利用陶瓷-金屬復合技術提高部件抗沖刷磨蝕壽命

利用陶瓷-金屬復合技術提高部件抗沖刷磨蝕壽命

論文編號:1001-3954(2001)03-0060-61

第四屆全國礦山采選技術進展報告會論文集

期刊：礦山機械

作者：李清建

北京鈦盾科技發展有限責任公司

     磨損、腐蝕和斷裂是材料的主要破壞形式。在礦山機械中，磨損又是最主要的破壞形式，各種溜槽、滑道、襯里、風機、水泵、管道和閥門等均因輸送顆粒介質，存在嚴重的磨 損問題。通過 合金化、熱處 理可以大大提 高材料的耐磨 性能，表面噴 涂合金、加襯 橡膠、涂敷耐 磨涂層也是常用的方法之一。本文試圖利用多年從事火電行業耐磨防磨經驗，從陶瓷材料性能、復合技術及制造工藝幾方面，分析和討論利用陶瓷一金屬復合耐磨技術提高礦山機械部件耐磨防腐壽命的可行性。并指出水泵、葉輪、溜槽和各種襯里部件最有可能使用該項技術，性能價格比將大大提高。

1、現代工程陶瓷材料發展及應用

   現代工程陶瓷具有優異的耐磨、耐腐和耐高溫性能，而且比重小、重量輕和來源豐富，是一種非常具有應用前景的工程材料，各發達國家竟相優先投入大量人力物力進行研究。隨著納米技術的發展，新一代工程陶瓷將在保持高硬度、高耐磨性的前提下，韌性將達到接近鑄鐵的水平，從而對陶瓷材料的應用領域及耐磨防磨技術產生深遠的影響。

  陶瓷種類繁多。現代工程陶瓷材料主要包括氧化鋁、氧化鋯、炭化硅、氮化硅及其增韌性強化復合材料。陶瓷最高硬度可以達到HRA95以上，韌性接近普通鑄鐵的水平。耐沖刷磨損性能是高鉻鑄鐵幾倍、幾十倍以上。陶瓷的優異耐磨性能幾乎可以使用于任何耐磨工況。目前制約陶瓷材料作為工程材料廣泛使用的**障礙是如何在保持高硬度、高耐磨性的前提下保持高韌性及經濟性，這也是工程陶瓷研究領域的目標之一。

  氧化鋁陶瓷具有良好的耐磨性能，而且價格便宜、韌性適中，作為一種耐磨材料得到廣泛的應用。在電力行業，使用粘接工藝將耐磨陶瓷片應用在各種煤粉處理設備上，包括風機葉輪、殼體、粗細粉分離器、煙道和煤粉管道上，使用壽命提高幾倍至幾十倍以上，為電力行業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樣的應用。在民用方面，陶瓷水龍頭成為近幾年興起的重要的節水產品之一。

  增韌強化陶瓷材料主要是通過細化陶瓷顆粒、增加各種高強度纖維、晶須及在高溫高壓工藝燒結而成，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質合金的幾倍、幾十倍以上。在水泵制造過程中，因使用了陶瓷刀具，可以直接對高鉻鑄鐵進行切削加工，省去了退火及淬火工藝，大大降低了生產成本。

  工程陶瓷研發的目標就是在保持高強度、高硬度和高耐磨性的前提下，提高韌性及加工性能，同時降低成本。納米技術的興起將為工程陶瓷的發展提供良好的前景。

2、陶瓷作為耐磨襯里材料的幾個典型應用

  火力發電廠引風機、排粉機葉輪、亮體、煤粉管道、除塵排渣系統和鍋爐燃燒器等因煤粉、煤渣等沖刷磨損十分嚴重。風機葉輪的使用壽命有時只有幾個月甚至十幾天。風機亮體磨損亦十分嚴重，20mm的耐磨襯板壽命也只有幾個月。煤粉系統、除灰排渣系統有些部件的壽命只有十幾天。雖然采取過表面熱處理、噴涂、堆焊和涂耐磨涂料等工藝，效果均不十分理想。

  多年來，為了解決火力發電設備嚴重的磨損問題，本人嘗試使用陶瓷材料，開發出陶瓷一金屬復合技術，使用粘貼、鑲嵌工藝將陶瓷復合在金屬基體上，為火力發電行業耐磨防磨提供了有效的手段。尤其是開發的專利技術，使得陶瓷與金屬之間的結合更為安全可靠，使用溫度更高，應用范圍更廣，應用范圍不***于火電行業，而且在礦山、化工和石油等行業得到應用。下面是幾個典型的應用。

