CN108277431B - 一种盾构机刀具用圆钢及其制造方法 - Google Patents

一种盾构机刀具用圆钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种盾构机刀具用圆钢及其制造方法，其化学成分的重量百分比：C为0.65～0.75％、Si为0.90～1.10％、Mn为0.40～0.50％、Cr为3.00～4.00％、Mo为1.10～1.40％、V为1.20‑1.50％、N为0.02‑0.03％、S≤0.005％、P≤0.020％，其余为Fe和不可避免杂质。其制造工艺流程：感应熔炼→浇铸成Φ(360～280)mm×(2200～2500)mm电极棒→电渣重熔成宽×高×长≈(378～344)mm×(500～443)mm×(1100～900)mm矩形锭→电渣锭退火→三向细化均匀及FM法锻造成Φ(200～180)mm×(6500～5400)mm→锻后热处理。淬火回火后盾构机刀具用圆钢心部硬度达60‑61HRC，10×10×55mm3V型缺口试样的冲击功达34‑38J。

Description

一种盾构机刀具用圆钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种刀具用钢及其制造方法，特别是涉及一种盾构机刀具用圆钢及其制造方法。
背景技术
盾构机(盾构隧道掘进机)广泛应用于地铁、公路与铁路交通、能源输送、地下通道等重大工程，具有挖掘速度快、安全、环保、经济等优点。盾构机刀具是盾构机的牙齿，是盾构机实现掘进功能的主要部件。由于刀具在掘进时既要耐磨，又要在遭受巨大冲击时避免崩裂或塑性变形，所以刀具材料应具有高硬度、高强度及良好的冲击韧性。市场上的盾构机刀具材料主要有美国Robbins、德国Wirth合金钢，国内常用H13和研发的HH201、HH301、SDH55等。这些合金钢的含C量在0.3-0.6wt.％，合金元素种类不一、含量各异，通过不同的压力加工、热处理方法，达到硬度和韧性的优化匹配。如，株洲硬质合金集团有限公司开发的HH301，硬度和冲击韧性分别达到59-61HRC、17-19J/cm2；而美国Robbins开发的盾构刀具的硬度和冲击韧性分别到达51.5-57.2HRC、30-40J/cm2(张忠健，张璐，贺军，吴湘伟.盾构刀具产业现状及发展[J].硬质合金,2015,32(5):340-346)。面对盾构机市场的越来越多高硬度且高冲击韧性的刀具需要，如何提供更好的高性能盾构机刀具用圆钢，是本发明的目的。
发明内容
为了提高盾构机刀具的硬度而又不降低韧性，本发明所要解决的技术问题是提供一种盾构机刀具用圆钢及其制造方法。
本发明在设计化学成分(质量百分数)上采取如下思路：增加C含量，提高硬度和淬透性，控制C在0.65～0.75％；降低Cr含量，减少易粗化的Cr23C6析出，控制Cr在3.00～4.00％；Mo含量控制在1.10-1.40％，保证热稳定性；V含量控制在1.20～1.50％，保证二次硬化和组织细化；Si含量控制在0.90～1.10％，保证热强性且韧性不显著降低；Mn含量控制在0.40～0.50％，保证组织不粗化、偏析轻；N含量控制在0.02～0.03％，以促使碳氮化钒的析出，提高细晶和热稳定性；P、S尽量降低，保证S≤0.005％、P≤0.020％。
根据以上思路，本发明采用如下技术方案；
一种盾构机刀具用圆钢，以重量百分比计的化学成分如下：C为0.65～0.75％、Si为0.90～1.10％、Mn为0.40～0.50％、Cr为3.00～4.00％、Mo为1.10～1.40％、V为1.20-1.50％、N为0.02-0.03％、S≤0.005％、P≤0.020％，其余为Fe。
