专利名称：超耐磨复合陶瓷刮刀/板及其制备方法
技术领域：
本发明属于混合、搅拌、混练等机械装置的耐磨损部件领域，主要涉及一种超耐磨复合陶瓷刮刀/板及其制备方法，尤其适用于耐火材料、玻璃制造、热电厂、冶金、选矿、陶瓷、化工等行业。
背景技术：
目前在耐火材料、玻璃制造、热电厂、冶金、选矿、陶瓷、化工等行业的混合机、搅拌机上使用的刮板、刮刀等抗磨部件。每年约消耗20000吨优质耐磨钢材，消耗资金约合人民币4亿元，其中还有一部分要使用外汇从国外进口，耗费资源及资金数量较大，同时也消耗了大量贵金属等战略物资，不符合国家经济建设的战略方针。由于该类材料的洛氏硬度只能达到50左右，使用寿命较短，一般在360小时左右。并且，在耐磨钢板、高铬铸铁等优质铁基合金材料中含有大量的锰、铬、镍、钼、钨、钛等属战略物资的贵重金属。因此，使用成本较高，同时也造成了大量的资源浪费。另外，磨损下来的铁及其它成分添加到混合或搅拌的物料中，一般均属于有害成分，影响产品质量，往往需要进行后续处理，除去这些有害杂质，进一步提高生产成本，造成不必要地经济损失。
陶瓷材料(如Al2O3、SiC、SiO2、B4C、Si3N4、BN等等)的硬度均高于钢材一个数量级，甚至接近金刚石，其耐磨性能是优质钢材的十至二十倍。由于，陶瓷材料具有优良的物理、化学性能，既是产生微量的微细粉末添加到混合、搅拌的物料中，一般都成为有效成份或者不参与化学反应，无任何负面影响；而陶瓷材料的资源非常丰富，且价格低廉。但是，陶瓷材料脆性较强，不能承受较大的冲击，难以进行加工，并且，在安装固定过程中很容易发生碎裂，导致陶瓷材料在这些领域的应用受到限制。
混合、搅拌、混练等机械装置的刮刀/板均属于抗磨、耐磨部件，在使用过程中，物料对刮刀/板的压力及相对位移速度，在刮刀/板上各部位的差异较大，压力及相对位移速度较大的部位磨损比较严重，而在安装部位的磨损不太严重。对于刮刀/板而言磨损比较严重的部位可称为主抗磨部位、安装部位可称为辅抗磨部位。
发明内容
本发明的目的是提供一种超耐磨复合陶瓷刮刀/板及其制备方法，使其具备陶瓷材料的超高耐磨性能，又具有钢材的高强度和高韧性。
本发明的目的可采用如下技术方案来实现所述的超耐磨复合陶瓷刮刀/板包括金属骨架和陶瓷材料层，陶瓷材料层利用粘合剂直接复合在金属骨架的结合面上。为增加陶瓷材料和金属骨架的结合强度，在结合面上设置有若干个金属锚固钉或锚固坑。金属骨架与刮刀/板相对应仍有主抗磨部位和辅抗磨部位之分，在辅抗磨部位设置有安装螺栓孔。
陶瓷材料层的厚度设置为8-40mm时，在金属骨架的结合面上设置金属锚固钉，高度低于陶瓷材料层的上平面。
陶瓷材料层厚度为3-15mm时，在金属骨架的结合面上设置锚固坑。
在上述材料层厚度交叉的范围可在金属骨架的结合面上同时设置锚固坑和锚固钉，或单独设置锚固坑或单独设置锚固钉。
陶瓷材料层由陶瓷颗粒骨料、陶瓷粉末和粘合剂或添加钢纤维或碳纤维等配制的耐磨陶瓷材料。
