国内外路面铣刨刀具用硬质合金的现状与发展趋势.docx

第 31 卷第 3 期Vol.31 No.3硬质合金CEMENTED CARBIDE2014 年 7 月Jul. 2014!综合评述doi：10.3969/j.issn.1003-7292.2014.03.009国内外路面铣刨刀具用硬质合金的现状与发展趋势江丙武 1 蔡海燕 1 宋耀强 1 赵东 1 阳进 1 黄蕊 1 杜秋容 2（1. 株洲硬质合金集团有限公司，湖南株洲 412000； 2. 聊城天一路面机械有限公司，山东聊城 252000）摘 要 介绍了路面铣刨行业、路面铣刨刀具用硬质合金铣刨齿的潜在市场需求，分析 了硬质合金铣刨齿的失效机理和发展趋势，分析了不同工况条件对硬质合金铣刨齿的 要求， 对比了国外 A 公司和株洲硬质合金集团有限公司的多种铣刨齿合金的物理性 能、微观结构、使用效果。 文章指出硬质合金铣刨齿的潜在市场需求巨大，其主要失效 形式为磨损和裂纹，其材质向低钴含量、粗晶粒方向发展，国内的硬质合金企业已经有 了系列的硬质合金铣刨齿牌号，国产硬质合金铣刨齿的性能达到或超过了进口产品，建 立路面铣刨刀具实验平台和开展产研用相结合的紧密联盟将是我国路面铣刨用硬质合 金稳定、快速发展的一个重要课题。关键词 铣刨； 硬质合金； 粗晶粒The Current Situation and Trend of the Carbide Alloy for Road-surface Milling-planing Cutter at Home and AbroadJiang Bingwu1Cai Haiyan1Song Yaoqiang1Zhaodong1Yang Jin1 Huang Rui1 Du Qiurong2(1. Zhuzhou Cemented Carbide Group Corp. Ltd., Zhuzhou Hunan 412000, China；2. Liaocheng TECH-ONE Road Machinery Co., Ltd., Liaocheng Shandong 252000, China)ABSTRACT The road -surface milling -planing industry and the potential market demand of milling -planing -teeth carbide alloy (MPTCA) were introduced in this paper. The failure mechanisms, the developing trend of MPTCA and the different requirements for MPTCA under the different working conditions were analyzed. The physical properties, microstructure and application effects of several MPTCA grades of A Inc. (A Inc.) and Zhuzhou Cemented Carbide Group Corp. Ltd. (ZCC) were compared. It is pointed out that the potential market demand of MPTCA is enormous, the main failure modes of MPTCA are wear and crack, the material developing trend of MPTCA is lower Co content and coarser WC grain. Chinese cemented carbide enterprises have produced series of MPTCA grades. The properties of Chinese MPTCA have reached or exceeded that of the imported products, and