路面銑刨機專用聚晶金剛石截齒頭的研究與制備

楊克斌

（甘肅省嘉峪關公路應急保障與路網監測中心，甘肅嘉峪關 735100）

0 引言

路面銑刨機屬于公路路面專用的養護機械，廣泛應用在城市路面、高速公路、機場路面等多種工況的瀝青混凝土返修養護工程中。在實際應用過程中，路面銑刨機依靠截齒對地面進行銑刨動作，所以截齒的質量、承載力、硬度、耐磨性、使用壽命直接影響路面銑刨機整體的作業質量。傳統路面銑刨機通常使用硬質合金截齒，隨著路面施工技術的提升，硬質合金截齒已經無法應對愈加復雜的瀝青混凝土路面，單位時間內的磨損、沖擊較大，成為限制路面銑刨機工作效率、作業成本、施工質量的主要原因。基于此，路面銑刨機廠商提出使用聚晶金剛石截齒頭代替傳統的硬質合金截齒。聚晶金剛石截齒頭具有遠超硬質鋁合金的硬度、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的施工效率和對瀝青混凝土路面的切削質量。

1 聚晶金剛石截齒頭的改進

根據對傳統硬質合金截齒的磨損情況觀察，可以發現硬質合金截齒的主要磨損位置是截齒頭，約有92%以上報廢的硬質合金截齒的報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，在路面銑刨機作業過程中，硬質合金截齒頭的硬度略低于石英顆粒，在長時間連續作業的情況下，磨損速度較快，并且還會伴隨部分因與石英顆粒對撞引起的結構性損壞[2]。基于此，提升路面銑刨機截齒的使用性能（包括硬度、耐磨性、自銳性、使用壽命等），需要對截齒頭進行改進。

本文提出在保持截齒體材料（硬質合金）不變的情況下，使用聚晶金剛石截齒頭代替硬質合金截齒頭，由于聚晶金剛石和硬質合金的膨脹系數相差較大，可以預見在路面銑刨機作業過程中，兩者無法承受較強的外力和溫度變化，極易出現脫落、剝離的現象。因此在硬質合金截齒體和聚晶金剛石截齒頭之間增設一個硬質合金的截齒座，通過物理結構的調整提升聚晶金剛石截齒頭與截齒體的穩固程度，形成復合式路面銑刨機截齒[3]。

1.1 三段式復合結構截齒

傳統硬質合金截齒的結構如圖1 所示，截齒體和截齒頭之間直接連接，沒有使用外力進行固定，原因在于截齒體和截齒頭的材質均為硬質合金，在受熱和受力過程中的膨脹系數相同，穩固性較強。保持結構不變，將截齒頭材質跟換為聚晶金剛石后，再受力和受熱，截齒體和截齒頭會隨著膨脹系數的不同出現變化差，進而出現截齒頭脫落[4]。基于此，在截齒體和截齒頭間增設截齒座，連接方式為釬焊連接，材料為硬質合金材料，在受熱和受力時，截齒體和截齒座具有相同的膨脹系數，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合金截齒體的結合問題，改進后的截齒結構如圖2 所示。

圖1 傳統硬質合金截齒結構

圖2 改進后的三段式復合截齒結構

根據圖1 和圖2 可知，改進前后的截齒外形、尺寸、規格性相差不大，但兩者在作業過程中的危險截面有所變化，圖2 中的A 截面為改進前的截齒危險截面，B 截面為改進后的截齒危險截面，由此可以通過A 截面和B 截面單位面積承受的彎矩來判斷改進方案的有效性。由等強度截面設計可知：

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

設截齒頭在作業過程中的切削阻力為F，危險截面A 和危險截面B 在單位面積內承受的彎矩：

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

假設分段式復合截齒的結構合理，則WA≥WB，由此可以得出：

進而得出：

結合式（2）可以得到：

將圖2 中的截齒規格數據代入式（7）可以得出：

根據式（8），只要改進后的截齒尺寸在式（8）的要求內，危險截面B 的單位面積彎矩就會小于危險截面A，進而能夠證明三段式復合結構截齒改進方案的有效性。

1.2 兩段式復合結構截齒

雖然證明了三段式復合結構截齒改進方案的可行性，但截齒座和截齒頭之間的釬焊連接給截齒提出焊接質量限制[5]。若焊接質量較低，在路面銑刨機作業過程中，聚晶金剛石截齒頭還會有脫落的風險。因此，在三段式復合結構截齒的基礎上提出兩段式復合結構截齒，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，其中截齒座通過使用金剛石微粉的方式和聚晶金剛石整合，同時金剛石微粉經過燒結工藝后還能使一體式截齒頭更好地與截齒體相結合[6]。另外，在截齒體上增設12 個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固的凹凸界面結構，利用物理方式增加二者的結合面積，形成物理約束，進而將聚晶金剛石固定在截齒體上，避免釬焊連接帶來的使用限制，改進后的兩段式復合截齒結構如圖3 所示。

