盾构机刀具用合金钢SDH55及其制备方法.pdf

本发明公开了一种盾构机刀具用合金钢SDH55及其制备方法，各组成质量百分比为：C：0.4～0.55%，Si：0.10~0.40%，Mn：0.10～0.30%，Cr：5.10～6.50%，Mo：2.20～3.00%，V：0.45～0.85%，其余为Fe和不可避免杂质元素，杂质中S≤0.005%，P≤0.010%。本发明经配料、冶炼、浇涛、电渣重熔；脱模后热送进行高温匀质化处理；接着多向锻造、软性退火及超细化处理，最终制备出兼具高耐磨和高韧性的盾构机刀具用合金钢SDH55，解决了当前盾构机刀具磨损失效，韧性低而崩刃所导致的寿命低这一问题，对国产盾构机刀具专用钢产业发展具有重要意义。

权利要求书
1.  一种盾构机刀具用合金钢SDH55，其特征在于，以各合金组分元素的质量百分含量计，合金化学成分由下列元素组成：C含量为 0.4～0.55%，Si含量为 0.10~0.40%，Mn含量为 0.10～0.30%，Cr 含量为5.10～6.50%，Mo 含量为2.20～3.00%，V含量为 0.45～0.85%，其余合金组分为Fe和不可避免的杂质元素，其中杂质元素中S含量≤0.005%，P含量≤0.01%。

2.  根据权利要求1所述盾构机刀具用合金钢SDH55，其特征在于，以各合金组分元素的质量百分含量计，合金化学成分由下列元素组成：C含量为 0.44～0.55%，Si含量为 0.10~0.37%，Mn含量为 0.15～0.30%，Cr 含量为5.18～6.24%，Mo 含量为2.33～2.85%，V含量为 0.55～0.82%，其余合金组分为Fe和不可避免的杂质元素，其中杂质元素中S含量≤0.005%，P含量≤0.01%。

3.  根据权利要求2所述盾构机刀具用合金钢SDH55，其特征在于：杂质元素中S含量≤0.004%，P含量≤0.009%。

4.  一种制备权利要求1所述盾构机刀具用合金钢SDH55的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a. 钢锭冶炼：以盾构机刀具用合金钢SDH55的各合金原料组分元素的质量百分含量进行配料，合金化学成分由下列元素组成：C含量为 0.4～0.55%，Si含量为 0.10~0.40%，Mn含量为 0.10～0.30%，Cr 含量为5.10～6.50%，Mo 含量为2.20～3.00%，V含量为 0.45～0.85%，其余合金组分为Fe和不可避免的杂质元素，其中杂质元素中S含量≤0.005%，P含量≤0.01%；配料后，将各合金组分原料放入电弧炉中进行熔炼，然后进行精炼，再经过真空脱气处理，最后浇注盾构机刀具用合金钢SDH55钢锭，待用；
b. 电渣重熔：以在所述步骤a中制备的盾构机刀具用合金钢SDH55钢锭作为电渣重熔工艺的熔炼原料，在电渣重熔工艺中，采用的电压为48~52V，电流为2800~3000A，熔速为10~14mm/min，熔池深度为50~60mm，电渣重熔工艺制备的电渣钢锭采用热送进锻造加热炉进行处理；
c. 高温均质化热处理：将经过在所述步骤b中锻造加热炉处理的钢锭再加热到1250～1280℃，并保温15～20h进行热处理；
d. 多向锻造：对经过在所述步骤c中热处理的钢锭进行多向锻造，使开锻温度为1100～1200℃，终锻温度800～900℃，控制总锻造比大于6；
e. 锻后冷却：钢锭完成在在所述步骤d中的锻造工艺后，再对锻后钢锭采用风冷快速冷却至200~250℃；
f. 软性退火：钢锭完成在在所述步骤e中的冷却过程后，再将钢锭在820~840℃下退火12～14h，然后再使钢锭随炉冷却，得到钢锻件毛坯；
g. 超细化处理：将在所述步骤f中制备的钢锻件毛坯放入加热炉中，加热到1080～1100℃，保温5~8h，然后将钢锻件毛坯放入水池进行强制快冷，再对钢锻件毛坯进行两段式等温球化退火，两段式等温球化退火工艺为：首先再820~840℃下保温12~15h，然后炉冷至720~740℃下再保温20~25h，再缓冷至室温，最终得到盾构机刀具用合金钢SDH55。

