路面銑刨機(jī)專用聚晶金剛石截齒頭的研究與制備

楊克斌

（甘肅省嘉峪關(guān)公路應(yīng)急保障與路網(wǎng)監(jiān)測(cè)中心，甘肅嘉峪關(guān) 735100）

0 引言

路面銑刨機(jī)屬于公路路面專用的養(yǎng)護(hù)機(jī)械，廣泛應(yīng)用在城市路面、高速公路、機(jī)場(chǎng)路面等多種工況的瀝青混凝土返修養(yǎng)護(hù)工程中。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，路面銑刨機(jī)依靠截齒對(duì)地面進(jìn)行銑刨動(dòng)作，所以截齒的質(zhì)量、承載力、硬度、耐磨性、使用壽命直接影響路面銑刨機(jī)整體的作業(yè)質(zhì)量。傳統(tǒng)路面銑刨機(jī)通常使用硬質(zhì)合金截齒，隨著路面施工技術(shù)的提升，硬質(zhì)合金截齒已經(jīng)無(wú)法應(yīng)對(duì)愈加復(fù)雜的瀝青混凝土路面，單位時(shí)間內(nèi)的磨損、沖擊較大，成為限制路面銑刨機(jī)工作效率、作業(yè)成本、施工質(zhì)量的主要原因?；诖?，路面銑刨機(jī)廠商提出使用聚晶金剛石截齒頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬質(zhì)合金截齒。聚晶金剛石截齒頭具有遠(yuǎn)超硬質(zhì)鋁合金的硬度、耐磨性、抗沖擊性和使用壽命，并且具有較高的自銳性，能夠提升路面銑刨機(jī)的施工效率和對(duì)瀝青混凝土路面的切削質(zhì)量。

1 聚晶金剛石截齒頭的改進(jìn)

根據(jù)對(duì)傳統(tǒng)硬質(zhì)合金截齒的磨損情況觀察，可以發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金截齒的主要磨損位置是截齒頭，約有92%以上報(bào)廢的硬質(zhì)合金截齒的報(bào)廢原因是截齒頭破損[1]。原因在于目前瀝青混凝土路面的硬度較高，并且還伴有一定程度的石英顆粒，在路面銑刨機(jī)作業(yè)過(guò)程中，硬質(zhì)合金截齒頭的硬度略低于石英顆粒，在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)作業(yè)的情況下，磨損速度較快，并且還會(huì)伴隨部分因與石英顆粒對(duì)撞引起的結(jié)構(gòu)性損壞[2]?；诖?，提升路面銑刨機(jī)截齒的使用性能（包括硬度、耐磨性、自銳性、使用壽命等），需要對(duì)截齒頭進(jìn)行改進(jìn)。

本文提出在保持截齒體材料（硬質(zhì)合金）不變的情況下，使用聚晶金剛石截齒頭代替硬質(zhì)合金截齒頭，由于聚晶金剛石和硬質(zhì)合金的膨脹系數(shù)相差較大，可以預(yù)見在路面銑刨機(jī)作業(yè)過(guò)程中，兩者無(wú)法承受較強(qiáng)的外力和溫度變化，極易出現(xiàn)脫落、剝離的現(xiàn)象。因此在硬質(zhì)合金截齒體和聚晶金剛石截齒頭之間增設(shè)一個(gè)硬質(zhì)合金的截齒座，通過(guò)物理結(jié)構(gòu)的調(diào)整提升聚晶金剛石截齒頭與截齒體的穩(wěn)固程度，形成復(fù)合式路面銑刨機(jī)截齒[3]。

1.1 三段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒

傳統(tǒng)硬質(zhì)合金截齒的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，截齒體和截齒頭之間直接連接，沒(méi)有使用外力進(jìn)行固定，原因在于截齒體和截齒頭的材質(zhì)均為硬質(zhì)合金，在受熱和受力過(guò)程中的膨脹系數(shù)相同，穩(wěn)固性較強(qiáng)。保持結(jié)構(gòu)不變，將截齒頭材質(zhì)跟換為聚晶金剛石后，再受力和受熱，截齒體和截齒頭會(huì)隨著膨脹系數(shù)的不同出現(xiàn)變化差，進(jìn)而出現(xiàn)截齒頭脫落[4]。基于此，在截齒體和截齒頭間增設(shè)截齒座，連接方式為釬焊連接，材料為硬質(zhì)合金材料，在受熱和受力時(shí)，截齒體和截齒座具有相同的膨脹系數(shù)，不易脫落，截齒座和截齒頭具有較大面積的釬焊連接，不易脫落，由此解決聚晶金剛石截齒頭與硬質(zhì)合金截齒體的結(jié)合問(wèn)題，改進(jìn)后的截齒結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 傳統(tǒng)硬質(zhì)合金截齒結(jié)構(gòu)

