CN109957720B

CN109957720B - 一种高硬度、高韧性的掘进机刀圈用zw552钢

Info

Publication number: CN109957720B
Application number: CN201910167366.0A
Authority: CN
Inventors: 刘道献; 姚宏康; 曹立军; 赵伟东; 蒋大鹏; 关海龙; 张长春; 张健; 宋文建; 邵智勇; 刘海坤; 潘成明
Original assignee: Tangshan Zhiwei Technology Co ltd
Current assignee: Tangshan Zhiwei Technology Co ltd
Priority date: 2019-02-26
Filing date: 2019-02-26
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2039-02-26
Also published as: CN109957720A

Abstract

本发明涉及一种高硬度、高韧性掘进机刀圈用ZW552钢，包含以下质量百分含量的化学成分：C 0.45‑0.55％，Si≤0.30％，Mn 0.30‑0.50％，Cr 4.80‑5.50％，Mo 2.00‑2.40％，V 0.50‑0.70％，Nb 0.005‑0.080％，P≤0.015％，S≤0.003％，Ni≤0.020％，Cu≤0.010％，Ti≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。通过提高C含量，添加微量的Nb元素，控制P、S、Ni、Cu、Ti等残余元素含量，合理对微观结构进行设计，使得大幅提高刀圈使用硬度的同时，不降低韧性，以满足高硬度、高韧性、高耐磨性等，使用条件苛刻的性能要求。

Description

一种高硬度、高韧性的掘进机刀圈用ZW552钢

技术领域

本发明属于钢合金领域，具体涉及一种高硬度、高韧性的ZW552新型钢产品，该产品适用于硬质地质条件的掘进机刀圈的使用。

背景技术

掘进机刀圈作为盾构机工作部分的易损件，其成本约占隧道施工费的三分之一。目前，主流掘进机刀圈材料主要为H13(4Cr5MoSiV1)基础上增加百分之十碳含量的衍生钢种，但其在强度与韧性不能满足硬质岩层的工作，导致频繁更换刀圈，造成成本和效率的浪费。本技术通过提高C、Mo等元素含量，降低Si、V含量，并添加微量元素Nb，同时控制残余元素Ti。提高钢中合金碳化物中C含量、合金含量，提高碳化物硬度及材料抗回火性，Nb元素的微量添加，可形成高熔点、稳定、细小、均匀分布的M(C、N)型碳化物或与V结合形成复合(Nb、V)C型碳化物，结合特定工艺的制定提高了钢硬度、强度的同时，不降低韧性，满足硬质岩层掘进机刀圈所需求的高硬度和高韧性的要求。

发明内容

本发明通过提出一种高硬度、高韧性掘进机刀圈用ZW552钢。其中ZW552为本发明钢的牌号名称。该产品带状组织及球化组织均匀、二次碳化物形态及分布均匀。本技术通过提高C、Mo等元素含量，降低Si、V含量，并添加微量元素Nb，同时控制残余元素Ti。提高钢中合金碳化物中C含量、合金含量，提高碳化物硬度及材料抗回火性，Nb元素的微量添加，可形成高熔点、稳定、细小、均匀分布的M(C、N)型碳化物或与V结合形成复合(Nb、V)C型碳化物，结合特定工艺的制定提高钢硬度、强度的同时，不降低韧性，满足硬质岩层掘进机刀圈所需求的高硬度和高韧性的要求。

具体通过如下技术手段实现：

一种高硬度、高韧性掘进机刀圈用ZW552钢，所述钢按质量百分比含量计为：C0.45-0.55％，Si≤0.30％，Mn 0.30-0.50％，Cr 4.80-5.50％，Mo 2.00-2.40％，V 0.50-0.70％，Nb 0.005-0.080％，P≤0.015％，S≤0.003％，Ni≤0.020％，Cu≤0.010％，Ti≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。

作为优选，所述模具钢按质量百分比含量计为：C 0.48-0.52％，Si≤0.25％，Mn0.35-0.45％，Cr 5.00-5.30％，Mo 2.2-2.4％，V 0.50-0.65，Nb 0.008-0.050％，P≤0.012％，S≤0.001％，Ni≤0.015％，Cu≤0.008％，Ti≤0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质。

作为优选，所述模具钢按质量百分比含量计，杂质元素控制量为：残余气体含量O≤12ppm，N≤80ppm，H≤1.0ppm，残余元素含量Pb≤0.003％，Sn≤0.010％，As≤0.010％，Sb≤0.005％，Bi≤0.005％。

