一種隧道掘進機刀箱內(nèi)刀座板材料及其制備方法

張凌，張愛武，馬文超，孔祥權，侯衛(wèi)星

（1.吉林省維爾特隧道裝備有限公司，吉林 吉林市132011；2.吉林省盾構與掘進刀具技術重點實驗室，吉林 吉林市132011；中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州511458）

0 前言

刀箱是承載隧道掘進機滾刀與刀盤連接的載體。按照滾刀的破巖機理，在滾刀破巖過程中，產(chǎn)生的較大沖擊及震動作用力，通過滾刀的刀軸、端蓋、支架及卡塊等零部件傳遞到刀箱上，再通過刀箱傳遞到掘進機刀盤。因此，在掘進機刀盤-刀箱-滾刀的綜合受力結構中，刀箱發(fā)揮著關鍵作用，刀箱的強度和穩(wěn)定剛性水平直接影響該系統(tǒng)末端（滾刀）能否正常工作。

1 現(xiàn)有技術背景

一個典型的單刃滾刀的刀箱，由左右互為鏡面對稱的一對（2個）刀座單元組成。按目前現(xiàn)有的設計結構，單側(cè)的一個刀座單元，主體包括一塊外刀座板（材質(zhì)為碳素結構鋼，如Q345）和一塊內(nèi)刀座板(材質(zhì)為高強度合金調(diào)質(zhì)鋼鍛件，如42CrMo）。二者之間采取焊接方式牢固連接，其焊接屬于典型的異種鋼焊接，如圖1所示。

圖1 典型刀座單元示意圖

內(nèi)刀座板的耐用度性能不夠理想。內(nèi)刀座材料42CrMo，調(diào)質(zhì)后硬度為28～32 HRC。由于刀箱在掘進機破巖過程中承受劇烈頻繁的交變載荷，要求其必須有很高的硬度、強度和耐沖擊性能（韌性），工作面的硬度要求為50～55HRC，現(xiàn)有工藝是通過局部表面高頻淬火來實現(xiàn)的。局部表面高頻淬火工藝能夠保證出廠時工作面的硬度指標，但硬化層深度相對不足（長期耐磨性能不如常規(guī)整體淬火獲得的硬化層，后者淬透深度高于前者），淬硬層的質(zhì)量實際也不夠穩(wěn)定。目前內(nèi)刀座板的耐用度難以達到材料本身的理論性能極限。

2 材料的制備方法

為了提高內(nèi)刀座板的整體性能，公司科研人員進行了大量分析、實驗，根據(jù)鋼中各元素所起的作用不同，在原有42CrMo材料成分的基礎上，適量添加了Si、Mn、Mo和稀土元素La與Ce等，通過嚴格控制熔煉的生產(chǎn)工藝，同時將內(nèi)刀座板的表面硬化工藝改為內(nèi)刀座板整體調(diào)質(zhì)，獲得一種新的刀座材料XT-DZ。該材料具有高硬度、高耐磨性及良好沖擊韌性，在熔煉過程中，最大幅度地降低了非金屬夾雜物的含量和有害元素磷、硫的含量。鋼的熔煉過程如下。

準備廢42CrMo鋼材一噸投到中頻爐中，按照重量百分比加入高碳鉻鐵（Cr≥57%）、鉬鐵（Mo≥60.0%）三種合金開始融化，融化到八百公斤左右，進行爐前分析，得出鋼的化學成分，把剩余的廢鋼加入爐中，當爐溫到1600～1650℃時加入高碳錳鐵（Mn≥65%），一分鐘后加入硅鐵(Si≥75.0%)，當爐溫達到1650～1680℃之間時開始倒鋼水，根據(jù)鋼水的多少，先加入所需要重量百分比的稀土鈰鑭合金（Ce≥45%、La≥17%）和所需要的鋁線，之后把鋼水倒入鋼水包中，開始澆鑄，鋼水澆鑄到鋼水模具中，冷卻十二小時至十六小時后，打開模具倒出XT-DZ鋼棒；用真空中頻感應爐熔煉出自耗電極棒，對自耗電極棒表面進行精整，去除表面氧化皮及其他夾雜物，再通過真空電渣爐進行電渣重熔，通過電渣精煉工藝保證熔煉鋼液的純凈度，除低雜質(zhì)含量；在熔煉后期的精煉過程中要做到多次扒渣、造渣以提高鋼水的純凈度；在出鋼過程中做好終脫氧處理；使有害元素磷的含量小于0.01%、硫的含量小于0.005%；得到硬度高、強度高、可淬性好，沖擊韌性優(yōu)良的新型內(nèi)刀座板材料（XT-DZ）。

3 材料的物理、化學性能

新的隧道掘進機刀箱內(nèi)刀座板材料制備方法通過對元素成分的調(diào)整與電渣重熔精煉工藝的應用，生產(chǎn)出了具有硬度高、強度高、可淬性好，沖擊韌性優(yōu)良等特點的新型內(nèi)刀座板材料XT-DZ。該材料經(jīng)過鍛造和熱處理后，其Rm≥1450 MPa，最終調(diào)質(zhì)后的表面硬度50～55 HRC。

3.1 新型材料XT-DZ的化學成分含量范圍如下

C：0.38%-0.45%,

Si：0.17%-0.37%,

Mn：0.70%-1.20%,

P：＜0.010%，S：＜0.005%，

Cr：0.90%-1.20%,

Mo：0.25%-0.40%,

稀土Ce：0.15%-0.25%,

La：0.15-0.25%，

Fe：余量。

3.2 新型內(nèi)刀座板材料性能與原先材料性能指標對比見表1。

4 結語

由于XT-DZ材料具有比42CrMo更好的物理性能，材料制造成本方面并沒有明顯增加，因此在掘進機刀箱等應用領域推廣采用XT-DZ替代42CrMo材料，將取得良好的綜合效益。