圖2 改進(jìn)后的三段式復(fù)合截齒結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1 和圖2 可知，改進(jìn)前后的截齒外形、尺寸、規(guī)格性相差不大，但兩者在作業(yè)過(guò)程中的危險(xiǎn)截面有所變化，圖2 中的A 截面為改進(jìn)前的截齒危險(xiǎn)截面，B 截面為改進(jìn)后的截齒危險(xiǎn)截面，由此可以通過(guò)A 截面和B 截面單位面積承受的彎矩來(lái)判斷改進(jìn)方案的有效性。由等強(qiáng)度截面設(shè)計(jì)可知：

式中，n1、n2代表截齒體直徑的變化系數(shù)、d 代表截齒體直徑，因此式（1）可以化簡(jiǎn)為：

設(shè)截齒頭在作業(yè)過(guò)程中的切削阻力為F，危險(xiǎn)截面A 和危險(xiǎn)截面B 在單位面積內(nèi)承受的彎矩：

式（3）、式（4）中，WA、WB代表危險(xiǎn)截面A 和危險(xiǎn)截面B 在單位面積內(nèi)承受的彎矩（N/mm）、F 代表截齒頭在作業(yè)過(guò)程中的切削阻力（N）、S 代表F 做功點(diǎn)到危險(xiǎn)截面的距離（mm）、k 代表S 的變化系數(shù)。

假設(shè)分段式復(fù)合截齒的結(jié)構(gòu)合理，則WA≥WB，由此可以得出：

進(jìn)而得出：

結(jié)合式（2）可以得到：

將圖2 中的截齒規(guī)格數(shù)據(jù)代入式（7）可以得出：

根據(jù)式（8），只要改進(jìn)后的截齒尺寸在式（8）的要求內(nèi)，危險(xiǎn)截面B 的單位面積彎矩就會(huì)小于危險(xiǎn)截面A，進(jìn)而能夠證明三段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒改進(jìn)方案的有效性。

1.2 兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒

雖然證明了三段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒改進(jìn)方案的可行性，但截齒座和截齒頭之間的釬焊連接給截齒提出焊接質(zhì)量限制[5]。若焊接質(zhì)量較低，在路面銑刨機(jī)作業(yè)過(guò)程中，聚晶金剛石截齒頭還會(huì)有脫落的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在三段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒的基礎(chǔ)上提出兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒，將截齒座和截齒頭整合成由聚晶金剛石制成的一體式截齒頭，其中截齒座通過(guò)使用金剛石微粉的方式和聚晶金剛石整合，同時(shí)金剛石微粉經(jīng)過(guò)燒結(jié)工藝后還能使一體式截齒頭更好地與截齒體相結(jié)合[6]。另外，在截齒體上增設(shè)12 個(gè)均勻分布的放射形凹槽，與一體式截齒頭底部的凸起形成穩(wěn)固的凹凸界面結(jié)構(gòu)，利用物理方式增加二者的結(jié)合面積，形成物理約束，進(jìn)而將聚晶金剛石固定在截齒體上，避免釬焊連接帶來(lái)的使用限制，改進(jìn)后的兩段式復(fù)合截齒結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 改進(jìn)后的兩段式復(fù)合截齒結(jié)構(gòu)

雖然兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒能夠避免三段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒中釬焊連接的限制，但仍然具備一定程度的膨脹系數(shù)脫落風(fēng)險(xiǎn)，因此采用納米結(jié)合劑（納米結(jié)合劑由鈷粉、硅粉和碳化鈦粉所組成）梯度過(guò)渡層連接（圖4）。

圖4 梯度過(guò)渡層結(jié)構(gòu)

其中，過(guò)渡層1 由55%～65%的金剛石粉、30%～35%碳化鎢、5%～10%納米結(jié)合劑組成；過(guò)渡層2 由25%～35%金剛石粉、55%～60%碳化鎢、10%～15%納米結(jié)合劑組成。該結(jié)構(gòu)工作表面由金剛石層通過(guò)兩層過(guò)渡層逐漸過(guò)渡到截齒體，由表至里使彈性梯度與熱膨脹梯度逐漸變化，殘余應(yīng)力減少，大幅降低聚晶金剛石截齒頭脫落風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 制備改進(jìn)樣品

