铣刨机刀具断裂原因分析与预防

铣刨机刀具断裂原因分析与预防

路面铣刨机是公路及城市道路养护施工的专用机械，由于该设备具有效率高、施工工艺简单、铣刨深度易于控制、操作灵活、机动性能好、铣刨的旧料能直接回收利用等特点，因而被广泛应用于公路、道路、机场路面等沥青混凝土层的开挖翻修等养护施工中。铣刨机施工时机械或液压传动带动铣鼓高速旋转，通过安装在铣鼓上的刀头切削路面以达到铣刨的目的。铣刨机的刀头在铣刨路面时会受到一定的冲击和磨料磨损，因此它是铣刨机主要的耐磨件和损耗件。为了提高铣刨机刀头的使用寿命，就要求其具有较高的强度、硬度、弯曲强度和耐磨性，以防止刀头在使用过程产生早期断裂、弯曲、变形和磨损失效。本文观察了铣刨机刀头工作时的失效形式，进行了试验与分析后，提出提高刀头耐磨性和防止断裂的措施。

1 试验方法

试验材料为商用铣刨机刀头，刀头材料为42CrMo。刀头的冲击试样取自刀头实体，试件的截取方法参考采掘机用截齿行业标准的取样要求，将试件加工成10 mm×10 mm×55 mm标准U形缺口，缺口深度2 mm。冲击试验在HR150型摆锤式冲击试验机上进行，用洛氏硬度仪测定刨路机刀头的硬度。金相组织观察采用NIKON *****00型金相显微镜，组织腐蚀液采用4%的硝酸酒精溶液。

图1 铣刨机刀头断裂及其磨损形貌

2 试验结果及分析

2.1 铣刨机刀头的失效形式

图1是铣刨机路面施工时刀头磨损及其断裂的形貌照片。从图中可以看出，铣刀体的失效形式主要为磨损和断裂。磨损主要包括刀头头部的硬质合金磨损和包覆硬质合金部分的刀头裤体磨损。从图1（a）可以看出，在使用过程中刀体材料的磨损较为严重，由于包覆硬质合金裤体部分的磨损，使硬质合金的刀头完全外露，甚至硬质合金脱落。

在实际工作时，刨路齿的磨损为刀头主要的失效形式，除此之外还有铣刨刀体和齿体的断裂，虽然刀体断裂所占比例较小，但也会经常发生。图1（b）是铣刨刀头断裂的照片，从图可以看出刨路齿的断裂部位主要在卡环与耐磨刀体连接及装配耐磨垫的过渡处，也有部分刀头断裂发生在尾部卡槽的圆角过渡处。图1（c）是铣刨机刀头头部和柄部的过渡处产生的断裂断口，从图中可以看出，其断裂形貌具有典型的疲劳断口特征。疲劳裂纹产生在刀柄的表面，表面裂纹形成后，裂纹以放射状向内部扩展，最后发生断裂。刨路齿的断裂位置，基本上在装配卡环与刀体台阶处（见图1（d）），该位置为柄部与头部的过渡处，正好挡住卡环。而从施工现场失效的铣刨机齿断裂的位置看出，大部分的断裂位置在柄部与头部的过渡处和柄部尾部卡槽的圆角过渡处，这些台阶会形成应力集中，再加之圆角半径设置不当或机械加工的表面质量不好时，铣刨机刀头在施工过程中的应力集中容易使该处产生表面裂纹，最后发生断裂。

2.2 铣刨机刀头组织和力学性能分析

对新生产的一批铣刨机刀头进行随机实体取样，加工成标准缺口冲击试样，再进行冲击值测定及其硬度检测。结果为：实体取样的冲击值为189 J·cm-2，硬度为HRC53～54。从测试结果可以看出，铣刨机刀头的冲击值偏低，低于采掘机用截齿行业标准（MT/T 246—2006）规定的齿体冲击值≥49 J·cm-2的要求，而硬度远高于标准中对齿柄部分硬度的要求（HRC38～42）。齿体材料的冲击韧性低，硬度偏高，铣刨机刀头在使用过程虽然耐磨，但由于脆性较大，容易发生刀头的断裂。因此针对硬度偏高而冲击值偏低的问题，测试并改进热处理工艺，调整淬火后的回火温度，由以前的400 ℃，增加到450 ℃，再测试刀体，得到结果为：冲击功75 J·cm-2，硬度为HRC46～47，冲击值超过行业标准要求，硬度也高于行业标准要求。

图2是铣刨机刀头实体取样冲试试样的低倍夹杂物和组织形貌。从图2可以看出，冲击功为18.9 J·cm-2的铣刀实体的取样试样抛光后不腐蚀的低倍形貌上存在较多的夹杂物（图2（a）），且试样上的夹