所述高硬度、高韧性掘进机刀圈用ZW552钢退火态显微组织为均匀细小的球状珠光体组织(即整体的碳化物分布的铁素体基体)，其显微结构为铁素体基体上均匀分布的球状二次碳化物，其密度为每1mm²铁素体基体面积上分布着(4.15～4.45)×10⁴个球状二次碳化物，碳化物平均粒径为480nm-1.05μm，所述球状二次碳化物为M23C6型碳化物、M6C型碳化物和/或复合型碳化物。所述M23C6型碳化物主体合金元素为Cr，所述M6C型碳化物主体合金元素为Mo，因ZW552中C、Mo含量增加，M23C6型碳化物中C含量，M6C型碳化物中C及合金含量发生了量的变化。

所述钢经1020-1040℃奥氏体化，保温30min，油淬至室温，200～250℃回火2次后，中心部位的微观结构为从马氏体中弥散析出高碳、高合金的Cr23C6、Mo6C及M(C、N)复合型碳化物，其中M为合金元素Nb和V，并且主体合金元素为V，所述复合型碳化物为不规则球形或长杆状，等效直径或者长度范围为80～300nm。

本发明的钢的性能以及上述微观结构通过如下步骤的方法获得：

(1)电炉冶炼，按照掘进机刀圈用ZW552钢组分含量进行废钢和合金料的配料，在电炉中熔化冶炼，温度为1630～1650℃时氧化扒渣，扒渣后加入硅铁合金、石灰、萤石，出钢温度为1620～1650℃，出钢过程中加铝进行脱氧；出钢后在线喂铝线，喂铝量1m/t，喂线速度≥120m/min。

(2)LF炉精炼，入LF炉后接通氩气，氩气压力0.5-0.8Mpa，随后送电升温，加入石灰和萤石调整炉渣流动性，采用碳粉和铝粒扩散脱氧，加热保温时间为10～20min，渣白后取样分析，白渣保持时间为30～50min，取样分析完毕后根据分析结果进行成分微调，LF炉出钢温度为1680～1690℃；

(3)VD精炼，钢包到位后喂硅钙线，喂线量1.2m/t，随后抽真空，极限真空度＜67Pa，保持该极限真空度18～35min，破真空后取样分析，成分合格后软吹入氩气至吊包，软吹氩气的时间为15～30min，吊包温度为1550～1568℃；

(4)浇铸电极坯，预热锭模为100～200℃，然后对锭模充入氩气，每个锭盘充氩气时间为3～5min，然后撤出氩气管，用盖子将锭模盖好后进行浇铸，浇铸全过程采用加挂石棉布的氩气保护浇铸件进行保护，氩气保护流量为15～26m³/h，浇铸时间为4～8min，电极坯直径为450～530mm，3～5h后脱模；

(5)电极坯退火，退火温度710～760℃，保温时间1～1.5min/mm，炉冷至300～350℃出炉；

(6)电渣重熔，采用步骤(5)得到的电极坯，表面清理磨光，采用氟化钙、氧化铝和氧化钙三元渣系进行冶炼，电渣冶炼稳态阶段的起点熔速值为7～10kg/min，终点熔速值为5.0～6.0kg/min，得到电渣锭，然后停电炉冷80～100min后送锻造工序；

(7)高温均质化处理，将步骤(6)得到的电渣锭加热至1280～1300℃，保温25～35h进行高温均质化处理；

(8)锻造，步骤(7)处理过的电渣锭温度降至1200～1240℃保温2～3h，进行X、Y和Z三个方向(即长宽高三个方向)的墩粗后再次拔长至圆棒尺寸，开锻温度1050～1200℃，终锻温度850-950℃；

(9)超细化处理，将步骤(8)锻后的工件进行控冷操作，冷却至400～500℃，冷却速度为20～50℃/min，然后重新加热至1050～1100℃的固溶温度，保温5～15h，然后采用水空交替的控时冷却方式继续进行冷却，最终冷却至芯部450±50℃后出水空冷；

(10)球化退火：将步骤(9)得到的半成品在250～400℃装炉，并升温至820～870℃，保温8～20h，再随炉缓慢冷却至700～750℃，保温15～30h，随炉缓冷至350～500℃出炉空冷至室温。

进一步的，在步骤(10)后取样继续进行如下步骤：

将步骤(10)得到的成品在中心取10*10*55mm冲击试样及Φ10mm拉伸试样(非保护气氛炉需预留适当余量)，在1020～1040℃进行奥氏体化，保温20～40min，油冷，然后在200～250℃的温度下至少回火2次，每次回火的时间为2～2.5h，使得最终回火硬度≥56HRC，然后将得到的试样毛坯精加工至10*10*55mm的冲击试样及Φ10mm的拉伸试样，分别进行室温U型缺口冲击及拉伸试验。

