高性能工程工具截齒材料的研究進(jìn)展概述

王艷芝， 李啟泉， 劉書鋒, 王長(zhǎng)通

(1.中原工學(xué)院 紡織學(xué)院，河南 鄭州 450007； 2.中原工學(xué)院 材料與化工學(xué)院，河南 鄭州 450007； 4.鄭州博特硬質(zhì)材料有限公司，河南 鄭州 450001； 5.中原工學(xué)院 學(xué)報(bào)編輯部， 河南 鄭州 450007)

伴隨著人類生產(chǎn)和生活的進(jìn)步，工程工具材料一直在不斷地發(fā)展和變化。4 000多年以前，古埃及人建造金字塔時(shí)既無(wú)炸藥，也無(wú)鋼釬，采石時(shí)主要使用粗制的銅或青銅鑿子，在巖石上打眼后插進(jìn)木楔，再灌上水，當(dāng)木楔子被水泡膨脹后巖石便脹裂而開。隨著鐵器的出現(xiàn)，人們采石時(shí)逐漸使用鋼制、合金鋼制鋼釬。伴隨著現(xiàn)代機(jī)械裝備的大量使用，出現(xiàn)了各種各樣專門化的開采、掘進(jìn)和鑿巖工具。截齒主要指采掘機(jī)械切割煤或巖石的工具頭部焊接、鑲嵌或卡接的鉆頭。截齒的主要形態(tài)有球齒、錐齒及拋物線形截齒。截齒是采煤、開礦、隧道施工等采掘機(jī)械中的主要易耗部件之一，工作時(shí)需承受急劇變化的周期性壓應(yīng)力、切應(yīng)力和沖擊負(fù)荷。截齒雖是“體量小、易損耗”部件，不太顯眼，但它卻具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義，在煤炭或石油開采、地質(zhì)鉆探、海洋地下工程、礦山開采及山體隧道施工、地鐵或地下公路隧道施工、水利和道路工程、防空及地下軍事工程、地下廣場(chǎng)或其他建筑物施工等領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，是高效、安全和節(jié)能環(huán)保施工必需的。截齒在高沖擊、高應(yīng)力、高磨損情況下使用，很容易失效。其失效形式主要表現(xiàn)為刀頭脫落、崩刀、刀頭和刀體磨損，在一些工況下也會(huì)出現(xiàn)刀體折斷而造成的截齒失效。因此，對(duì)具有高耐磨性、高沖擊性和高彎曲強(qiáng)度的截齒材料的需求是永恒的主題。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，截齒材料也在不斷發(fā)展和變化。歷史上人工鑿巖工具所用的材料是原始或低性能基礎(chǔ)材料，與現(xiàn)代機(jī)械裝備(如采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、盾構(gòu)機(jī))配套使用的開采、掘進(jìn)和鑿巖工具材料主要是合金鋼、硬質(zhì)合金、金剛石硬質(zhì)合金復(fù)合材料等。本文主要針對(duì)截齒用硬質(zhì)合金、超硬材料硬質(zhì)合金復(fù)合材料和最新研制的整體超硬聚晶材料的性能、制備方法和應(yīng)用情況進(jìn)行分析和綜述。

1 硬質(zhì)合金截齒

自20世紀(jì)20年代問世以來(lái)，硬質(zhì)合金經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，目前已經(jīng)成為工業(yè)基礎(chǔ)材料，廣泛應(yīng)用于刀具、鑿巖釬具等。鑿巖工程工具(釬具)是具有代表性的硬質(zhì)合金制品(工具)之一，是在加工成型的金屬基體上鑲嵌或焊接不同形狀(球形或近似球形截齒居多)、不同等級(jí)的硬質(zhì)合金截齒。硬質(zhì)合金截齒可稱為第一代截齒。硬質(zhì)合金是鎢鈷合金，硬度較高、抗磨損，能承受超強(qiáng)高頻的沖擊負(fù)荷。齒柄的材質(zhì)為合金鋼，如30CrMnTi、30CrMnSi、34MnCrB4+TiB650等。

頻繁更換截齒，會(huì)使機(jī)械設(shè)備的效率大打折扣，造成人工和截齒損耗成本提高。為了提高硬質(zhì)合金工具截齒的服役壽命，仍需要進(jìn)一步提高材料的硬度和耐磨性。閔召宇等對(duì)硬質(zhì)合金球齒的研究進(jìn)展進(jìn)行了分析和研究，對(duì)比了國(guó)內(nèi)外幾種主要的硬質(zhì)合金截齒產(chǎn)品的性能和應(yīng)用情況[1]。硬質(zhì)合金截齒的抗彎強(qiáng)度為2 200～3 380 MPa，洛氏硬度為HRA86.5～HRA91.3，密度為13.90～14.94 g/cm3。為進(jìn)一步提高硬質(zhì)合金截齒的性能，可以改進(jìn)燒結(jié)制備工藝，如采用釬焊熱處理工藝一體化技術(shù)，還可改進(jìn)合金材料的性能，如超細(xì)晶化及納米晶化、梯度結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及通過(guò)添加微量元素優(yōu)化材料配方設(shè)計(jì)等。

