一種隧道掘進機刀箱內刀座板材料及其制備方法

張凌，張愛武，馬文超，孔祥權，侯衛星

（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，刀箱發揮著關鍵作用，刀箱的強度和穩定剛性水平直接影響該系統末端（滾刀）能否正常工作。

1 現有技術背景

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。按目前現有的設計結構，單側的一個刀座單元，主體包括一塊外刀座板（材質為碳素結構鋼，如Q345）和一塊內刀座板(材質為高強度合金調質鋼鍛件，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

內刀座板的耐用度性能不夠理想。內刀座材料42CrMo，調質后硬度為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，現有工藝是通過局部表面高頻淬火來實現的。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），淬硬層的質量實際也不夠穩定。目前內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工藝，同時將內刀座板的表面硬化工藝改為內刀座板整體調質，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，沖擊韌性優良的新型內刀座板材料（XT-DZ）。

3 材料的物理、化學性能

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