CN101391297A - 仿生物骨骼结构陶瓷骨架局部增强机械部件耐磨性方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在冲击磨损工况条件下易磨损机械部件的设计与制造加工技术。其目的在于突破传统解决方法，提供一种仿生物骨骼结构陶瓷骨架局部增强机械部件耐磨性方法。具体技术方案是：将选择好的与复合材料区域厚度相同的仿生物骨骼结构陶瓷骨架，置于机械部件的承受磨损的部位，并使机械部件的承受磨损的部位固定在铸型底部；铸造方式采用重力或压力浇铸将金属液浇入铸型，金属液在重力或压力作用下，进入陶瓷材料骨架将其包覆，凝固后形成金属基体包覆仿生物骨骼结构陶瓷骨架的复合材料区域。该方法具有加工工艺简单、性能可靠、成本低等优点。用该方法生产的机械部件可提高机械部件耐磨性能1－3倍，提高生产效率10％，节约成本50％以上。
Description
技术领域
本发明涉及在冲击磨损工况条件下易磨损机械部件的设计与制造加工技术，特别是涉及一种提高其表面耐磨性能的方法。
背景技术
各种破碎物料机械与物料接触的部件，破碎物料时部件(如球磨机衬板、锤式破碎机锤头、顎式破碎机颚板等)所产生的磨损是其失效的主要原因之一。在国内外，主要通过寻求新型抗磨损材料、进行热处理、从结构上进行合理的设计，表面硬化(表面改性)等改善使用性能、提高机械部件质量、延长使用寿命。目前，这些方法都是从整体或整个表面出发解决问题，对这类部件而言，从整体改善看要好都好，不好都不好，存在改善部件的性能用好的材料成本太高，用普通的材料性能又满足不了要求。可以说传统方法提高材料抗疲劳性能是以高额的制造成本为代价，这对耗量很大且表面磨损一定程度后便报废的金属零部件来说，显然是非常大的浪费。另一方面，同种材料的耐磨性和塑性很难兼顾，即材料的耐磨性好其塑性则较差，反之塑性较好其耐磨性变差，而塑性又是保证部件不被破坏的基础，因此实际生产中不得不牺牲耐磨性来保证塑性，不能充分发挥材料的性能，降低了部件的使用寿命。对整个表面进行处理可以避免上述问题。常用的表面硬化技术有化学、激光、电子束热处理、堆焊、喷涂、沉积、镀层等。但这些方法绝大多数处理工期较长，且硬化层厚度较薄，往往在服役中很快被磨损掉，失去了对机械部件本身的保护作用，降低了机械部件在各种工况条件下使用的有效性。而且，工程材料表面硬度的提高也是有限的。国内外也有在部件磨损的局部用使用特殊的材料改善耐磨性，如高铬铸铁和钢包铸的复合锤头、高铬铸铁和高锰钢分层浇铸的复合衬板，其耐磨性能较单一材料部件寿命有一定的提高，但生产工艺复杂，使用中容易在结合面处破坏造成设备的破坏或两种材料结合不好，该项技术还处于进一步开发之中。
发明内容
传统方法受机械部件成型工艺的限制，机械部件一般都由一种材料制造，而机械部件的性能是由材料决定的，机械部件工作时需要多种性能，同一种材料往往很难满足多种性能，在冲击磨损工况条件下使用的易磨损机械部件，要求材料耐磨但又要有非常好的韧性，耐磨性和韧性对同一种材料来说是矛盾的，韧性好耐磨性就差，传统方法一直受其制约。然而，自然界向人们展示出这一问题的另一方面：生物体的骨骼是一种坚硬的结缔组织，其中的骨基质是由有机质和无机质构成。无机质主要为钙盐，成分是羰基磷灰石，硬度高但易碎；有机质由胶原纤维构成，抗压强度差，但韧性好。二者以三维网络状结构有机的结合在一起，使骨组织既具有了坚实的强度又具备了足够的韧性，机械性能和生理功能都得到了极大的提高，成为生物体理想的结构材料，参阅图1(a、b)。
