一种隧道掘进机刀箱内刀座板材料及其制备方法和刀箱技术

本发明专利技术涉及一种隧道掘进机刀箱内刀座板材料及其制备方法和刀箱，本发明专利技术的内刀座板材料的化学成分含量范围如下：C：0.38‑‑0.45％，Si：0.50‑‑0.70％，Mn：0.70‑‑1.20％，P：＜0.010％，S：＜0.005％，Cr：0.90‑‑1.20％，Mo：0.25‑‑0.40％，Ce：0.15‑‑0.25％，La：0.15‑‑0.25％，余量：Fe。本发明专利技术的内刀座板材料的制备方法通过对元素成分的调整与电渣重熔精炼工艺的应用，生产出了具有硬度高、强度高、可淬性好，冲击韧性优良等特点的新型内刀座板材料XT‑DZ。该材料经过锻造和性能热处理后，其Rm≥1450MPa，最终调质后的表面硬度50～55HRC。本发明专利技术的刀箱通过将现有的旧型刀箱设计中刀座单元内外刀座板之间的焊接固定结构改成新型的楔装机械式固定结构，完全避免了异种钢焊接固有的各类不利影响。

【技术实现步骤摘要】
一种隧道掘进机刀箱内刀座板材料及其制备方法和刀箱
本专利技术涉及一种新型材料，具体涉及一种隧道掘进机刀箱内刀座板材料及其制备方法和刀箱。
技术介绍
刀箱是承载隧道掘进机滚刀与掘进机刀盘之间连接的载体。按照滚刀的破岩机理，在滚刀破岩过程中，产生的较大冲击及震动作用力，通过滚刀的刀轴、端盖、支架或卡块等零部件传递到刀箱上，再通过刀箱传递到掘进机刀盘。因此，在掘进机刀盘-刀箱-滚刀的综合受力结构中，刀箱发挥着关键作用，刀箱的强度和稳定刚性水平是否满足要求，直接影响该系统末端(滚刀)能否正常工作。一个典型的单刃滚刀的刀箱，由左右互为镜面对称的一对(2个)刀座单元组成。按目前现有的设计结构，单侧的一个刀座单元，主体包括一块外刀座板12(材质为碳素结构钢，如Q345)和一块内刀座板11(材质为高强度合金调质钢锻件，如42CrMo)。二者之间采取焊接方式牢固连接，其焊接工属于典型的异种钢焊接，如图1所示。图1所示的典型刀座单元设计结构(焊接结构)，必须分为材质不同的外刀座板12和内刀座板11的原因是：内刀座板11在性能上本身要求有高强度、高耐磨性(表面具有高硬度)，因此选用42CrMo等高强度合金调质钢制造；而外刀座板12除了要具备基本的强度性能外，还必须具备在掘进机刀盘现场组装工位条件下和刀盘主体结构(碳素结构钢焊接结构)不预热直接焊的优良焊接工艺性，因此选用碳素结构钢类的材料；如此，则内刀座板11和外刀座板12需要在工厂内完成组装和焊接(二者的异种钢焊接过程必须进行预热和后热)，在现场组装刀盘时，外刀座板12就可直接与掘进机刀盘冷焊，碳素结构钢之间同种材质焊接的焊缝质量容易得到保证。综上所述，外刀座板12的实际功能意义相当于充当内刀座板11和刀盘主体结构之间的焊接过渡垫板兼承力托架。图1所示的典型刀座单元设计结构(焊接结构)，为了保证内刀座板11、外刀座板12的异种钢焊接充分牢靠，所有焊缝13截面必须具有充分的强度，因此对内刀座板11和外刀座板12之间的焊接坡口设计得既宽且深；同时，因异种钢焊接本身的工艺特点，焊接过程中很容易出现以下问题：a)焊接残余变形：焊接工艺是一个焊缝熔池局部逐步快速加热和冷却的动态过程，由于不断发生局部膨胀和收缩而导致整体形状、尺寸的变化，变形不协调和彼此之间相互约束，将产生焊后的内应力。由于内外刀箱的结构形状特点，焊接过程受热膨胀状态下拘束作用强烈，加上属于异种钢焊接(材料线胀系数差异)所导致的影响，使内刀座板11和外刀座板12的焊接残余变形很不好控制，往往焊后应力逐渐释放将导致若干毫米程度的变形，为此不得不采取焊前留余量、焊后再精加工的工艺路线，使整体制造效率难以提升。b)焊接接头缺陷，如裂纹、夹渣、未熔透、未熔合、焊瘤、内/外部气孔、咬边等。由于焊缝两侧的材料焊接特性不同，异种钢焊接出现缺陷的几率较大。c)焊接裂纹：由于焊件结构拘束影响，焊后工件内部残余应力大，如图1所示，各条焊缝13(全部是单面成型)的根部自然容易出现局部的应力集中，根部存在的上述缺陷在集中应力作用下，将更容易成为裂纹扩展源，严重时将产生贯穿性裂纹缺陷，导致焊缝13无法通过无损检测、必须返工。图1所示的典型刀座单元的设计(焊接结构及选材)，除了上述焊接原因带来的不利因素外，还存在以下不利因素：(1)现场更换拆装麻烦。