安徽省科学技术奖提名项目公示（高性能陶瓷金属复合耐磨材料的研发及产业化）

根据安徽省科技厅皖科基奖秘〔2022〕156号《关于开展2022 年度安徽省科学技术奖提名工作的通知》精神，我院择优提名“高性能陶瓷金属复合耐磨材料的研发及产业化”项目申报2022年度安徽省科学技术奖，同时按照通知要求，对拟提名项目进行公示，公示期为不少于7个自然日，主要公示内容见附件。

对公示内容有异议者，请于2022年9月7日至9月14日期间向院科技发展部提出，过期则视为无异议。联系人：段圆圆，联系电话：0551-63439131。

一、项目名称

高性能陶瓷金属复合耐磨材料的研发及产业化

二、提名者及提名意见

提名者：od体育网址

提名意见：“高性能陶瓷金属复合耐磨材料的研发及产业化”项目是以od体育网址为主导，与湖南学校合作完成的重点研究与开发计划项目。

经审查，本推荐书中所列内容真实可靠，各栏目均按要求填写，符合申报要求。鉴于该项目应用水平高，应用范围广，经济效益显著，提名2022年度安徽省科学技术奖（技术进步类）。

三、项目简介

众所周知我国是世界上最大的混凝土生产大国，2016年全国混凝土产量为 24 亿吨，在混凝土生产中需要大规模的破碎和研磨一些高硬度的矿物，如石灰石、石英砂、混凝土熟料、矿渣等。目前混凝土工业中的破碎、研磨装备的核心耐磨件如破碎机锤头、颗板、球磨机衬板、轧碎机的圆锥、立式磨的碾盘和磨辊等大多仍采用单一性能金属耐磨材料，如高铬铸铁、中铬钢、高锰钢和超高锰钢，耐磨件成型方法为直接铸造成型。对金属材料而言，这些均是具有优良耐磨性能的耐磨材料，但由于混凝土生产中其矿物原料硬度均高于现有金属耐磨材料，耐磨件在服役过程中，易过早磨损失效，难以满足破碎及研磨装备的工作要求。以中型砂岩破碎机的高铬铸铁锤头为例，每满负荷工作3-4个月就需要更换1副锤头，这极大地影响了设备的工作效率，同时在经济成本上也不合算。

近几年来，对于混凝土工业用高性能耐磨件的研究也有许多机构与学者致力于双金属复合、硬质合金镶嵌复合、表面喷涂、表面铸渗及激光熔覆等强化工艺技术的研发，并在如锤头、衬板等工作上获得了应用。目的均是提高工件表面的硬度和耐磨性。但由于表面强化手段获得的强化层硬度远小于耐磨件工作层厚度，虽可在一定程度改善和提高耐磨件的耐磨性和服役寿命，仍不能很好地解决耐磨件耐磨性和使用寿命较低的问题。

从材料特性上来讲，陶瓷材料因为是共价键和金属键成键，键能大，材料硬度高，其耐磨性远远优于金属材料。这在工程应用上得到了普遍证实，如混凝土泵中的陶瓷弯管的耐磨性能达到普通耐磨铸铁的 7倍以上。但是陶瓷属于脆性材料，而混凝土生产中的破碎设备耐磨件往往要承受较大的冲击载荷，因此很难使用纯陶瓷做为破碎设备的耐磨件。针对该问题项目申请单位合肥混凝土研究设计院联合湖南学校材料学校开发了项目产品高性能陶瓷金属复合耐磨材料，该材料先采用电镀滚镀法对陶瓷碳化硅颗粒表面进行改性，镀覆一层单质Ti涂层，然后再将改性后的碳化硅颗粒按配方设计与适量的铁粉、铬粉、钴粉、钼粉和钒粉混合在一起，干压成型后，在氩气保护气氛下快速热压烧结，获得陶瓷金属复合耐磨材料。该材料中SiC是目前已知的硬度仅低于金刚石和立方氮化硼的陶瓷材料，其单相静载荷耐磨性能达到耐磨铸铁的150倍，它以硬质颗粒的形式存在于复合材料中，在工作过程中会以硬质凸点的形式存在于摩擦面表面，能大幅度的延长耐磨件的使用寿命。陶瓷金属复合耐磨材料中，基体为通过粉末冶金法制备的铁-铬基耐磨金属基体，因为是采用快速热压法制备，其基体晶粒尺寸比传统铸造法制备的耐磨高铬铸铁更加细小，其强度和耐磨性更好，同时具有金属材料的高抗冲击韧性，保证了陶瓷金属复合材料具有较高的冲击韧性，能应用于混凝土破碎材料的耐磨件制备。

该项目的设计思路具有一定的原创性，相关核心技术已经申请发明专利。前期合肥混凝土设计研究院与湖南学校合作研发的SiC增强高铬铁基复合耐磨材料试棒其硬度达到了HRA92,断裂韧性为 8MPa/m1/2，优于髙铬铸铁和碳化物增强铁基复合材料。通过整体铸造法将研发的陶瓷金属耐磨复合材料试棒复合于破碎机锤头工作面和混凝土磨机磨头衬板，在破碎高硬度砂岩时其锤头的使用寿命达到了髙铬铸铁的3倍，而复合有陶瓷金属耐磨试棒的锤头其制造成本仅为髙铬铸铁锤头的1.3倍左右，具有良好的性价比优势。