改進(jìn)后的兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒的樣品個(gè)數(shù)為30 個(gè)，以便在性能檢測(cè)時(shí)能夠使用隨機(jī)采樣的方式進(jìn)行。樣品制備的原料分為硬質(zhì)合金、聚晶金剛石、金剛石微粉、納米結(jié)合劑。樣品組裝需要在3×10-4Pa 真空條件下，700 ℃保溫2 h，燒結(jié)溫度應(yīng)保持1350～1450 ℃，燒結(jié)壓力5.5～6.5 GPa，燒結(jié)時(shí)間25～30 min，燒結(jié)工藝為一次迅速升壓升溫—持續(xù)供壓供溫—慢降溫慢降壓退火的方式（圖5）。

圖5 燒結(jié)工藝曲線

2 改進(jìn)性能測(cè)試及分析

2.1 耐磨性測(cè)試

在制備的30 個(gè)兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭中隨機(jī)選擇5 個(gè)樣品進(jìn)行耐磨性測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 3235—2013，測(cè)試對(duì)比項(xiàng)為傳統(tǒng)硬質(zhì)合金截齒頭，為增強(qiáng)對(duì)比測(cè)試的科學(xué)性，用作對(duì)比項(xiàng)的硬質(zhì)合金截齒頭和兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭樣品的規(guī)格尺寸相同。耐磨性測(cè)試結(jié)果見表1。

根據(jù)表1 可知，兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭的5 個(gè)樣品在常規(guī)情況下的磨耗比與750 ℃保溫1.5 h 后的磨耗比平均值相差不大，由此可以看出兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭具有較高的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。同等測(cè)試條件下的硬質(zhì)合金截齒頭的磨耗比均為0.001 5 萬(wàn)，與兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭的磨耗比差距較大，說(shuō)明兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭的耐磨性遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金截齒頭。

2.2 抗沖擊韌性測(cè)試

在制備的30 個(gè)兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭中隨機(jī)選擇5 個(gè)樣品進(jìn)行抗沖擊韌性測(cè)試，測(cè)試設(shè)備為落錘式?jīng)_擊設(shè)備。測(cè)試對(duì)比項(xiàng)為傳統(tǒng)硬質(zhì)合金截齒頭，二者的規(guī)格尺寸仍然保持一致。試驗(yàn)方法為將兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭和硬質(zhì)合金截齒頭分別固定在落錘式?jīng)_擊設(shè)備上，依次使用5 J、10 J、15 J、20 J 的能量沖擊花崗巖表面，花崗巖的力學(xué)性能見表2、抗沖擊韌性測(cè)試結(jié)果見表3。

表2 花崗巖力學(xué)性能

表3 抗沖擊韌性測(cè)試測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表3 可以得知，二段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭和硬質(zhì)合金截齒頭在常規(guī)狀態(tài)下和750 ℃保溫1.5 h 后狀態(tài)下的抗沖擊韌性檢測(cè)結(jié)果相差不大，由此可以說(shuō)明二者的抗沖擊性能接近。

2.3 銑刨實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過(guò)耐磨性和抗沖擊性實(shí)驗(yàn)后，文章將二段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭和硬質(zhì)合金截齒頭應(yīng)用在路面銑刨機(jī)上進(jìn)行實(shí)際銑刨實(shí)驗(yàn)。路面銑刨機(jī)型號(hào)為Werten2000，兩次作業(yè)的車速、截齒頭安裝方式、作業(yè)路面完全相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 銑刨實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表4 可以得知，兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭在連續(xù)作業(yè)21 h、銑刨4900 m 瀝青混凝土路面后，聚晶金剛石齒頭正常磨損報(bào)廢；硬質(zhì)合金截齒頭在連續(xù)作業(yè)3 h、銑刨700 m 瀝青混凝土路面后，硬質(zhì)合金齒頭嚴(yán)重磨損報(bào)廢。由此可以證明在實(shí)際銑刨中，兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭的使用壽命遠(yuǎn)超硬質(zhì)合金截齒頭，約為硬質(zhì)合金截齒頭的7 倍。

3 結(jié)論

（1）用聚晶金剛石截齒頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬質(zhì)合金截齒頭，提出截齒體、截齒座、截齒頭三段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒，其中截齒座和截齒頭采用釬焊方式連接。

（2）三段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒中的釬焊質(zhì)量成為限制截齒質(zhì)量的不確定因素，提出將截齒座和截齒頭整合成一體式截齒頭，與截齒體使用凹凸界面加過(guò)渡層燒結(jié)的連接方式，形成兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒。

（3）使用傳統(tǒng)硬質(zhì)合金截齒與二段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒分別進(jìn)行耐磨性、抗沖擊韌性、實(shí)際銑刨實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒的耐磨性遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金截齒；兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒的抗沖擊韌性與硬質(zhì)合金截齒相當(dāng)；兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭的使用壽命遠(yuǎn)超硬質(zhì)合金截齒頭，約為硬質(zhì)合金截齒頭的7 倍。