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隨著社會的快速發(fā)展，大量的地鐵隧道、鐵路隧道和引水隧道正在建設(shè)和規(guī)劃建設(shè)。隧道掘進機具有安全環(huán)保、掘進效率高、自動化程度高等特點，在以上各種隧道施工中得到廣泛應(yīng)用。滾刀刀圈是固定于隧道掘進機最前端用于碾壓和破碎掌子面巖石的關(guān)鍵部件，在掘進中與巖石直接接觸，在強擠壓、高磨損、高沖擊的環(huán)境中運行，易發(fā)生磨損、斷裂而失效。滾刀刀圈的失效不僅會增加生產(chǎn)成本，而且還會因更換滾刀刀圈而顯著延長施工時間。據(jù)統(tǒng)計，部分工程滾刀刀圈的費用占工程造價的1/5以上，滾刀刀圈的檢修更換時間約占整個施工時間的1/3，因其失效導(dǎo)致的經(jīng)濟損失巨大，因此亟需開發(fā)具有良好韌性和耐磨性能的滾刀刀圈材料。

常用的滾刀刀圈材料有AISI4340、H13、DC53和SKD11鋼等，對比其組織和性能發(fā)現(xiàn)，這些材料都很難兼顧韌性和耐磨性能。為此，研究者在H13鋼的基礎(chǔ)上通過提高碳、鉬等元素含量，開發(fā)出了滾刀刀圈專用材料5Cr5MoSiV1鋼，該鋼經(jīng)淬火和高溫回火處理后可以兼具較好的耐磨性能和抗沖擊性能，因此得到廣泛應(yīng)用。碳含量的提高有助于形成更多的VC碳化物 ,進一步提高刀圈材料的硬度 。提高鉬元素含量可使材料的硬度更高，但會導(dǎo)致沖擊韌性下降。阮先明等研究發(fā)現(xiàn)，在5Cr5MoSiV1鋼中添加釓元素后，晶粒明顯細化，夾雜物減少，硬度和強度明顯提高。研究發(fā)現(xiàn)，5Cr5MoSiV1鋼的淬火硬度和沖擊韌性隨淬火溫度的升高先增后降，600℃回火后硬度達到峰值，沖擊韌性隨回火溫度的升高而提高。韋家波等研究發(fā)現(xiàn)，在510℃回火后，5Cr5MoSiV1鋼的硬度達到峰值，但沖擊吸收能量僅為3.6J。目前，有關(guān)5Cr5MoSiV1鋼的研究多集中在化學成分、熱處理工藝等對其硬度和沖擊韌性的影響方面，對其耐磨性能影響的研究較少，而滾刀刀圈需要兼顧高的耐磨性能和沖擊韌性。因此，作者對淬火后的5Cr5MoSiV1鋼進行不同溫度的回火熱處理，研究了回火溫度對其組織和耐磨性能的影響，以期為滾刀刀圈的制造提供數(shù)據(jù)支撐和理論參考。

1、  試樣制備與試驗方法

試驗材料為5Cr5MoSiV1鋼，生產(chǎn)流程為實驗室真空感應(yīng)爐冶煉、電渣重熔、鍛造和球化退火處理，其化學成分如表1所示，組織主要為粒狀珠光體，如圖1所示。在Nabertherm P300型馬弗爐中對試驗鋼進行淬火和回火處理，淬火溫度為 1050℃，保溫時間為1h，回火溫度分別設(shè)定為515，530，560，590，620℃，保溫時間為1h，淬火和回火的冷卻方式均為油冷。

表1 5Cr5MoSiV1鋼的化學成分

利用電火花線切割機床在回火處理后的試驗鋼上切割出尺寸為15mm×15mm×20mm的金相試樣，經(jīng)研磨、拋光后用體積分數(shù)4%的硝酸乙醇溶液腐蝕，使用COXEM EM-30AX+型掃描電子顯微鏡觀察其顯微組織。利用HR-150A型洛氏硬度計進行硬度測試，載荷為1471N，保載時間為5s。按照GB/T229-2020，利用PTM2302-C型金屬擺錘沖擊試驗機進行室溫沖擊試驗，試樣尺寸為10mm×55mm，開U型缺口。采用MLGS-225C型干濕砂橡膠輪式磨損試驗機進行干砂/橡膠輪磨粒磨損試驗，試樣尺寸為10mm×25mm×75mm，磨粒為粒徑245μm的石英砂，載荷為100 ，轉(zhuǎn)速為200r·min-1磨損時間為30min。采用精度為 0.001g的 BSM520.3型電子天平稱取磨損前后試樣的質(zhì)量，計算磨損質(zhì)量損失。采用 COXEM EM-30AX+型掃描電子顯微鏡觀察沖擊斷口形貌和磨損形貌。

圖1 球化退火態(tài)5Cr5MoSiV1鋼的顯微組織 

2、試驗結(jié)果與討論

2. 1  顯微組織

由圖2可見，不同溫度回火后試驗鋼的顯微組織均以回火索氏體為主，同時彌散分布著少量二次碳化物。在回火過程中，過飽和碳原子不斷從馬氏體中析出，并且隨著回火溫度的升高，碳原子擴散程度不斷變大，析出碳化物逐漸增多。在515~ 530℃回火時，回火溫度較低，碳原子擴散能力較弱，擴散速率較低，因此馬氏體板條特征仍然存在。當回火溫度升高到560℃及以上后，碳原子的擴散能力加強，擴散速率升高，碳化物析出并聚集長大，位錯胞和胞內(nèi)位錯線通過滑移和攀移逐漸消失，晶體內(nèi)部位錯密度下降，相鄰板條合并變寬，板條邊界逐漸模糊。