所述超耐磨复合陶瓷刮刀/板的制备方法如下a、超耐磨复合陶瓷刮刀/板的整体设计依照混合/搅拌设备使用要求，设计刮刀/板的几何形状及尺寸，合理分配陶瓷耐磨层的厚度，使整体具备较为理想的抗磨性能。主抗磨部位陶瓷材料层的厚度设置较厚，充分体现陶瓷材料的抗磨性能，厚度在8-40mm之间；辅抗磨部位陶瓷材料层的厚度设置较薄，能够满足保护安装螺栓的作用即可，厚度在3-15mm之间。并依此设计、制作压实成型模具。
b、金属骨架制作依照混合/搅拌设备使用要求的几何尺寸，采用普通钢材制作刮刀/板的骨架，以满足安装部位和刮刀/板整体具有足够的机械强度为设计原则主抗磨部位设计较薄，厚度在3-10mm之间，为陶瓷材料层的厚度留下足够空间；辅抗磨部位设计较厚，保证整体具有足够的机械强度，厚度在6-25mm之间，为陶瓷材料层厚度留下的空间较小，并设置有安装螺栓孔。根据主、辅抗磨部位陶瓷材料层厚度的大小，选择在结合面上设置金属锚固钉或锚固坑。陶瓷材料层厚度设置为3-15mm时，为提高结合强度在该部位采用钻取若干个小坑，由于具有锚固作用，故称为锚固坑，其锚固坑的直径为2-12mm，深度为2-12mm，每2-60cm2钻取一个；若陶瓷材料层的厚度设置为8-40mm时，在该部位焊接若干个由金属材料制成的短柱，由于具有锚固作用，故称为金属锚固钉，其直径为1-6mm，高度必须小于陶瓷材料层的厚度，每2-60cm2焊接一个；最后，将结合面及锚固钉和锚固坑上的铁锈、油污等彻底清理干净即可。
c、陶瓷材料制备首先，根据所混合/搅拌的物料的性质、温度、化学环境等，选取陶瓷材料和粘合剂的品种陶瓷材料要选用其硬度大于或等于物料硬度的材料，且对物料无付面影响的品种；使用温度在300℃以下、且在酸、碱腐蚀性环境下选用有机粘合剂，若高温在500℃以下、且无酸、碱腐蚀性环境下选用无机粘合剂，粘合剂的作用是增加陶瓷骨料间的结合强度和陶瓷材料与金属骨架间的结合强度。
陶瓷原料的选择以陶瓷颗粒为骨料，即主抗磨材料；以陶瓷粉末为填充物，填充骨料的所有空间以增加密实度和整体强度。陶瓷骨料由二至五种级别的陶瓷段砂料所组成，以大颗粒段砂为主骨料，其它中小颗粒段砂为辅骨料，其用量分别能够充满上一砂段颗粒间的空隙为宜，最大颗粒的粒径要小于陶瓷材料层厚度，最小粒径的段砂为0-0.5mm，中小颗粒段砂的粒径，要分别小于上一砂段粒径的二分之一。大颗粒段砂占总量的重量百分比为40-60％，中小颗粒段砂占总量的重量百分比为20-55％。选取的陶瓷粉末粒度为100-300目，占总量的重量百分比为5-20％。外加粘合剂占陶瓷材料总量的重量百分比为5-25％。若物料粒径较大，且相对位移速度较高时可添加钢纤维或碳纤维等能够提高整体强度的细长丝状物质，添加量占陶瓷材料总量的重量百分比为2-15％。将上述原料按比例放入容器中进行充分混合搅拌均匀。
d、陶瓷材料与金属骨架相复合将制作好的金属骨架放入模具中，把制备好的陶瓷材料依据不同厚度适量摊铺在金属骨架的结合面上，采用压力机压实或者振动捣打压实。最后进行脱模，将完成复合的刮刀/板取出。
e、固化严格按照粘合剂使用说明书的要求，对完成复合的刮刀/板进行固化，待粘合剂完全固化后，即完成超耐磨复合陶瓷刮刀/板的制造过程。