  (1)火電廠排粉機主要用于輸送煤粉，磨損十分嚴重。河南某電廠排粉機葉輪使用16Mn材料制造，平均使用壽命只有3個月，多次使用堆焊、噴涂等工藝，效果均不理想。甚至使用了號稱美國最耐磨的陶瓷耐磨涂料，使用壽命也沒有明顯提高。后使用陶瓷一金屬復合技術，將厚度只有1.5mm的陶瓷片復合在葉片表面上，經2年使用，未發現有明顯的磨損現象，目前該廠所有葉輪均已使用該項技術，平均壽命提高至3年以上。

  (2)火電廠引風機葉輪用于輸送帶塵煙氣，磨損比較嚴重。華北某電廠葉輪使用了硬質合金噴焊工藝，表面硬度達到HRC60以上，使用壽命也只有半年。葉片表面復合1.5 mm陶瓷，使用2年，平均磨損不到0.3 mm。河南某電廠風機葉輪使用壽命3個月，殼體使用耐磨鑄鐵；壽命半年。葉輪使用鑲焊法復合6mm厚陶瓷片，亮體復合1.5mm陶瓷片，使用3年不磨損基體金屬表面。

(3)山西某電廠除渣管用16Mn制造，璧厚20mm,平均壽命3個月。內表面復合5mm陶瓷，使用2年不磨損金屬基體。   

(4)河南某電廠水系葉輪使用普通鑄鐵制造，使用半年葉片便被氣蝕穿透。使用進口陶瓷耐磨涂料可以使用1年，但在涂料表面復合上1.5mm陶瓷，使用壽命可以達到3年以上。

(5)某航道局挖泥船挖泥泵泵膽系進口高鉻鑄鐵制造，30mm壁厚，連續運行3個月便嚴重減薄，磨損達10mm以上。作為試驗，在局部復合6mm陶瓷片，運行1個月后檢驗，磨損不到0.5mm,而其周圍的磨損達5mm之多。

(6)河南某電廠的循環水泵葉輪氣蝕嚴重。1995 年我們使用耐磨涂料對其進行了耐磨涂敷，使用壽命由原材料的半年(葉片蝕穿)提高到1年以上(未見金屬基體)。說明涂層中硬質顆粒耐磨蝕性能良好，樹脂與金屬基體粘接牢團。隨后修補時，在耐磨涂層表面粘上1.5mm的陶瓷片，經1年運行，陶瓷無脫落，無明顯磨蝕痕跡，而其周圍的涂料已嚴重減薄，需要住補處理。此事例說明，只要耐磨涂料可行，粘貼陶瓷片同樣可行。而且粘貼陶瓷片相當于將耐磨涂料中的耐磨顆粒全部置于表面，因而更可發揮耐磨顆粒的性能。

(7)山西某電廠灰漿系蝸亮脂蝕嚴重，1996年對內表面涂耐麝涂料時，同時在局部粘貼3mm陶瓷.1 年運行后檢查，涂料磨損嚴重，陶瓷幾乎沒有減薄，只是有個別瓷片碎裂，估計與通過顆粒太大，受沖擊力太大有關。如果增大陶瓷厚度或韌性，諒可解決此碎裂問題。

(8)山西某電廠除灰管道及與閥門連接的過渡短節壁厚30mm,平均使用壽命只有2個月。粘貼6mm 陶瓷片使用2年基本沒有磨掘。在以上實例中，陶瓷片均顯示出優鼻的的耐磨損性能，耐磨性能是水泵常用材料高鉻鑄鐵的10倍以上。在應用初期，因復合技術不成熟，常有陶瓷片脫落現象，但隨著工藝的改進，尤其是使用了陶瓷一金屬復合制造技術后，很少再發生陶瓷脫落現象。目前該項技術已被風機及電力行業普遍接受，廣泛使用于風機葉輪、亮體和煤粉分離器、磨煤機出口、煙風道、除灰排渣管道和渣漿泵部件等。

3、礦山機械使用陶瓷耐磨防磨的可行性

      礦山機械部件磨損破壞因受力不同有兩種方式：一種是高應力沖擊磨損；另一種是低應力沖刷磨蝕破壞。很顯然，陶瓷材料只能使用于第二種方式的受力工況.這些部件包括水泵的過流部件，如殼體、葉輪、密封環和前后擋板等；風機的葉輪、殼體；彎管和溜槽等。

