高性能工程工具截齿材料的研究进展概述

王艳芝， 李启泉， 刘书锋, 王长通

(1.中原工学院 纺织学院，河南 郑州 450007； 2.中原工学院 材料与化工学院，河南 郑州 450007； 4.郑州博特硬质材料有限公司，河南 郑州 450001； 5.中原工学院 学报编辑部， 河南 郑州 450007)

伴随着人类生产和生活的进步，工程工具材料一直在不断地发展和变化。4 000多年以前，古埃及人建造金字塔时既无炸药，也无钢钎，采石时主要使用粗制的铜或青铜凿子，在岩石上打眼后插进木楔，再灌上水，当木楔子被水泡膨胀后岩石便胀裂而开。随着铁器的出现，人们采石时逐渐使用钢制、合金钢制钢钎。伴随着现代机械装备的大量使用，出现了各种各样专门化的开采、掘进和凿岩工具。截齿主要指采掘机械切割煤或岩石的工具头部焊接、镶嵌或卡接的钻头。截齿的主要形态有球齿、锥齿及抛物线形截齿。截齿是采煤、开矿、隧道施工等采掘机械中的主要易耗部件之一，工作时需承受急剧变化的周期性压应力、切应力和冲击负荷。截齿虽是“体量小、易损耗”部件，不太显眼，但它却具有重要的经济和社会意义，在煤炭或石油开采、地质钻探、海洋地下工程、矿山开采及山体隧道施工、地铁或地下公路隧道施工、水利和道路工程、防空及地下军事工程、地下广场或其他建筑物施工等领域得到普遍应用，是高效、安全和节能环保施工必需的。截齿在高冲击、高应力、高磨损情况下使用，很容易失效。其失效形式主要表现为刀头脱落、崩刀、刀头和刀体磨损，在一些工况下也会出现刀体折断而造成的截齿失效。因此，对具有高耐磨性、高冲击性和高弯曲强度的截齿材料的需求是永恒的主题。随着材料技术的进步，截齿材料也在不断发展和变化。历史上人工凿岩工具所用的材料是原始或低性能基础材料，与现代机械装备(如采煤机、掘进机、盾构机)配套使用的开采、掘进和凿岩工具材料主要是合金钢、硬质合金、金刚石硬质合金复合材料等。本文主要针对截齿用硬质合金、超硬材料硬质合金复合材料和最新研制的整体超硬聚晶材料的性能、制备方法和应用情况进行分析和综述。

1 硬质合金截齿

自20世纪20年代问世以来，硬质合金经过不断发展，目前已经成为工业基础材料，广泛应用于刀具、凿岩钎具等。凿岩工程工具(钎具)是具有代表性的硬质合金制品(工具)之一，是在加工成型的金属基体上镶嵌或焊接不同形状(球形或近似球形截齿居多)、不同等级的硬质合金截齿。硬质合金截齿可称为第一代截齿。硬质合金是钨钴合金，硬度较高、抗磨损，能承受超强高频的冲击负荷。齿柄的材质为合金钢，如30CrMnTi、30CrMnSi、34MnCrB4+TiB650等。

频繁更换截齿，会使机械设备的效率大打折扣，造成人工和截齿损耗成本提高。为了提高硬质合金工具截齿的服役寿命，仍需要进一步提高材料的硬度和耐磨性。闵召宇等对硬质合金球齿的研究进展进行了分析和研究，对比了国内外几种主要的硬质合金截齿产品的性能和应用情况[1]。硬质合金截齿的抗弯强度为2 200～3 380 MPa，洛氏硬度为HRA86.5～HRA91.3，密度为13.90～14.94 g/cm3。为进一步提高硬质合金截齿的性能，可以改进烧结制备工艺，如采用钎焊热处理工艺一体化技术，还可改进合金材料的性能，如超细晶化及纳米晶化、梯度结构优化以及通过添加微量元素优化材料配方设计等。