2 超硬材料復(fù)合截齒

超硬材料復(fù)合截齒可稱為第二代截齒。它所使用的超硬材料主要是金剛石，也有立方氮化硼，或者金剛石和立方氮化硼的混合料。與硬質(zhì)合金截齒相比，超硬材料復(fù)合截齒在硬度和耐磨性方面更具優(yōu)勢(shì)，提高了破巖的效率。工程用鉆頭中典型的截齒結(jié)構(gòu)如圖1所示。超硬材料復(fù)合截齒結(jié)構(gòu)類型多樣，主要有電鍍型、孕鑲型[2]、焊接型、燒結(jié)型等。工程中實(shí)際應(yīng)用最多的是燒結(jié)型金剛石復(fù)合截齒。

圖1 工程用鉆頭中典型截齒的結(jié)構(gòu)

2.1 電鍍型復(fù)合截齒

楊世珍等發(fā)明了一種用于截齒的保徑方法及高耐磨復(fù)合截齒，在截齒柄和截齒頭連接端的外表面電鍍一層金剛石，對(duì)硬質(zhì)合金截齒頭和截齒柄的焊接部位進(jìn)行有效保護(hù)，從而提高截齒的整體性能，提高開采效率和設(shè)備部件使用壽命[3]。此外，可采用等離子熔覆技術(shù)，在截齒表面熔覆一層含有金剛石超硬材料的金屬陶瓷涂層，以提高硬質(zhì)合金截齒的表面硬度和耐磨性。

2.2 焊接型復(fù)合截齒

通常采用堆焊技術(shù)對(duì)截齒進(jìn)行處理，提高截齒的表面耐磨性，但是堆焊效率低、損耗多、表面質(zhì)量差。孫玉福等發(fā)明了一種采用立方氮化硼超硬材料釬焊制備的截齒，首先以低合金鋼鍛造工藝制備截齒本體，利用釬焊工藝把立方氮化硼齒頭固定在截齒本體前端，然后采用高頻感應(yīng)熔覆工藝在截齒本體的前端表面熔覆一層耐磨層[4]。該方法工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，成本較低，生產(chǎn)的截齒耐磨，截齒頭不易脫落，使用壽命長(zhǎng)，能夠提高煤炭開采生產(chǎn)效率。李保華等以金剛石為主要原料，添加碳化硅、氮化鈦、氮化硼、碳粉、石墨烯、氧化鈷等成分，配成金剛石復(fù)合粉，采用銅釬焊的方式把金剛石復(fù)合粉焊接在截齒頭上，在焊接時(shí)需要在0.5 s內(nèi)產(chǎn)生1 500～2 000 ℃的高溫，瞬間高溫不會(huì)對(duì)截齒基體產(chǎn)生損害，保持了截齒芯部的韌性，提高了截齒頭的耐磨性[5]。由于金剛石涂覆層的高硬度，截齒與巖石的碰撞中基本上不產(chǎn)生火花，其使用壽命是相應(yīng)無(wú)涂層截齒的2～3 倍。

2.3 孕鑲型復(fù)合截齒

王春磊等發(fā)明了一種金剛石孕鑲截齒及其制作工藝，采用金剛石、立方氮化硼和碳化鎢中的一種或者兩種材料為主要成分制作超硬材料齒頭，用該超硬材料齒頭孕鑲到齒柄功能端的端面，以取代現(xiàn)有截齒的硬質(zhì)合金齒頭或金剛石復(fù)合齒頭[2]。張紹和等通過(guò)粉末冶金方法，采用壓力燒結(jié)使截齒(齒頭)和齒柄一體成型[6]。其制作工藝為：超硬材料金剛石微粉直接與金屬微粉和碳化鎢、碳化二鎢等微粉一起混料，熱壓壓力為2～5 MPa，燒結(jié)溫度為900～1 100 ℃，保溫保壓時(shí)間為5～10 min。該方法把超硬材料金剛石微粉用在截齒齒頭和齒柄上，齒頭與齒柄一體成型，省去了齒頭與齒柄合金鋼的焊接，有效避免了鋼體齒柄折斷和齒頭脫落，提高了截齒的耐磨性。但是，這種粉末冶金法的燒結(jié)壓力低，胎體金屬粉含量高，截齒齒頭硬度和耐磨性提高有限。孕鑲型截齒能夠提高截齒頭與截齒體的結(jié)合強(qiáng)度，但鑄造過(guò)程中容易出現(xiàn)縮松、夾雜等缺陷。

