CN111020389B - 一种盾构机滚刀合金材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构机滚刀合金材料。按重量比计，是以下述元素组成：C：0.66％、Si：1.92％、Mn：0.92％、V：0.21％、Cr：1.52％、P：≤0.013％、S：≤0.007％，剩余为Fe和微量元素。本发明能够在提高材料硬度的同时，提高材料的冲击韧性，将该材料用于制作盾构机滚刀，能够满足滚刀的技术指标要求，有效延长了滚动的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及盾构机材料技术领域，特别涉及一种盾构机滚刀合金材料。
背景技术
盾构机在城市地铁，铁路公路，能源运输管道等重大工程施工中的运用越来越广泛。盾构机掘进具有施工速度快，质量高，人员劳动强度低，经济，环保等优点。盾构机中的滚刀作为直接和岩石、泥土接触和作用的部件，相当于盾构机的牙齿，是实现盾构机掘进作业中的重要结构部件。由于盾构机刀具的工作都是在地下泥土、岩石、砂砾伴随着潮湿的的环境中，服役环境比较苛刻，其主要失效形式有断裂、磨损、变形等。为了保证盾构机的安全、高效运行，对盾构机滚刀材料的强韧性，特别是硬度和韧性的要求很高。
而目前，我国的钢铁材料中很难找到一种合金能够既满足硬度要求的同时，还能满足韧性要求，即很难达到高质量滚刀的技术指标要求(硬度≥56HRC，冲击值≥20J)，因此也就导致了滚刀的使用寿命不长。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种高盾构机滚刀合金材料。本发明能够在提高材料硬度的同时，提高材料的冲击韧性，将该材料用于制作盾构机滚刀，能够满足滚刀的技术指标要求，有效延长了滚动的使用寿命。
本发明的技术方案：一种盾构机滚刀合金材料，按重量比计，是以下述元素组成：
剩余为Fe和微量元素。
较优地，前述的盾构机滚刀合金材料，按重量比计，是以下述元素组成：
剩余为Fe和微量元素。
具体地，前述的盾构机滚刀合金材料，按重量比计，是以下述元素组成：
剩余为Fe和微量元素。
具体地，前述的盾构机滚刀合金材料，按重量比计，是以下述元素组成：
剩余为Fe和微量元素。
与现有技术相比，本发明中为了保证合金的硬度，以满足盾构机滚刀的硬度指标，将C含量提高至0.58％以上，又综合考量C含量过高会造成材料韧性下降变脆的因素，最终将C含量控制在0.70％以下；其最优值范围为0.62～0.68％。
本发明在钢材中掺入Si、Mn、V、Cr四种元素形成合金；其中Si在合金中能够充分的脱氧；同时由于Si是非碳化物形成元素，在采用Q&P工艺对滚刀材料进行热处理时，能够强烈抑制碳化物的形成，使未转变的奥氏体富碳，增加其稳定性，从而使合金冷却至室温时获得较多的富碳残余奥氏体，提高钢的塑韧性。此外，Si还具有固溶强化作用。但过高的Si含量会恶化钢的热轧性能和表面镀覆性能，产生较多的表面缺陷。最终发明人研究发现，在本发明的合金材料中，当Si含量小于1.8％时，其性能的发挥并不明显，但当Si含量超过2.20％后，材料的表面缺陷明显多，因此最终确定Si含量在1.8～2.20％之间，同时当Si含量在1.9～2.10％之间时，材料的性能最佳。
本发明中掺入Mn，能够提高钢材强度的元素，且加入成本较低。同时，通过Mn元素降低了合金中的马氏体转变温度Ms，增加残余奥氏体的含量。此外，本发明中的Mn还提高了残余奥氏体分解的抗力，确保合金材料的韧性不被影响。但是若Mn含量变得过量，则Mn偏析会变多，使得材料韧性发生劣化。因此为了在提高合金强度的同时，又不影响材料韧性，发明人在综合分析后最终确认本发明的合金材料中Mn的含量为0.60～0.95％，最优为0.65～0.92％。
本发明中掺入V，其目的是为了使其固溶于奥氏体中提高合金的淬透性，增加合金的回火稳定性和二次硬化作用。本发明中掺入的V固溶于铁素体中后，有极强的固溶强化作用和细化晶粒作用，因而其对低温冲击韧性有利；不仅如此，V在合金中形成的碳化钒是金属碳化物中最硬最耐磨的，进而还能提高合金材料的使用寿命；此外，其还能提高合金的抗高温高压氢腐蚀的能力。但是，当V掺入过量会对材料的抗氧化性不利；因此综合分析得出：V的含量为0.15～0.25％，最优为0.20～0.22％时，材料表现出的相应性能最佳。
本发明中掺入Cr，其目的是为了既提高材料的强度、硬度和耐磨性，又提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，使得盾构机滚刀能够更好地应对复杂地工况，但是，因为Cr的碳化物比较难溶解，其过多存在，会使材料的塑性和韧性降低，为了能够使材料硬度和韧性综合性能最佳，综合分析得出：Cr的含量为1.20～1.60％，最优为1.25～1.55％。
P、S为合金中的有害元素。其中，P会使合金的可塑性及韧性明显下降，特别的在低温下更为严重，这种现象叫作冷脆性；P也会使合金的耐酸性下降，在腐蚀界面的pH下降的氯化物腐蚀环境中使合金的耐蚀性下降；此外，其还使钢材的焊接性及韧性下降。P在高温压力加工时会使合金容易脆裂，通常叫作热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。而且，S降低合金的耐腐蚀能力。作为有害元素，其在合金中不存在是最好，但是要完全将其去除，成本会很高，且工艺复杂。本发明在综合考量成本和性能的匹配后，将P、S的含量控制在≤0.03％的范围即可。
通过本发明合金材料中各元素间性能的协同增效，最终使得本发明的合金材料的技术指标满足了盾构机滚刀材料“硬度≧56HRC，冲击功≧20J”的技术要求，有效延长了滚动的使用寿命。其协同增效表现在，如：Si能使未转变的奥氏体富碳，而Mn又通过降低Ms增加残余奥氏体的含量，如此双促进最终使得合金材料的强度得到提高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1。一种盾构机滚刀合金材料，按重量比计，是以下述元素组成：
剩余为Fe和微量元素。
将上述合金材料按照下述热处理方法处理：将材料在880℃下保温30min，之后放入50℃淬火油中冷却18s，然后再在270℃的盐浴中保温60min，最后水冷至室温即得。
上述制得的合金，其硬度达56HRC，冲击功达26J。
实施例2。一种盾构机滚刀合金材料，按重量比计，是以下述元素组成：
剩余为Fe和微量元素。
热处理方法同实施例1。
上述制得的合金，其硬度达57HRC，冲击功达25J。
实施例3。一种盾构机滚刀合金材料，按重量比计，是以下述元素组成：
剩余为Fe和微量元素。
较优地，前述的盾构机滚刀合金材料，按重量比计，是以下述元素组成：
剩余为Fe和微量元素。
热处理方法同实施例1。
Claims (1)
1.一种盾构机滚刀合金材料，其特征在于，按重量比计，是以下述元素组成：
剩余为Fe和微量元素。
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