圖2 不同溫度回火后5Cr5MoSiV1鋼的顯微組織

2.2  硬度和沖擊吸收能量

由圖3可知：隨著回火溫度的升高，試驗鋼的硬度降低，620℃回火后的硬度為49.2HRC。在回火過程中，隨著回火溫度的升高，過飽和碳原子從馬氏體中析出能力增強，固溶強化作用減弱，同時晶體中的位錯發(fā)生運動，位錯密度降低，使得硬度下降；回火時析出的碳化物硬度對整體硬度的貢獻較小。當回火溫度不高于530℃時，基體保留馬氏體板條特征，析出的碳化物顯著降低了晶界強度，使得裂紋更易擴展，因此沖擊吸收能量較低且隨回火溫度的升高變化不大；在回火溫度達到560℃后，基體的回復(fù)和再結(jié)晶加劇，位錯密度降低，沖擊吸收能量隨著回火溫度升高而顯著增加，當回火溫度升至620℃時，沖擊吸收能量達到28.8J。此外，隨著回火溫度的升高，沖擊吸收能量的增速變緩，這主要與高溫回火時組織粗化以及碳化物的聚集長大導(dǎo)致韌性增加受阻有關(guān)。

圖3 5Cr5MoSiV1鋼的硬度和沖擊吸收能量隨回火溫度的變化曲線

2.3   沖擊斷口形貌

由圖4可知：當回火溫度為515，530℃時，沖擊斷口以準解理斷裂為主，準解理面較多，韌窩較淺，斷口內(nèi)撕裂棱長度較長，表明組織抵抗裂紋擴展能力弱，韌性較差；當回火溫度升高到560 ℃及以上后，斷口中韌窩變深，撕裂棱長度變短，表明組織抵抗裂紋擴展能力強，韌性較好。在560℃及以上溫度下回火時，試驗鋼組織中馬氏體板條特征開始消失，基體發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，位錯密度降低，在外力作用下較低的位錯密度可以減少晶格對位錯運動的阻力，提高裂紋產(chǎn)生和擴展所需要的能量，因此沖擊吸收能量較高。

圖4 不同溫度回火后5Cr5MoSiV1鋼的沖擊斷口形貌 

2.4  磨損質(zhì)量損失和磨損形貌

當回火溫度為515，530，560，590，620℃時，試驗鋼的磨損質(zhì)量損失分別為4.002，3.770，3.980，3.864，4.323g?？梢婋S著回火溫度的升高，磨損質(zhì)量損失呈先波動下降后升高的趨勢，與硬度的變化趨勢不同，說明硬度和耐磨性能不是正相關(guān)關(guān)系。由圖5可以看出：磨損后試驗鋼表面存在犁溝和剝落坑，不同溫度回火后的犁溝數(shù)量不同且寬窄深淺不等，剝落坑尺寸不一 。當回火溫度為515℃時，試驗鋼硬度較高，基體可以抵抗磨粒的侵入，犁溝的深度較淺、寬度較窄，但是其內(nèi)部應(yīng)力較大，在磨損過程中表面局部位置易發(fā)生斷裂、破碎以致剝落，易產(chǎn)生較大的剝落坑。隨著回火溫度的升高，硬度降低，基體抵抗磨粒侵入的能力降低，犁溝寬度和深度增加，但內(nèi)部應(yīng)力也降低，剝落坑的數(shù)量減少，尺寸減小。但是當回火溫度為620℃時，過低的硬度導(dǎo)致表面犁溝的深度和寬度過大。硬度降低使得表面抵抗磨粒侵入的能力下降，導(dǎo)致犁溝寬度和深度增加，磨損質(zhì)量損失增加；內(nèi)部應(yīng)力的下降可以抑制表面剝落坑的產(chǎn)生和連接，減少磨損質(zhì)量損失。這兩方面的共同作用導(dǎo)致試驗鋼的磨損質(zhì)量損失出現(xiàn)先波動下降后升高的趨勢。推薦5Cr5MoSiV1鋼的回火溫度為 590℃，此時硬度為51.1HRC，沖擊吸收能量為25.7J，磨損質(zhì)量損失為3.864g，試驗鋼兼具良好的沖擊韌性和耐磨性能。

圖5 不同溫度回火后5Cr5MoSiV1鋼的磨損形貌

3、結(jié)  論

不同溫度回火后5Cr5MoSiV1鋼的組織均為回火索氏體和少量碳化物。隨著回火溫度升高，碳化物增多并發(fā)生聚集長大，回火溫度超過560℃時，基體回復(fù)和再結(jié)晶加劇，馬氏體板條狀特征逐漸模糊。

隨著回火溫度的升高，5Cr5MoSiV1鋼的硬度降低，沖擊吸收能量先基本不變后升高，磨損質(zhì)量損失呈先波動下降后升高的趨勢。當回火溫度為 515,530℃時，沖擊斷口以準解理斷裂為主，韌窩較淺，撕裂棱較長，當回火溫度升高到560℃及以上后，韌窩變深，撕裂棱變短。隨著回火溫度的升高，犁溝深度和寬度增加，剝落坑數(shù)量減少，尺寸減小，但當回火溫度為620℃時，犁溝的深度和寬度過大，磨損質(zhì)量損失增大。

5Cr5MoSiV1鋼合適的回火溫度為590℃，此時該鋼兼具良好的沖擊韌性和耐磨性能，硬度為 51.1HRC，沖擊吸收能量為25.7J，磨損質(zhì)量損失為3.864g。

作者：郭志凱,連明洋,曹培澤,王超鋒,原曉偉 

工作單位：中鐵工程裝備集團有限公司 

來源：《機械工程材料》2024年5期