普通钢材具有较高的强度和韧性，但耐磨性能较差；而陶瓷材料具有优良的耐磨性能，但脆硬性较强，不便于应用。因此，本发明将钢材和陶瓷复合为一体，使各自的优缺点得到互补，把两者的优点充分发挥出来。本发明采用少量的普通钢材制作金属骨架，用于确保具有足够的机械性能；再将陶瓷材料复合在易磨损的部位，使整体具有陶瓷材料的超高耐磨性能，并兼顾钢材良好的机械性能。由于，钢材和陶瓷的物理性能差异较大，特别是热膨胀性能的差异给两种材料的复合带来很大困难，若简单将两者直接进行复合，将会发生自然分层脱离或者使陶瓷层自然碎裂甚至脱落，该项技术问题的解决是关键的。本发明为解决这种难题，采用陶瓷颗粒骨料和陶瓷粉末用粘合剂与钢材相复合(就像混凝土铺路一样)。为保证结合牢固可靠、整体一致，在用钢材制作的金属骨架与陶瓷材料相结合的面上，焊接若干个金属锚固钉或者钻取若干个锚固坑(相当于在地面上打下锚固地桩)，该锚固方法在复合过程中是至关重要的。将不同粒度的陶瓷颗粒、陶瓷粉末及粘合剂(必要时可添加适量的钢纤维和碳纤维等)，以能达到最高密实度的比例相混合，并充分搅拌均匀；再将金属骨架和配制好的陶瓷原料一起放入模具中压实，确保陶瓷原料与金属骨架结合面充分结合，并排除陶瓷原料中的气体；最后使粘合剂得到充分固化。
本发明所述的金属骨架采用价格低廉的普通钢材，并且，在磨损严重部位的用量很少，而价格低廉的陶瓷材料用量则较多，因此，整体的耐磨性能及使用寿命远远高于耐磨高锰钢板、高铬铸铁等优质铁基合金材料。通过在相同条件下实验测定，其使用寿命均在5000小时以上，是高锰钢板的16倍，在同时期内金属铁的磨损量减少96.4％，有效地避免了金属铁杂质对混合物料的影响。充分体现本方案制造的刮刀/板具有使用寿命长、价格低廉、节约资源、无负作用等有益无害的优越效果。
本发明全面实施后，在同等使用条件下刮刀/板的寿命延长10-15倍；资金消耗减少30％；节约优质钢材20000余吨，每年仅消耗普通钢材800余吨、陶瓷材料360吨左右，而陶瓷材料资源丰富、价格低廉；减少停机检修10-15次，提高设备使用效率，降低劳动强度、节约人力资源；无负作用，可简化后续工艺，为使用者带来进一步的潜在效益。
图1是所述超耐磨复合陶瓷刮刀/板结构示意图。
图中1、金属骨架，2、结合面，3、焊接位置，4、陶瓷材料层，5、金属锚固钉，6、锚固坑，7、安装螺栓孔。
具体实施例方式
结合附图，说明本发明的具体实施例。
本发明所述的超耐磨复合陶瓷刮刀/板包括金属骨架1和陶瓷材料层4，陶瓷材料层4利用粘合剂直接复合在金属骨架1的结合面2上，金属骨架1的一端为安装部位，在安装部位上设置有安装螺栓孔7，并在结合面2上设置有锚固坑6；在主抗磨部位，金属骨架1的结合面2上均布有金属锚固钉5，金属锚固钉5和金属骨架1在焊接位置3处焊接固定。金属锚固钉5的高度低于陶瓷材料层4的上平面。
上述的超耐磨复合陶瓷刮刀/板的制备方法实施例如下制备方法实施例1a、整体设计依照使用要求，设计刮刀/板的几何形状及尺寸，在主抗磨部位陶瓷材料层的厚度设置为25mm；辅抗磨部位陶瓷材料层的厚度设置为6mm，并依此设计、制作压实成型模具。
