CN101374602A - 生产多材质部件或构件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生产多材质部件或构件的方法，其中，主体(1，7)通过该方法由基础材料及由耐磨材料形成的至少一个耐磨件(3，4，5，9)制成，所述耐磨材料在不大于将被接合的材料的最低熔化温度的80％的温度下接合到所述主体。本发明还包括通过所述方法生产的多材质部件或构件的使用。

Description

生产多材质部件或构件的方法

技术领域

本发明涉及通过生产至少具有两种不同材质的耐磨件而进行的多材质部件或构件的生产，所述耐磨件被相互接合在一起用于提供多材质部件或构件。

背景技术

耐磨构件和部件用在例如用于减小石材、建筑或循环材料尺寸的设备中。在这些过程中，压紧在部件之间或碰撞在构件或部件的表面上的将要被粉碎的材料磨损部件的表面，磨损程度依赖于接触的表面压力、速度、部件表面的材料特性和被粉碎材料的物理特性，比如压缩强度和摩擦学特性。换句话说，将要被粉碎的材料相对于部件的表面移动，并穿透部件的表面，这会影响到对于部件的磨损：相对于部件表面移动的材料引起切割和形成槽，并且穿透表面的材料在所影响的表面上产生毛刺，其作为重复过程的结果，易于通过破裂、疲劳或形成切割而从构件和部件的表面松脱。构件和部件在其不同部分中的及其在设备中的总的磨损强度受限于设备的几何形状、部件的运动状态和将要被粉碎的材料的流动参数。

总体上不仅通过影响设备的几何形状和内部流动条件，还特别地通过选择有利的材料以尽力提高构件和部件的有效使用寿命。当前技术的金属磨损保护材料的摩擦特性基于例如所讨论材料的有利的合金化和粒子的最终添加，并基于生产过程和它的进一步处理，比如热处理，由此作为所有这些因素的综合影响，在它们的微结构中将形成具有优于通常的耐磨性能的相，所述相一般较硬但通常韧度和抗疲劳性较低。由于构件和部件对于除摩擦特性之外的需求，它们通常不能全部由具有上述微结构的材料制成。另一方面，也是为了控制构件和部件的磨损的形成用以例如保持设备的几何形状和内部流动模型，可以要求构件和部件的不同部分由相互不同的材料制成。

用以生产多材质部件的方法必须依据形成该构件的全部材料的要求而几乎毫无例外地适用，由此每种材料达到的特性缺乏各个材料的目标水平，并且构件或部件的最佳可能的性能将无法达到。另一个明显的挑战是在组装过程中及随后对其进行的处理过程中保持工件或部分的尺寸和形状误差，由不同材料形成的工件或部分及其边界将经历组装过程及随后的各种处理。因此相互接触或相互接合的材料的不同行为特性，例如不同的体积变化，能够导致对于构件和部件的损坏。就商业开发而言，多种生产方法将由于上述的要求而被完全排除，或至少使得不合理地更为复杂。

与之相反，依据专利文献JP5317731、JP5317732和JP6079187的方法和磨损零件在生产构件方面进行了尝试，其中试图增加在希望的部分上的磨损，并且因此通过放置低耐磨性的部分到高耐磨性的主体部分而试图控制磨损零件的表面的形成。

在专利文献JP2001165146中公开的磨损零件中，更为耐磨的第二材料被接合用于控制磨损的形成，但仅公开了要求精确的形状和尺寸公差的接合方法，用于生产依据该目标的构件，这就成本效益而言是不合理的。

另外，专利文献JP7323238瞄准了最为优选的用于构件的组装的磨损零件，就功能性而言，其将精确形成的磨损防护件安装到部件主体，因此不能省略昂贵的主体零件和磨损防护件的多阶段生产过程。

专利文献JP2001269589和US 6,123,279公开了磨损零件，其目的在于通过安装耐磨材料到磨损零件的主体上而相应地增加耐磨性能，但是之前通过使用几何外形锁定(form-locking)连接，及要求应用技术需求烦杂并且增加成本的成型方法，该成型方法用于难以加工和难以成形的磨损防护材料，比如依据后面的文献的硬金属，能够实现组装所要求的尺寸和形状精度。

