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                                                                                具有仿生結構蜂窩陶瓷增強鋼鐵基復合輥壓機磨輥

                                                                                發布時間:
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                                                                                瀏覽量

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                                                                                項目簡介

                                                                                 

                                                                                一、項目背景

                                                                                有工業就有磨損,磨損是工業中材料和能源消耗的主要根源之一。其中又以磨料磨損最為嚴重,約占各種磨損類型的50%。美國曾有統計,每年因磨損造成的經濟損失占其國民生產總值的4%。2004年底由中國工程院和國家自然科學基金委共同組織的北京摩擦學科與工程前沿研討會的資料顯示,磨損損失了世界一次能源的三分之一,機電設備的70%損壞是由于各種形式的磨損而引起的;我國每年因磨損造成的經濟損失在1000億元人民幣以上,僅磨料磨損每年就要消耗500多萬噸金屬耐磨材料,且還以每年15%的速度在增長。

                                                                                耐磨材料是具有國家戰略意義的關鍵基礎材料。耐磨材料是新材料領域的核心,對高新技術的發展起著重要的推動和支撐作用,在全球新材料研究領域中,耐磨材料約占85%。隨著信息社會的到來,特種耐磨材料對高新技術的發展起著重要的推動和支撐作用,是二十一世紀信息、生物、能源、環保、空間等高技術領域的關鍵材料,而且是改造與提升我國基礎工業和傳統產業的基礎,直接關系到我國資源、環境及社會的可持續發展。對發展國民經濟、保衛國家安全、增進人民健康和提高人民生活質量,起到了關鍵性的作用。成為世界各國新材料領域研究發展的重點,也是世界各國高技術發展中戰略競爭的熱點。

                                                                                耐磨材料是一大類具有特殊電、磁、光、聲、熱、力、化學以及生物功能的新型材料,是信息技術、生物技術、能源技術等高技術領域和國防建設的重要基礎材料,同時也對改造某些傳統產業,如冶金、礦山、煤炭、電力、建材、農業、化工等起著重要作用。耐磨材料種類繁多,用途廣泛,正在形成一個規模宏大的高技術產業群,有著十分廣闊的市場前景和極為重要的戰略意義。

                                                                                鑒于耐磨材料的重要地位,世界各國均十分重視耐磨材料技術的研究。 1989年美國200多位科學家撰寫了《90年代的材料科學與材料工程》報告,建議政府支持的6類材料中有5類屬于耐磨材料。從1995年至2001年每兩年更新一次的《美國國家關鍵技術》報告中,特種耐磨材料和制品技術占了很大的比例。2001年日本文部省科學技術政策研究所發布的第七次技術預測研究報告中列出了影響未來的100項重要課題,一半以上的課題為新材料或依賴于新材料發展的課題,而其中絕大部分均為耐磨材料。歐盟的第六框架計劃和韓國的國家計劃等在他們的最新科技發展計劃中, 都把耐磨材料技術列為關鍵技術之一加以重點支持。各國都非常強調耐磨材料對發展本國國民經濟、保衛國家安全、增進人民健康和提高人民生活質量等方面的突出作用。

                                                                                我國非常重視耐磨材料的發展,在國家攻關、“863”、“973”、國家自然科學基金等計劃中,耐磨材料都占有很大比例。在“九五”“十五”國防計劃中還將特種耐磨材料列為“國防尖端”材料。這些科技行動的實施,使我國在耐磨材料領域取得了豐碩的成果。

                                                                                目前世界各國耐磨材料的研究極為活躍,充滿了機遇和挑戰,新技術、新專利層出不窮。發達國家企圖通過知識產權的形式在特種耐磨材料領域形成技術壟斷,并試圖占領中國廣闊的市場,這種態勢已引起我國的高度重視。近年來,我國在新型稀土永磁、生物醫用、生態環境材料、催化材料與技術、陶瓷金屬基復合材料等領域加強了專利保護。但是,我們應該看到,我國目前耐磨材料的創新性研究不夠,申報的專利數,尤其是具有原創性的國際專利數與我國的地位遠不相稱。我國耐磨材料在系統集成方面也存在不足,有待改進和發展。

