路面铣刨机硬质合金铣刨齿的失效机理市场需求及发展趋势水分析

本文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。

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。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。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%，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900~1 280，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Ⅱ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。

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

3.5μm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Perrott及杨瑞林和李力军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＞3.5μm的合金称为粗晶合金。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

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。

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。

作者：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）

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。

来源：硬质合金

废铜回收价格表

酿造白酒设备

最好的除尘器滤筒

膏药批发

全国通用架子工证