好钢用在刀刃上——复合材料

好钢用在刀刃上——复合材料2009-8-5 17:28:30
水泥工业对耐磨件往往要求在具有高硬度、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。

能否使一个零件上同时满足抗磨损的部位具有极高的硬度和耐磨性，而基体部分却具有高的强韧性和可靠性？有意思的是，往往高硬度、高耐磨材料大多由昂贵的高合金组成。

而一般韧、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，但其要点是共同的：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。

复合材料目前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年前复合材料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。

这即将涌现出的一大批重要的甚至是革命性的技术成果和新兴产业，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的水准。

爱好武侠小说的朋友们一定会对《水浒》中武松手里的“镔铁宝刀”记忆尤甚。

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”、“ 夹钢”，其实就是引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。

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“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“菊花钢刀”灵动沉猛。

为长久之计，戚继光请准朝廷设法利诱海盗，走私日本军刀一批，戚继光召集顶尖工匠，日夜兼程仿制改良，终得史上着名的“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，东洋武士血流成河，魂丧他乡。

其它如勾践、干将、莫邪、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渊源。

而今，在水泥工业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。

早在上世纪八十年代，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。

钢球和衬板技术早也在上世纪八十年代即已成熟，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项目前尚处在不断的探索、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主导地位的。

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“Duocast”、X-Win磨辊、磨盘，就是两个成功的范例。

现代新型干法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吨的大块石灰石剧烈冲击。

二是要有足够高硬度来抵抗高硅（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。

于是首先在可商业化的耐磨材料中，选择韧性最高的超高锰（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。

在七十年代初，全军曾掀起一股研究、练习“打坦克”的热潮，以防范北方邻国的铁甲大军。

其中在弹药上一大革新即是在穿甲弹芯中加入新型钨合金，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。

而这个集极硬、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”超级锤头寿命长达4个月。

为此该集团决定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、枚不胜举，“大金牙”也由此名扬四海。

“大金牙”超级锤头的成功并不是偶然的。

其实，早在1999年郑州鼎盛针对熟料细碎中的锤头磨损难题而推出的“三明治” 超级锤头，即采用了3种以上材料的复合。

在磨损最严重部位使用HRA90以上的钨钛超硬材料，次磨损部位采用HRC高达62-64的超级高铬铸铁，磨损少的柄部则采用廉价的高韧性中碳钢，很好地解决了高耐磨、抗断裂与良好的经济性。

许多水泥客户一套锤头满负荷工作寿命长达4-5个月，彻底解决了熟料细碎机锤头寿命短这一世界性的难题。

只是由于当时企业初创，势小力薄，人微言轻，无力作大的推广。

伴随着新型干法生产线大规模应用辊压机，熟料细碎机市场严重缩水，因而未能为行业作出更大贡献，栏主至今甚为遗憾。

如今立磨在新型干法线上应用越来越普及。

磨辊、磨盘的消耗尤其在高硅、强磨蚀性石灰石粉磨作业，磨辊、磨盘快速磨损失效，不仅使材料成本上升，且时常威胁生产线的平衡作业，因而引起广泛的注意。

目前磨辊、磨盘材质一部分使用高铬铸铁，一部分使用堆焊材料，而比利时马科托则推出了具有优良性能的Duocast和X-Win复合材料而独树一帜，并处于领先地位。

Duocast技术是将高耐磨的高铬棒镶在韧性铸铁的坯体里，既耐磨又不易开裂。

X-Win更是将蜂窝状更高硬度同时兼有高韧性陶瓷复合在高硬度的高铬铸铁中。

整体寿命比目前主流的高铬铸铁高出一到三倍，这是一个很了不起的进步。

栏主预言，这项技术近年内将有更大进展。

郑州鼎盛也在与郑州大学合作开展纳米陶瓷复合高铬铸铁技术的课题研究，虽有些许进展，但仍困难重重，至今无法进入工业化应用，目前看比利时仍明显领先于国内。

无独有偶，放眼今日，作为现代科技的皇冠-军工科技，其皇冠上的明珠之一便是航空航天高性能材料。

无论是一代名机F15，还是爱国者导弹、宇宙飞船，复合材料所占比例已成为衡量科技水平高低的一个重要标志。

在这轮竞赛中我国暂时落后了，但中国人永远不甘屈居人后。

据称将在国庆60周年阅兵式上一展风采的我国当今最先进的歼10战斗机其复合材料已占到26%，这是一个相当大的技术进步。

更令人怦然心动的是网上真假难辨的帖子披露：将担负起与美军最先进的F22猛禽战斗机抗衡的歼14重型歼击机，作为中国尖端科技的最高结晶，其复合材料比例高达37%。

真要达到此水平，吾等众人皆欢欣鼓舞，兴奋的血脉贲张。

奋战在秘密战线上、神通广大的军工科技英雄们，你们若隔墙有耳，请接受栏主对你们的赞誉与纵情喝彩。

同样代表当今水泥工业耐磨材料最高水平的先进复合材料就像横亘在我们
面前的珠峰，我们唯有努力攀登、奋力前行方能立身于这个优胜劣汰、弱肉强食的世界，而绝无退路。

“无限风光在险峰”，伟人如是说道。

加油啊，中国水泥金属耐磨材料界的同仁们！
奋起啊，中华！
请看下篇《异军突起--堆焊材料》。