b、金属骨架制作依照混合/搅拌设备使用要求的几何尺寸，采用普通钢材制作刮刀/板的骨架，主抗磨部位采用厚度为8mm钢板；辅抗磨部位设计厚度为16mm，并设置有两个安装螺栓孔。根据主、辅抗磨部位陶瓷材料层厚度的大小，选择在结合面上设置金属锚固钉或锚固坑。在辅抗磨部位钻取若干个锚固坑，其锚固坑的直径为8mm，深度为6mm，约每10cm2钻取一个；在主抗磨部位焊接若干个金属锚固钉，其锚固桩的直径为4mm，锚固钉的高度为20mm，约每15cm2焊接一个；最后，将结合面及锚固钉和锚固坑上的铁锈、油污等彻底清理干净即可。
c、陶瓷材料制备混合/搅拌的物料为SiO2，在常温和碱性环境下工作，陶瓷材料选用其硬度大于SiO2的SiC材料，且主要成分均为Si对物料无负面影响；并选用有机粘合剂。
陶瓷材料粒度的选择以3-5mm的段砂为主骨料，占总量的重量百分比为45％，以1-2mm和0-0.5mm的段砂为辅骨料，分别占总量的重量百分比为25％和15％。选取的陶瓷粉末粒度为200目，占总量的重量百分比为15％。外加粘合剂占陶瓷材料总量的重量百分比为15％。将上述原料按比例放入容器中进行充分混合搅拌均匀。
d、陶瓷材料与金属骨架相复合将制作好的金属骨架放入模具中，把制备好的陶瓷材料依据不同厚度适量摊铺在结合面2上；采用压力机压实；最后进行脱模，将完成复合的刮刀/板取出。
e、固化将完成复合的刮刀/板放入烘炉中加温固化，温度为100℃，时间为9小时；待粘合剂完全固化后出炉，完成整个制造过程。
制备方法实施例2a、整体设计依照使用要求，设计刮刀/板的几何形状及尺寸，在主抗磨部位陶瓷材料层的厚度设置为30mm；辅抗磨部位陶瓷材料层的厚度设置为12mm，并依此设计、制作压实成型模具。
b、金属骨架制作依照设备使用要求的几何尺寸，采用普通钢材制作刮刀/板的骨架，其主抗磨部位采用厚度为8mm钢板；辅抗磨部位设计厚度为20mm，并设置有四个安装螺栓孔。在主抗磨部位焊接若干个金属锚固钉，其锚固钉的直径为4mm，锚固桩的高度为25mm，约每20cm2焊接一个；在辅抗磨部位仍焊接若干个金属锚固钉，其锚固钉的直径为4mm，锚固钉的高度为10mm，约每15cm2焊接一个；；最后，将结合面及锚固钉上的铁锈、油污等彻底清理干净即可。
c、陶瓷材料制备混合/搅拌的物料为氧化铁矿粉，在400℃的无腐蚀性环境下工作，陶瓷材料选用Al2O3刚玉材料，且主要成分对物料后续生产无负面影响；并选用无机粘合剂。
陶瓷材料粒度的选择以8-10mm的段砂为主骨料，占总量的重量百分比为40％，以3-5mm、1-2mm和0-0.5mm三个级别的段砂为辅骨料，分别占总量的重量百分比为25％、18和12％；选取的陶瓷粉末粒度为200目，占总量的重量百分比为5％；外加粘合剂占陶瓷材料总量的重量百分比为16％；并添加占陶瓷材料总量的重量百分比为10％的钢纤维，将上述原料按比例放入容器中进行充分混合搅拌均匀。
d、陶瓷材料与金属骨架相复合将制作好的金属骨架放入模具中，把制备好的陶瓷材料依据不同厚度适量摊铺在结合面2上；采用振动法压实；最后进行脱模，将完成复合的刮刀/板取出。
e、固化将完成复合的刮刀/板放入烘炉中加温固化，温度为280℃，时间为6小时；待粘合剂完全固化后出炉，完成整个制造过程。