5.  根据权利要求4所述盾构机刀具用合金钢SDH55的制备方法，其特征在于：在所述步骤b中，电渣重熔工艺制备的电渣钢锭的规格为Φ480mm。

说明书盾构机刀具用合金钢SDH55及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种合金材料及其制备方法，特别是涉及一种刀具用合金钢及其制备方法，应用于高耐磨高韧性合金钢及其制造工艺技术领域。
背景技术
由于地球人口的增长和城市化进程的加剧，人们把越来越多的目光聚焦到地下空间的开发与利用。这就极大地促进了隧道及地下工程修建技术的发展和应用。在隧道及地下工程众多的修建方法中，盾构法隧道施工技术以其机械化施工、对周围环境影响较小等优点在世界各国被广泛应用。盾构隧道掘进机（简称“盾构机”）是盾构施工方法的主要施工机械，它实质就是一个既可以支承地层压力又可以在地层中推进的活动钢筒结构。根据地质条件的变化，以及盾构机械的发展与改进，在钢筒结构的前端、中段、尾部以及盾构后续部分与地面上，综合配有各种不同的挖掘、顶进、转向、支护、排渣、衬砌、运输等机械，形成一个完整的施工机械系统。
盾构施工经验表明，盾构机刀具承受着来自地下土质、水压等持续和变化着的挤压、冲击、刮削等而产生强力磨损，当冲击力超过合金材料能承受的强度极限时则导致刀片崩裂。这对于作为承载主要切削作用的盾构刀具材料性能提出了很高的要求。盾构机刀具属于易损件，需经常更换，国外进口刀具价格昂贵，且制作周期较长。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。但是，由于国内的需求快速增长且发展空间巨大，因此，近年来不少高校、研究机构和企业纷纷开展盾构刀具的研究试制工作，但其中大多数处于仿制阶段，产品存在强韧性低、耐磨性差、使用寿命短等问题，总体而言技术水平较低，且都未实现大批量化生产。目前国内最常用盾构机刀具专用合金钢为5Cr5MoSiV1。5Cr5MoSiV1化学成分质量百分比为：：C 0.4～0.55%，Si 0.10~0.40%，Mn 0.10～0.30%，Cr 5.10～6.50%，Mo 2.20～3.00%，V 0.45～0.85%，余量为Fe和不可避免杂质元素，杂质元素中S≤0.005%，P≤0.010%。
但通过现场调研和施工反馈得知：5Cr5MoSiV1钢并不能满足盾构机刀具关键的两个性能，即高的耐磨性和优良的冲击韧性，使得盾构机刀具寿命大大降低，不能满足现有盾构机刀具的服役要求。所以，自行研发集较好的强韧性、耐磨性于一体的盾构机刀具，对于加快我国地铁、铁路隧道建设，提高我国的技术水平，降低建设成本、实现掘进机刀具国产化等都具有重要意义，同时对提高国产盾构机刀具的使用寿命，降低工程施工成本具有不可估量的前景，这已经成为亟待解决的产业技术发展问题。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种盾构机刀具用合金钢SDH55及其制备方法，基于高耐磨高韧性盾构刀具专用合金钢种成份的优化、组织控制、冶金质量控制、锻造工艺控制、供货状态及使用状态的组织控制、应用性技术等方面，本发明盾构机刀具用合金钢SDH55具有高耐磨高韧性，能显著提高国产盾构机刀具的使用寿命，降低工程施工成本，其制备工艺易于工业化，能有效扭转国内盾构机刀具专用合金钢仍需依赖进口的局面，改善现有盾构机刀具用钢耐磨性差，韧性不足的现状。
为达到上述发明创造目的，采用如下发明构思：
成分设计：在目前常用盾构机刀具用钢5Cr5MoSiV1基础上降低Si、Mn、V的含量，大大增加Mo的含量。Si有助于提高钢的淬透性和回火稳定性，但是Si易使钢呈现带状组织，当Si含量较高时，尤其当Si重量百分比含量＞1.00%时，会增加钢的回火脆性和脱碳敏感性，Si的固溶还会使得钢的冲击韧性降低，同时Si加入量过多，会使碳化物聚集的过时效速度增大，以至于难以控制，因此Si含量控制较低范围。Mn溶入奥氏体中可以强烈地提高钢的淬透性，但是含量过高有使晶粒粗化的倾向，会使冲击韧性下降，同时钢的偏析加重，因此Mn元素也不宜过高。V是强碳化物形成元素，能形成稳定的VC，钢在加热至淬火温度时，大部分V溶于固溶体，而在回火过程中溶入的V又以弥散分布的VC细小质点析出，造成二次硬化。