2.4 燒結(jié)型復(fù)合截齒

普通型硬質(zhì)合金金剛石復(fù)合片已經(jīng)在石油鉆探、煤炭開采中獲得廣泛應(yīng)用。特異型復(fù)合片(錐球齒、球齒、楔形齒等)的制備和成型加工難度雖然較大，但目前已有相關(guān)的研究報(bào)道。文獻(xiàn)[7-8]以金剛石為原料，硅和鈷為粘接劑，采用六面頂壓機(jī)高壓高溫合成硬質(zhì)合金與金剛石聚晶復(fù)合片(Polycrystalline Diamond Compact, PDC)截齒，并通過(guò)焊接或過(guò)盈壓入截齒柄中，最后在截齒與截齒柄的連接部位電鍍一層金剛石[7]，以提高截齒的耐磨性。與普通硬質(zhì)合金相比，燒結(jié)型金剛石復(fù)合截齒具有更高的抗沖擊性能和耐磨性能，其耐磨性能提高了約2 000倍。這種截齒在采掘工具上應(yīng)用時(shí)，鉆進(jìn)速度可提高20%～ 30%，鉆具的使用壽命大大延長(zhǎng)，鉆進(jìn)成本可降低30%左右。盧燦華等發(fā)明的金剛石復(fù)合截齒采用了納米結(jié)合劑，該結(jié)合劑在高溫高壓下具有很好的燒結(jié)促進(jìn)作用，能夠很好地與金剛石粉結(jié)合，形成強(qiáng)韌的燒結(jié)體[9]。該結(jié)合劑組成成分如下：Co粉95%～99%、TiC粉0.5%～3%、Si粉0.5%～2%。采用六面頂壓機(jī)高壓高溫?zé)Y(jié)的條件為：將真空處理過(guò)的復(fù)合體組件置于合成組裝塊內(nèi)，在溫度為1 400～1 500 ℃、壓力為6～7 GPa的條件下合成15～35 min。

由于硬質(zhì)合金金剛石復(fù)合片中金剛石聚晶與硬質(zhì)合金的二元復(fù)合，復(fù)合界面應(yīng)力較大，兩種材料的相容性不夠，復(fù)合聚晶在施工過(guò)程中容易出現(xiàn)崩刀或脫層，影響工程的正常施工和安全施工。為了克服以上不足，采用六面頂壓機(jī)，在超高溫高壓下，添加一定的粘接劑，經(jīng)分層投料，把含有金剛石微粉的不同粒度混合料燒結(jié)在硬質(zhì)合金基體上，在球形、錐形截齒硬質(zhì)合金材料表面得到生長(zhǎng)型金剛石-金剛石(D-D)結(jié)構(gòu)的金剛石聚晶層，硬質(zhì)合金基體材料與金剛石聚晶層之間依靠過(guò)渡層的梯度結(jié)構(gòu)連接，可大大減少或有效避免基體與金剛石聚晶之間因熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和彈性模量、材料應(yīng)力等差異導(dǎo)致的金剛石聚晶層崩碎和脫層現(xiàn)象的發(fā)生。這不僅保持了硬質(zhì)合金截齒在高頻沖擊下的高抗沖擊韌性，而且使其具有了金剛石的高耐磨特性，這種新型超硬復(fù)合材料目前已廣泛應(yīng)用于潛孔鉆頭、牙輪鉆頭、釬頭及其他掘進(jìn)鉆頭工具上。

3 整體超硬材料聚晶截齒

整體超硬材料聚晶截齒是最新發(fā)展起來(lái)的，稱為第三代截齒。它是不使用硬質(zhì)合金基體，完全由一種或兩種超硬材料，附加粘接劑，經(jīng)超高壓高溫?zé)Y(jié)，或用其他先進(jìn)燒結(jié)方式合成制備的截齒。隨著超硬復(fù)合材料聚晶技術(shù)的發(fā)展，特別是超硬材料的工業(yè)化過(guò)飽和大量生產(chǎn)，超硬材料金剛石的價(jià)格逐漸下降。2017年，我國(guó)金剛石產(chǎn)量達(dá)到143億ct，立方氮化硼產(chǎn)量達(dá)到6.3億ct。2018年中國(guó)金剛石產(chǎn)量達(dá)到151億ct，立方氮化硼產(chǎn)量達(dá)到5.4億ct。2015年以來(lái)，超硬材料制造行業(yè)逐漸出現(xiàn)產(chǎn)能過(guò)剩，供大于求，使得整體超硬材料聚晶截齒的制造成本下降，與硬質(zhì)合金截齒、金剛石復(fù)合截齒相比表現(xiàn)出較高的性價(jià)比。整體超硬材料聚晶截齒中超硬材料可以用金剛石聚晶，也可以用立方氮化硼聚晶，或者是金剛石與立方氮化硼的混合物聚晶。

4 結(jié)語(yǔ)

工程工具截齒材料正在呈現(xiàn)新的發(fā)展變化。由硬質(zhì)合金截齒到超硬材料復(fù)合截齒，再到新出現(xiàn)的整體超硬材料聚晶截齒，性能不斷提高。整體金剛石/氮化硼聚晶是截齒材料發(fā)展的方向和趨勢(shì)，其性價(jià)比已經(jīng)高于硬質(zhì)合金截齒，性能優(yōu)于金剛石復(fù)合截齒。今后應(yīng)進(jìn)一步完善整體超硬材料聚晶截齒的材料性能和燒結(jié)合成工藝，拓展整體超硬材料聚晶截齒的應(yīng)用領(lǐng)域。