制备方法实施例3a、整体设计依照使用要求，设计刮刀/板的几何形状及尺寸，在主抗磨部位陶瓷材料层的厚度设置为15mm；辅抗磨部位陶瓷材料层的厚度设置为6mm，并依此设计、制作压实成型模具。
b、金属骨架制作依照设备使用要求的几何尺寸，采用普通钢材制作刮刀/板的骨架，其主抗磨部位采用厚度为5mm钢板；辅抗磨部位设计厚度为16mm，并设置有两个安装螺栓孔。在主抗磨部位焊接若干个金属锚固钉，其锚固钉的直径为3mm，锚固钉的高度为13mm，约每8cm2焊接一个；在辅抗磨部位钻取若干个锚固坑，其锚固坑的直径为6mm，深度为6mm，约每10cm2钻取一个；最后，将结合面及锚固钉和锚固坑上的铁锈、油污等彻底清理干净即可。
c、陶瓷材料制备混合/搅拌的物料为SiC粉，在常温无腐蚀性环境下工作，陶瓷材料仍选用SiC材料，且主要成分对物料后续生产无负面影响；并选用有机粘合剂。
陶瓷材料粒度的选择以3-5mm的段砂为主骨料，占总量的重量百分比为50％，以1-2mm和0-0.5mm二个级别的段砂为辅骨料，分别占总量的重量百分比为25和10％；选取的陶瓷粉末粒度为200目，占总量的重量百分比为15％；外加粘合剂占陶瓷材料总量的重量百分比为15％；将上述原料按比例放入容器中进行充分混合搅拌均匀。
d、陶瓷材料与金属骨架相复合将制作好的金属骨架放入模具中，把制备好的陶瓷材料依据不同厚度适量摊铺在结合面2上；采用振动法压实；最后进行脱模，将完成复合的刮刀/板取出。
e、固化将完成复合的刮刀/板放在常温下固化，时间为24小时；待粘合剂完全固化后出炉，完成整个制造过程。
权利要求
1.一种超耐磨复合陶瓷刮刀/板，其特征是其包括金属骨架(1)和陶瓷材料层(4)，陶瓷材料层(4)利用粘合剂直接复合在金属骨架(1)的结合面(2)上，金属骨架(1)上分主抗磨部位和辅抗磨部位，在主、辅抗磨部位的结合面(2)上，根据该部位陶瓷材料层(4)厚度的不同均布有金属锚固钉(5)或锚固坑(6)，并在辅抗磨部位上设置有安装螺栓孔(7)。
2.根据权利要求1所述的超耐磨复合陶瓷刮刀/板，其特征是陶瓷材料层(4)的厚度设置为8-40mm时，在金属骨架(1)的结合面(2)上设置金属锚固钉(5)，高度低于陶瓷材料层(4)的上平面。
3.根据权利要求1所述的超耐磨复合陶瓷刮刀/板，其特征是陶瓷材料层(4)厚度为3-15mm时，在金属骨架(1)的结合面(2)上设置锚固坑(6)。
4.根据权利要求1或2或3所述的超耐磨复合陶瓷刮刀/板，其特征是在金属骨架的结合面上同时设置锚固坑和锚固钉，或单独设置锚固坑或单独设置锚固钉。
5.根据权利要求1所述的超耐磨复合陶瓷刮刀/板，其特征是陶瓷材料层(4)是由陶瓷颗粒骨料、陶瓷粉末和粘合剂或添加钢纤维、碳纤维配制的耐磨陶瓷材料。