本发明的目的在于突破传统解决方法，在深入研究生物体骨骼结构的基础上，采用仿生原理，提出一种更为合理、行之有效的仿生物骨骼结构陶瓷骨架局部增强机械部件耐磨性方法。
一种仿生物骨骼结构陶瓷骨架局部增强机械部件耐磨性方法，将选择好的与复合材料区域厚度相同的仿生物骨骼结构陶瓷骨架，置于机械部件的承受磨损的部位，并使机械部件的承受磨损的部位固定在铸型底部；铸造方式采用重力或压力浇铸将金属液浇入铸型，金属液在重力或压力作用下，进入陶瓷材料骨架将其包覆，凝固后形成金属基体包覆仿生物骨骼结构陶瓷骨架的复合材料区域；为保证金属液能充分将陶瓷材料骨架包覆，浇铸温度比浇普通铸件高50~100摄氏度，陶瓷骨架网络直径大于10mm时浇铸温度提高50摄氏度，陶瓷骨架网络直径大于6mm小于10mm时浇铸温度提高100摄氏度，陶瓷骨架网络直径小于6mm时采用压力浇铸，浇注压力为3~5大气压。
所述的仿生物骨骼结构陶瓷骨架包括碳化硅、碳化钛或碳化钨骨架，金属基体包括高锰钢、碳钢或低合金钢，仿生物骨骼结构陶瓷骨架网络直径3~15mm，仿生物骨骼结构陶瓷骨架和金属基体间的显微硬度差Hv200～600。
所述的仿生物骨骼结构陶瓷骨架根据机械部件的耐磨性要求进行选择，仿生物骨骼结构陶瓷骨架由需要耐磨性的高低依次选择碳化钨、碳化钛、碳化硅骨架，再由机械部件的性能选择仿生物骨骼结构陶瓷骨架和金属基体的体积分数之比，并由韧性的高低从低到高选择；包覆仿生物骨骼结构陶瓷骨架的金属基体和复合材料区域厚度，由机械部件的使用需求决定。
所述仿生物骨骼结构陶瓷材料骨架和金属基体的体积分数之比为15～45％。
所述的复合材料区域组织是金属基体包覆仿生物骨骼结构陶瓷骨架的双连续相组织，厚度5~50mm。
所述仿生物骨骼结构陶瓷骨架的结构为与生物骨骼结构类似的立体的连续网络泡沫状。
本发明提出的一种新型提高机械部件耐磨性能的方法，将仿生物骨骼结构的陶瓷骨架(参阅图2)，通过铸造的方法包覆在机械部件的表层，在机械部件表面形成特殊区域，它利用陶瓷硬度高耐磨性好的优点提高耐磨性，通过金属基体包覆固定陶瓷骨架不被破坏，使其具有好的韧性抵抗冲击，以达到同时改善机械部件的耐磨性和韧性的目的，有效地提高机械部件的使用寿命。更具体地说，本发明是按照如下方式实现的：根据机械部件不同的使用有效性，选择陶瓷材料和仿生物骨骼结构的陶瓷骨架网络直径及骨架和金属基体的体积分数之比，通过重力铸造或压力铸造的方法，使金属液充填到仿生物骨骼结构陶瓷骨架中，让金属基体和仿生物骨骼结构陶瓷骨架相互包覆，制作成具有不同厚度复合层代替机械部件的被摩擦部分。从而明显提高了机械部件的耐磨性和抗冲击性。
本发明的技术效果是：一种仿生物骨骼结构陶瓷骨架局部增强机械部件耐磨性方法，具有加工工艺简单、性能可靠、成本低等优点。用本发明提出的方法生产机械部件可提高机械部件耐磨性能1-3倍，提高生产效率10％，节约生产成本50％以上。
附图说明
图1(a)生物骨骼形貌；
图1(b)网络状陶瓷形貌；
图2仿生物骨骼结构的陶瓷骨架结构。
具体实施方式
以下将结合表1所示实施例对本发明的具体内容作进一步描述。
表1实施例中的参数及机械部件
| 骨架材料 | 骨架直径 | 骨架和基体的体积之比 | 金属基体材质 | 复合层厚度 | 铸造方式 | 机械部件名称 | |
| 保护范围 | 碳化钨、碳化硅、碳化钛 | 3-15mm | 15-45％ | 高锰钢、低合金钢 | 5-50mm | 重力铸造、压力铸造 | 磨机衬板、颚板、锤头 |