上述盾构机刀具用圆钢在制备时，一方面要保证组织的细化和均匀化，另一方面要避免圆钢拔长时出现轴向拉应力而增加开裂倾向。为此采取矩形电渣锭三向镦粗与拔长、而后再变圆钢的细化均匀及FM法锻造工艺。工艺流程：感应熔炼→浇铸成Φ(360～280)mm×(2200～2500)mm电极棒→电渣重熔成宽×高×长(378～344)mm×(500～443)mm×(1100～900)mm矩形锭→电渣锭退火→三向细化均匀及FM法锻造成Φ(200～180)mm×(6500～5400)mm→锻后热处理。
一种盾构机刀具用圆钢的制备方法，包括如下步骤：
1)按前述的质量组成进行配料，放入感应电炉内熔炼，浇铸成Φ(360～280)mm×(2200～2500)mm电极棒；
2)将电极棒电渣重熔成宽×高×长(378～344)mm×(500～443)mm×(1100～900)mm矩形锭；
3)将矩形锭加热至900±10℃，保温10小时，炉冷至300℃后出炉空冷；
4)将退火后的矩形锭通过三向细化均匀及FM法锻造成Φ(200～180)mm×(6500～5400)mm圆钢；
5)将锻后圆钢直接入炉，加热至1050±10℃，保温8小时后水冷；水冷后圆钢加热至880±10℃，保温10小时后炉冷至730±10℃，保温8小时后，炉冷至室温。
所述的三向细化均匀及FM法锻造，按如下步骤进行：
(1)长度方向镦粗成：宽×高×长(556～506)mm×(680～602)mm×(550～450)mm，镦粗比＝2.0，之后进1200℃均热炉保温4小时。
(2)高度方向镦粗，长度拔回原长：宽×高×长(556～506)mm×(340～301)mm×(1100～900)mm，高度方向镦粗比＝2.0，之后进1200℃均热炉保温4小时。
(3)宽度方向镦粗，高度拔回原长：宽×高×长(278～253)mm×(680～602)mm×(1100～900)mm，宽度方向镦粗比＝2.0，之后进1200℃均热炉保温4小时。
(4)长度方向镦粗，宽度拔回原长：宽×高×长(556～506)mm×(680～602)mm×(550～450)mm，长度方向镦粗比＝2.0，之后进1200℃均热炉保温4小时。
(5)采用FM锻造法，砧宽比≥4.0，沿高度方向拔长成：宽×高×长(200～180)mm×(5204～4241)mm×(200～180)mm，之后进1200℃均热炉保温4小时。
(6)沿高度方向拔长成圆形定尺：Φ(200～180)mm×(6500～5400)mm。
与现有技术相比，本发明具有如下的优点：
1)使矩形钢锭中的大尺寸碳化物彻底碎化；
2)显微组织细化且均匀；
3)避免了圆钢心部轴向拉应力的存在；
4)硬度提高的同时，冲进韧性不降低甚至提高。
附图说明
图1为本发明实施例1盾构机刀具用圆钢退火后的心部显微组织图。
具体实施方式
实施例1
工艺流程：感应炉熔炼→浇铸成Φ360mm×2200mm电极棒→电渣炉重熔成宽×高×长≈378mm×500mm×1100mm矩形锭→电渣锭退火→三向细化均匀及FM法锻造成Φ200mm×6500mm→锻后热处理。
包括如下步骤：
1)按化学成分(质量百分数)：0.72％C，3.98％Cr，1.40％Mo，1.08％V，1.08％Si，0.48％Mn，0.029％N，0.005％S，0.015％P，其余为Fe组成进行配料，其中N的加入采用氮化钒控制和调节，放入中频感应电炉内熔炼，浇铸成Φ360mm×2200mm电极棒；
2)将电极棒电渣重熔，控制熔速在8mm/min，熔池深度在60mm，铸成：宽×高×长≈378mm×500mm×1100mm矩形锭；
3)将矩形锭热送至加热炉，升温至910℃，保温10小时，炉冷至300℃后出炉空冷；
4)将退火后的矩形锭通过三向细化均匀及FM法锻造成Φ200mm×6500mm圆钢；
5)将锻后圆钢热送入炉，加热至1042℃，保温8小时后水冷。水冷后圆钢加热至875℃，保温10小时后炉冷至725℃，保温8小时后，炉冷至室温。