专利文献P2004160360另外公开了耐磨零件必须以一定的用于接合的方式形成(开槽)，这在技术上和经济上对于依据该专利的方法中使用的耐磨材料是无益的。

专利文献WO 03/099443A1公开了多材质构件的生产方法，其中耐磨材料或材料被通过直接热等静压于直接扩散接头或通过使用添加到主体和耐磨件之间的粉末材料而接合到由可加工的材料制成的主体零件。本方法所要求的构件的气密封装，及接合件通常要求至少局部加工的事实增加了部件生产的工作阶段，并极大地增加了使用该经济上有益的方法的生产成本。

发明内容

采用依据本发明的解决方案，通过连接具有较松的尺寸和形状规格的工件进入本体，该本体在使用时就功能性而言将达到优化的形状。

更准确地说，依据本发明的生产方法具有权利要求中的特征部分所陈述的特征，并且采用如本发明的方法生产的多材质部件或构件的使用具有权利要求10的特征部分中所陈述的特征。

附图说明

下面将参考附图结合实例更为详细地描述本发明，在附图中：

图1A示出了依据本发明的多材质部件的基础材料主体，

图1B是沿图1A的基础材料主体的线A-A的截面视图，

图2示出了将被接合到图1A和1B的基础材料主体的材料件，

图3A示出了图1和图2的耐磨件，其被相互接合进入多材质部件，

图3B是沿图3A的多材质部件的线A-A的截面视图，

图4示出了依据本发明的多材质部件的替代基础材料主体，

图5示出了将被接合到图4的基础材料主体的材料件，和

图6示出了图4和5的耐磨件，其被相互接合进入多材质部件。

具体实施方式

在图1A和1B中示出的依据本发明的多材质部件的基础材料主体1包括：由基础材料形成的耐磨件，其具有用于已经形成在基础材料主体的确定位置处的将被接合的耐磨件的接合点，在图1A和1B的实例中的所述接合点为形成在材料表面上的切槽或腔。主体1由铁基(Fe>50％)基础材料制成，基础材料包括相对少量的金属碳化物，优选地小于10％，通过采用适用于各个材料的生产方法，典型地通过铸造，形成包括已经制成的接合点2的形状。

在基础材料主体1的初次加工和最后必须的后处理或加工之后，主体在适当的过程条件下进行热处理，用于实现对于基础材料尽可能有益的机械和摩擦特性。

图2示出了由耐磨材料制成的耐磨件3、4和5，其所在附图的实例由三种不同的材料制成，每种材料具有至少部分地相互不同的特性。由耐磨材料制成的耐磨件3、4和5通过良好地分别适合于每种材料的生产方法制成，比如通过铸造或一些其它的熔融或粉末冶金方法。件3、4和5能够直接制成对应于它们的各自的接合点的最终形状，或在初次加工之后能够对它们进行简单的成形或加工处理用以实现最终形状。

在依据本发明的解决方案中，由耐磨材料制成的耐磨件3、4和5优选地由铁基金属合金制成，金属合金具有的碳含量的重量百分比大于1.9％，硬度大于50HRC，优选地大于54HRC，并且所述合金在其微结构中具有大于10％的金属碳化物的部分，其直径大于3μm。

在依据本发明的解决方案中，多材质构件或将要生产的构件的耐磨材料的体积部分优选地大于4％，并且由耐磨材料生成的最大单件的体积不大于多材质部件或构件的总体积的25％。

在经过初次的和最后的二次工作过程之后，最后在互不相同的处理条件下对耐磨件3、4和5进行热处理，以期为工件提供最为有益的机械和摩擦特性。典型地，耐磨件由铁基合金制成，铁基合金在基微结构中包括比基础材料更大体积的硬质相部分，它的晶粒和颗粒优选地大于基础材料中的以较小的量存在的相同或其它硬质相的晶粒和颗粒。

为了实现基础材料主体1和耐磨件3、4和5的最为有利的机械和摩擦特性，在这些连接方法中，例如在其碳含量或其它的合金元素方面互不相同的铁基合金的硬化和淬火温度依据材料选定，使得由每种材料实现的硬度和韧度尽可能地利于突出于多材质部件的每个零件上而加载使用的目的。

