一种铸造TBM刀箱及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种铸造TBM刀箱及制备方法，刀箱为上刀座、中间刀座和下刀座三层复合形式，上刀座采用高韧性耐磨钢材料，中间刀座采用高强度合金钢材料，下刀座采用结构钢材料；上、中、下刀座采用多金属复合材料的铸造方法结合在一起。本发明专利技术将刀箱分为上、中、下三层刀座的复合形式，采用铸造的工艺完成，与传统锻造、焊接方式相比，减少了刀箱的加工余量，消除了焊接应力的影响。上刀座浇注采用高碳、高铬材料，冷却后形成高硬度的耐磨层，减少刀箱表面的磨损；中间刀座采用高强度合金钢材料，热处理调质后抗拉强度可达1100‑1200Mpa，可以有效抵抗刀箱受到的交变应力，增强寿命；下刀座采用普通结构钢材料，有效降低刀箱成本。

A casting TBM tool box and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种铸造TBM刀箱及制备方法
本专利技术涉及隧道掘进机
，具体涉及一种铸造TBM刀箱及制备方法。
技术介绍
目前隧道硬岩TBM掘进机，主要是依靠盘型滚刀挤压岩石达到破碎岩体的目的，滚刀是破岩的“牙齿”，刀箱是牙床，承载着破岩时的交变载荷。随着岩石强度的增加，滚刀挤压破岩的效率逐步下降，滚刀刀箱异常磨损和更换频率也随之增加。由于滚刀刀箱焊接在刀盘上，滚刀刀箱出现裂纹需要维修更换时，需要刨除原有焊接刀箱，再隧道内焊接新刀箱。此过程需要两天甚至更长时间，造成盾构掘进效率的降低，掘进成本增加。传统刀箱采用锻件形式，刀箱受力部位材料多选用30CrNiMo、30CrMo等中碳合金钢材料，表面堆焊耐磨层，工艺路线多采用锻造、粗加工、UT探伤、调质、表面淬火+回火、铆焊等工艺完成，为了便于制造，刀箱分为左右两部分，最后左右两部分通过铆焊方式连接，左右两部分焊接后，出现了焊后应力集中现象，刀箱受力部位掘进时容易出现压溃、裂纹等问题。
技术实现思路
本专利技术提出了一种铸造TBM刀箱及制备方法，解决现有刀箱工艺步骤较多，粗加工余量大、易压溃和裂纹的问题。实现本专利技术的技术方案是：一种铸造TBM刀箱，所述刀箱为上刀座、中间刀座和下刀座三层复合形式，上刀座采用高韧性耐磨钢材料，中间刀座采用高强度合金钢材料，下刀座采用普通结构钢材料，上、中、下刀座采用多金属复合材料的铸造方法结合在一起。所述上刀座包括以下重量百分比的组分：C：2.0-2.5%，Si：0.2-0.4%，Mn：0.4-0.6%，Cr：17-20%，W：0.9-1.3%，V：0.07-0.12%，S：≤0.02%，P：≤0.02%，余量为铁。所述中间刀座包括以下重量百分比的组分：C：0.3-0.38%，Si：0.2-0.4%，Mn：0.4-0.6%，Cr：1.5-2.5%，Ni：2-3.2%，W：0.9-1.3%，V：0.2-0.4%，Ti：0.2-0.4%，S：≤0.02%，P：≤0.02%，余量为铁。所述下刀座包括以下重量百分比的组分：C：0.12-0.18%，Si：0.2-0.4%，Mn：0.38-0.58%，V：0.07-0.12%，S：≤0.02%，P：≤0.02%，余量为铁。所述上刀座、中间刀座和下刀座采用铸造工艺制备。所述的铸造TBM刀箱的制备方法，步骤如下：（a）采用水玻璃砂型工艺制作刀箱铸模，浇注下刀座金属液；（b）在下刀座金属液表面覆盖一层硼砂添加剂，浇注中间刀座金属液；（c）在中间刀座金属液表面覆盖一层硼砂添加剂，浇注上刀座金属液；（d）上刀座金属液冷却后刀箱整体退火去应力处理；（e）刀箱整体调质处理；（f）刀箱受力部位表面淬火处理及回火处理。所述步骤（a）中水玻璃采用海砂做原材料，砂型内表面涂MgCr2O4的铸造涂料；下刀座金属液在中频炉内以150-160℃/h的速度从室温加热至500-550℃，保温20min，再以100-110℃/h的速度加热至1050±10℃，在1050±10℃保温10-20min，浇注到下砂型中。所述步骤（b）中硼砂添加剂为50%的硼砂+50%的石墨粉，在下刀座金属液温度降至980-1000℃时覆盖至下刀座金属液的表面；中间刀座金属液在中频炉内以130-140℃/h的速度从室温加热至600-650℃，保温40min，再以90-95℃/h的速度加热至1020±10℃，在1020±10℃保温10-20min，浇注到中砂型中。所述步骤（c）中硼砂添加剂为50%的硼砂+50%石墨粉，在中间刀座金属液温度降至950-970℃时覆盖至中间刀座金属液的表面；上刀座金属液在中频炉内以130-140℃/h的速度从室温加热至600-650℃，保温40min，再以70-75℃/h的速度加热至1080±10℃，在1080±10℃保温10-20min，浇注到上砂型中。所述步骤（d）中退火去应力处理的具体过程为：在气氛保护炉中进行去应力处理，炉温为300±10℃，回火时间30-50min。所述步骤（e）中调质处理具体步骤为：刀箱整体于550-650℃加热，保温时间120-180min，之后空气中冷却。所述步骤（f）表面淬火处理的具体过程为：采用中频加热的方式加热刀箱受力部位，加热温度为850±10℃，加热时间3-5min，喷淋方式淬火；回火处理过程为：回火炉中加热温度为350±10℃，回火时间60-80min。所述步骤（f）回火处理后深度大于20mm，表面硬度大于HRC45。以刀箱的整体高度为基准，下刀座金属液浇注的高度占总高度的0.5-0.6倍，中间刀座金属液浇注高度占总高度的0.3-0.4倍，上刀座金属液浇注高度占总高度的0.05-0.1倍。本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术将刀箱分为上、中、下三层刀座的复合形式，采用铸造的工艺完成，与传统锻造、焊接方式相比，减少了刀箱的加工余量，消除了焊接应力的影响。上刀座浇注采用高碳、高铬材料，冷却后形成高硬度的耐磨层，减少刀箱表面的磨损；中间刀座采用高强度合金钢材料，热处理调质后抗拉强度可达1100-1200Mpa，可以有效抵抗刀箱受到的交变应力，增强寿命；下刀座采用普通结构钢材料，有效降低刀箱成本；（2）刀箱整体退火去应力处理可降低铸造过程中应力集中的影响，消除上、中、下不同金属液之间热膨胀、收缩带来的应力集中现象；（3）刀箱受力部位进行表面淬火处理的强化处理，能增加受力处的强度，改善刀箱疲劳寿命。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术刀箱主视图。图2为本专利技术刀箱俯视图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1一种铸造TBM刀箱，所述刀箱为上刀座101、中间刀座102和下刀座103三层复合形式，上刀座101采用高韧性耐磨钢材料，中间刀座102采用高强度合金钢材料，下刀座103采用普通结构钢材料。所述上刀座101包括以下重量百分比的组分：C：2.0%，Si：0.2%，Mn：0.4%，Cr：17%，W：0.9%，V：0.07%，S：≤0.02%，P：≤0.02%，余量为铁。所述中间刀座102包括以下重量百分比的组分：C：0.3%，Si：0.2%，Mn：0.4%，Cr：1.5%，Ni：2%，W：0.9%，V：0.2%，Ti：0.2%，S：≤0.02%，P：≤0.02%，余量为铁。所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铸造TBM刀箱，其特征在于：所述刀箱为上刀座（101）、中间刀座（102）和下刀座（103）三层复合形式，上刀座（101）采用高韧性耐磨钢材料，中间刀座（102）采用高强度合金钢材料，下刀座（103）采用结构钢材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种铸造TBM刀箱，其特征在于：所述刀箱为上刀座（101）、中间刀座（102）和下刀座（103）三层复合形式，上刀座（101）采用高韧性耐磨钢材料，中间刀座（102）采用高强度合金钢材料，下刀座（103）采用结构钢材料。