2 超硬材料复合截齿

超硬材料复合截齿可称为第二代截齿。它所使用的超硬材料主要是金刚石，也有立方氮化硼，或者金刚石和立方氮化硼的混合料。与硬质合金截齿相比，超硬材料复合截齿在硬度和耐磨性方面更具优势，提高了破岩的效率。工程用钻头中典型的截齿结构如图1所示。超硬材料复合截齿结构类型多样，主要有电镀型、孕镶型[2]、焊接型、烧结型等。工程中实际应用最多的是烧结型金刚石复合截齿。

图1 工程用钻头中典型截齿的结构

2.1 电镀型复合截齿

杨世珍等发明了一种用于截齿的保径方法及高耐磨复合截齿，在截齿柄和截齿头连接端的外表面电镀一层金刚石，对硬质合金截齿头和截齿柄的焊接部位进行有效保护，从而提高截齿的整体性能，提高开采效率和设备部件使用寿命[3]。此外，可采用等离子熔覆技术，在截齿表面熔覆一层含有金刚石超硬材料的金属陶瓷涂层，以提高硬质合金截齿的表面硬度和耐磨性。

2.2 焊接型复合截齿

通常采用堆焊技术对截齿进行处理，提高截齿的表面耐磨性，但是堆焊效率低、损耗多、表面质量差。孙玉福等发明了一种采用立方氮化硼超硬材料钎焊制备的截齿，首先以低合金钢锻造工艺制备截齿本体，利用钎焊工艺把立方氮化硼齿头固定在截齿本体前端，然后采用高频感应熔覆工艺在截齿本体的前端表面熔覆一层耐磨层[4]。该方法工艺简单，生产效率高，成本较低，生产的截齿耐磨，截齿头不易脱落，使用寿命长，能够提高煤炭开采生产效率。李保华等以金刚石为主要原料，添加碳化硅、氮化钛、氮化硼、碳粉、石墨烯、氧化钴等成分，配成金刚石复合粉，采用铜钎焊的方式把金刚石复合粉焊接在截齿头上，在焊接时需要在0.5 s内产生1 500～2 000 ℃的高温，瞬间高温不会对截齿基体产生损害，保持了截齿芯部的韧性，提高了截齿头的耐磨性[5]。由于金刚石涂覆层的高硬度，截齿与岩石的碰撞中基本上不产生火花，其使用寿命是相应无涂层截齿的2～3 倍。

2.3 孕镶型复合截齿

王春磊等发明了一种金刚石孕镶截齿及其制作工艺，采用金刚石、立方氮化硼和碳化钨中的一种或者两种材料为主要成分制作超硬材料齿头，用该超硬材料齿头孕镶到齿柄功能端的端面，以取代现有截齿的硬质合金齿头或金刚石复合齿头[2]。张绍和等通过粉末冶金方法，采用压力烧结使截齿(齿头)和齿柄一体成型[6]。其制作工艺为：超硬材料金刚石微粉直接与金属微粉和碳化钨、碳化二钨等微粉一起混料，热压压力为2～5 MPa，烧结温度为900～1 100 ℃，保温保压时间为5～10 min。该方法把超硬材料金刚石微粉用在截齿齿头和齿柄上，齿头与齿柄一体成型，省去了齿头与齿柄合金钢的焊接，有效避免了钢体齿柄折断和齿头脱落，提高了截齿的耐磨性。但是，这种粉末冶金法的烧结压力低，胎体金属粉含量高，截齿齿头硬度和耐磨性提高有限。孕镶型截齿能够提高截齿头与截齿体的结合强度，但铸造过程中容易出现缩松、夹杂等缺陷。