图3A和3B示出了最终的多材质部件，其通过在突出于多材质部件上的基于磨损的最适合点处接合耐磨件3、4和5至基础材料主体1而形成。耐磨件3、4和5已经通过处理被接合到基础材料主体1，其中耐磨件和框架并未形成熔池并且其中，主要地但并不必须地，具有适合厚度的附加材料6的层被提供在耐磨件和主体之间，所述附加材料6在基础材料主体1以及耐磨件3、4和5之间形成接合，并从而把它们全部接合成为组合的多材质构件。适合的附加材料能够在所讨论的多材质构件的所有耐磨件和由基础材料制成的主体之间形成接合，但不会在接合过程所要求的环境中或在构件或部件的使用条件中单独或与接合材料形成有害的反应产物。

除了将要被接合的材料的特性之外，选择附加材料6的重点还在于热动力和动力限制不会阻止附加材料的流动，使得尽管主体和耐磨件生产时采用松的尺寸公差，并且经常是远未完成的形状，它们之间的空隙也将在接合过程中被完全填满或几乎完全填满。考虑到上述的限制，直接与件1、3、4和5的结构对应的熔池焊接或接合浇铸，例如，并不是合适的接合方法。

用于依据本发明的解决方案的附加材料6能够有利地是一些适合的粘合剂，最优选的粘合剂包括：环氧树脂粘合剂；橡胶和环氧树脂混合物；及聚氨酯和环氧树脂混合物。另外，能够通过另外的全部或部分地有机的附加材料实现对应于所述粘合剂的典型公差的机械特性(例如，强度、剪切强度、邵氏硬度和韧度)，该附加材料良好地适用于依据本发明的方法。另外可替代地，能够在过程中使用金属的或基于金属的钎料合金，最为优选地是镍基或铜基钎料或钎料合金，该过程具有不超过将被接合的材料的最低熔点温度的80％的温度和具有局部气体压力的空气环境，所具有的局部气体压力有利于在接头和接合区中形成所希望的组成、微结构和机械特性。但是，本发明的解决方案并不局限于在接合耐磨材料件至基础材料主体中使用附加材料。

从图4到图6示出了依据本发明的解决方案的替代实例，其中基础材料主体7具有锥形形状。用于接合耐磨件9的类似槽的腔8在生产过程中已经形成在基础材料主体7中。最终的多材质部件通过由附加材料10接合耐磨件9到形成在基础材料主体7中的腔而形成。

但是，在依据本发明的解决方案并不局限于使用附加材料用于接合耐磨件到基础材料主体。也能够通过例如通过压力及所产生的材料流动而相互接合件来提供接头，所述压力在过程中被机械地产生或通过将被接合的表面之间的压力承载介质产生，其中将被接合的耐磨件中的温度近似地不超过将被接合的材料的最低熔点温度的60％。

在依据本发明的解决方案中，磨损零件的主体材料的主要功能是承载使用中作用到部件或零件上的机械载荷，并经由支撑表面传递到用作安装基底的装置的框架，由此要求它的材料具有足够的强度、韧度和抗疲劳性。在所述多材质构件和部件中的耐磨损件的功能主要限定于磨损防护，由此它们的特性能够几乎专有地依据该功能所要求的剖面特性进行选择。因此根本的要求特别地在于材料的硬度及其抵抗磨损现象传播的能力，及各个应用的环境所特有的产生的材料变化。在传播的同时，磨损将典型地导致构件或部件材料的沟槽、坑、毛刺、切割或损坏，但采用合适地选择和处理的耐磨材料，这些现象的发生与构件的主体材料及应用中广泛使用的材料相比是较小的。