an important subject is setting up a laboratory platform of road- surface milling-planing cutter and developing a close alliance of Industrialization-Research-Using Combination.KEY WORDS milling-planing； cemented carbide； coarse grain作者简介：江丙武，男（1976 年-），1999 年毕业于湖南大学，工程师，中南大学工程硕士研究生,现供职于株硬集团，前后从事 Ti(C,N)基 金属陶瓷、热喷涂粉和工程用硬质合金材质的工艺与研发工作。第 31 卷江丙武 蔡海燕 宋耀强 赵 东 阳 进 黄 蕊 杜秋容:国内外路面铣刨刀具用硬质合金的现状与发展趋势-195 -路面整平铣刨机现已广泛应用于公路、机场、码 头、货场、停车场、车间等沥青混凝土面层的开挖翻 修，沥青路面拥包、油浪、网纹、车辙、路面标记等的 清除，水泥路面的拉毛及面层错台的铣平，小型铣刨 机还可用于开挖坑槽。 我国高速公路通车里程不断 增加，以汽车货运为主体物流企业快速发展，煤炭、 钢铁等重货运输严重损坏公路， 公路交通行业以及 城市管理部门对现代化养护方式日益认同， 市场对 路面冷铣刨机的需求数量不断增长1-2。 路面铣刨机 的主要消耗性工具是路面铣刨刀具， 铣刨刀具主要 由钢质刀体和硬质刀头组成， 目前硬质刀头 （铣刨 齿）的材质主要为 WC-Co 硬质合金。与路面铣刨机的国产化相比较， 铣刨刀具的配 套跟进偏慢，这主要是因为国内硬质合金企业缺少 对铣刨齿的专题研究与专业生产， 不能向客户提供 可行、 可靠的解决方案。 然而硬质合金铣刨齿的国 产化却有着资源优势、技术优势、价格优势和交货期 优势。 目前， 国内硬质合金企业越来越重视铣刨齿 的研发与市场推广， 已经有了成熟的系列铣刨齿合 金牌号，分别适用于沥青路面、水泥路面的粗铣刨和 精铣刨。1 硬质合金铣刨齿的市场需求分析交通运输“十二五”发展规划中提到，“十二五” 末我国公路总里程达到 450 万公里， 高速公路总里 程达到 10.8 万公里3 。 高速公路水泥混凝土路面的 大修年限是 15 年，沥青混凝土路面是 10 年，由于种 种复杂原因， 导致各条公路的实际大修年限千差万 别， 有的高速公路甚至两三年就要大修。 随着中国 公路养护工作量的日益增大和对养护作业效率要求 的提高， 路面铣刨机以其高效率的优点应用日益广 泛，硬质合金铣刨齿的年需求也随之增长。以每台铣刨机年平均消耗 1 万把刀具， 每把刀 具上硬质合金刀头平均 40 g 计算，每台铣刨机年均 消耗硬质合金 0.4 t。 根据不完全统计，近年来随着 进口设备的大量增加， 以及国产路面铣刨机的批量 生产，我国路面铣刨机的社会保有量已逾 2 000 台， 年增量 300 台左右， 硬质合金铣刨齿年需求量已达 800 t 以上。作为硬质合金生产大国， 我国硬质合金产量约 占世界总产量的 40%4， 在硬质合金铣刨齿的研发 和生产方面大有可为。2 WC-Co 合金仍是路面铣刨齿的首选 材料路面铣刨刀具由硬质刀头（铣刨齿）和合金钢刀 体焊接成一体，影响刀具寿命的主要因素是：1）铣刨 齿的耐磨性能；2）铣刨齿的韧性；3）刀体的耐磨性能； 4）铣刨齿、刀体的连接强度。 其中铣刨齿的耐磨性与 韧性的完美结合， 可以使整个刀具寿命得以成倍的 延长。目前，铣刨齿材质成分大都是 WC 粉和 Co 粉经 粉末冶金方法制成的 WC-Co 硬质合金，WC-Co 硬 质合金有着超高的抗压强度，其硬度、耐磨性、热传 导率、密度分别是硬质钢的 3 倍、10 倍、3 倍和 2 倍， 其抗弯强度、 抗拉强度和抗破碎能力只有硬质钢的 三分之一。 硬质合金铣刨齿中硬质相 WC 的含量 直接影响其硬度和耐磨性 ， 硬 度和耐磨性 一般随 WC 含量的增加而提高；粘结相 Co 的含量直接影响 合金的抗弯强度，一般随 Co 含量增加而提高，但都 有极限值。WC 晶粒度及其分布对硬质合金硬度、 耐磨性 和抗弯强度的影响也很大。 