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硬质合金截齿齿头的失效分析
谭永生 蔡和平 刘忠侠 马宝钿
(北京航空工艺研究所，北京100024) (西安交通大学，材料科学与工程学院)
摘 要： 运用扫描电镜等手段对神府煤田失效的采煤机截齿齿头(WC-Co硬质合金)进行了失效分析，明确了该煤田截齿齿头的主要失效形式为崩齿、磨损和掉块。在断 口分析的基础上阐明了造成失效的主要因素：冲击载荷达到或超过合金抗弯强度，煤层中的夹矸石对硬质合金的磨粒切削作用，周期载荷及热摩擦引起的冲击疲劳和 热疲劳龟裂；并针对这些失效原因提出了延长截齿寿命的方法。
关键词：硬质合金；截齿；失效分析
采煤机截齿 由硬质合金齿头钎焊于合金结构钢上构成，是直接切割煤层采掘煤炭的刀具。截齿在截割煤层时，截齿以回转方式推进切割，需要承受高的压应力和剪切弯曲应力， 同时，这种载荷是周期性或突发性的冲击载荷。此外，由于截齿与煤岩剧烈摩擦而产生的摩擦热使齿头表面产生600～800℃ 的高温，截齿承受较大的热应力作用。煤层作为一种不均匀的混合磨料与截齿相互作用，磨损过程中可能还会伴随有腐蚀、局部屈服、接触疲劳甚至断裂等多种力学 行为。为找出提高截齿使用寿命的有效途径，首先必须找出截齿失效的主要形式和原因，因此对截齿进行失效分析是相当重要的。
1 失效分析
神府煤田失效后的采煤机截齿的形貌观察分析在NEOPHOT-21金相显微镜和JSM-840扫描电子显微镜上进行。齿头硬质合金牌号为YG11C(89wt%WC-11wt%Co)矿用硬质合金。
2 失效分析结果和讨论
2.1 宏观断口
图 1是神府煤田采煤机截齿失效后齿头的宏观断口形貌。图中可见，硬质合金崩齿掉块严重，齿头在煤层中掘进时，在冲击载荷作用下，表面处于高压应力状态。由于 硬质合金抗压强度高(3400～5600MPa)，所以一般不会出现什么问题。但齿头整体与煤层不可能处于完全良好的接触状态，而且该煤田夹矸石较多，使 接触不良区域甚至不接触区域不可避免地增多。此区域承受高的剪切力和弯曲力，处于拉应力状态。这种应力状态在交变载荷的作用下容易产生冲击疲劳和热疲劳裂 纹。疲劳裂纹的相交导致大块的掉块。当这种应力的作用超过硬质合金抗弯强度的极限时，便会造成崩齿。从合金机械性能上考虑，出现这种情况主要是合金抗弯强 度和冲击韧性不够高而引起的。另外，齿头表面或内部的微观缺陷也能造成应力集中而使硬质合金齿头损坏。
图1 齿头断口宏观形貌(SEM) 图2 硬质合金齿头龟裂形貌(SEM)
图 2则显示了失效截齿齿头的典型热疲劳裂纹(龟裂)。由截齿工作情况条件分析得知，截齿割煤是一个断续切割过程，滚筒旋转时，截齿半程割煤、半程空转。割煤 半程中，截齿在强大的推进力作用下，压碎、切割煤层，刀头与煤壁产生剧烈的摩擦，温度迅速升高；在空程半程中，由于空气、喷水的冷却，温度迅速下降。这种 激热、激冷使得截齿在承受周期性冲击载荷的同时还承受着周期性拉压交变热应力的作用，最终导致热疲劳裂纹萌生和扩展。产生交变热应力是因为钴相与WC相的 热膨胀系数不同。由于钴相的热膨胀系数比WC相的热膨胀系数约大三倍，因此当齿头升温时，钴相中将产生很大的压应力；而当齿头降温时，钴相中则产生很大的 拉应力。这种热应力σ在弹性范围内可用下式计算：
σ=k·E·α·ΔT(1)
式中，E为弹性模量，α为热膨胀系数，ΔT为热循环温度梯度(与热导率有关)，k为约束系数(0.5～2.5)。当热应力接近硬质合金抗拉强度时，在该应力的循环作用下，齿头势必产生热疲劳裂纹。
Lagerguist用模拟的方法详细研究了WC-Co合金热疲劳裂纹扩展的特点。由图3、4可知，热疲劳裂纹的扩展深度与扩展速率随着钴含量的提高或WC粒径的增大而逐渐减小。同时，WC粒径的增大也将使钴相的平均自由程增大，从而提高合金的热疲劳抗力。
图3 硬质合金热疲劳裂纹深度与摩损时间的关系
1—0%Co，14.3μm；2—6%Co，11.8μm；3—6%Co，15.0μm；4—15%Co，12.0μm；5—15%Co，15.0μm
图4 硬质合金裂纹扩展速度与钴含量及WC粒径的关系(裂纹深度为10μm)
1—6%Co；2—15%Co
