随着社会的快速发展，大量的地铁隧道、铁路隧道和引水隧道正在建设和规划建设。隧道掘进机具有安全环保、掘进效率高、自动化程度高等特点，在以上各种隧道施工中得到广泛应用。滚刀刀圈是固定于隧道掘进机最前端用于碾压和破碎掌子面岩石的关键部件，在掘进中与岩石直接接触，在强挤压、高磨损、高冲击的环境中运行，易发生磨损、断裂而失效。滚刀刀圈的失效不仅会增加生产成本，而且还会因更换滚刀刀圈而显著延长施工时间。据统计，部分工程滚刀刀圈的费用占工程造价的1/5以上，滚刀刀圈的检修更换时间约占整个施工时间的1/3，因其失效导致的经济损失巨大，因此亟需开发具有良好韧性和耐磨性能的滚刀刀圈材料。

常用的滚刀刀圈材料有AISI4340、H13、DC53和SKD11钢等，对比其组织和性能发现，这些材料都很难兼顾韧性和耐磨性能。为此，研究者在H13钢的基础上通过提高碳、钼等元素含量，开发出了滚刀刀圈专用材料5Cr5MoSiV1钢，该钢经淬火和高温回火处理后可以兼具较好的耐磨性能和抗冲击性能，因此得到广泛应用。碳含量的提高有助于形成更多的VC碳化物 ,进一步提高刀圈材料的硬度 。提高钼元素含量可使材料的硬度更高，但会导致冲击韧性下降。阮先明等研究发现，在5Cr5MoSiV1钢中添加钆元素后，晶粒明显细化，夹杂物减少，硬度和强度明显提高。研究发现，5Cr5MoSiV1钢的淬火硬度和冲击韧性随淬火温度的升高先增后降，600℃回火后硬度达到峰值，冲击韧性随回火温度的升高而提高。韦家波等研究发现，在510℃回火后，5Cr5MoSiV1钢的硬度达到峰值，但冲击吸收能量仅为3.6J。目前，有关5Cr5MoSiV1钢的研究多集中在化学成分、热处理工艺等对其硬度和冲击韧性的影响方面，对其耐磨性能影响的研究较少，而滚刀刀圈需要兼顾高的耐磨性能和冲击韧性。因此，作者对淬火后的5Cr5MoSiV1钢进行不同温度的回火热处理，研究了回火温度对其组织和耐磨性能的影响，以期为滚刀刀圈的制造提供数据支撑和理论参考。

1、  试样制备与试验方法

试验材料为5Cr5MoSiV1钢，生产流程为实验室真空感应炉冶炼、电渣重熔、锻造和球化退火处理，其化学成分如表1所示，组织主要为粒状珠光体，如图1所示。在Nabertherm P300型马弗炉中对试验钢进行淬火和回火处理，淬火温度为 1050℃，保温时间为1h，回火温度分别设定为515，530，560，590，620℃，保温时间为1h，淬火和回火的冷却方式均为油冷。

表1 5Cr5MoSiV1钢的化学成分

利用电火花线切割机床在回火处理后的试验钢上切割出尺寸为15mm×15mm×20mm的金相试样，经研磨、抛光后用体积分数4%的硝酸乙醇溶液腐蚀，使用COXEM EM-30AX+型扫描电子显微镜观察其显微组织。利用HR-150A型洛氏硬度计进行硬度测试，载荷为1471N，保载时间为5s。按照GB/T229-2020，利用PTM2302-C型金属摆锤冲击试验机进行室温冲击试验，试样尺寸为10mm×55mm，开U型缺口。采用MLGS-225C型干湿砂橡胶轮式磨损试验机进行干砂/橡胶轮磨粒磨损试验，试样尺寸为10mm×25mm×75mm，磨粒为粒径245μm的石英砂，载荷为100 ，转速为200r·min-1磨损时间为30min。采用精度为 0.001g的 BSM520.3型电子天平称取磨损前后试样的质量，计算磨损质量损失。采用 COXEM EM-30AX+型扫描电子显微镜观察冲击断口形貌和磨损形貌。

图1 球化退火态5Cr5MoSiV1钢的显微组织 

2、试验结果与讨论

2. 1  显微组织

由图2可见，不同温度回火后试验钢的显微组织均以回火索氏体为主，同时弥散分布着少量二次碳化物。在回火过程中，过饱和碳原子不断从马氏体中析出，并且随着回火温度的升高，碳原子扩散程度不断变大，析出碳化物逐渐增多。在515~ 530℃回火时，回火温度较低，碳原子扩散能力较弱，扩散速率较低，因此马氏体板条特征仍然存在。当回火温度升高到560℃及以上后，碳原子的扩散能力加强，扩散速率升高，碳化物析出并聚集长大，位错胞和胞内位错线通过滑移和攀移逐渐消失，晶体内部位错密度下降，相邻板条合并变宽，板条边界逐渐模糊。

