本发明专利技术涉及一种高硬度、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。
ZW552 steel for roadheader cutter ring with high hardness and toughness
【技术实现步骤摘要】
一种高硬度、高韧性的掘进机刀圈用ZW552钢
本专利技术属于钢合金领域，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术通过提出一种高硬度、高韧性掘进机刀圈用ZW552钢。其中ZW552为本专利技术钢的牌号名称。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％，Mn0.30-0.50％，Cr4.80-5.50％，Mo2.00-2.40％，V0.50-0.70％，Nb0.005-0.080％，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：C0.48-0.52％，Si≤0.25％，Mn0.35-0.45％，Cr5.00-5.30％，Mo2.2-2.4％，V0.50-0.65，Nb0.008-0.050％，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。本专利技术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3.6～4.3本文档来自技高网...
【技术保护点】
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 0.45‑0.55％，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；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1mm
【技术特征摘要】
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：C0.45-0.55％，Si≤0.30％，Mn0.30-0.50％，Cr4.80-5.50％，Mo2.00-2.40％，V0.50-0.70％，Nb0.005-0.080％，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；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，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。2.根据权利要求1所述的高硬度、高韧性掘进机刀圈用钢，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：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，
申请(专利权)人：唐山志威科技有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13
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