[发明专利]一种高强度TBM中心刀箱及制备方法

说明书

本发明提供了一种高强度TBM中心刀箱及制备方法，包括外刀箱和内刀箱，外刀箱采用结构钢材料，内刀箱采用低碳中合金结构钢材料，内外刀箱采用焊接的方式组合在一起。本发明内刀箱采用调质和硬化处理，同时采用内外刀箱焊接的形式进行连接，内外刀箱采用锻造工艺成型，内刀箱采用低碳中合金结构钢减少内外刀箱的焊接应力集中及开裂变形；内刀箱表面硬化处理可以提高承载部位的强度和疲劳性能，内外刀箱去应力退火处理可有效减少锻造成型过程中的残余应力的分布，及内外刀箱的焊接应力集中点。

技术领域

本发明涉及TBM材料领域，具体涉及一种高强度TBM中心刀箱及制备方法。

背景技术

硬岩隧道掘进机（又称“TBM”），主要是依靠盘形滚刀挤压岩石达到破碎岩体的目的，TBM被称为工程机械之王，滚刀被称为TBM的“牙齿”，刀箱则是牙床，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，出现裂纹及开裂现象需要更换时，费时费力且严重影响施工进度，降低掘进效率进而增加隧道施工成本。传统刀箱采用锻件形式，工艺路线多采用锻造、粗加工、探伤、调质处理、焊接等工艺完成，遇到极硬岩工况刀箱由于强度不够易出现压溃变形、刀箱焊接开裂等失效手段（现有刀箱材料多为中碳低合金钢或中碳中合金钢，如30CrNiMo、30Cr2Ni2Mo等）。为解决此类问题，本发明提出一种TBM刀箱新材料及制备方法，解决目前刀箱强度低、易压溃、开裂等问题。

发明内容

本发明提出了一种高强度TBM中心刀箱及制备方法，解决目前刀箱强度低、易压溃、开裂等问题。

实现本发明的技术方案是：

一种高强度TBM中心刀箱，包括外刀箱和内刀箱，外刀箱采用低合金结构钢材料，内刀箱采用低碳中合金结构钢材料，内外刀箱采用焊接的方式组合在一起。

所述外刀箱采用的低合金结构钢材料包括以下重量百分比的组分：C：0.11-0.18%，Si：0.2-0.5%，Mn：0.38-0.58%，V：0.07-0.12%，S：≤0.02%，P：≤0.02%，余量为铁。

所述内刀箱采用的低碳中合金结构钢材料包括以下重量百分比的组分：C：0.11-0.17%，Si：0.2-0.4%，Mn：0.38-0.58%，Cr：1.45-1.75%，Ni：4.5-5.2%，W：0.9-1.3%，V：0.08-0.10%，Ti：0.03-0.06%，Nb：0.01-0.02%，S：≤0.02%，P：≤0.02%，余量为铁。微量元素Nb、V、Ti强碳化物形成元素的加入，可保证钢在碳当量较低时，通过其碳、氮化物质点（尺寸小于5nm）的弥散析出及Nb、V、Ti的固溶，细化晶粒，极大提升钢的强度、韧性，特别是低温韧性（对于高海拔、高寒地带的TBM设备效果突出），并且使钢具有良好的可焊接性，为内外刀箱的焊接过程提供了强有力的保障。

本发明选用内刀箱材料为低碳中合金钢，与外刀箱材料碳含量接近，避免了内外刀箱焊接过程中出现的焊接开裂、焊接变形大及焊后残余应力集中等失效问题。

本发明选用内刀箱材料为低碳中合金钢，调质处理后强度韧性好，由于合金元素的加入，淬透性良好，对内刀箱承载区域进行中频淬火处理，控制淬硬层深度10-25mm，大大提升内刀箱承载部位强度，减少极端工况下岩石强度大对刀箱造成的直接破坏。

所述的高强度TBM中心刀箱的制备方法，步骤如下：

（a）外刀箱和内刀箱锻造成型；锻造采用近净成形闭式模锻工艺，高温高压快速成型，投料量精准，保留金属纤维连续性，获取可控塑性流向，获得细小、均匀的晶粒组织，减少组织偏析，提高锻件机械性能，且材料利用率高，节约成本；

具体步骤：预热模具300℃-2h；设置锻压参数（包括锻压速率，坯料参数）；锻压开始，基本成形阶段，凸模向下移动△H1；充满型槽阶段，凸模向下移动△H2；形成纵向毛刺阶段，凸模向下移动△H3；