进一步的，所述电极冶炼电渣锭直径为625mm，重量3.6～4.3t。

进一步的，步骤(6)的所述三元渣系中CaF₂：Al₂O₃：CaO为：(38.5～42.5％)：(27.5～32.5％)：(27.5～32.5％)。

进一步的，步骤(6)中的渣量为150～180kg。

进一步的，步骤(6)中渣料使用前在700～750℃烘烤6～8小时。

本发明的效果在于：

(1)该高硬度、高韧性掘进机刀圈用ZW552钢退火态显微组织为均匀细小的球状珠光体组织，其显微结构为铁素体基体上均匀分布的球状二次碳化物，其密度为每1mm²铁素体基体面积上分布着(4.15～4.45)×10⁴个球状二次碳化物，碳化物平均粒径为480nm-1.05μm，所述球状二次碳化物为M23C6型碳化物、M6C型碳化物和/或复合型碳化物。所述M23C6型碳化物主体合金元素为Cr，所述M6C型碳化物主体合金元素为Mo，因ZW552中C、Mo含量增加，M23C6型碳化物中C含量，M6C型碳化物中C及合金含量发生了量的变化。该球化组织有利于奥氏体化过程充分溶解，减少未溶碳化物数量及尺寸。再经回火过程弥散析出，达到提高冲击韧性的目的。

(2)该高硬度、高韧性掘进机刀圈用ZW552钢提高硬度的关键在于，C元素的提高，在奥氏体化过程，C及合金元素溶于奥氏体中，并在后续回火过程中弥散析出高碳、高合金的M23C6、M6C及MC型碳化物。提高韧性的关键在于Mo元素的提高，有效提高M6C型碳化物中的Mo含量，从而充分析出碳化物得到高硬度的的同时达到高韧性。

通过提高C、Mo等元素含量，降低Si、V含量，并添加微量元素Nb，同时控制残余元素Ti。提高钢中合金碳化物中C含量、合金含量，提高碳化物硬度及材料抗回火性，Nb元素的微量添加，可形成高熔点、稳定、细小、均匀分布的M(C、N)型碳化物或与V结合形成复合(Nb、V)C型碳化物，结合特定工艺的制定提高钢硬度、强度的同时，不降低韧性，满足硬质岩层掘进机刀圈所需求的高硬度和高韧性的要求。

附图说明

图1本发明掘进机刀圈用钢的球化退火组织显微照片(500×)。

图2本发明掘进机刀圈用钢的退火退火组织SEM照片(3000×)。

图3本发明掘进机刀圈用钢的回火组织显微照片(500×)。

具体实施方式

实施例1

一种高硬度、高韧性掘进机刀圈用ZW552钢，钢化学成分及其百分含量为：

C 0.48％，

Si 0.26％，

Mn 0.38％，

Cr 5.12％，

Mo 2.31％，

V 0.58％，

Nb 0.011％，

P 0.010％，

S 0.0009％，

Ni 0.010％，

Cu 0.005％，

Ti 0.004％，

余量为Fe和不可避免的杂质；

实施例2

C 0.50％，

Si 0.23％，

Mn 0.39％，

Cr 5.10％，

Mo 2.26％，

V 0.57％，

Nb 0.009％，

P 0.010％，

S 0.0007％，

Ni 0.010％，

Cu 0.005％，

Ti 0.003％，

余量为Fe和不可避免的杂质

实施例3

C 0.51％，

Si 0.20％，

Mn 0.37％，

Cr 5.13％，

Mo 2.32％，

V 0.60％，

Nb 0.008％，

P 0.011％，

S 0.0010％，

Ni 0.010％，

Cu 0.005％，

Ti 0.003％，

余量为Fe和不可避免的杂质；

在本发明高硬度、高韧性掘进机刀圈用ZW552钢材料上取样进行球化退火、淬回火显微组织分析及硬度、性能检测：

球化退火组织显微分析：在横截面心部取样，在500×倍下进行球化退火组织检验，其显微结构为铁素体基体上均匀分布的球状二次碳化物，其密度为每1mm²铁素体基体面积上分布着(4.15～4.45)×10⁴个球状二次碳化物，碳化物平均粒径为480nm-1.05μm，所述球状二次碳化物为M23C6型碳化物、M6C型碳化物和/或复合型碳化物(球化退火组织显微照片见附图1)。所述M23C6型碳化物主体为Cr，所述M6C型碳化物主体为Mo，按NADCA#207-2011标准进行评级，级别达到AS6以内，均匀的球化组织，为最终淬回火热处理作好预备组织准备；

