利用陶瓷-金属复合技术提高选矿部件抗磨蚀寿命

 论文编号:1001-3954(2001)03-0060-61

第四届全国矿山采选技术进展报告会论文集

期刊：矿山机械

   磨损、腐蚀和断裂是材料的主要破坏形式。在矿山机械中，磨损又是最主要的破坏形式，各种溜槽、滑道、衬里、风机、水泵、管道和阀门等均因输送颗粒介质，存在严重的磨 损问题。通过 合金化、热处 理可以大大提 高材料的耐磨 性能，表面喷 涂合金、加衬 橡胶、涂敷耐 磨涂层也是常用的方法之一。本文试图利用多年从事火电行业耐磨防磨经验，从陶瓷材料性能、复合技术及制造工艺几方面，分析和讨论利用陶瓷一金属复合耐磨技术提高矿山机械部件耐磨防腐寿命的可行性。并指出水泵、叶轮、溜槽和各种衬里部件最有可能使用该项技术，性能价格比将大大提高。

1、现代工程陶瓷材料发展及应用

   现代工程陶瓷具有优异的耐磨、耐腐和耐高温性能，而且比重小、重量轻和来源丰富，是一种非常具有应用前景的工程材料，各发达国家竟相优先投入大量人力物力进行研究。随着纳米技术的发展，新一代工程陶瓷将在保持高硬度、高耐磨性的前提下，韧性将达到接近铸铁的水平，从而对陶瓷材料的应用领域及耐磨防磨技术产生深远的影响。

  陶瓷种类繁多。现代工程陶瓷材料主要包括氧化铝、氧化锆、炭化硅、氮化硅及其增韧性强化复合材料。陶瓷最高硬度可以达到HRA95以上，韧性接近普通铸铁的水平。耐冲刷磨损性能是高铬铸铁几倍、几十倍以上。陶瓷的优异耐磨性能几乎可以使用于任何耐磨工况。目前制约陶瓷材料作为工程材料广泛使用的最大障碍是如何在保持高硬度、高耐磨性的前提下保持高韧性及经济性，这也是工程陶瓷研究领域的目标之一。

  氧化铝陶瓷具有良好的耐磨性能，而且价格便宜、韧性适中，作为一种耐磨材料得到广泛的应用。在电力行业，使用粘接工艺将耐磨陶瓷片应用在各种煤粉处理设备上，包括风机叶轮、壳体、粗细粉分离器、烟道和煤粉管道上，使用寿命提高几倍至几十倍以上，为电力行业的耐磨防磨措施提供了重要的手段。炭化硅及氮化硅材料也得到同样的应用。在民用方面，陶瓷水龙头成为近几年兴起的重要的节水产品之一。

  增韧强化陶瓷材料主要是通过细化陶瓷颗粒、增加各种高强度纤维、晶须及在高温高压工艺烧结而成，主要使用在陶瓷刀具等方面。陶瓷刀具的切削加工性能是硬质合金的几倍、几十倍以上。在水泵制造过程中，因使用了陶瓷刀具，可以直接对高铬铸铁进行切削加工，省去了退火及淬火工艺，大大降低了生产成本。

  工程陶瓷研发的目标就是在保持高强度、高硬度和高耐磨性的前提下，提高韧性及加工性能，同时降低成本。纳米技术的兴起将为工程陶瓷的发展提供良好的前景。

2、陶瓷作为耐磨衬里材料的几个典型应用

  火力发电厂引风机、排粉机叶轮、亮体、煤粉管道、除尘排渣系统和锅炉燃烧器等因煤粉、煤渣等冲刷磨损十分严重。风机叶轮的使用寿命有时只有几个月甚至十几天。风机亮体磨损亦十分严重，20mm的耐磨衬板寿命也只有几个月。煤粉系统、除灰排渣系统有些部件的寿命只有十几天。虽然采取过表面热处理、喷涂、堆焊和涂耐磨涂料等工艺，效果均不十分理想。

  多年来，为了解决火力发电设备严重的磨损问题，本人尝试使用陶瓷材料，开发出陶瓷一金属复合技术，使用粘贴、镶嵌工艺将陶瓷复合在金属基体上，为火力发电行业耐磨防磨提供了有效的手段。尤其是开发的专利技术，使得陶瓷与金属之间的结合更为安全可靠，使用温度更高，应用范围更广，应用范围不仅仅限于火电行业，而且在矿山、化工和石油等行业得到应用。下面是几个典型的应用。