6.一种如权利要求1所述的超耐磨复合陶瓷刮刀/板的制备方法，其特征是a、超耐磨复合陶瓷刮刀/板的整体设计依照混合/搅拌设备使用要求，设计刮刀/板的几何形状及尺寸。主抗磨部位陶瓷材料层的厚度设置较厚，厚度在8-40mm之间；辅抗磨部位陶瓷材料层的厚度设置较薄，厚度在3-15mm之间。并依此设计、制作压实成型模具；b、金属骨架制作依照混合/搅拌设备使用要求的几何尺寸，采用普通钢材制作刮刀/板的骨架，主抗磨部位厚度在3-10mm之间，辅抗磨部位厚度在6-25mm之间，并设置有安装螺栓孔；陶瓷材料层厚度设置为3-15mm时，在该部位采用钻取若干个锚固坑，其锚固坑的直径为2-12mm，深度为2-12mm，每2-60cm2钻取一个；若陶瓷材料层的厚度设置为8-40mm时，在该部位焊接若干个金属锚固钉，其直径为1-6mm，高度必须小于陶瓷材料层的厚度，每2-60cm2焊接一个；最后，将结合面及锚固钉和锚固坑上的铁锈、油污等彻底清理干净即可；c、陶瓷材料制备根据所混合/搅拌的物料的性质、温度、化学环境等，选取陶瓷材料和粘合剂的品种陶瓷材料要选用其硬度大于或等于物料硬度的材料，且对物料无付面影响的品种；使用温度在300℃以下、且在酸、碱腐蚀性环境下选用有机粘合剂，若高温在500℃以下、且无酸、碱腐蚀性环境下选用无机粘合剂；陶瓷原料的选择以陶瓷颗粒为骨料，以陶瓷粉末为填充物。陶瓷骨料由二至五种级别的陶瓷段砂料所组成，以大颗粒段砂为主骨料，其它中小颗粒段砂为辅骨料，其用量分别能够充满上一砂段颗粒间的空隙为宜，最大颗粒的粒径要小于陶瓷材料层厚度，最小粒径的段砂为0-0.5mm，中小颗粒段砂的粒径，要分别小于上一砂段粒径的二分之一；大颗粒段砂占总量的重量百分比为40-60％，中小颗粒段砂占总量的重量百分比为20-55％；选取的陶瓷粉末粒度为100-300目，占总量的重量百分比为5-20％；外加粘合剂占陶瓷材料总量的重量百分比为5-25％；若物料粒径较大，且相对位移速度较高时可添加钢纤维或碳纤维等能够提高整体强度的细长丝状物质，添加量占陶瓷材料总量的重量百分比为2-15％；将上述原料按比例放入容器中进行充分混合搅拌均匀；d、陶瓷材料与金属骨架相复合将制作好的金属骨架放入模具中，把制备好的陶瓷材料依据不同厚度适量摊铺在金属骨架的结合面上，采用压力机压实或者振动捣打压实。最后进行脱模，将完成复合的刮刀/板取出；e、固化严格按照粘合剂使用说明书的要求，对完成复合的刮刀/板进行固化，待粘合剂完全固化后，即完成超耐磨复合陶瓷刮刀/板的制造过程。
全文摘要
本发明公开了一种超耐磨复合陶瓷刮刀/板及其制备方法，超耐磨复合陶瓷刮刀/板包括金属骨架和陶瓷材料层，陶瓷材料层利用粘合剂直接复合在金属骨架的结合面上，金属骨架上分主抗磨部位和辅抗磨部位，在结合面上均布有金属锚固钉或锚固坑，在辅抗磨部位上设置有安装螺栓孔。制备方法包括金属骨架制作、陶瓷材料制备、复合及固化等四个过程。本发明全面实施后，在同等使用条件下刮刀/板的寿命延长10－15倍；资金消耗减少30％；节约优质钢材20000余吨，每年仅消耗普通钢材800余吨、陶瓷材料360吨左右，而陶瓷材料资源丰富、价格低廉；减少停机检修10－15次，提高设备使用效率，降低劳动强度、节约人力资源；无负作用，可简化后续工艺，为使用者带来进一步的潜在效益。
文档编号B32B7/08GK101053976SQ200710053978
公开日2007年10月17日 申请日期2007年2月12日 优先权日2007年2月12日
发明者杨国兴 申请人:洛阳市涧西区金硕耐磨材料厂