球化退火组织SEM分析：在SEM(扫描电子显微镜)下进一步观察球化退火组织，继续放大到3000×，碳化物颗粒清楚、分布均匀，二次碳化物显微形态呈球状、椭球状及不规则形状分布于铁素体基体上(球化退火组织SEM照片见附图2)。此类型的球状碳化物及均匀分布有利于奥氏体化充分溶解，获得成分、组织均匀的奥氏体组织，从而还可获得均匀的淬回火组织。

淬回火组织显微分析：试样经1020～1040℃进行奥氏体化，保温20～40min，油冷，然后在200～250℃的温度下至少回火2次，淬火过程中大多数合金元素固溶到基体中，获得高硬度(≥56HRC，见表1)。后续回火过程中弥散析出高碳、高合金的M23C6、M6C及M(C、N)复合型碳化物，M主要为合金元素Nb和V，其中V为主体合金元素(含量占比大于M(C、N)总量的40％)，主要为不规则球形或者长杆状，等效直径或者长度范围在80～300nm(淬回火组织显微照片见附图3)。正是这些细小析出相在使用过程中起着弥散强化作用，提高了材料的硬度韧性及耐磨性；

性能试验：在刀圈用钢中心部位取10*10*55mm冲击试样及Φ10mm拉伸试样(非保护气氛炉需预留适当余量)，在1020～1040℃进行奥氏体化，保温20～40min，油冷，然后在200～250℃的温度下至少回火2次，每次回火的时间为2～2.5h，使得最终回火硬度≥56HRC，然后将得到的试样毛坯精加工至10*10*55mm的冲击试样及Φ10mm的拉伸试样，分别进行室温U型缺口冲击及拉伸试验，抗拉强度≥2100MPa，冲击韧性Aku＞25J。

各实施例调质硬度及力学性能检测结果见表1、表2。

表1 各实施例调质硬度

表2 各实施例力学性能

对比试样	U缺口冲击功/J	抗拉强度/MPa
			实施例1	27.2	2135
实施例2	28.4	2162
			实施例3	27.9	2140

Claims

1.一种高硬度、高韧性掘进机刀圈用ZW552钢，其特征在于，所述钢的化学成分按质量百分比含量计为：C 0.50-0.52%，Si ≤0.25%，Mn 0.35-0.45%，Cr 5.00-5.30%，Mo 2.2-2.4%，V 0.50-0.65%，Nb 0.008-0.009%，P≤0.012%，S≤0.001%，Ni 0.01-0.020%，Cu0.005-0.010%，Ti 0.003-0.005%，余量为Fe和不可避免的杂质；

所述高硬度、高韧性掘进机刀圈用ZW552钢的退火态显微组织为均匀细小的球状珠光体组织，其显微结构为铁素体基体上均匀分布的球状或椭球状为主的二次碳化物，所述二次碳化物的密度为每1mm²铁素体基体截面积上分布着（4.15~4.45）×10⁴个球状或椭球状二次碳化物，二次碳化物的平均粒径为480nm-1.05μm，所述球状或椭球状二次碳化物为Cr₂₃C₆碳化物、Mo₆C碳化物或二者的复合型碳化物；

所述高硬度、高韧性掘进机刀圈用ZW552钢的淬回火态的显微结构为从马氏体中弥散析出高碳、高合金的Cr₂₃C₆、Mo₆C及M（C、N）复合型碳化物，其中M为合金元素Nb、V和Ti，并且主体合金元素为V，主体合金元素V的含量占比大于M（C、N）总量的40%，所述复合型碳化物为不规则球形或长杆状，等效直径或者长度范围为80~300nm；

所述高硬度、高韧性掘进机刀圈用ZW552钢中心部位取10*10*55mm冲击试样及Φ10mm拉伸试样，在1020~1040℃进行奥氏体化，保温20~40min，油冷，然后在200~250℃的温度下至少回火2次，每次回火的时间为2~2.5h，使得最终回火硬度≥56HRC，然后将得到的试样毛坯精加工至10*10*55mm的冲击试样及Φ10mm的拉伸试样，分别进行室温U型缺口冲击及拉伸试验，得到试样的抗拉强度≥2100MPa，冲击韧性Aku＞25J。

2.根据权利要求1所述的高硬度、高韧性掘进机刀圈用ZW552钢，其特征在于，所述钢的杂质元素控制量为：残余气体含量O≤12ppm，N≤80ppm，H≤1.0ppm，残余元素含量Pb≤0.003%，Sn≤0.010%，As≤0.010%，Sb≤0.005%，Bi≤0.005%。