姜 影, 杜水明, 黃俏梅, 沈子達(dá), 游 菲

(株洲中車天力鍛業(yè)有限公司, 湖南 株洲 412001)

近年來(lái),國(guó)家在大力發(fā)展基礎(chǔ)建設(shè),盾構(gòu)機(jī)作為專門用于隧道工程的大型、高科技綜合施工設(shè)備被廣泛應(yīng)用。盾構(gòu)機(jī)是通過(guò)刀具、刀盤對(duì)土方進(jìn)行切削,刀具與土體的適應(yīng)程度至關(guān)重要,刀盤機(jī)構(gòu)、刀具類型的選擇等直接影響盾構(gòu)機(jī)的工作效率、工程進(jìn)程及工程的經(jīng)濟(jì)效益。刀轂作為刀具配套零部件,需要實(shí)現(xiàn)刀轂?zāi)軌蚨啻畏磸?fù)使用和裝配[1-4],經(jīng)濟(jì)性和質(zhì)量也是關(guān)鍵考量因素。行業(yè)中42CrMo鋼作為刀轂的原材料被廣泛應(yīng)用,但常規(guī)42CrMo鋼材料,在進(jìn)行常規(guī)850 ℃淬火、采用油做為淬火介質(zhì)時(shí),容易出現(xiàn)淬火不硬、硬度不均勻等問(wèn)題。硬度偏低及不均勻?qū)е碌度偷遁為g過(guò)盈量大或過(guò)小,容易使刀圈崩塊、斷裂、位移導(dǎo)致脫落,對(duì)盾構(gòu)工程施工的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性有著重要影響。本文主要針對(duì)42CrMo鋼制造的刀轂,對(duì)不同淬火介質(zhì)制定不同淬火溫度,研究其對(duì)刀轂用鋼42CrMo淬透性及力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為42CrMo鋼刀轂,工件如圖1所示,刀轂最大有效厚度為49.5 mm。采用產(chǎn)品本體進(jìn)行試驗(yàn),產(chǎn)品熱處理后技術(shù)要求:硬度為38～42 HRC,淬透層深度≥6 mm(硬度≥38 HRC)。測(cè)得刀轂化學(xué)成分如表1所示。

表1 刀轂的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

采用熱膨脹法大致測(cè)得Ac1=730 ℃,Ac3=780 ℃。

采用圖1所示刀轂進(jìn)行試驗(yàn),熱處理試驗(yàn)設(shè)備為多用爐,同等油溫條件下,試驗(yàn)流程為將試樣分別加熱至850、870、890 ℃,保溫2 h后放在不同冷卻介質(zhì)中冷卻,淬火介質(zhì)A、B、C為不同淬火介質(zhì)廠家的淬火油,其中冷卻速度A

2 結(jié)果及討論

2.1 拉伸性能

圖2為不同淬火介質(zhì)下42CrMo鋼刀轂的抗拉強(qiáng)度。由圖2可知,當(dāng)淬火溫度為850 ℃時(shí),不同淬火介質(zhì)下抗拉強(qiáng)度順序?yàn)锳

圖2 不同淬火介質(zhì)、淬火溫度下刀轂的抗拉強(qiáng)度Fig.2 Tensile strength of the cutter cub under different quenching media and quenching temperatures

圖3為不同淬火介質(zhì)下42CrMo鋼刀轂的伸長(zhǎng)率。由圖3可知,不同淬火介質(zhì)、淬火溫度下的伸長(zhǎng)率為12%～15%。綜合對(duì)比抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率,淬火溫度為870 ℃、淬火介質(zhì)為D下試樣的拉伸性能最優(yōu)。

圖3 不同淬火介質(zhì)、淬火溫度下刀轂的伸長(zhǎng)率Fig.3 Elongation of the cutter cub under different quenching media and quenching temperatures

2.2 淬透性分析

不同淬火介質(zhì)下試樣的硬度如圖4所示,淬透層深度如表2所示,淬火溫度在850 ℃時(shí),A、B、C 3種油性淬火介質(zhì)下的試樣淬透層深度都在1.5 mm,距表面10 mm范圍內(nèi)的硬度差異不大,水溶性淬火介質(zhì)D試樣淬透層深度達(dá)到6.0 mm,整體硬度高于A、B、C 3種介質(zhì),滿足客戶需求,由此可知,當(dāng)淬火溫度為850 ℃時(shí),淬火介質(zhì)成為產(chǎn)品淬硬層深度增加的關(guān)鍵;當(dāng)淬火溫度為870 ℃時(shí),當(dāng)淬火介質(zhì)從A到D變化,刀轂的淬透層深度增加,整體硬度A