  (1)火电厂排粉机主要用于输送煤粉，磨损十分严重。河南某电厂排粉机叶轮使用16Mn材料制造，平均使用寿命只有3个月，多次使用堆焊、喷涂等工艺，效果均不理想。甚至使用了号称美国最耐磨的陶瓷耐磨涂料，使用寿命也没有明显提高。后使用陶瓷一金属复合技术，将厚度只有1.5mm的陶瓷片复合在叶片表面上，经2年使用，未发现有明显的磨损现象，目前该厂所有叶轮均已使用该项技术，平均寿命提高至3年以上。

  (2)火电厂引风机叶轮用于输送带尘烟气，磨损比较严重。华北某电厂叶轮使用了硬质合金喷焊工艺，表面硬度达到HRC60以上，使用寿命也只有半年。叶片表面复合1.5 mm陶瓷，使用2年，平均磨损不到0.3 mm。河南某电厂风机叶轮使用寿命3个月，壳体使用耐磨铸铁；寿命半年。叶轮使用镶焊法复合6mm厚陶瓷片，亮体复合1.5mm陶瓷片，使用3年不磨损基体金属表面。 

(3)山西某电厂除渣管用16Mn制造，璧厚20mm,平均寿命3个月。内表面复合5mm陶瓷，使用2年不磨损金属基体。   

(4)河南某电厂水系叶轮使用普通铸铁制造，使用半年叶片便被气蚀穿透。使用进口陶瓷耐磨涂料可以使用1年，但在涂料表面复合上1.5mm陶瓷，使用寿命可以达到3年以上。 

(5)某航道局挖泥船挖泥泵泵胆系进口高铬铸铁制造，30mm壁厚，连续运行3个月便严重减薄，磨损达10mm以上。作为试验，在局部复合6mm陶瓷片，运行1个月后检验，磨损不到0.5mm,而其周围的磨损达5mm之多。 

(6)河南某电厂的循环水泵叶轮气蚀严重。1995 年我们使用耐磨涂料对其进行了耐磨涂敷，使用寿命由原材料的半年(叶片蚀穿)提高到1年以上(未见金属基体)。说明涂层中硬质颗粒耐磨蚀性能良好，树脂与金属基体粘接牢团。随后修补时，在耐磨涂层表面粘上1.5mm的陶瓷片，经1年运行，陶瓷无脱落，无明显磨蚀痕迹，而其周围的涂料已严重减薄，需要住补处理。此事例说明，只要耐磨涂料可行，粘贴陶瓷片同样可行。而且粘贴陶瓷片相当于将耐磨涂料中的耐磨颗粒全部置于表面，因而更可发挥耐磨颗粒的性能。

(7)山西某电厂灰浆系蜗亮脂蚀严重，1996年对内表面涂耐麝涂料时，同时在局部粘贴3mm陶瓷.1 年运行后检查，涂料磨损严重，陶瓷几乎没有减薄，只是有个别瓷片碎裂，估计与通过颗粒太大，受冲击力太大有关。如果增大陶瓷厚度或韧性，谅可解决此碎裂问题。 

(8)山西某电厂除灰管道及与阀门连接的过渡短节壁厚30mm,平均使用寿命只有2个月。粘贴6mm 陶瓷片使用2年基本没有磨掘。在以上实例中，陶瓷片均显示出优鼻的的耐磨损性能，耐磨性能是水泵常用材料高铬铸铁的10倍以上。在应用初期，因复合技术不成熟，常有陶瓷片脱落现象，但随着工艺的改进，尤其是使用了陶瓷一金属复合制造技术后，很少再发生陶瓷脱落现象。目前该项技术已被风机及电力行业普遍接受，广泛使用于风机叶轮、亮体和煤粉分离器、磨煤机出口、烟风道、除灰排渣管道和渣浆泵部件等。

