走进水泥金属耐磨材料:复合材料

  发布时间: 2019年11月11日 00:30:39   作者: 广丰能源网

  水泥工业往往要求耐磨件在具有高硬度、高耐磨性的同时兼有足够的强度和韧性(典型零件如:锤头、衬板、钢球、磨辊等),而单质金属的自然属性往往又很难实现“硬而不脆”、“刚柔相济”的矛盾需求。能否使一个零件在抗磨损的部位具有极高的硬度和耐磨性,而基体部分却又具有极高的强韧性和可靠性呢?似乎颇有难度。有意思的是,往往高硬度、高耐磨的材料大多是由昂贵的高合金组成,而一般韧性材料或塑性材料大部分却是价格低廉的“贱”金属,这样在实现耐磨件“刚柔相济”的同时兼有良好的经济性,岂不是一举两得。复合材料正是基于这一要求应运而生。

  现代复合材料的定义是:由两种或两种以上不同化学性能或不同组织结构的物质,通过不同的工艺方法,以微观或宏观的形式人工合成的多相材料,即为复合材料。复合材料为多相结构,一类组分(或相)为基体,另一类组分(或相)为增强相。尽管复合材料定义的细节有所不同,但其要点是相同的:其一是含两种以上不同的组分,其二是具有每个组分所不具备的优良性能。

  目前,复合材料已成为自然科学三大支柱之一的材料科学中的一个极有前景的分支。美国金属材料信息分析中心(MMGIAG)与欧盟材料学家预计,在2020年以前复合材料将呈现出空前的高速发展。其重点是纤维增强复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料。这些即将涌现出的极为重要的甚至是革命性的技术成果及其新兴产业,必将改写整个材料科学史。

  其实,复合材料技术早在我国的汉代即已达到了一定水准。爱读小说的朋友们一定会对《水浒传》中武松手里的“镔铁宝刀”记忆犹新。英雄出场,一道闪电,宝刀所向,折戟断剑、鬼哭狼嚎。这“镔铁”又称“花纹钢”或“夹钢”,其实就是采用两种不同含碳量材料,一层高硬度钢(高碳钢),一层高韧性钢(中碳钢),反复锤锻、折叠而成。中国优秀的民间工匠,可将一小块极品夹钢锤锻、折叠至4096层。这是何等的复合材料!而将其推至巅峰的,当属来自丝绸之路彼端的“大马士革钢”(即“雪花镔铁”)和日本的“菊花钢”。当年抗倭英雄戚继光的军队迎战倭寇初期,手中的兵器常遭精良的日本刀磕折,死伤惨重。无奈发展厚背刀迎战,虽不再易断,但一经正面招架,刃口常翻卷,甚至不能伤敌,远不如日本的“菊花钢刀”灵动沉猛。为长久之计,戚继光遂上书建议,向日本政府订制一批军刀,其形制基本上是中国式的,但制法却是日本风格。戚继光召集顶尖工匠,夜以继日仿制改良,终得史上著名的“戚家刀”。此刀配合凌厉的“戚家刀法”,所向无敌,杀伤力极大。日后在战场上,这为数仅数千把的中日“混血”军刀,大放异彩,直将倭寇砍得剑崩刀裂,血流成河,魂丧他乡。其他如干将、镆铘、鱼肠、湛泸、轩辕、龙泉、棠溪等宝剑,或据史书记载推理,或假现代金相化学分析,无不与复合材料有着直接或间接的联系。

  而今,在水泥工业中常用的金属耐磨件有钢球、衬板、颚板、板锤、锤头、磨辊、磨盘、挤压辊、篦冷机篦板9大类。早在上世纪80年代,我国便对双金属复合材料耐磨件展开了研究,并在衬板、颚板和小型锤头上取得了阶段性进展。至于钢球和衬板技术也早在上世纪80年代即已成熟,这些年来国内更是有大批企业将其做得炉火纯青且物美价廉。而颚板和板锤则分别使用高锰钢及高铬铸铁,效果基本都令人满意,唯有后5类目前尚处在不断地探索、发展之中。但可以肯定的是,这5类耐磨件中,今后一定是各种各样的复合材料占据绝对的主导地位。

  目前,水泥工业常用的金属复合材料主要有金属镶铸、双液双金属复合铸造、铸渗及自蔓延合成4大类。如今风头正劲的郑州鼎盛“大金牙”超级锤头和比利时马科托公司的Duocast与X-Win磨辊、磨盘,就是两个成功的范例。

  现代新型干法水泥生产线石灰石破碎机的工作特点,一是给料块度大(最大边长1.5m),二是要适应较高硅含量石灰石和夹层土的不利条件。这就对锤头提出了严峻挑战。一方面锤头要有极高的韧性来抵抗单重最大至5吨的大块石灰石的剧烈冲击,另一方面要有足够高的硬度来抵抗高硅(SiO2含量>4.5%、单体尺寸>45μm)、强磨蚀性石灰石。硬要让高硬度与高韧性这两个本是水火不容的“冤家”聚在一起,单质金属是很难做到的。2002年,栏主在浙江考察水泥市场时发现,有许多生产线使用的破碎机锤头寿命均达不到一个月,最严重的甚至不到一周。且不说磨损成本居高不下,现场频繁更换笨重的锤头,员工异常辛苦。真是劳民伤财!郑州鼎盛迅即作出技术判断:唯有复合材料技术方可解决这一难题。于是郑州鼎盛首先在可商业化的耐磨材料中,选择韧性最高的超高锰钢(Mn18Cr2)做基体,并用铌、钒、钛、钼、稀土等元素细化晶粒,净化晶界,在提高韧性、强度的基础上提高可靠性。而后,关键是在其工作部位如同镶牙一般镶上硬度仅次于金刚石、高达HRA90的钨钛合金。说起这钨钛合金还是有点来头的。在上世纪70年代初,全军曾掀起一股研究、练习“打坦克”的热潮。其中在弹药上的一大革新即是在穿甲弹芯中加入新型钨合金,从而有效提高了穿甲能力。改革开放伊始,一则“永不磨损的雷达表”广告不知赚足了多少国人的眼球,其表壳即是钛合金制成。这个集高硬度、高强度为一身的钨钛合金,天生通体金黄色,镶在锤头磨损部位如颗颗锋利的牙齿,锤头耐磨性大大提高。“大金牙”超级锤头一经推出,便迅速红遍大江南北。新疆青松建化集团和田2500t/d生产线原锤头寿命仅20余天,改用“大金牙”超级锤头后寿命长达4个月。为此,该集团决定将所有破碎机锤头全部换成郑州鼎盛公司的“大金牙”超级锤头。这样的案例比比皆是、不胜枚举,“大金牙”也由此名扬四海。

相关文章

  • © 2019 广丰能源网 版权所有 | 88888888 | 网站地图|