| 例1 | 碳化钨 | 3.5mm | 45％ | 高锰钢 | 5.5mm | 压力铸造 | 磨机衬板 |
| 例2 | 碳化钨 | 8mm | 45％ | 低合金钢 | 5.5mm | 重力铸造 | 磨机衬板 |
| 例3 | 碳化钨 | 15mm | 15％ | 高锰钢 | 50mm | 重力铸造 | 锤头 |
| 例4 | 碳化钨 | 8mm | 30％ | 高锰钢 | 30mm | 重力铸造 | 颚板 |
| 例5 | 碳化硅 | 8mm | 45％ | 高锰钢 | 5.5mm | 重力铸造 | 磨机衬板 |
| 例6 | 碳化硅 | 3.5mm | 45％ | 低合金钢 | 5.5mm | 压力铸造 | 磨机衬板 |
| 例7 | 碳化硅 | 15mm | 15％ | 高锰钢 | 50mm | 重力铸造 | 锤头 |
| 例8 | 碳化硅 | 8mm | 30％ | 高锰钢 | 30mm | 重力铸造 | 颚板 |
| 例9 | 碳化钛 | 3.5mm | 45％ | 高锰钢 | 5.5mm | 压力铸造 | 磨机衬板 |
| 例10 | 碳化钛 | 3.5mm | 45％ | 低合金钢 | 5.5mm | 压力铸造 | 磨机衬板 |
| 例11 | 碳化钛 | 15mm | 15％ | 高锰钢 | 50mm | 重力铸造 | 锤头 |
| 例12 | 碳化钛 | 8mm | 30％ | 高锰钢 | 30mm | 重力铸造 | 颚板 |
实施例1
仿生物骨骼结构的陶瓷骨架材料碳化钨、网络直径3.5mm、骨架和金属基体的体积分数之比45％、厚度5.5mm，将仿生物骨骼结构陶瓷材料骨架置于铸型底部，使用芯撑将其固定。采用压力铸造的方法浇铸高锰钢材料，生产直径2.2m、长度13m，复合材料层厚度5.5mm的水泥球磨机衬板，使用寿命同高锰钢材料衬板相比提高3.1倍。
实施例2
仿生物骨骼结构的陶瓷骨架材料碳化钨、网络直径8mm、骨架和金属基体的体积分数之比45％、厚度5.5mm，将仿生物骨骼结构陶瓷材料骨架置于铸型底部，使用芯撑将其固定。采用重力铸造的方法浇铸35锰硅低合金钢材料，生产直径2.2m、长度13m、复合材料层厚度5.5mm的水泥球磨机衬板，使用寿命同35锰硅低合金钢材料衬板相比提高2.7倍。
实施例3
仿生物骨骼结构的陶瓷骨架材料碳化钨、网络直径15mm、骨架和金属基体的体积分数之比15％、厚度50mm，将仿生物骨骼结构陶瓷材料骨架置于铸型底部，使用芯撑将其固定。采用压力铸造的方法浇铸高锰钢材料，生产工作部长度100mm，复合材料层厚度50mm破碎石灰石的锤头，使用寿命同高锰钢材料锤头相比提高2.3倍。
实施例4
仿生物骨骼结构的陶瓷骨架材料碳化钨、网络直径8mm、骨架和金属基体的体积分数之比30％、厚度30mm，将仿生物骨骼结构陶瓷材料骨架置于铸型底部，使用芯撑将其固定。采用重力铸造的方法浇铸高锰钢材料，生产宽度550mm、长度975mm，复合材料层厚度30mm的颚式破碎机颚板，使用寿命同高锰钢材料衬板相比提高2.9倍。
实施例5
仿生物骨骼结构的陶瓷骨架材料碳化硅、网络直径8mm、骨架和金属基体的体积分数之比45％、厚度5.5mm，将仿生物骨骼结构陶瓷材料骨架置于铸型底部，使用芯撑将其固定。采用重力铸造的方法浇铸高锰钢材料，生产直径2.2m、长度13m，复合材料层厚度5.5mm的水泥球磨机衬板，使用寿命同高锰钢材料衬板相比提高2.1倍。
实施例6