                                                                                據統計,國內每年消耗金屬耐磨材料約達500萬噸以上,價值1000億元以上。近年來,針對設備磨損的具體工況和資源情況,研制出多種新型耐磨材料。主要有改性高錳鋼、中錳鋼、超高錳鋼系列,高、中、低碳耐磨合金鋼系列,鉻系抗磨白口鑄鐵系列,錳系、硼系抗磨白口鑄鐵及馬氏體、貝氏體抗磨球墨鑄鐵, 陶瓷金屬基復合材料,不同方法生產的雙金屬復合耐磨材料,表面技術處理的耐磨材料等。同時,在耐磨材料生產工藝設備上先后從日本、德國、比利時等國引進數條機械化自動化生產線。在引進基礎上結合國情,發展了消失模鑄造工藝設備、金屬型覆砂工藝設備、擠壓造型工藝設備、離心鑄造工藝設備等新技術新設備等新型工藝設備。熔煉工藝上采用爐外精煉與連鑄等新技術,使產品的內在質量、外觀質量和性能都得到明顯提高,同時,金屬消耗也大幅度降低,一些廠家產品已達到或超過國際水平,出口東南亞、日本、南非、美國、澳大利亞等地,取得了良好的效益。

                                                                                金屬耐磨材料行業是直接為建材、水泥、冶金、礦山和煤炭、火力發電工業服務的一個具有強大生命力的新型行業。在水泥工業中,備件和電能的消耗在其生產成本中占有很大的比重。目前,國內外對復合耐磨材料的研究在逐年增多,復合錘頭、襯板、鄂板、斗齒等復合耐磨材料和陶瓷金屬基復合材料已經得到很好的應用,復合的管、輥類機械零件等也得到了研究并有了很好的實際生產應用。隨著工藝過程的改進和材料的優化,復合耐磨材料的應用將更加廣泛。

                                                                                隨著我國基礎設施的加速建設及對西部大開發戰略的實施,在礦山開采,物料破碎,攪拌,制粉等環節對抗磨材料的需求越來越大。復合耐磨材料和陶瓷金屬基復合材料是在傳統耐磨材料基礎上發展起來的新興技術和產品,隨著工業的不斷進和市場需求的不斷升級,復合耐磨材料和陶瓷金屬基復合材料在部分應用領域替代傳統耐磨材料已成為必然趨勢,前景十分廣闊。

                                                                                目前,我國耐磨材料的生產已逐漸向量大、面寬和規?;较虬l展,并已作為一個專門服務于礦山、建材和發電的原材料供應行業而獨立存在。其生產工藝、設備條件以及質量控制方面也都有了很大的改善,從而大大降低了易損件的消耗指標(磨耗〉和成本。由于磨損問題常常僅發生在零件的表面和局部,因此,只要工藝上可行,采用表面局部強化或者復合材料的方法是最為經濟和有效的。

                                                                                由于磨損問題實際上在工業中是不可避免和客觀存在的。因此,只要有原材料基礎工業的發展,就需要有不斷的耐磨材料制造的零、部件的供應。而且,隨著工業的不斷進步和節約能源以及環保的要求,對耐磨材料的數量和品種的需求也會不斷擴大,這個行業也會更加興旺和具有更強的生命力。所以,把耐磨材料行業稱之為一個“不朽的行業”也依據在此。

                                                                                二、項目目的和意義

                                                                                我國耐磨材料消耗巨大,造成的能源和材料消耗驚人,耐磨材料的需求量超過500萬噸,造成的經濟損失約為1000億元,不容忽視,由此,耐磨材料的延壽和節能降耗已經成為我國甚至世界耐磨材料使用行業急需解決的重要課題。據不完全統計,在水泥、電力工業,我國每年僅大型磨輥、磨瓦等消耗量就達150萬噸左右,產值350億元以上。但是,目前我國生產的磨輥全部為傳統的鑄鐵磨輥,存在使用壽命短、成本高、更換部件頻繁、工人高溫勞動強度大、生產效率低等不足。

                                                                                近年來,陶瓷顆粒增強鋼鐵基復合材料由于兼具陶瓷顆粒的高硬度、高耐磨和鋼鐵基體的韌性,逐漸發展成為新型高耐磨材料。本項目旨在開發一種先進結構的蜂窩陶瓷增強鋼鐵基表層復合材料,以輥壓機磨輥為對象,掌握其耐磨復合構件的制造關鍵技術,為其工程應用奠定基礎。本項目對加快我國耐磨材料的升級換代,打破該類材料的國際封鎖等方面具有十分重要的意義。