所述的三向细化均匀及FM法锻造，按如下步骤进行：
1)长度方向镦粗成：宽×高×长≈556mm×680mm×550mm，镦粗比＝2.0，之后进1200℃均热炉保温4小时。
2)高度方向镦粗，长度拔回原长：宽×高×长≈556mm×340mm×1100mm，高度方向镦粗比＝2.0，之后进1200℃均热炉保温4小时。
3)宽度方向镦粗，高度拔回原长：宽×高×长≈278mm×680mm×1100mm，宽度方向镦粗比＝2.0，之后进1200℃均热炉保温4小时。
4)长度方向镦粗，宽度拔回原长：宽×高×长≈556mm×680mm×550mm，长度方向镦粗比＝2.0，之后进1200℃均热炉保温4小时。
5)采用FM锻造法，砧宽比≥4.0，沿高度方向拔长成：宽×高×长≈200mm×5204mm×200mm，之后进1200℃均热炉保温4小时。
6)沿高度方向拔长成圆形定尺：Φ200mm×6500mm。
实施例2
工艺流程：感应炉熔炼→浇铸成Φ280mm×2500mm电极棒→电渣重熔成宽×高×长≈344mm×443mm×900mm矩形锭→电渣锭退火→三向细化均匀及FM法锻造成Φ180mm×5400mm→锻后热处理。
包括如下步骤：
1)按化学成分(质量百分数)0.68％C，3.10％Cr，1.15％Mo，1.29％V，0.95％Si，0.42％Mn，0.022％N，0.004％S，0.010％P，其余为Fe组成进行配料，其中N的加入采用氮化钒控制和调节，放入中频感应电炉内熔炼，浇铸成Φ280mm×2500mm电极棒；
2)将电极棒电渣重熔，控制熔速在11mm/min，熔池深度在55mm，铸成：宽×高×长≈344mm×443mm×900mm矩形锭；
3)将矩形锭热送至加热炉，升温至900℃，保温10小时，炉冷至300℃后出炉空冷；
4)将退火后的矩形锭通过三向细化均匀及FM法锻造成Φ180mm×5400mm圆钢；
5)将锻后圆钢热送入炉，加热至1057℃，保温8小时后水冷。水冷后圆钢加热至885℃，保温10小时后炉冷至737℃，保温8小时后，炉冷至室温。
所述的三向细化均匀及FM法锻造，按如下步骤进行：
1)长度方向镦粗成：宽×高×长≈506mm×602mm×450mm，镦粗比＝2.0，之后进1200℃均热炉保温4小时。
2)高度方向镦粗，长度拔回原长：宽×高×长≈506mm×301mm×900mm，高度方向镦粗比＝2.0，之后进1200℃均热炉保温4小时。
3)宽度方向镦粗，高度拔回原长：宽×高×长≈253mm×602mm×900mm，宽度方向镦粗比＝2.0，之后进1200℃均热炉保温4小时。
4)长度方向镦粗，宽度拔回原长：宽×高×长≈506mm×602mm×450mm，长度方向镦粗比＝2.0，之后进1200℃均热炉保温4小时。
5)采用FM锻造法，砧宽比≥4.0，沿高度方向拔长成：宽×高×长≈180mm×4241mm×180mm，之后进1200℃均热炉保温4小时。
6)沿高度方向拔长成圆形定尺：Φ180mm×5400mm。
实施例3
工艺流程：感应炉熔炼→浇铸成Φ400mm×2100mm电极棒→电渣重熔成宽×高×长≈422mm×550mm×1098mm矩形锭→电渣锭退火→三向细化均匀及FM法锻造成Φ220mm×6700mm→锻后热处理。
包括如下步骤：
1)按化学成分(质量百分数)：0.70％C，3.50％Cr，1.27％Mo，1.36％V，1.01％Si，0.46％Mn，0.025％N，0.002％S，0.010％P，其余为Fe组成进行配料，其中N
的加入采用氮化钒控制和调节，放入中频感应电炉内熔炼，浇铸成Φ400mm×2100mm电极棒；
2)将电极棒电渣重熔，控制熔速在10mm/min，熔池深度在57mm，铸成：宽×高×长≈422mm×550mm×1098mm矩形锭；
3)将矩形锭热送至加热炉，升温至888℃，保温10小时，炉冷至300℃后出炉空冷；