VC硬度高，弥散度大，因此可以显著提高钢的耐磨性；但V。含量过高会形成大量液析碳化物，很难消除，严重影响钢的性能，因此，V含量应适量。Mo可以细化晶粒，减少钢的过热倾向，同时提高钢的强韧性，提高回火稳定性、淬透性、耐磨性，同时在钢中可以形成多种碳化物如MC、M2C、M6C，产生二次硬化。Mo含量太少时，钢的二次硬化效应会变的不明显，会使钢的稳定性、抗热裂性下降，因此，Mo含量可以增加到一个合适的范围，以同时满足高的强韧性、耐磨性。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种盾构机刀具用合金钢SDH55，以各合金组分元素的质量百分含量计，合金化学成分由下列元素组成：C含量为 0.4～0.55%，Si含量为 0.10~0.40%，Mn含量为 0.10～0.30%，Cr 含量为5.10～6.50%，Mo 含量为2.20～3.00%，V含量为 0.45～0.85%，其余合金组分为Fe和不可避免的杂质元素，其中杂质元素中S含量≤0.005%，P含量≤0.01%。
作为本发明优选的技术方案，以各合金组分元素的质量百分含量计，合金化学成分由下列元素组成：C含量为 0.44～0.55%，Si含量为 0.10~0.37%，Mn含量为 0.15～0.30%，Cr 含量为5.18～6.24%，Mo 含量为2.33～2.85%，V含量为 0.55～0.82%，其余合金组分为Fe和不可避免的杂质元素，其中杂质元素中S含量≤0.005%，P含量≤0.01%。
作为本发明进一步优选的技术方案，杂质元素中S含量≤0.004%，P含量≤0.009%。
一种制备本发明盾构机刀具用合金钢SDH55的方法，包括如下步骤：
a. 钢锭冶炼：以盾构机刀具用合金钢SDH55的各合金原料组分元素的质量百分含量进行配料，合金化学成分由下列元素组成：C含量为 0.4～0.55%，Si含量为 0.10~0.40%，Mn含量为 0.10～0.30%，Cr 含量为5.10～6.50%，Mo 含量为2.20～3.00%，V含量为 0.45～0.85%，其余合金组分为Fe和不可避免的杂质元素，其中杂质元素中S含量≤0.005%，P含量≤0.01%；配料后，将各合金组分原料放入电弧炉中进行熔炼，然后进行精炼，再经过真空脱气处理，最后浇注盾构机刀具用合金钢SDH55钢锭，待用；
b. 电渣重熔：以在所述步骤a中制备的盾构机刀具用合金钢SDH55钢锭作为电渣重熔工艺的熔炼原料，在电渣重熔工艺中，采用的电压为48~52V，电流为2800~3000A，熔速为10~14mm/min，熔池深度为50~60mm，电渣重熔工艺制备的电渣钢锭采用热送进锻造加热炉进行处理；
c. 高温均质化热处理：将经过在所述步骤b中锻造加热炉处理的钢锭再加热到1250～1280℃，并保温15～20h进行热处理；
d. 多向锻造：对经过在所述步骤c中热处理的钢锭进行多向锻造，使开锻温度为1100～1200℃，终锻温度800～900℃，控制总锻造比大于6；
e. 锻后冷却：钢锭完成在在所述步骤d中的锻造工艺后，再对锻后钢锭采用风冷快速冷却至200~250℃；
f. 软性退火：钢锭完成在在所述步骤e中的冷却过程后，再将钢锭在820~840℃下退火12～14h，然后再使钢锭随炉冷却，得到钢锻件毛坯；
g. 超细化处理：将在所述步骤f中制备的钢锻件毛坯放入加热炉中，加热到1080～1100℃，保温5~8h，然后将钢锻件毛坯放入水池进行强制快冷，再对钢锻件毛坯进行两段式等温球化退火，两段式等温球化退火工艺为：首先再820~840℃下保温12~15h，然后炉冷至720~740℃下再保温20~25h，再缓冷至室温，最终得到盾构机刀具用合金钢SDH55。
作为本发明盾构机刀具用合金钢SDH55的制备方法优选的技术方案，在所述步骤b中，电渣重熔工艺制备的电渣钢锭的规格为Φ480mm。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1. 本发明合金钢SDH55的制备方法是简单的合金化，主要以Cr、Mo、V三种元素为主；其次，本发明考虑到实际生产应用当中，盾构机刀箱与刀盘基体主要以焊接方式连接，故对其焊接性能提出了极高的要求，因此本发明针对性地降低了合金钢中的Si含量，并将其含量控制在0.4%以下，保障了良好的焊接性能；