图5 硬质合金齿头正常磨损造成的麻坑(SEM)×50
图 5是采煤机截齿齿头表面磨损的宏观形貌。该齿头属于使用过程中正常磨损状态下的齿头。从图5可见大量的麻坑。磨损面很光滑，而且带有光泽。这是由于截齿齿 面在截煤过程中与煤岩相互研磨，起到了抛光WC的作用。磨损表面存在许多麻坑和沟槽是齿头的典型磨损形貌，冲击疲劳与磨粒切削是造成此类磨损的主要原因。 在交变的冲击载荷作用下，截齿表面发生机械变形，逐渐在齿面上形成显微裂纹，裂纹在周期性载荷作用下不断扩展，最后导致局部颗粒剥落的发生。磨粒切削则使 表层的钴相被优先消耗。WC颗粒则由于失去粘结相的粘结作用而脱落下来。另外，在磨粒切削过程中也会发生大WC颗粒碎化而流失。
2.2 显微断口
图6 硬质合金裂纹源区Ⅰ(SEM) 图7 硬质合金裂纹源区Ⅱ(SEM)
图 6、7是硬质合金的裂纹源区。硬质合金中的孔隙、钴池、表面微裂纹等缺陷都可成为断裂源。这些是硬质合金本身固有的缺陷。截齿在采煤过程中，由于反复的冲 击、挤压，造成钴相的挤出流失，使WC微粒之间的结合被破坏，从而导致WC微粒的剥落，这种薄弱的区域也易诱发裂纹，如麻坑、沟槽等。另外，在冲击载荷作 用下，也能够造成WC颗粒的碎化而脱落，同样形成薄弱微区。图6是裂纹源区的微观形貌。断面上可看出裂纹由表向里扩展，并且呈多源特征。断面上呈现出明显 的穿晶疲劳条纹特征和沿WC晶界开裂特征，同时伴随有很陡并成角度的凹坑，证明裂纹源的形成是由于冲击疲劳和热疲劳所致。在图7中可看出裂纹扩展时WC晶 粒中伴随有明显的二次裂纹。说明截齿上硬质合金在裂纹形成时所受的周期性冲击载荷比较大而且裂纹扩展速率比较高。
图8 硬质合金断口中的疲劳条纹(SEM)
在 硬质合金中疲劳裂纹扩展呈现慢速，如图8所示。从图8看出，疲劳条纹清晰可见，并伴有大量的沿晶断裂特征，说明断裂是沿晶和穿晶混合型式。对于小颗粒 WC，裂纹沿相界或晶界扩展，亦即沿着WC-粘结相或WC-WC晶界扩展，表现为沿晶断裂。当疲劳条纹向前发展时，若遇到较大的WC颗粒，则表现为穿晶断 裂。强化粘结相、加大粘结相的平均自由程、防止WC-WC搭桥是阻止和延缓裂纹扩展、提高截齿寿命的有效途径。
图9是断口的高倍显微形 貌。大颗粒WC的开裂非常明显，还能见到细小破碎的WC颗粒。这可能是由于裂纹面之间的周期冲击载荷作用下周期开合、挤压而导致WC颗粒破碎。这也说明裂 纹在扩展过程中受到了很大的冲击载荷。图10显示的是脆性疲劳特征。它既有疲劳条纹花样，又有垂直于疲劳条纹的放射状花样，呈扇形向前扩展。这是脆性材料 的典型疲劳特征。以上说明，疲劳裂纹的扩展过程是比较缓慢的，有些近似于高载荷下接触疲劳的裂纹扩展过程。
图9 硬质合金中WC颗粒的开裂和碎化(SEM) 图10 硬质合金断裂的脆性疲劳特征(SEM)
3 结语
通 过对断口的宏观及显微分析，神府煤田采煤机截齿硬质合金齿头的主要失效形式为崩齿、磨损和掉块。失效的主要原因是：合金抗弯强度不够高，瞬时的冲击载荷达 到或超过合金的抗弯强度；煤层中的夹矸石对合金的磨粒切削作用；周期性和突发性载荷以及截齿与煤层剧烈摩擦时产生的摩擦热造成的冲击疲劳和热疲劳龟裂。
针 对硬质合金齿头的失效形式和原因，可通过调整合金的成分、粒径等来提高合金的使用性能。首先，钴的含量不宜太低。钴量提高既有助于提高热疲劳抗力，也使合 金弹塑性应变能力增强，更好地协调变形、松驰应力。但钴含量增加会影响合金耐磨性，增加成本，同时随着钴含量的增加，早期萌生的疲劳裂纹数量也将增多。一 般钴含量选择在8%～13%，煤层较硬时含量可高些，煤层较软时含量可低些。其次，WC粒径的选择相当重要。粗晶材料与细晶材料相比，WC的总表面积减小 了，使钴相平均自由程λ得到了提高，相当于间接提高了钴含量，有利于合金断裂韧性的提高，而且WC粒径的增大还有利于增强疲劳抗力。从目前研究状况 看，WC粒径选在3～5μm比较合适，并与钴含量、使用性能要求等相关。此外，为强化钴相，采用适当的热处理是一种有效手段。这是因为钴存在多型性转变。 同时，钴相中也可能产生其它物相来增强面心立方钴，最终达到强韧化硬质合金的目的。
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