按现有的刀座结构设计，隧洞内现场更换刀箱，需要使用碳弧气刨的方式，将各损坏的刀座单元的内刀座板11从外刀座板12中移除，由于内刀座板11、外刀座板12的焊接量较大且焊道较深，刨除一个内刀座板11，大致需要4～5个小时，一个刀箱往往两侧刀座都需要拆换处理，则一共需要8～10个小时；刨除内刀座板11后，还要对割除位置残余毛刺进行修磨平缓、打磨抛光清理，现场空间狭窄、操作困难，还需要数小时；在此之后，方可安装新的内刀座板11就位，大致又需要1～2小时；安装就位后进行新的内刀座板11和原外刀座板12的焊接，焊接需要预热(否则极易出现冷裂纹)，现场此类工艺实施困难，大致完成焊接需要6～7小时/个，一套刀箱两个内刀座板11焊妥需要12～14小时。综上，现场隧洞中完成一套刀箱的更换，总共将需要22～25小时(这是理想情况下的作业速度，实际肯定更慢)，而且更主要的问题是：焊接一次合格率较低，返工概率非常高。由于现场施工条件(环境因素、人员耐力等)均远不如工厂条件，异种钢焊接问题固有的种种缺陷风险无疑更容易出现，整体效率更低且焊缝13质量更加难以保证。(2)内刀座板11的耐用度性能不够理想。原刀座材料为42CrMo，其调质后硬度为：28～32HRC，但由于刀箱在掘进机破岩过程中承受剧烈频繁的交变载荷，要求其必须有很高的硬度、强度和耐冲击性能(韧性)，工作面的硬度要求为50～55HRC，工艺上是通过局部表面高频淬火来实现的。局部表面高频淬火工艺更能够保证出厂时工作面的硬度指标，但硬化层深度相对不足(长期耐磨性能不如常规整体淬火获得的硬化层，后者淬透深度高于前者)，淬硬层的质量实际也经常不够稳定。然而按现有的(如图1所示的)焊接式刀座设计结构，对内刀座板11不可能应用整体工件调质(淬火+高温回火)硬化工艺，这是因为：内外刀座板11、12的焊接必然存在残余变形，焊接后必须精铣加工(尺寸及形位精度要求较高的)各个工作面，这导致在工艺路线上就使内刀座板11整体调质硬化工艺不可行，另外也不可能将完成精加工后的刀座单元做整体调质处理，因而也就只能在精加工后对工作面应用局部表面高频淬火工艺；上述固有矛盾带来的限制，使目前内刀座板11的耐用度难以达到其材料本身应有的理论性能极限。
技术实现思路
本专利技术要解决现有技术中的技术问题，提供一种隧道掘进机刀箱内刀座板材料及其制备方法和刀箱。为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案具体如下：本专利技术提供一种隧道掘进机刀箱内刀座板材料，其化学成分及重量百分比如下：C：0.38--0.45％，Si：0.50--0.70％，Mn：0.70--1.20％，P：＜0.010％，S：＜0.005％，Cr：0.90--1.20％，Mo：0.25--0.40％，Ce：0.15--0.25％，La：0.15--0.25％，余量：Fe。在上述技术方案中，优选的是：所述隧道掘进机刀箱内刀座板材料，其化学成分及重量百分比为：C：0.39％，Si：0.50％，Mn：0.80％，P：＜0.005％，S：＜0.002％，Cr：0.95％，Mo：0.25％，Ce：0.15％，La：0.15％，余量：Fe。在上述技术方案中，优选的是：所述隧道掘进机刀箱内刀座板材料，其化学成分及重量百分比为：C：0.44％，Si：0.70％，Mn：1.18％，P：＜0.008％，S：＜0.004％，Cr：1.15％，Mo：0.39％，Ce：0.25％，La：0.25％，余量：Fe。在上述技术方案中，优选的是：所述隧道掘进机刀箱内刀座板材料，其化学成分及重量百分比为：C：0.42％，Si：0.60％，Mn：1.00％，P：＜0.006％，S：＜0.0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种隧道掘进机刀箱内刀座板材料，其特征在于，其化学成分及重量百分比如下：/nC：0.38--0.45％，Si：0.50--0.70％，Mn：0.70--1.20％，P：＜0.010％，S：＜0.005％，Cr：0.90--1.20％，Mo：0.25--0.40％，Ce：0.15--0.25％，La：0.15--0.25％，余量：Fe。/n