2. 本发明合金钢SDH55具有较低的Mn元素，使得该钢具有高的强韧性配合，同时大大提高耐磨性，克服了目前最广泛使用的国产盾构机刀具专用合金钢5Cr5MoSiV1强韧性和耐磨性低，使用寿命较低的这一技术难题；
3. 本发明合金钢SDH55相对传统的5Cr5MoSiV1钢加入两倍含量的Mo，Mo在钢中既能提高淬透性和热强性，防止回火脆性；又能提高钢的抗回火性或回火稳定性，使零件可以在较高温度下回火，从而更有效地消除或降低钢中残余应力，提高钢材塑性；还可以细化钢晶粒，同时提高强度和韧性；此外Mo还能在渗碳层中降低碳化物在晶界上形成连续网状的倾向，减少渗碳层中残留的奥氏体，相对地增加了表面层的耐磨性；
4. 本发明合金钢SDH55结合了目前盾构机刀具所需高耐磨性和高冲击韧性两大关键性能指标，能显著提高国产盾构机刀具的使用寿命，降低工程施工成本，制备工艺易于工业化。
附图说明
图1是本发明实施例一盾构机刀具用合金钢SDH55退火组织图。
图2是本发明实施例二盾构机刀具用合金钢SDH55退火组织图。
图3是本发明各实施例盾构机刀具用合金钢SDH55和5Cr5MoSiV1钢强韧性对比图。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1和图3，一种制备盾构机刀具用合金钢SDH55的方法，包括如下步骤：
a. 钢锭冶炼：以盾构机刀具用合金钢SDH55的各合金原料组分元素的质量百分含量进行配料，合金化学成分由下列元素组成：C含量为 0.42%，Si含量为 0.37%，Mn含量为 0.30%，Cr 含量为5.8%，Mo 含量为2.55%，V含量为 0.80%，其余合金组分为Fe和不可避免的杂质元素，其中杂质元素中S含量为0.005%，P含量为0.01%；配料后，将各合金组分原料放入电弧炉中进行熔炼，然后进行精炼，再经过真空脱气处理，最后浇注盾构机刀具用合金钢SDH55钢锭，待用；
b. 电渣重熔：以在所述步骤a中制备的盾构机刀具用合金钢SDH55钢锭作为电渣重熔工艺的熔炼原料，在电渣重熔工艺中，采用的电压为52V，电流为3000A，熔速为14mm/min，熔池深度为60mm，电渣重熔工艺制备的电渣钢锭的规格为Φ480mm，电渣重熔工艺制备的电渣钢锭采用热送进锻造加热炉进行处理；
c. 高温均质化热处理：将经过在所述步骤b中锻造加热炉处理的钢锭再加热到1250～1280℃，并保温20h进行热处理；
d. 多向锻造：对经过在所述步骤c中热处理的钢锭进行多向锻造，使开锻温度为1100～1200℃，终锻温度800～900℃，控制总锻造比大于6；
e. 锻后冷却：钢锭完成在在所述步骤d中的锻造工艺后，再对锻后钢锭采用风冷快速冷却至200~250℃；
f. 软性退火：钢锭完成在在所述步骤e中的冷却过程后，再将钢锭在820~840℃下退火14h，然后再使钢锭随炉冷却，得到钢锻件毛坯；
g. 超细化处理：将在所述步骤f中制备的钢锻件毛坯放入加热炉中，加热到1080～1100℃，保温8h，然后将钢锻件毛坯放入水池进行强制快冷，再对钢锻件毛坯进行两段式等温球化退火，两段式等温球化退火工艺为：首先再820~840℃下保温15h，然后炉冷至720~740℃下再保温25h，再缓冷至室温，最终得到具有高耐磨高韧性的盾构机刀具用合金钢SDH55。
本实施例制备的具有高耐磨高韧性的盾构机刀具用合金钢SDH55，经过本实施例冶炼及热加工后，最终成品规格为Φ180mm×3000mm的圆棒，对其取样进行交货态即退火态的主要性能检测：
A．超声波探伤
采用的探伤仪的探头直径为20mm，频率为2.5MHZ，灵敏度为Ф3.0mm，对圆棒圆柱面大于180°范围扫描，未发现Ф3.0mm以上明显缺陷。
B．退火态硬度
成品圆棒头尾两个端面退火态硬度为160~170HB。
C．非金属夹杂物
圆棒从表层到心部A、B、D、DS类粗系、细系夹杂均不超过0.5级，无C类夹杂物。