2.4 烧结型复合截齿

普通型硬质合金金刚石复合片已经在石油钻探、煤炭开采中获得广泛应用。特异型复合片(锥球齿、球齿、楔形齿等)的制备和成型加工难度虽然较大，但目前已有相关的研究报道。文献[7-8]以金刚石为原料，硅和钴为粘接剂，采用六面顶压机高压高温合成硬质合金与金刚石聚晶复合片(Polycrystalline Diamond Compact, PDC)截齿，并通过焊接或过盈压入截齿柄中，最后在截齿与截齿柄的连接部位电镀一层金刚石[7]，以提高截齿的耐磨性。与普通硬质合金相比，烧结型金刚石复合截齿具有更高的抗冲击性能和耐磨性能，其耐磨性能提高了约2 000倍。这种截齿在采掘工具上应用时，钻进速度可提高20%～ 30%，钻具的使用寿命大大延长，钻进成本可降低30%左右。卢灿华等发明的金刚石复合截齿采用了纳米结合剂，该结合剂在高温高压下具有很好的烧结促进作用，能够很好地与金刚石粉结合，形成强韧的烧结体[9]。该结合剂组成成分如下：Co粉95%～99%、TiC粉0.5%～3%、Si粉0.5%～2%。采用六面顶压机高压高温烧结的条件为：将真空处理过的复合体组件置于合成组装块内，在温度为1 400～1 500 ℃、压力为6～7 GPa的条件下合成15～35 min。

由于硬质合金金刚石复合片中金刚石聚晶与硬质合金的二元复合，复合界面应力较大，两种材料的相容性不够，复合聚晶在施工过程中容易出现崩刀或脱层，影响工程的正常施工和安全施工。为了克服以上不足，采用六面顶压机，在超高温高压下，添加一定的粘接剂，经分层投料，把含有金刚石微粉的不同粒度混合料烧结在硬质合金基体上，在球形、锥形截齿硬质合金材料表面得到生长型金刚石-金刚石(D-D)结构的金刚石聚晶层，硬质合金基体材料与金刚石聚晶层之间依靠过渡层的梯度结构连接，可大大减少或有效避免基体与金刚石聚晶之间因热膨胀系数、导热系数和弹性模量、材料应力等差异导致的金刚石聚晶层崩碎和脱层现象的发生。这不仅保持了硬质合金截齿在高频冲击下的高抗冲击韧性，而且使其具有了金刚石的高耐磨特性，这种新型超硬复合材料目前已广泛应用于潜孔钻头、牙轮钻头、钎头及其他掘进钻头工具上。

3 整体超硬材料聚晶截齿

整体超硬材料聚晶截齿是最新发展起来的，称为第三代截齿。它是不使用硬质合金基体，完全由一种或两种超硬材料，附加粘接剂，经超高压高温烧结，或用其他先进烧结方式合成制备的截齿。随着超硬复合材料聚晶技术的发展，特别是超硬材料的工业化过饱和大量生产，超硬材料金刚石的价格逐渐下降。2017年，我国金刚石产量达到143亿ct，立方氮化硼产量达到6.3亿ct。2018年中国金刚石产量达到151亿ct，立方氮化硼产量达到5.4亿ct。2015年以来，超硬材料制造行业逐渐出现产能过剩，供大于求，使得整体超硬材料聚晶截齿的制造成本下降，与硬质合金截齿、金刚石复合截齿相比表现出较高的性价比。整体超硬材料聚晶截齿中超硬材料可以用金刚石聚晶，也可以用立方氮化硼聚晶，或者是金刚石与立方氮化硼的混合物聚晶。

4 结语

工程工具截齿材料正在呈现新的发展变化。由硬质合金截齿到超硬材料复合截齿，再到新出现的整体超硬材料聚晶截齿，性能不断提高。整体金刚石/氮化硼聚晶是截齿材料发展的方向和趋势，其性价比已经高于硬质合金截齿，性能优于金刚石复合截齿。今后应进一步完善整体超硬材料聚晶截齿的材料性能和烧结合成工艺，拓展整体超硬材料聚晶截齿的应用领域。