2.根据权利要求1所述的铸造TBM刀箱，其特征在于，所述上刀座（101）包括以下重量百分比的组分：C：2.0-2.5%，Si：0.2-0.4%，Mn：0.4-0.6%，Cr：17-20%，W：0.9-1.3%，V：0.07-0.12%，S：≤0.02%，P：≤0.02%，余量为铁。


3.根据权利要求1所述的铸造TBM刀箱，其特征在于，所述中间刀座（102）包括以下重量百分比的组分：C：0.3-0.38%，Si：0.2-0.4%，Mn：0.4-0.6%，Cr：1.5-2.5%，Ni：2-3.2%，W：0.9-1.3%，V：0.2-0.4%，Ti：0.2-0.4%，S：≤0.02%，P：≤0.02%，余量为铁。


4.根据权利要求1所述的铸造TBM刀箱，其特征在于，所述下刀座（103）包括以下重量百分比的组分：C：0.12-0.18%，Si：0.2-0.4%，Mn：0.38-0.58%，V：0.07-0.12%，S：≤0.02%，P：≤0.02%，余量为铁。


5.根据权利要求1-4任一项所述的铸造TBM刀箱，其特征在于：所述上刀座（101）、中间刀座（102）和下刀座（103）采用铸造工艺制备。


6.权利要求5所述的铸造TBM刀箱的制备方法，其特征在于步骤如下：
（a）采用水玻璃砂型工艺制作刀箱铸模，浇注下刀座（103）金属液；
（b）在下刀座（103）金属液表面覆盖一层硼砂添加剂，浇注中间刀座（102）金属液；
（c）在中间刀座（102）金属液表面覆盖一层硼砂添加剂，浇注上刀座（101）金属液；
（d）上刀座（101）金属液冷却后刀箱整体退火去应力处理；
（e）刀箱整体调质处理；
（f）刀箱受力部位表面淬火处理及回火处理。


7.根据权利要求1所述的铸造TBM刀箱的制备方法，其特征在于，所述步骤（a）中水玻璃采用海砂做原材料，砂型内表面涂MgCr2O4的铸造涂料；下刀座（103）金属液在中频炉内以150-160℃/h的速度从室温加热至500-550℃，保温20min，再以100-110℃/h的速度加热至1050...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭顺辉，于庆增，贾连辉，赵云冲，郭志凯，龙伟漾，
申请(专利权)人：中铁工程装备集团有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41