图2 不同温度回火后5Cr5MoSiV1钢的显微组织

2.2  硬度和冲击吸收能量

由图3可知：随着回火温度的升高，试验钢的硬度降低，620℃回火后的硬度为49.2HRC。在回火过程中，随着回火温度的升高，过饱和碳原子从马氏体中析出能力增强，固溶强化作用减弱，同时晶体中的位错发生运动，位错密度降低，使得硬度下降；回火时析出的碳化物硬度对整体硬度的贡献较小。当回火温度不高于530℃时，基体保留马氏体板条特征，析出的碳化物显著降低了晶界强度，使得裂纹更易扩展，因此冲击吸收能量较低且随回火温度的升高变化不大；在回火温度达到560℃后，基体的回复和再结晶加剧，位错密度降低，冲击吸收能量随着回火温度升高而显著增加，当回火温度升至620℃时，冲击吸收能量达到28.8J。此外，随着回火温度的升高，冲击吸收能量的增速变缓，这主要与高温回火时组织粗化以及碳化物的聚集长大导致韧性增加受阻有关。

图3 5Cr5MoSiV1钢的硬度和冲击吸收能量随回火温度的变化曲线

2.3   冲击断口形貌

由图4可知：当回火温度为515，530℃时，冲击断口以准解理断裂为主，准解理面较多，韧窝较浅，断口内撕裂棱长度较长，表明组织抵抗裂纹扩展能力弱，韧性较差；当回火温度升高到560 ℃及以上后，断口中韧窝变深，撕裂棱长度变短，表明组织抵抗裂纹扩展能力强，韧性较好。在560℃及以上温度下回火时，试验钢组织中马氏体板条特征开始消失，基体发生回复和再结晶，位错密度降低，在外力作用下较低的位错密度可以减少晶格对位错运动的阻力，提高裂纹产生和扩展所需要的能量，因此冲击吸收能量较高。

图4 不同温度回火后5Cr5MoSiV1钢的冲击断口形貌 

2.4  磨损质量损失和磨损形貌

当回火温度为515，530，560，590，620℃时，试验钢的磨损质量损失分别为4.002，3.770，3.980，3.864，4.323g。可见随着回火温度的升高，磨损质量损失呈先波动下降后升高的趋势，与硬度的变化趋势不同，说明硬度和耐磨性能不是正相关关系。由图5可以看出：磨损后试验钢表面存在犁沟和剥落坑，不同温度回火后的犁沟数量不同且宽窄深浅不等，剥落坑尺寸不一 。当回火温度为515℃时，试验钢硬度较高，基体可以抵抗磨粒的侵入，犁沟的深度较浅、宽度较窄，但是其内部应力较大，在磨损过程中表面局部位置易发生断裂、破碎以致剥落，易产生较大的剥落坑。随着回火温度的升高，硬度降低，基体抵抗磨粒侵入的能力降低，犁沟宽度和深度增加，但内部应力也降低，剥落坑的数量减少，尺寸减小。但是当回火温度为620℃时，过低的硬度导致表面犁沟的深度和宽度过大。硬度降低使得表面抵抗磨粒侵入的能力下降，导致犁沟宽度和深度增加，磨损质量损失增加；内部应力的下降可以抑制表面剥落坑的产生和连接，减少磨损质量损失。这两方面的共同作用导致试验钢的磨损质量损失出现先波动下降后升高的趋势。推荐5Cr5MoSiV1钢的回火温度为 590℃，此时硬度为51.1HRC，冲击吸收能量为25.7J，磨损质量损失为3.864g，试验钢兼具良好的冲击韧性和耐磨性能。

图5 不同温度回火后5Cr5MoSiV1钢的磨损形貌

3、结  论

不同温度回火后5Cr5MoSiV1钢的组织均为回火索氏体和少量碳化物。随着回火温度升高，碳化物增多并发生聚集长大，回火温度超过560℃时，基体回复和再结晶加剧，马氏体板条状特征逐渐模糊。

随着回火温度的升高，5Cr5MoSiV1钢的硬度降低，冲击吸收能量先基本不变后升高，磨损质量损失呈先波动下降后升高的趋势。当回火温度为 515,530℃时，冲击断口以准解理断裂为主，韧窝较浅，撕裂棱较长，当回火温度升高到560℃及以上后，韧窝变深，撕裂棱变短。随着回火温度的升高，犁沟深度和宽度增加，剥落坑数量减少，尺寸减小，但当回火温度为620℃时，犁沟的深度和宽度过大，磨损质量损失增大。

5Cr5MoSiV1钢合适的回火温度为590℃，此时该钢兼具良好的冲击韧性和耐磨性能，硬度为 51.1HRC，冲击吸收能量为25.7J，磨损质量损失为3.864g。

作者：郭志凯,连明洋,曹培泽,王超锋,原晓伟 

工作单位：中铁工程装备集团有限公司 

来源：《机械工程材料》2024年5期