圖3 改進后的兩段式復合截齒結構

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

圖4 梯度過渡層結構

其中，過渡層1 由55%～65%的金剛石粉、30%～35%碳化鎢、5%～10%納米結合劑組成；過渡層2 由25%～35%金剛石粉、55%～60%碳化鎢、10%～15%納米結合劑組成。該結構工作表面由金剛石層通過兩層過渡層逐漸過渡到截齒體，由表至里使彈性梯度與熱膨脹梯度逐漸變化，殘余應力減少，大幅降低聚晶金剛石截齒頭脫落風險。

1.3 制備改進樣品

改進后的兩段式復合結構截齒的樣品個數為30 個，以便在性能檢測時能夠使用隨機采樣的方式進行。樣品制備的原料分為硬質合金、聚晶金剛石、金剛石微粉、納米結合劑。樣品組裝需要在3×10-4Pa 真空條件下，700 ℃保溫2 h，燒結溫度應保持1350～1450 ℃，燒結壓力5.5～6.5 GPa，燒結時間25～30 min，燒結工藝為一次迅速升壓升溫—持續供壓供溫—慢降溫慢降壓退火的方式（圖5）。

圖5 燒結工藝曲線

2 改進性能測試及分析

2.1 耐磨性測試

在制備的30 個兩段式復合結構截齒頭中隨機選擇5 個樣品進行耐磨性測試，標準為JB/T 3235—2013，測試對比項為傳統硬質合金截齒頭，為增強對比測試的科學性，用作對比項的硬質合金截齒頭和兩段式復合結構截齒頭樣品的規格尺寸相同。耐磨性測試結果見表1。

根據表1 可知，兩段式復合結構截齒頭的5 個樣品在常規情況下的磨耗比與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合結構截齒頭具有較高的適應性和穩定性。同等測試條件下的硬質合金截齒頭的磨耗比均為0.001 5 萬，與兩段式復合結構截齒頭的磨耗比差距較大，說明兩段式復合結構截齒頭的耐磨性遠高于硬質合金截齒頭。

2.2 抗沖擊韌性測試

在制備的30 個兩段式復合結構截齒頭中隨機選擇5 個樣品進行抗沖擊韌性測試，測試設備為落錘式沖擊設備。測試對比項為傳統硬質合金截齒頭，二者的規格尺寸仍然保持一致。試驗方法為將兩段式復合結構截齒頭和硬質合金截齒頭分別固定在落錘式沖擊設備上，依次使用5 J、10 J、15 J、20 J 的能量沖擊花崗巖表面，花崗巖的力學性能見表2、抗沖擊韌性測試結果見表3。

表2 花崗巖力學性能

表3 抗沖擊韌性測試測試結果

根據表3 可以得知，二段式復合結構截齒頭和硬質合金截齒頭在常規狀態下和750 ℃保溫1.5 h 后狀態下的抗沖擊韌性檢測結果相差不大，由此可以說明二者的抗沖擊性能接近。

2.3 銑刨實驗

經過耐磨性和抗沖擊性實驗后，文章將二段式復合結構截齒頭和硬質合金截齒頭應用在路面銑刨機上進行實際銑刨實驗。路面銑刨機型號為Werten2000，兩次作業的車速、截齒頭安裝方式、作業路面完全相同，實驗結果如表4 所示。

表4 銑刨實驗結果

根據表4 可以得知，兩段式復合結構截齒頭在連續作業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廢；硬質合金截齒頭在連續作業3 h、銑刨700 m 瀝青混凝土路面后，硬質合金齒頭嚴重磨損報廢。由此可以證明在實際銑刨中，兩段式復合結構截齒頭的使用壽命遠超硬質合金截齒頭，約為硬質合金截齒頭的7 倍。

3 結論

（1）用聚晶金剛石截齒頭代替傳統硬質合金截齒頭，提出截齒體、截齒座、截齒頭三段式復合結構截齒，其中截齒座和截齒頭采用釬焊方式連接。

（2）三段式復合結構截齒中的釬焊質量成為限制截齒質量的不確定因素，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渡層燒結的連接方式，形成兩段式復合結構截齒。

（3）使用傳統硬質合金截齒與二段式復合結構截齒分別進行耐磨性、抗沖擊韌性、實際銑刨實驗，實驗結果證明，兩段式復合結構截齒的耐磨性遠高于硬質合金截齒；兩段式復合結構截齒的抗沖擊韌性與硬質合金截齒相當；兩段式復合結構截齒頭的使用壽命遠超硬質合金截齒頭，約為硬質合金截齒頭的7 倍。