为了组装耐磨构件或部件，需要从基础材料主体和耐磨件清除表面的比如氧化区的受影响区，或清除杂质，比如由初次生产或随后的工作和/或加工所引起的切削液残留，这些都能够对组装中由主体材料、耐磨损件和附加材料形成的接合区的特性具有恶化影响。为形成接头，用于各个材料对的适合的附加材料作为具有适合厚度的层被添加到主体和如上所述地制备的耐磨件之间。接合过程的参数必须被选择以便过程条件中的附加材料的特性能够使得将被接合的表面被充分湿润并使得附加材料流动，从而在主体和耐磨件之间的间隙被尽可能完全地填满。换句话说，该条件必须不能有助于附加材料与接合中引入的任何材料产生强烈反应。

在依据本发明的解决方案中，耐磨材料的特性和耐磨件的尺寸优选地采用下面的公式确定：

(整个构件的体积的耐磨材料的体积部分的总和/5)+(耐磨材料的HRC硬度与它们体积部分的加权平均值/10)

因此从公式获得的指数应大于6，并且优选地大于10。

采用依据本发明的方法生产的多材质构件和部件良好地适合于用在有需要的应用中的磨损零件中，例如，用以减少石材、建筑材料和/或再循环材料尺寸。

其中，依据本发明的解决方案提供了如下的优点：

(i)通过限制构件和部件中的耐磨材料仅使用在不可避免要进行磨损防护的区域，使得所讨论的产品的生产成本能够减少。

(ii)将要通过依据本发明的解决方案被接合进入多材质部件或构件的单个材料能够分别生产，所采用的方法良好地适合于它们的生产，由此能够实现它们的所希望的技术特性，并具有更高的可靠性，并且结果使得，构件和部件的性能和可靠性将得以提高。

(iii)通过放松组装构件所要求的尺寸和形状公差，能够实现显著的节约。

(iv)通过减少耐磨材料和用于生产耐磨材料所需的原材料的使用，将要生产的构件和部件的生态效率将得以提高。

Claims (10)

1.一种用于生产多材质部件或构件的方法，所述方法包括下面的步骤:

-形成由基础材料制成的主体(1，7)，所述主体包括至少一个接合点(2，8)，该接合点至少用于由耐磨材料形成的一个耐磨件(3，4，5，9)，

-由至少一种耐磨材料形成至少一个耐磨件(3，4，5，9)，其被接合到由基础材料形成的主体(2，8)，

-将由耐磨材料形成的至少一个耐磨件(3，4，5，9)接合到由基础材料形成的主体(2，8)，

其特征在于:由耐磨材料制成的至少一个耐磨件(3，4，5，9)在一定温度被接合到由基础材料形成的主体(1，7)，所述温度不大于将被接合的材料的最低熔点温度的80％。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于:由基础材料形成的主体(2，8)是由铁基合金制成，其中，Fe>50％，微结构中的金属碳化物的部分小于10％。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于:至少一个由耐磨材料制成的耐磨件(3，4，5，9)是由铁基合金制成，该铁基合金具有的碳含量的重量百分比大于1.9％，硬度大于50HRC，优选地大于54HRC，并且所述合金的微结构具有大于10％的金属碳化物的部分，该部分直径大于3μm。

4.如权利要求1到3中的任一项所述的方法，其特征在于:在将要生产的在多材质部件或构件中的耐磨材料(3，4，5，9)的体积部分大于4％。

5.如权利要求1到4中的任一项所述的方法，其特征在于:由耐磨材料制成的最大的单个耐磨件(3，4，5，9)的体积不大于整个多材质部件或构件的体积的25％。

6.如权利要求1到5中的任一项所述的方法，其特征在于:由所述基础材料形成的主体(1，7)和至少一个耐磨材料件(3，4，5，9)通过附加的材料(6，10)相互接合。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于:所述附加材料(6，10)是粘合剂。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于:所述附加材料(6，10)是金属或基于金属的钎料合金。

9.如权利要求1到8中的任一项所述的方法，其特征在于:所述耐磨材料(3，4，5，9)和所述耐磨件的大小的特性由下面的公式确定:

(整个构件的体积中的耐磨材料的体积部分的总和/5)+(耐磨材料的HRC硬度与它们体积部分的加权平均值/10)

使得结果所得指数大于6，优选地大于10。

10.依据权利要求1到9中的任一项所述的方法生产的多材质部件或构件的应用，以减小石材、建筑材料和/或循环材料的尺寸。

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