表2 不同淬火介質(zhì)、淬火溫度下刀轂的淬透層深度(mm)

圖4 不同淬火介質(zhì)、淬火溫度下刀轂的硬度Fig.4 Hardness of the cutter cub under different quenching media and quenching temperatures(a) 850 ℃; (b) 870 ℃; (c) 890 ℃

一般來(lái)講,同等油溫及攪拌條件下,隨著淬火溫度的升高,材料過(guò)冷度增加,其淬透性應(yīng)呈上升趨勢(shì),但冷卻介質(zhì)A的冷卻速度過(guò)低,淬火溫度的升高不足以使馬氏體的快速轉(zhuǎn)變,從而其淬透層深度無(wú)明顯增加。隨著冷卻介質(zhì)從A到D變化,冷卻速度增加,其淬透層深度在逐步提升。同時(shí),隨著淬火溫度的升高,晶粒長(zhǎng)大,組織粗化,從而影響材料的淬透性[8-11]。采用D作為淬火介質(zhì)時(shí),890 ℃下試樣組織為粗大板條馬氏體+殘留奧氏體的混合組織(如圖5(a)所示),工件未達(dá)到產(chǎn)品技術(shù)要求,力學(xué)性能無(wú)明顯提升;采用D作為淬火介質(zhì)時(shí),870 ℃下試樣組織為馬氏體+貝氏體+殘留奧氏體的混合組織(如圖5(b)所示),冷卻速度越快,過(guò)冷度越大,使得奧氏體快速轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織,冷卻后獲得較多細(xì)小、均勻的馬氏體組織以及較少量的殘留奧氏體[9],隨著淬火溫度的升高,淬硬層深度呈現(xiàn)上升趨勢(shì),同時(shí)由于冷卻速度過(guò)大,產(chǎn)品出現(xiàn)崩角現(xiàn)象。當(dāng)選擇冷卻速度較大的淬火介質(zhì)時(shí),淬火溫度的選擇也成為產(chǎn)品是否滿足要求的關(guān)鍵。同時(shí),其偏析情況有所改善,硬度均勻性有所提升。由此可知淬火溫度的選擇應(yīng)結(jié)合淬火介質(zhì)的選擇進(jìn)行。

2.3 不同碳勢(shì)對(duì)性能的影響

表3為A淬火介質(zhì)下不同碳勢(shì)、淬火溫度所測(cè)得的刀轂性能。結(jié)果表明,淬火溫度在850 ℃到870 ℃時(shí),相同淬火溫度下,碳勢(shì)提高到0.6%時(shí),淬硬層深度呈現(xiàn)上升趨勢(shì),硬度也隨著碳勢(shì)的提高而升高,且拉伸強(qiáng)度也隨之提升;碳勢(shì)為0.6%時(shí),隨淬火溫度升高,抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì),淬硬層深度先升高后降低,870 ℃的淬硬層深度達(dá)到10.0 mm,試樣硬度整體高于850、890 ℃。一般認(rèn)為,提高表面產(chǎn)品表面碳勢(shì),同等淬火溫度條件下,隨著碳含量的增加,奧氏體化程度增加,產(chǎn)品過(guò)冷度增加,會(huì)適當(dāng)增加材料的淬透性,但對(duì)固定材料來(lái)說(shuō),增加的效果并不如增加冷卻速度的變化明顯[12-14]。

表3 不同碳勢(shì)下刀轂性能及淬硬層深度實(shí)測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

1) 當(dāng)冷卻介質(zhì)從A到D變化時(shí),42CrMo鋼刀轂的拉伸性能呈現(xiàn)整體上升的趨勢(shì)。

2) 當(dāng)淬火溫度為850 ℃時(shí),淬火介質(zhì)為A、B時(shí),工件淬透層深度為1.5 mm,采用淬火介質(zhì)D時(shí),刀轂的拉伸性能最好,淬透層深度可達(dá)到6.0 mm。

3) 當(dāng)淬火溫度為870 ℃時(shí),采用C介質(zhì)對(duì)試樣進(jìn)行淬火,淬透層深度滿足客戶要求。

4) 當(dāng)淬火介質(zhì)固定及碳勢(shì)為0.6%時(shí),隨著淬火溫度的升高,刀轂淬透層深度先上升后下降,抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì),屈服強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。