安徽省科學技術獎提名項目公示（高性能陶瓷金屬復合耐磨材料的研發及產業化）

根據安徽省科技廳皖科基獎秘〔2022〕156號《關于開展2022 年度安徽省科學技術獎提名工作的通知》精神，我院擇優提名“高性能陶瓷金屬復合耐磨材料的研發及產業化”項目申報2022年度安徽省科學技術獎，同時按照通知要求，對擬提名項目進行公示，公示期為不少于7個自然日，主要公示內容見附件。

對公示內容有異議者，請于2022年9月7日至9月14日期間向院科技發展部提出，過期則視為無異議。聯系人：段圓圓，聯系電話：0551-63439131。

一、項目名稱

高性能陶瓷金屬復合耐磨材料的研發及產業化

二、提名者及提名意見

提名者：合肥水泥研究設計院有限公司

提名意見：“高性能陶瓷金屬復合耐磨材料的研發及產業化”項目是以合肥水泥研究設計院有限公司為主導，與湖南大學合作完成的重點研究與開發計劃項目。

經審查，本推薦書中所列內容真實可靠，各欄目均按要求填寫，符合申報要求。鑒于該項目應用水平高，應用范圍廣，經濟效益顯著，提名2022年度安徽省科學技術獎（技術進步類）。

三、項目簡介

眾所周知我國是世界上最大的水泥生產大國，2016年全國水泥產量為 24 億噸，在水泥生產中需要大規模的破碎和研磨一些高硬度的礦物，如石灰石、石英砂、水泥熟料、礦渣等。目前水泥工業中的破碎、研磨裝備的核心耐磨件如破碎機錘頭、顆板、球磨機襯板、軋碎機的圓錐、立式磨的碾盤和磨輥等大多仍采用單一性能金屬耐磨材料，如高鉻鑄鐵、中鉻鋼、高錳鋼和超高錳鋼，耐磨件成型方法為直接鑄造成型。對金屬材料而言，這些均是具有優良耐磨性能的耐磨材料，但由于水泥生產中其礦物原料硬度均高于現有金屬耐磨材料，耐磨件在服役過程中，易過早磨損失效，難以滿足破碎及研磨裝備的工作要求。以中型砂巖破碎機的高鉻鑄鐵錘頭為例，每滿負荷工作3-4個月就需要更換1副錘頭，這極大地影響了設備的工作效率，同時在經濟成本上也不合算。

近幾年來，對于水泥工業用高性能耐磨件的研究也有許多機構與學者致力于雙金屬復合、硬質合金鑲嵌復合、表面噴涂、表面鑄滲及激光熔覆等強化工藝技術的研發，并在如錘頭、襯板等工作上獲得了應用。目的均是提高工件表面的硬度和耐磨性。但由于表面強化手段獲得的強化層硬度遠小于耐磨件工作層厚度，雖可在一定程度改善和提高耐磨件的耐磨性和服役壽命，仍不能很好地解決耐磨件耐磨性和使用壽命較低的問題。

從材料特性上來講，陶瓷材料因為是共價鍵和金屬鍵成鍵，鍵能大，材料硬度高，其耐磨性遠遠優于金屬材料。這在工程應用上得到了普遍證實，如水泥泵中的陶瓷彎管的耐磨性能達到普通耐磨鑄鐵的 7倍以上。但是陶瓷屬于脆性材料，而水泥生產中的破碎設備耐磨件往往要承受較大的沖擊載荷，因此很難使用純陶瓷做為破碎設備的耐磨件。針對該問題項目申請單位合肥水泥研究設計院聯合湖南大學材料學院開發了項目產品高性能陶瓷金屬復合耐磨材料，該材料先采用電鍍滾鍍法對陶瓷碳化硅顆粒表面進行改性，鍍覆一層單質Ti涂層，然后再將改性后的碳化硅顆粒按配方設計與適量的鐵粉、鉻粉、鈷粉、鉬粉和釩粉混合在一起，干壓成型后，在氬氣保護氣氛下快速熱壓燒結，獲得陶瓷金屬復合耐磨材料。該材料中SiC是目前已知的硬度僅低于金剛石和立方氮化硼的陶瓷材料，其單相靜載荷耐磨性能達到耐磨鑄鐵的150倍，它以硬質顆粒的形式存在于復合材料中，在工作過程中會以硬質凸點的形式存在于摩擦面表面，能大幅度的延長耐磨件的使用壽命。陶瓷金屬復合耐磨材料中，基體為通過粉末冶金法制備的鐵-鉻基耐磨金屬基體，因為是采用快速熱壓法制備，其基體晶粒尺寸比傳統鑄造法制備的耐磨高鉻鑄鐵更加細小，其強度和耐磨性更好，同時具有金屬材料的高抗沖擊韌性，保證了陶瓷金屬復合材料具有較高的沖擊韌性，能應用于水泥破碎材料的耐磨件制備。

該項目的設計思路具有一定的原創性，相關核心技術已經申請發明專利。前期合肥水泥設計研究院與湖南大學合作研發的SiC增強高鉻鐵基復合耐磨材料試棒其硬度達到了HRA92,斷裂韌性為 8MPa/m1/2，優于髙鉻鑄鐵和碳化物增強鐵基復合材料。通過整體鑄造法將研發的陶瓷金屬耐磨復合材料試棒復合于破碎機錘頭工作面和水泥磨機磨頭襯板，在破碎高硬度砂巖時其錘頭的使用壽命達到了髙鉻鑄鐵的3倍，而復合有陶瓷金屬耐磨試棒的錘頭其制造成本僅為髙鉻鑄鐵錘頭的1.3倍左右，具有良好的性價比優勢。