                                                                                三、國內外技術發展狀況

                                                                                近年來,國外在陶瓷顆粒增強金屬基復合材料獲得長足發展,開發了不同種類增強體增強的金屬基復合材料,獲得了成功應用,取取得可顯著的使用效果。例如,英國Surrey大學的研究小組利用鑄滲法制備的WC顆粒增強高鉻鑄鐵基表面復合材料,復合層厚度達到6-8mm,將所研究的復合材料應用于球磨機襯板,使用壽命達到高鉻鑄鐵襯板的10倍左右。美國Alloy Technology International公司開發了熱等靜壓法制造TiC/不銹鋼復合材料,可以用于制造標準件、閥座和機械密封件。德國蒂森特鋼公司也用粉末冶金法生產了Ferro Titantit復合材料,制成的模具比萊氏體鉻鋼的壽命提高5~10倍,淬硬到HRC70而不發生變形。日本Kurimoto公司研制了燒結碳化鎢增強高鉻鑄鐵基復合襯板,工作壽命超過670天,而原來的高鉻鑄鐵僅為30-50天。

                                                                                相比于WC、TiC等陶瓷,Al2O3增強鋼鐵基復合材料具有很大的成本優勢,但是由于Al2O3與鋼鐵材料不潤濕,所以難度也很大。但是,近年來比利時Magotteaux公司開發成功ZTA(氧化鋯增韌氧化鋁)顆粒增強高鉻鑄鐵基復合材料立磨磨輥,壽命約為高鉻鑄鐵磨輥的5倍以上,并逐漸占領中國市場。由于技術保密,且價格昂貴(一般是國內產品售價是國外的3-5倍),并逐漸形成壟斷的趨勢,對國內耐磨材料產業提出了挑戰,形勢相當嚴峻。因此,我國耐磨材料科研單位和企業急需研究和解決這類復合材料的國產化問題,并以此為契機,實現對國外技術的反超。

                                                                                目前,國內很多學者及耐磨材料企業也做了大量的研發工作,并在該技術領域取得了一定的成果,包括西安交通大學、廣東省科學院、昆明理工大學等高校和企業。這些研究各具特色,但是基本還處于試用階段,還有大量的關鍵技術有待突破和改進,尤其是產業化關鍵技術,才能盡快實現該類復合材料的工業化應用,更好地滿足國內外對高性能復合材料的需求。

                                                                                四、目前存在的問題

                                                                                輥壓機是20世紀八十代期發展起來的一種新型粉磨設備,具有能耗、效率高的特點,并且降低壽命長、噪聲,耐磨維修方便,正在逐漸取代球磨機,成為新一代高效粉磨制備,其應用正從水泥行業逐漸擴展到采礦、化工、電力、煤炭等行業,具有較大的發展前景。其中,其表面耐磨層或輥套是關鍵耐磨部件,而輥芯是高強度高韌性的鋼材。到目前為止,最為先進和耐磨的輥壓機磨輥稱為柱銷輥,是將成千上萬的硬質合金銷釘采用機械裝配的方法,均勻地鑲嵌到鋼表面而獲得的,盡管耐磨性高,壽命長,但是工藝特別麻煩,生產效率低,成本高。

                                                                                目前存在的問題是輥壓機磨輥與立磨磨輥在材質、性能要求、制備工藝等方面都有著很大的區別。從制備技術來看,前者主要采用表面輥套與輥芯機械裝配為主,而立磨磨輥則是復合鑄造而成。從受力和磨損機理來看,二者也不盡相同。輥壓機承受更大的壓力,對物料的破碎和磨損以高壓鑿削為主,而立磨磨輥是以三體磨料磨損為主。因此,從復合材料的設計(陶瓷顆粒的體積分數、蜂窩結構的參數、基體種類等)、復合材料/鋼鐵磨輥結構的設計、復合材料/鋼鐵磨輥的制備工藝、復合材料/鋼鐵多材質的熱處理技術等諸多方面,都存在著很大的區別。這為該磨輥的研制提出了新的挑戰。