【技术特征摘要】
1.一种隧道掘进机刀箱内刀座板材料，其特征在于，其化学成分及重量百分比如下：
C：0.38--0.45％，Si：0.50--0.70％，Mn：0.70--1.20％，P：＜0.010％，S：＜0.005％，Cr：0.90--1.20％，Mo：0.25--0.40％，Ce：0.15--0.25％，La：0.15--0.25％，余量：Fe。


2.根据权利要求1所述的隧道掘进机刀箱内刀座板材料，其特征在于，其化学成分及重量百分比为：
C：0.39％，Si：0.50％，Mn：0.80％，P：＜0.005％，S：＜0.002％，Cr：0.95％，Mo：0.25％，Ce：0.15％，La：0.15％，余量：Fe。


3.根据权利要求1所述的隧道掘进机刀箱内刀座板材料，其特征在于，其化学成分及重量百分比为：
C：0.44％，Si：0.70％，Mn：1.18％，P：＜0.008％，S：＜0.004％，Cr：1.15％，Mo：0.39％，Ce：0.25％，La：0.25％，余量：Fe。


4.根据权利要求1所述的隧道掘进机刀箱内刀座板材料，其特征在于，成分及重量百分比为：
C：0.42％，Si：0.60％，Mn：1.00％，P：＜0.006％，S：＜0.003％，Cr：1.05％，Mo：0.32％，Ce：0.20％，La：0.20％，余量：Fe。


5.一种权利要求1-4任意一项所述的隧道掘进机刀箱内刀座板材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
准备废42CrMo钢材一吨投到中频炉中，加入高碳铬铁、钼铁开始融化，融化到八百公斤，进行炉前分析，得出钢的化学成分，把剩余的废钢加入炉中，当炉温到1600～1650℃加入高碳锰铁，一分钟后加入硅铁，当炉温达...

【专利技术属性】
技术研发人员：张凌，戈强，马文超，张爱武，王艺蓓，方亮，
申请(专利权)人：吉林省维尔特隧道装备有限公司，
类型：发明
国别省市：吉林;22