四、客觀評價

該項目產品SiC增強髙鉻鐵基復合材料的成功研發，能夠很好的解決水泥行業中耐磨件更換頻繁，使用壽命短，使用成本偏高的難題，同時項目產品采用低成本的碳化硅陶瓷作為復合材料的增強相，復合耐磨材料的造價成本低于150元/公斤，而在破碎砂巖實驗時，其使用壽命達到了高鉻鑄鐵的3倍以上，綜合使用成本，比現在的合金鐵基耐磨錘頭降低30%，是目前鐵基耐磨材料的理想替代品，能有效的提高水泥行業的生產效率，促進其技術進步，同時具有廣闊的市場前景和良好的經濟價值。

項目產品是將新材料陶瓷金屬復合耐磨材料應用于水泥生產耐磨件的制備，其制備出的產品具有高技術含量、高性能、高附加值的特點。產品可應用于整個破碎加工行業，且為消耗品，市場容量大。項目產品為原創性產品，國內尚未有生產廠家，核心技術申請了專利，具有一定的技術排他性。產品性能優于國內相關產品，具有良好的性價比優勢。項目團隊集合了國內外耐磨材料制造領域的多位專家，年齡結構合理，保證了項目系列產品的持續研發能力；項目產品生產單位合肥水泥研究設計院有限公司，是專門水泥生產相關設備的國內大型央企，市場營銷網絡健全，經營力量比較強大，每年企業自身就需要大量的采購水泥破碎耐磨材料，項目產品一經研發成功就可擁有一定的市場占有率，為項目的順利進行提供了有力保障。

該項目主要研究了（1）陶瓷碳化硅顆粒的表面改性工藝、（2）碳化硅增強鐵基復合材料中高鉻鐵基材料的配方優化、（3）碳化硅增強鐵基復合材料制備工藝研究、（4）碳化硅增強鐵基復合材料的工業化生產與應用推廣的重要內容。并在以下方面進行創新突破：（1）SiC陶瓷顆粒表面鍍覆金屬Ti膜的工藝研發、（2）高性能SiC顆粒增強鐵基復合材料的研發、（3）陶瓷金屬復合耐磨材料試棒在澆注模具中的固定工藝開發。

五、推廣應用情況、經濟效益和社會效益

項目推廣應用情況：制備了陶瓷金屬復合錘頭，在陜西金龍水泥有限公司采用錘式破碎機破碎含硅量2-5%的高硬度石灰石，每副錘頭的使用壽命在50-60天，其使用壽命是高錳鋼錘頭的5-6倍，是雙液復合錘頭的3-4倍。在山東申興鈣業科技有限責任公司，在錘式破碎機上試用了陶瓷金屬復合錘頭破碎方解石，每副錘頭的使用壽命為8-12個月，是鉻鑄鐵-碳鋼復合錘頭使用壽命的2-3倍。在衡陽市恒勝建材有限公司，試用了陶瓷金屬復合磨頭襯板，投入使用1年后，襯板磨損量為10-15mm，使用壽命可達2.5-3年。

項目經濟效益：實現碳化硅增強鐵基復合材料的工業化生產，制備248臺套陶瓷金屬基復合材料耐磨件應用于水泥行業的石灰石破碎、方解石破碎和水泥熟料的球磨，均取得了良好的使用效果，創造1113萬元產值，利潤111萬元，實現利稅89萬元。

項目社會效益：項目研發的高性能陶瓷金屬復合耐磨材料應用于石灰石、方解石、水泥的破碎均取得了良好的使用效果，其使用壽命明顯高于傳統耐磨材料，能大幅度提高破碎設備的運轉效率，既節能環保，又降低工人的勞動強度和生產成本，符合國家“3060碳達峰碳中和”戰略目標。本項目以產品為紐帶，加強了集科、工、貿一體的有機結合，帶動行業增強科技創新能力。本項目的順利實施，可以吸納一批大、中專畢業生，解決年青勞動力的就業問題。具有良好的社會意義。

六、發表文章和主要知識產權目錄

1、文章：項目共在各類期刊發表論文3篇。

文章發表情況

2、知識產權情況

項目共計申請各類知識產權4項，其中發明申請授權2項、實用新型專利授權2項。

知識產權授權情況

七、主要完成人情況

八、主要完成單位及創新推廣貢獻

第一完成單位：合肥水泥研究設計院有限公司，負責總體方案制定及產品研發、樣品的定型、用戶實驗、產品推廣、生產示范線改造和產品的工業生產，以及解決系統技術難題等工作。

第二完成單位：湖南大學，主要承擔新產品樣品的研發、性能評估、基礎原理的研究以及實驗室檢測分析。

九、完成人合作關系說明

本人許濤為合肥水泥研究設計院有限公司的技術研發人員和項目管理人員。作為項目負責人，本人與其他同志共同完成了“高性能陶瓷金屬復合耐磨材料的研發及產業化”項目的合作研究，本項目成功研究開發了SiC陶瓷顆粒表面鍍覆金屬Ti膜的工藝、高性能SiC顆粒增強鐵基復合工藝、陶瓷金屬復合耐磨材料試棒在澆注模具中的固定工藝。產品耐磨性和抗沖擊性能好，應用于水泥、建材和礦山等破碎研磨設備上，使用壽命是傳統耐磨材料產品的2-3倍。

作為本項目負責人，在與湖南大學合作研發過程中，牽頭組建了項目研發團隊，主持技術路線制定，指導開展各項研發及設計工作，指導與協調項目合作單位完成項目必須的其它工作。