4)将退火后的矩形锭通过三向细化均匀及FM法锻造成Φ220mm×6700mm圆钢；
5)将锻后圆钢热送入炉，加热至1050℃，保温8小时后水冷。水冷后圆钢加热至880℃，保温10小时后炉冷至730℃，保温8小时后，炉冷至室温。
所述的三向细化均匀及FM法锻造，按如下步骤进行：
1)长度方向镦粗成：宽×高×长≈620mm×748mm×549mm，镦粗比＝2.0，之后进1200℃均热炉保温4小时。
2)高度方向镦粗，长度拔回原长：宽×高×长≈620mm×374mm×1098mm，高度方向镦粗比＝2.0，之后进1200℃均热炉保温4小时。
3)宽度方向镦粗，高度拔回原长：宽×高×长≈310mm×748mm×1098mm，宽度方向镦粗比＝2.0，之后进1200℃均热炉保温4小时。
4)长度方向镦粗，宽度拔回原长：宽×高×长≈620mm×748mm×549mm，长度方向镦粗比＝2.0，之后进1200℃均热炉保温4小时。
5)采用FM锻造法，砧宽比≥4.0，沿高度方向拔长成：宽×高×长≈220mm×5260mm×220mm，之后进1200℃均热炉保温4小时。
6)沿高度方向拔长成圆形定尺：Φ220mm×6700mm。
实施例与对比例的比较
[1]吴晓春，印康莹，左鹏鹏，吴博雅.盾构机刀具用合金钢SDH55及其制备方法，中国发明专利，申请号201510273098.2。

Claims (1)

1.一种盾构机刀具用圆钢的制造方法，所述盾构机刀具用圆钢，以重量百分比计的化学成分如下：C为0.65～0.75％、Si为0.90～1.10％、Mn为0.40～0.50％、Cr为3.00～4.00％、Mo为1.10～1.40％、V为1.20-1.50％、N为0.02-0.03％、S≤0.005％、P≤0.020％，其余为Fe；其特征在于包括如下步骤：
1)按前述的质量组成进行配料，放入感应电炉内熔炼，浇铸成Φ(360～280)mm×(2200～2500)mm电极棒；
2)将电极棒电渣重熔成宽×高×长(378～344)mm×(500～443)mm×(1100～900)mm矩形锭；
3)将矩形锭加热至900±10℃，保温10小时，炉冷至300℃后出炉空冷；
4)将冷却后的矩形锭通过三向细化均匀及FM法锻造成Φ(200～180)mm×(6500～5400)mm圆钢；
5)将锻后圆钢直接入炉，加热至1050±10℃，保温8小时后水冷；水冷后圆钢加热至880±10℃，保温10小时后炉冷至730±10℃，保温8小时后，炉冷至室温；
步骤4)中，三向细化均匀及FM法按如下步骤进行：
(1)长度方向镦粗成：宽×高×长＝(556～506)mm×(680～602)mm×(550～450)mm，镦粗比＝2.0，之后进1200℃均热炉保温4小时；
(2)高度方向镦粗，长度拔回：宽×高×长＝(556～506)mm×(340～301)mm×(1100～900)mm，高度方向镦粗比＝2.0，之后进1200℃均热炉保温4小时；
(3)宽度方向镦粗，高度拔回：宽×高×长＝(278～253)mm×(680～602)mm×(1100～900)mm，宽度方向镦粗比＝2.0，之后进1200℃均热炉保温4小时；
(4)长度方向镦粗，宽度拔回：宽×高×长＝(556～506)mm×(680～602)mm×(550～450)mm，长度方向镦粗比＝2.0，之后进1200℃均热炉保温4小时；
(5)采用FM锻造法，砧宽比≥4.0，沿高度方向拔长成：宽×高×长＝(200～180)mm×(5204～4241)mm×(200～180)mm，之后进1200℃均热炉保温4小时；
(6)沿高度方向拔长成圆形定尺：Φ(200～180)mm×(6500～5400)mm。
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