)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(duì)簡(jiǎn)單，熱處理經(jīng)濟(jì)性好。

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