3、矿山机械使用陶瓷耐磨防磨的可行性

矿山机械部件磨损破坏因受力不同有两种方式：一种是高应力冲击磨损；另一种是低应力冲刷磨蚀破坏。很显然，陶瓷材料只能使用于第二种方式的受力工况.这些部件包括水泵的过流部件，如壳体、叶轮、密封环和前后挡板等；风机的叶轮、壳体；弯管和溜槽等，将陶瓷材料应用到这些腐损部件，取决于二个关键因素：第一，陶瓷材料本身的耐磨抗汽蚀性；第二是陶瓷与金属基体的的复合技术。

  如上所述，陶瓷具有非常优异的耐麝损、防气蚀性能，因此能否使用，关键在于与金属的复合技术。利用机械候合的方式可以将陶瓷与金属牢因结合，也是常用的工艺之一；用胶粘剂直接粘接应用也比较广泛；专利焊接技术则结合了机械镶候与金属焊接的双重优点。上述三种方法各有优缺点，分别使用与不同的工况。陶瓷一金属复合制遭技术综合了粘接、金属焊接、镇候技术的所有优点，重点克服了双相材料复合过程因材料热膨胀系数不同所产生的界面剩离问题。其核心思想是：(1)金属基体采用普通材料，工作表面则复合陶瓷。麝损程度不同，选用的耐磨陶瓷也不同；(2)不同的形状和位量选用不同的工艺组合；(3)金属基体表面预先设计陶瓷厚度位置。

下面针对矿山上的几个典型部件，探讨陶瓷一金属复合技术的实际应用。

3.1水泵部件

  聚胆或系亮一般使用铸铁、铸刚和耐磨合金制造。设计制造时，在腔体内表面预留3-6mm的位置供复合陶瓷片。与前后挡板结合的密封面可以使用高耐磨性陶瓷，其硬度应达到HRA90以上，同时保证瓷片表面的精度，其他部位可以使用普通陶瓷，硬度应在HRA86以上。密封面处可使用粘接法并间接辅以焊接法。内表面使用粘接法。胶粘剂可以使用高强度耐水常温固化型，也可使用加热固化型。使用加热团化型，可在全部粘贴完后整体加热固化，达样陶瓷结合将更牢固。在挖泥聚上的实验表明，这种工艺完金可行。因为叶轮的叶片普遍厚度较薄，可以不设计余量，叶片表面直接粘贴1.5～3mm陶瓷，在叶片的入口处使用U型高韧性耐腐陶瓷包覆；端盖、挡板可以结合使用粘贴和镇焊工艺。与泵亮配合的端面，陶瓷可以与泵胆密封面使用的陶瓷同时加工，以便保证配合精度。密封环形状比较简单，可以使用粘贴和焊接工艺。环内表面可以预留3mm余量，直接粘贴上陶瓷片，也可以辅以焊接工艺，环外表面可以使用粘贴和焊接间隔复合的工艺.有人将已磨损的密封换上切削加工后再镶上超高分子聚乙烯材料，使用寿命比铸铁件提高十几倍以上，虽然由于超高分子量聚乙烯材料的不粘性和低刚性以及较大的热膨胀性，当密封环太大时就无法使用。而且超高分子量聚乙烯耐磨性没有陶瓷好，但却为陶瓷片复合工艺提供了应用事例。

3.2风机

风机叶轮是风机的主要磨损部件。因其高速转动，要求胶粘剂必须有足够的粘接强度。同时要求陶瓷片重量要轻，因而耐磨性要好。根据在电力行业多年使用经验，陶瓷片硬度在HRA86以上就基本可以满足要求。根据磨损程度不同，陶瓷厚度可在1.5-3mm。温度低于170℃可直接粘接，大于此温度可使用粘焊复合工艺。

3.3其他静止部件

如各种溜槽、滑道、传送带、刮板和衬里等，只要没有强烈冲击载荷、温座不超过600℃,均可以使用。

4、结论

大量的应用事例表明，陶瓷具有优异的耐磨损及耐磨蚀性能。在低应力、冲刷和磨蚀工况条件下均可以使用陶瓷衬里表面进行耐磨防护处理。采用陶瓷一金属复合制造技术就可有效防止陶瓷片可能的脱落现象。部件基体使用普通的金属材料制造，磨损部位使用不同性能的陶瓷衬里，不但可以大大降低各种机械设备的材料成本，同时可以大大提高这些部件的使用寿命。材料、设计、制造和用户等几方面密切合作，可为矿山机械行业的耐磨防蚀提供新的技术和手段，