     將陶瓷材料應用到這些腐損部件，取決于二個關鍵因素：**，陶瓷材料本身的耐磨抗汽蝕性；第二是陶瓷與金屬基體的的復合技術。如上所述，陶瓷具有非常優異的耐麝損、防氣蝕性能，因此能否使用，關鍵在于與金屬的復合技術。

      利用機械候合的方式可以將陶瓷與金屬牢因結合，也是常用的工藝之一；用膠粘劑直接粘接應用也比較廣泛；專利焊接技術則結合了機械鑲候與金屬焊接的雙重優點。上述三種方法各有優缺點，分別使用與不同的工況。

      陶瓷一金屬復合制造技術綜合了粘接、金屬焊接、鎮候技術的所有優點，重點克服了雙相材料復合過程因材料熱膨脹系數不同所產生的界面剩離問題。其核心思想是：(1)金屬基體采用普通材料，工作表面則復合陶瓷。麝損程度不同，選用的耐磨陶瓷也不同；(2)不同的形狀和位量選用不同的工藝組合；(3)金屬基體表面預先設計陶瓷厚度位置。

      下面針對礦山上的幾個典型部件，探討陶瓷一金屬復合技術的實際應用。

3.1水泵部件

       聚膽或系亮一般使用鑄鐵、鑄剛和耐磨合金制造。設計制造時，在腔體內表面預留3-6mm的位置供復合陶瓷片。與前后擋板結合的密封面可以使用高耐磨性陶瓷，其硬度應達到HRA90以上，同時保證瓷片表面的精度，其他部位可以使用普通陶瓷，硬度應在HRA86以上。密封面處可使用粘接法并間接輔以焊接法。內表面使用粘接法。膠粘劑可以使用高強度耐水常溫固化型，也可使用加熱固化型。使用加熱團化型，可在全部粘貼完后整體加熱固化，達樣陶瓷結合將更牢固。在挖泥聚上的實驗表明，這種工藝完金可行。因為葉輪的葉片普遍厚度較薄，可以不設計余量，葉片表面直接粘貼1.5～3mm陶瓷，在葉片的入口處使用U型高韌性耐腐陶瓷包覆；端蓋、擋板可以結合使用粘貼和鎮焊工藝。與泵亮配合的端面，陶瓷可以與泵膽密封面使用的陶瓷同時加工，以便保證配合精度。密封環形狀比較簡單，可以使用粘貼和焊接工藝。環內表面可以預留3mm余量，直接粘貼上陶瓷片，也可以輔以焊接工藝，環外表面可以使用粘貼和焊接間隔復合的工藝.有人將已磨損的密封換上切削加工后再鑲上超高分子聚乙烯材料，使用壽命比鑄鐵件提高十幾倍以上，雖然由于超高分子量聚乙烯材料的不粘性和低剛性以及較大的熱膨脹性，當密封環太大時就無法使用。而且超高分子量聚乙烯耐磨性沒有陶瓷好，但卻為陶瓷片復合工藝提供了應用事例。

3.2風機

    風機葉輪是風機的主要磨損部件。因其高速轉動，要求膠粘劑必須有足夠的粘接強度。同時要求陶瓷片重量要輕，因而耐磨性要好。根據在電力行業多年使用經驗，陶瓷片硬度在HRA86以上就基本可以滿足要求。根據磨損程度不同，陶瓷厚度可在1.5-3mm。溫度低于170℃可直接粘接，大于此溫度可使用粘焊復合工藝。

3.3其他靜止部件

     如各種溜槽、滑道、傳送帶、刮板和襯里等，只要沒有強烈沖擊載荷、溫座不超過600℃,均可以使用。

4、結論

     大量的應用事例表明，陶瓷具有優異的耐磨損及耐磨蝕性能。在低應力、沖刷和磨蝕工況條件下均可以使用陶瓷襯里表面進行耐磨防護處理。采用陶瓷一金屬復合制造技術就可有效防止陶瓷片可能的脫落現象。部件基體使用普通的金屬材料制造，磨損部位使用不同性能的陶瓷襯里，不但可以大大降低各種機械設備的材料成本，同時可以大大提高這些部件的使用壽命。材料、設計、制造和用戶等幾方面密切合作，可為礦山機械行業的耐磨防蝕提供新的技術和手段。