杂物形貌具有一定的几何形状和群聚分布的特点。分析认为，夹杂物主要为FeO·Cr2O3等金属氧化物。冲击功为75 J·cm-2的铣刀实体取样试样抛光后，不腐蚀的低倍形貌同样存在较多的夹杂物（见图2（c）），根据夹杂物在抛光面存在拖尾的特点，可知夹杂物应为Al2O3。试样抛光面用4%的硝酸酒精腐蚀，发现氧化物夹杂依然存在。

图2 刨路机刀头实体取样的夹杂物和金相组织形貌

冲击功为18.9 J·cm-2的试样，淬火后回火温度为400 ℃，由于回火温度较低，其试样的金相组织应为回火屈氏体，其组织形貌为铁素体和弥散分布的细小的碳化物，板条束较细。在该温度回火，铁素体还未发生再结晶，组织仍保持着板条马氏体的形状（见图2（b））。冲击功为75 J·cm-2的试样，淬火后的回火温度为450 ℃，回火温度较高，金相组织为回火索氏体组织，即为粒状碳化物和铁素体组织（见图2（d）），和典型调质钢的回火温度相比，该试样的回火温度偏低，形成索氏体组织碳化物比较细小。

从上述冲击数据和金相组织可以看出，通过调整刀具钎焊后热处理的回火温度，虽然可以提高刀具的冲击值，但材料中存在较多夹杂物，也会损害刀具的韧性，容易使铣刀发生断裂。

2.3 铣刨机刀头失效原因分析

从上述铣刨机刀头的断裂和磨损失效形貌来看，刀头磨损属于施工过程刀具的正常磨损现象。而要防止刀具过早的磨损失效，最有效的方法是提高刀具工作部分的硬度。因此，实际生产中铣刨机的刀头及掘进机截齿类构件的头部都要钎焊或镶嵌硬质合金，以提高刀头工作部分的硬度和耐磨性。但在实际工作中，包覆硬质合金部分的刀体先期产生的磨损，往往容易使刀体包覆硬质合金部分的强度降低，造成硬质合金脱落，使刀具失效。在实际生产中为防止这种情况出现，可增加包覆硬质合金部分的刀体的表面硬度。增加包覆硬质合金刀体表面硬度的常用方法主要有局部感应淬火或在其表面堆焊或热喷涂硬质合金。

结合铣刨机刀头金属组织观察结论、力学性能测试及刀具结构进

行分析后得出产生刀具断裂的原因主要有三个方面：一是刀头材料中夹杂物过多造成材料的脆性增加，产生早起断裂；二是刀头生产过程中热处理工艺不当，造成齿体本身硬度偏高，材料的韧性降低，产生断裂；三是断裂刀头位置一般在刀具截面的过渡处，由于结构的原因，该处过渡圆角设计过小，容易产生应力集中，诱发裂纹而发生断裂。

根据材料质量防止刀体断裂的方法主要如下。

（1）提高材料质量。应加强刀具用钢的质量，提高钢的纯净度，减少钢中夹杂物的含量，这对提高材料的韧性尤为重要。

（2）改进热处理工艺。在满足性能要求的前提下，尽可能提高齿体的冲击韧性，如在铣刨机刀体毛坯模锻过程应严格控制锻造温度，防止模锻毛坯因终锻温度过高而产生组织粗大；感应加热钎焊硬质合金时同样要严格控制加热温度，避免齿体组织粗大；热处理淬火后要根据刀体硬度要求选择合适的回火温度。

（3）改进刀体结构设计。刀体过渡区圆角半径要适当增加，减小应力集中程度，同时在机械加工时尽可能提高产品过渡区和刀体表面的光洁度等级，减少疲劳裂纹源产生。

（4）提高力学性能检测要求。铣刨机刀体的检验可参考国家相关行业标准（如采掘机用截齿MT/T 246-2006）的规定，即齿体表面硬度和齿体的冲击韧性值应满足：齿头部分硬度HRC不小于40，齿柄部分硬度在HRC38～42之间，必要时在包覆硬质合金刀体表面堆焊硬质合金，齿体的冲击韧性值不小于49 J·cm-2。

3 结语

（1）铣刨机刀头断裂，大部分是由于生产刀具的热处理工艺制定不当，造成实体刀体的硬度偏高，冲击韧性偏低。同时，选用的刀具材料的低倍组织中金属氧化物夹杂物过多导致冲击韧性偏低，也是原因之一。

（2）要改善铣刨机刀头耐磨性，应从制定合适的热处理工艺，或者刀头包覆硬质合金的部分堆焊或热喷涂硬质合金考虑。防止刀具早期断裂应从提高钢的冶金质量，减少夹杂物的含量，选择合适的热

处理工艺，适当增加刀具过渡部分圆角半径及改善机加工表面质量等方面考虑。

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