唐受捷、胡启明等5-8研 制出了晶粒粗细搭配的非均匀结构硬质合金， 实验 结果表明：一定条件下，在中粗晶粒 WC-Co 合金中 加入适量细颗粒 WC 得到的非均匀组织 WC-Co 合 金，其耐磨性和韧性同时有所增强。3 铣刨齿工况条件不同对硬质合金的 要求不同根据不同路面材料及铣刨方式， 合理地选择铣 刨齿合金牌号及型号， 是路面铣刨刀具发展的一个 重要课题。沥青路面是以高稠度的石油沥青为结合料，经 高温加热，与石英、砂土等矿质材料强制拌合，然后 摊铺，碾压而成。 石英（SiO2）是六方晶系的致密结晶 体， 其在沥青路面材料中常见的颗粒尺寸一般大于 0.4 mm， 硬 度 HV 高 达 9001 280， 比 20CrMnTi 等 低碳钢经渗碳淬火后的硬度还要高 （即比铣刨刀具 的刀体材料硬度还要高），与 WC-Co 硬质合金的硬 度接近，可视为路面材料中的最硬质粒。造成刀具磨 损失效的材料因素主要是石英对刀具表面产生磨粒 磨损， 其它矿石集料也会对刀具表面产生低应力擦-196 -硬质合金第 31 卷伤式或冲击式磨损。与沥青路面相比，水泥路面硬度更高，需要铣刨 铣刨齿具有更好的耐磨性。硬质合金中钴含量越高， 其韧性越好，但耐磨性越差，所以水泥路面铣刨齿要 选择低 Co 含量的硬质合金牌号。 路面铣刨过程中 刀具受到反复冲击和冷热交替，要求铣刨齿合金具 有高的耐冲击韧性和抗热疲劳性，在这方面粗晶粒 合金具有优势。铣刨沥青路面时一般选择跳棋子形合金齿，铣 刨水泥路面时一般选择柱形合金齿。4 硬质合金铣刨齿的失效机理路面铣刨齿在使用过程中的失效形式除磨损外 主要是由裂纹引起的龟裂、破碎和局部剥落。 热疲 劳和冲击疲劳等原因引起的微裂纹并不能全部发展 成穿透裂纹，大部分裂纹由于扩展速率低于硬质合 金的磨损速率而消失，仅有少部分裂纹具有可超过 表面磨损速率的扩展速率，硬质合金的开裂正是取 决于这些裂纹的扩展。 裂纹在硬质合金中的扩展受 硬质合金的 Co 含量及 WC 晶粒度的影响，Co 含量 越高、WC 晶粒越粗，裂纹扩展阻力越大，其原因在 于这种硬质合金 WC 晶粒间存在有较厚 的 Co 层， 因此当裂纹继续向内部扩展时。 较厚的 Co 相的阻 碍必将减小裂纹的扩展速度， 粗大的 WC 晶粒还易 于造成裂纹扩展路径的拐折和分叉，其拐折方向与 WC 的某一晶向有关， 这些拐折和分叉有效地减少 了裂纹尖端的应力强度因子，使裂纹的扩展实际有 效驱动力减小，相当于造成了裂纹的松驰作用，裂纹的拐折还易于造成裂纹的型分量，从而造成裂纹卸载过程中的错配，使裂纹闭合，显著地减少了 裂纹扩展的有效应力强度因子。 从而显著地减低了 裂纹的扩展速率，提高了裂纹扩展门坎值。 这三个 方面联合作用再加上引起热疲劳裂纹的温度梯度随 裂纹的扩展而减少， 使裂纹尖端应力强度因子 K1 减少，K1 小于硬质合金的疲劳门坎值时， 裂纹就变 成非扩展裂纹而停止扩展9-10。水泥路面铣刨齿要求合金具有更好的耐磨性， 适当降低钴含量和 WC 的晶粒度可以提高合金耐磨 性。 但是当水泥路面铣刨齿合金的 WC 晶粒晶小于 3.5 m 和钴含量过低时，其使用寿命很短，从使用 过的铣刨齿合金表面观察，合金表面有大量的磨损 沟槽，看似合金不耐磨，实际上这是由于合金韧性不好、不耐冲击而引起的。 Baeily 和 Perrott11-12 及杨 瑞林和李力军 13 在分析硬质合金齿头磨损形貌的 基础上提出， 冲击疲劳和热疲劳作用下产生的裂纹 及其扩展所造成的局部剥落是形 成磨损沟槽 的原 因。 他们指出，截齿在截割工作时，除承受接触应力 很大的冲击载荷外，磨损表面还受交变热的影响，因 此，在冲击应力和热应刀的联合作用下产生裂纹，裂 纹在交变载荷作用下不断扩展， 最后导致局部小片 剥落，形成与截齿运动方向一致的沟槽。冲击载荷的 特性表现为应力在材料内部以波的形式高速传播, 对于钢铁材料， 弹性波的传播速度约为 5 000 m/s。 因此，对于有限尺寸的零件，这种波很快便可到达表 面，一部分成为透射波，穿出零件表面，一部分成为 反射波，并在物体内产生叠加现象，形成很复杂的应 力，对多次冲击载荷下截齿的寿命产生重大影响。