                                                                                五、具有仿生結構蜂窩陶瓷增強鋼鐵基復合輥壓機磨輥

                                                                                基于我公司在ZTA蜂窩陶瓷復合材料立磨磨輥研發方面的成功經驗,通過與昆明理工大學合作,采用其發明的鑄造反應浸滲制備ZTA蜂窩陶瓷增強鋼鐵基復合材料技術,圍繞礦冶、建材、電力等行業大量消耗的耐磨材料的共性技術難題和耐磨材料硬度與韌性相互制約的問題,采用廉價的ZTA等陶瓷替代硬質合金,開發了高性能可設計具有仿生結構蜂窩陶瓷復合材料輥壓機磨輥,以大幅度簡化磨輥的制備工藝流程,提高生產效率,降低成本。

                                                                                項目系統研究了蜂窩狀陶瓷/鋼鐵復合耐磨構件的設計、陶瓷鋼鐵復合材料的制備,復合構件的成型、復合材料/鋼鐵多材質復合構件的熱處理等關鍵技術,采用整體鑲嵌鑄造工藝將ZTA蜂窩狀復合材料直接鑲嵌到磨輥表面,使制備成型一體化,從而大幅度簡化磨輥的制備工藝流程,提高生產效率,降低成本。開拓了陶瓷/金屬基耐磨復合材料在輥壓機領域的應用,促進行業的節能降耗。

                                                                                本項目開發的ZTA蜂窩陶瓷的反應浸滲技術,不需要對ZTA蜂窩陶瓷進行高溫燒結或者涂鍍層處理,極大地縮短了工藝流程,降低了成本,且ZTA與鋼鐵界面呈現冶金結合,耐磨性達到高鉻鑄鐵的10倍。

                                                                                本項目開發成功的大型立磨機磨輥、襯板等大型耐磨構件,已逐漸在國內進行推廣應用。初步的結果表明,復合磨輥的壽命能夠達到國外進口產品的水平,是傳統高鉻鑄鐵堆焊輥的3~5倍壽命,從而體現了巨大了應用潛力。

                                                                                六、項目關鍵技術

                                                                                1、蜂窩狀陶瓷/鋼鐵基表層復合耐磨磨輥的設計;

                                                                                根據耐磨構件的結構和使用性能,確定耐磨復合材料輥套的形狀和尺寸;進行復合材料鑲嵌件與鑄鋼基底的界面結合和連接方式的設計;進行復合材料輥套的增強體顆粒、基體的選擇和組織設計等。

                                                                                2、蜂窩狀陶瓷預制體的工業化制備;

                                                                                蜂窩狀陶瓷預制體的制備具有尺寸小、批量大等特點,制定工業化制坯工藝,確保各工藝各環節影響產品質量的因素都處于受控狀態,為生產高質量的蜂窩狀陶瓷表層復合構件提供可靠設備保障。

                                                                                3、蜂窩狀復合材料鑲嵌件制備成型一體化;

                                                                                控制鑄造過程的工藝參數,結合計算機模擬及優化,對鑄造工藝和參數進行優化,確保復合材料的完全浸滲,并消除鑄造裂紋。

                                                                                4、蜂窩狀復合磨輥、磨瓦的整體成型;

                                                                                待遇大型輥壓機磨輥,采用二次鑲嵌鑄造制備磨輥,研究對復合材料輥套的預置工藝進行設計,結合計算機模擬及優化,控制輥芯凝固組織、輥芯/輥套界面結合和鑄造應力,防止鑄造裂紋的產生。

                                                                                5、多材質復合構件熱處理;

                                                                                對熱處理工藝參數進行系統研究和優化,確保復合材料表面硬度達到設計值,同時防止裂紋的產生,從而掌握多材質復合構件熱處理關鍵技術。

                                                                                七、項目產品特點、優勢

                                                                                1、產品特點:

                                                                                (1)復合材料優良的力學性能和耐磨性,硬度可以達到HRC60以上,沖擊韌性達到15J/cm2,且性能可以隨基體種類的改變而調整;耐磨性與WC-Co硬質合金相當;

                                                                                (2)低成本:ZTA顆粒成本約為WC的1/50;3)良好的界面結合,提高了陶瓷顆粒與金屬的結合強度;4)表層復合材料制備和產品整體成型實現一體化,對各種形狀和大小的產品具有廣泛的適應性。

                                                                                2、產品優勢:

                                                                                項目充分利用ZTA陶瓷所具有的A1203的高強度、高耐磨性和ZrO2的良好韌性,通過復合鑄滲短流程一體化制備工藝,使ZTA陶瓷在金屬中呈蜂窩狀均勻分布在磨輥表面,并與金屬材料形成良好的結合界面,制備成兼具陶瓷顆粒的高硬度、高耐磨和鋼鐵基體的韌性的新型高耐磨陶瓷增強鋼鐵基復合磨輥。使強度、韌性和耐磨、耐熱和耐腐蝕性能得到大幅度的提高,耐磨性達到高鉻鑄鐵的3~5倍。相比于鑲嵌硬質合金柱釘輥,生產效率高,成本低。

                                                                                八、本項目的創新性和特色

                                                                                本項目突破了傳統金屬耐磨材料設計理念,通過材料、結構和形態的耦合設計,采用蜂窩狀陶瓷結構,實現了仿生耦合非光滑單元體表面形態,進一步提高了磨輥表面抗磨性能;所開發的金屬微粉活化技術,解決了ZTA顆粒與金屬材料的潤濕性這一世界難題;通過所開發的鑲嵌蜂窩陶瓷鑄滲-復合鑄造一次成型工藝,創造性的將仿生結構蜂窩狀ZTA自增韌陶瓷鑲嵌到金屬基體中,并能夠根據需要調控材料強韌性,實現了陶瓷與金屬的良好結合界面,兼具了陶瓷高硬度、高耐磨,又保持了鋼鐵基體的韌性和抗疲勞等性能指標。徹底解決了鑲嵌柱釘磨輥硬質合金柱釘易脫落的弊端、從而解決了目前國內外磨輥同一材質無法滿足不同部位不同性能要求的缺點。采用輥套化結構設計,實現了輥套 “外硬內韌” 的性能。硬度超過60HRC,厚度超過80mm,耐磨性達到高鉻鑄鐵的3~5倍。

                                                                                1、創立了包覆+免燒結+反應浸滲的陶瓷/金屬微觀界面構建及調控技術,解決了ZTA陶瓷/鐵液間浸潤性差和界面組織性能不連續過渡難題,提高了ZTA陶瓷/鐵微觀界面的結合強度(高達128MPa)。

                                                                                2、發明了陶瓷微粉活化技術,實現了ZTA陶瓷與金屬的微冶金界面結合。

                                                                                3、發明了蜂窩狀三維互穿網絡構型ZTA陶瓷/鐵基復合材料制備新技術,實現了復合層和基體間的協同增韌以及復合層的增厚(可達80mm),提高了在高應力和強沖擊工況下的耐磨性。

                                                                                4、開發了基于金屬液充型凝固過程流場、溫度場和應力場多場耦合的ZTA陶瓷/鐵基復合材料構件成形控制新技術,實現了材料復合和構件成形一體化控制,解決了局部復合材料構件成形工藝穩定性差難題。

                                                                                5、突破了多材質復合材料熱處理控制技術瓶頸,解決了熱處理過程的應力開裂等技術難題。

                                                                                該工藝解決了國內在該領域的技術瓶頸,整體技術經濟性能優越,填補了國內空白。處于國內先進水平。

                                                                                九、項目產品市場

                                                                                耐磨材料是工業的糧食。廣泛應用于航空航天、裝備制造和冶金、采礦、建材、煤炭、電力、交通等領域中的關鍵部件制造,是大宗消耗部件。

                                                                                陶瓷/金屬基復合材料將鋼基體和陶瓷顆粒的優點相結合,表現了較為優異的綜合性能和可設計性、廣泛的適應性,在當今新材料,乃至高科技發展中占有重要地位,是世界各國競相研發的重點。我國已將其列入我國鋼鐵技術發展十大方向之一和“中國制造2025”發展戰略規劃中十大戰略性新興產業。

                                                                                本項目的主要市場為水泥、電力、冶金、礦山、煤炭、耐火材料等粉磨行業。

                                                                                耐磨材料廣泛應用于冶金、礦山、建材、機械等領域,消耗巨大。目前,我國每年粉磨千余種物料:水泥、石英、石膏、尿素、鐵合金、煤、礦渣、陶瓷、玻璃等,粉磨量超過1000億噸,每年消耗各種高端金屬/陶瓷耐磨材料、磨輥、破碎機錘頭、鄂板、板錘等超過400萬噸,價值1000多億元,其中各種類型磨輥市場超過350億元。

                                                                                最新信息

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                                                                                               返回上一頁
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