四、客观评价

该项目产品SiC增强髙铬铁基复合材料的成功研发，能够很好的解决混凝土行业中耐磨件更换频繁，使用寿命短，使用成本偏高的难题，同时项目产品采用低成本的碳化硅陶瓷作为复合材料的增强相，复合耐磨材料的造价成本低于150元/公斤，而在破碎砂岩实验时，其使用寿命达到了高铬铸铁的3倍以上，综合使用成本，比现在的合金铁基耐磨锤头降低30%，是目前铁基耐磨材料的理想替代品，能有效的提高混凝土行业的生产效率，促进其技术进步，同时具有广阔的市场前景和良好的经济价值。

项目产品是将新材料陶瓷金属复合耐磨材料应用于混凝土生产耐磨件的制备，其制备出的产品具有高技术含量、高性能、高附加值的特点。产品可应用于整个破碎加工行业，且为消耗品，市场容量大。项目产品为原创性产品，国内尚未有生产厂家，核心技术申请了专利，具有一定的技术排他性。产品性能优于国内相关产品，具有良好的性价比优势。项目团队集合了国内外耐磨材料制造领域的多位专家，年龄结构合理，保证了项目系列产品的持续研发能力；项目产品生产单位od体育网址，是专门混凝土生产相关设备的国内大型央企，市场营销网络健全，经营力量比较强大，每年企业自身就需要大量的采购混凝土破碎耐磨材料，项目产品一经研发成功就可拥有一定的市场占有率，为项目的顺利进行提供了有力保障。

该项目主要研究了（1）陶瓷碳化硅颗粒的表面改性工艺、（2）碳化硅增强铁基复合材料中高铬铁基材料的配方优化、（3）碳化硅增强铁基复合材料制备工艺研究、（4）碳化硅增强铁基复合材料的工业化生产与应用推广的重要内容。并在以下方面进行创新突破：（1）SiC陶瓷颗粒表面镀覆金属Ti膜的工艺研发、（2）高性能SiC颗粒增强铁基复合材料的研发、（3）陶瓷金属复合耐磨材料试棒在浇注模具中的固定工艺开发。

五、推广应用情况、经济效益和社会效益

项目推广应用情况：制备了陶瓷金属复合锤头，在陕西金龙混凝土有限公司采用锤式破碎机破碎含硅量2-5%的高硬度石灰石，每副锤头的使用寿命在50-60天，其使用寿命是高锰钢锤头的5-6倍，是双液复合锤头的3-4倍。在山东申兴钙业科技有限责任公司，在锤式破碎机上试用了陶瓷金属复合锤头破碎方解石，每副锤头的使用寿命为8-12个月，是铬铸铁-碳钢复合锤头使用寿命的2-3倍。在衡阳市恒胜建筑有限公司，试用了陶瓷金属复合磨头衬板，投入使用1年后，衬板磨损量为10-15mm，使用寿命可达2.5-3年。

项目经济效益：实现碳化硅增强铁基复合材料的工业化生产，制备248台套陶瓷金属基复合材料耐磨件应用于混凝土行业的石灰石破碎、方解石破碎和混凝土熟料的球磨，均取得了良好的使用效果，创造1113万元产值，利润111万元，实现利税89万元。

项目社会效益：项目研发的高性能陶瓷金属复合耐磨材料应用于石灰石、方解石、混凝土的破碎均取得了良好的使用效果，其使用寿命明显高于传统耐磨材料，能大幅度提高破碎设备的运转效率，既节能环境保护，又降低工人的劳动强度和生产成本，符合国家“3060碳达峰碳中和”战略目标。本项目以产品为纽带，加强了集科、工、贸一体的有机结合，带动行业增强科技创新能力。本项目的顺利实施，可以吸纳一批大、中专毕业生，解决年青劳动力的就业问题。具有良好的社会意义。

六、发表文章和主要知识产权目录

1、文章：项目共在各类期刊发表论文3篇。

文章发表情况

2、知识产权情况

项目共计申请各类知识产权4项，其中发明申请授权2项、实用新型专利授权2项。

知识产权授权情况

七、主要完成人情况

八、主要完成单位及创新推广贡献

第一完成单位：od体育网址，负责总体方案制定及产品研发、样品的定型、用户实验、产品推广、生产示范线改造和产品的工业生产，以及解决系统技术难题等工作。

第二完成单位：湖南学校，主要承担新产品样品的研发、性能评估、基础原理的研究以及实验室验收分析。

九、完成人合作关系说明

本人许涛为od体育网址的技术研发人员和项目管理人员。作为项目负责人，本人与其他同志共同完成了“高性能陶瓷金属复合耐磨材料的研发及产业化”项目的合作研究，本项目成功研究开发了SiC陶瓷颗粒表面镀覆金属Ti膜的工艺、高性能SiC颗粒增强铁基复合工艺、陶瓷金属复合耐磨材料试棒在浇注模具中的固定工艺。产品耐磨性和抗冲击性能好，应用于混凝土、建筑和矿山等破碎研磨设备上，使用寿命是传统耐磨材料产品的2-3倍。

作为本项目负责人，在与湖南学校合作研发过程中，牵头组建了项目研发团队，主持技术路线制定，指导开展各项研发及设计工作，指导与协调项目合作单位完成项目必须的其它工作。