D．奥氏体晶粒度
圆棒心部晶粒度为8.0级以上。
E．退火态组织
未见液析碳化物；带状偏析达基本不可见；球化组织细小弥散均匀分布，如图1所示。
F．淬回火态力学性能
在圆棒心部位置取横向冲击试样，试样尺寸为10mm×10mm×55mm（GB/T 229-2007标准），开V2型缺口，淬回火后硬度为：58HRC，室温冲击功值：24J左右，与5Cr5MoSiV1钢强韧性对比图如图3所示。
本实施例盾构机刀具用合金钢SDH55制备过程包括配料、冶炼、浇涛，然后经电渣重熔，脱模后热送进行高温匀质化处理，接着多向锻造、软性退火及超细化处理，最终制备出兼具高耐磨和高韧性的盾构机刀具专用合金钢SDH55，解决了当前盾构机刀具磨损失效，韧性低而崩刃所导致的寿命低这一问题，为国产盾构机刀具专用钢迈出了重要一步。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图2和图3，一种制备盾构机刀具用合金钢SDH55的方法，包括如下步骤：
a. 钢锭冶炼：以盾构机刀具用合金钢SDH55的各合金原料组分元素的质量百分含量进行配料，合金化学成分由下列元素组成：C含量为 0.46%，Si含量为 0.4%，Mn含量为 0.27%，Cr 含量为5.5%，Mo 含量为2.6%，V含量为 0.51%，其余合金组分为Fe和不可避免的杂质元素，其中杂质元素中S含量为0.004%，P含量为0.009%；配料后，将各合金组分原料放入电弧炉中进行熔炼，然后进行精炼，再经过真空脱气处理，最后浇注盾构机刀具用合金钢SDH55钢锭，待用；
b. 电渣重熔：以在所述步骤a中制备的盾构机刀具用合金钢SDH55钢锭作为电渣重熔工艺的熔炼原料，在电渣重熔工艺中，采用的电压为48V，电流为2800A，熔速为10mm/min，熔池深度为50mm，电渣重熔工艺制备的电渣钢锭的规格为Φ480mm，电渣重熔工艺制备的电渣钢锭采用热送进锻造加热炉进行处理；
c. 高温均质化热处理：将经过在所述步骤b中锻造加热炉处理的钢锭再加热到1250～1280℃，并保温15h进行热处理；
d. 多向锻造：本步骤与实施例一相同；
e. 锻后冷却：本步骤与实施例一相同；
f. 软性退火：钢锭完成在在所述步骤e中的冷却过程后，再将钢锭在820~840℃下退火12h，然后再使钢锭随炉冷却，得到钢锻件毛坯；
g. 超细化处理：将在所述步骤f中制备的钢锻件毛坯放入加热炉中，加热到1080～1100℃，保温5h，然后将钢锻件毛坯放入水池进行强制快冷，再对钢锻件毛坯进行两段式等温球化退火，两段式等温球化退火工艺为：首先再820~840℃下保温12h，然后炉冷至720~740℃下再保温20h，再缓冷至室温，最终得到具有高耐磨高韧性的盾构机刀具用合金钢SDH55。
本实施例制备的具有高耐磨高韧性的盾构机刀具用合金钢SDH55，经过本实施例冶炼及热加工后，最终成品规格为Φ200mm×4000mm的圆棒，对其取样进行交货态即退火态主要性能检测：
A．超声波探伤
采用的探伤仪的探头直径为20mm，频率为2.5MHZ，灵敏度为Ф3.0mm，对圆柱面大于180°范围扫描，未发现Ф3.0mm以上明显缺陷。
B．退火态硬度
成品圆棒头尾两个端面退火态硬度为165~180HB。
C．非金属夹杂物
圆棒从表层到心部A、B、D、DS类粗系、细系夹杂均不超过0.5级，无C类夹杂物。
D．奥氏体晶粒度
圆棒心部晶粒度在8.0级以上。
E．退火态组织
未见液析碳化物；带状偏析达基本不可见；球化组织细小弥散均匀分布，如图2所示。
F．淬回火态力学性能
在圆棒心部位置取横向冲击试样，试样尺寸为10mm×10mm×55mm（GB/T 229-2007标准），开V2型缺口，淬回火后硬度为：54HRC，室温冲击功值：28J左右，与5Cr5MoSiV1钢强韧性对比图如图3所示。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明盾构机刀具用合金钢SDH55及其制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。