而 热疲劳则是由于温度周期变化引起 截齿膨胀和 收 缩，而这种膨胀和收缩受到约束，从而产生交变热应 力所引起的破坏。 合金齿头磨损表面的高密度裂纹 反映了表面层的热疲劳或冲击疲劳。 由于这两种裂 纹通常都是沿晶的,所以无法从断口上区分,但可从 其几何形态上区别， 冲击疲劳由表层的机械变形引 起并导致剥落而失效， 表层和次表层的热疲劳则形 成向齿头内部深处穿入的疲劳裂纹。 根据这两种疲 劳裂纹的特征，文献14-15认为，磨损区域上的浅 坑归因于冲击疲劳剥落， 而齿头上的宏观龟裂纹则 是热疲劳造成的， 而且随着热疲劳裂纹向深处传播 将引起大块的掉落。碳化物的增多有利于耐磨性的提高但会使抗热 疲劳性能变坏。 Co 含量提高则有助于热疲劳抗力， 因为 Co 量增加能使硬质合金韧性增大,其弹塑性应 变能力增强， 在热应力作用下材料能吸收更多的能 量，更好地协调变形 ，松弛应力。 在相同 Co 量时， WC 晶粒度增加也会提高硬质合金的韧性、 抗冲击 性、抗热疲劳性能。基于上述原因， 粗晶 WC-Co 硬质合金在路面 铣刨刀具制造界受到高度关注， 瑞典山特维克公司 将晶粒尺寸3.5 m 的合金称为粗晶合金16-17。 如何 实现刀具材料和刀具结构的优化组合， 并预测刀具 寿命还是当前产业界的课题。5 国内外路面铣刨齿硬质合金材质的 发展第 31 卷江丙武 蔡海燕 宋耀强 赵 东 阳 进 黄 蕊 杜秋容:国内外路面铣刨刀具用硬质合金的现状与发展趋势-197 -最早国内路 面铣刨齿硬 质合金选用 的牌号 为 YG13C（Co 为 13%）和 YG11C（Co 为 11%），由于钴 含量高合金的韧性好， 但合金的耐磨性不是很好。 随着铣刨机和硬质合金的制造水平的提高， 为了提 高铣刨刀具的使用寿命和铣刨效率，对合金的耐磨 性提出了越来越高的要求， 路面铣刨齿硬质合金的 钴含量呈下降趋势、合金的 WC 晶粒度呈上升趋势。 现 在 路 面 铣 刨 齿 硬 质 合 金 的 钴 含 量 范 围 为 6% 10%，合 WC 晶粒度向粗晶方向发展。在精铣刨路面、对路面进行拉毛时，由于铣刨刀具排列密集，进刀深度浅，路面材料对铣刨齿的冲击 小，可以选择韧性一般、耐磨性更好的中颗粒 WC 的 硬质合金作为精铣刨齿。6 国内外路面铣刨齿硬质合金材质的 比较6.1 国内外路面铣刨齿硬质合金物理性能分析美国 A 金属公司和株洲硬质合金集团有限公 司（以下简称“株硬集团”）的硬质合金铣刨齿物理性 能分析结果如表 1，采用截线法测得 WC 晶粒度。 6.2 美国 A 金属公司和株硬集团的硬质合金铣刨齿 微观结构分析6.3 使用效果比较经现场路面铣刨试验， 株硬集团的沥青路面铣 刨齿合金和水泥路面铣刨齿合金的使用寿命都达到 或优于美国 A 金属公司的同类产品。 引用参考文献 18的现场试验结果也表明采用株硬集团的硬质合 金的 TL-3 型公路铣刨齿在武汉长江大桥路面改造 工程项目中铣刨沥青、混凝土路面时，使用寿命是美国 A 金属公司同类产品 C3KBF 型铣刨齿的 1.6 倍。7 结 语伴随着公路总里程、 公路养护工作量的日益增 大和养护作业效率要求的日益提高， 路面铣刨机械 逐年增多，硬质合金铣刨齿的潜在市场需求巨大，现 已成为钻掘用硬质合金工具的一个重要系列。WC-Co 合金兼有较高的耐磨性和韧性，适于做 路面铣刨齿，粗晶硬质合金适合做沥青、水泥路面粗 铣刨齿， 中颗粒 WC 低 Co 含量硬质合金适合做路 面精铣刨齿。国内硬质合金企业对铣刨齿硬质合金的研究与 生产越来越成熟， 株硬集团等硬质合金企业已开发 出了系列的路面铣刨齿合金牌号， 适用于不同的路 面材料和作业环境。路面工况条件复杂， 仅依靠实验室对合金材料 物理力学性能的评价不足以保证铣刨齿合金的可靠 性和预测工具寿命， 建立路面铣刨刀具实验平台和 开展产研用相结合的紧密联盟将是我国路面铣刨用 硬质合金稳定、快速发展的一个重要课题。参考文献REFERENCES1王楠楠. 路面铣刨机是金饭碗吗?J 工程机械与维修，2013，06：60-61Wang Nannan. 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