仿生物骨骼结构的陶瓷骨架材料碳化硅、网络直径3.5mm、骨架和金属基体的体积分数之比45％、厚度5.5mm，将仿生物骨骼结构陶瓷材料骨架置于铸型底部，使用芯撑将其固定。采用压力铸造的方法浇铸35锰硅低合金钢材料，生产直径2.2m、长度13m，复合材料层厚度5.5mm的水泥球磨机衬板，使用寿命同35锰硅低合金钢材料衬板相比提高2.3倍。
实施例7
仿生物骨骼结构的陶瓷骨架材料碳化硅、网络直径15mm、骨架和金属基体的体积分数之比15％、厚度50mm，将仿生物骨骼结构陶瓷材料骨架置于铸型底部，使用芯撑将其固定。采用重力铸造的方法浇铸高锰钢材料，生产生产工作部长度100mm，复合材料层厚度50mm破碎石灰石的锤头，使用寿命同高锰钢材料锤头相比提高1.9倍。
实施例8
仿生物骨骼结构的陶瓷骨架材料碳化硅、网络直径8mm、骨架和金属基体的体积分数之比30％、厚度30mm，将仿生物骨骼结构陶瓷材料骨架置于铸型底部，使用芯撑将其固定。采用重力铸造的方法浇铸高锰钢材料，生产宽度550mm、长度975mm，复合材料层厚度30mm的颚式破碎机颚板，使用寿命同高锰钢材料衬板相比提高2.2倍。
实施例9
仿生物骨骼结构的陶瓷骨架材料碳化钛、网络直径3.5mm、骨架和金属基体的体积分数之比45％、厚度5.5mm，将仿生物骨骼结构陶瓷材料骨架置于铸型底部，使用芯撑将其固定。采用压力铸造的方法浇铸高锰钢材料，生产直径2.2m、长度13m，复合材料层厚度5.5mm的水泥球磨机衬板，使用寿命同高锰钢材料衬板相比提高3.0倍。
实施例10
仿生物骨骼结构的陶瓷骨架材料碳化钛、网络直径3.5mm、骨架和金属基体的体积分数之比45％、厚度5.5mm，将仿生物骨骼结构陶瓷材料骨架置于铸型底部，使用芯撑将其固定。采用压力铸造的方法浇铸35锰硅低合金钢材料，生产直径2.2m、长度13m，复合材料层厚度5.5mm的水泥球磨机衬板，使用寿命同35锰硅低合金钢材料衬板相比提高2.7倍。
实施例11
仿生物骨骼结构的陶瓷骨架材料碳化钛、网络直径15mm、骨架和金属基体的体积分数之比15％、厚度50mm，将仿生物骨骼结构陶瓷材料骨架置于铸型底部，使用芯撑将其固定。采用重力铸造的方法浇铸高锰钢材料，生产生产工作部长度100mm，复合材料层厚度50mm破碎石灰石的锤头，使用寿命同高锰钢材料锤头相比提高2.4倍。
实施例12
仿生物骨骼结构的陶瓷骨架材料碳化钛、网络直径8mm、骨架和金属基体的体积分数之比30％、厚度30mm，将仿生物骨骼结构陶瓷材料骨架置于铸型底部，使用芯撑将其固定。采用重力铸造的方法浇铸高锰钢材料，生产宽度550mm、长度975mm，复合材料层厚度30mm的颚式破碎机颚板，使用寿命同高锰钢材料衬板相比提高2.8倍。
Claims (6)
1、一种仿生物骨骼结构陶瓷骨架局部增强机械部件耐磨性方法，其特征在于，将选择好的与复合材料区域厚度相同的仿生物骨骼结构陶瓷骨架，置于机械部件的承受磨损的部位，并使机械部件的承受磨损的部位固定在铸型底部；铸造方式采用重力或压力浇铸将金属液浇入铸型，金属液在重力或压力作用下，进入陶瓷材料骨架将其包覆，凝固后形成金属基体包覆仿生物骨骼结构陶瓷骨架的复合材料区域；为保证金属液能充分将陶瓷材料骨架包覆，浇铸温度比浇普通铸件高50~100摄氏度，陶瓷骨架网络直径大于10mm时浇铸温度提高50摄氏度，陶瓷骨架网络直径大于6mm小于10mm时浇铸温度提高100摄氏度，陶瓷骨架网络直径小于6mm时采用压力浇铸，浇注压力为3~5大气压。
2、根据权利要求1所述的仿生物骨骼结构陶瓷骨架局部增强机械部件耐磨性方法，其特征在于，所述的仿生物骨骼结构陶瓷骨架包括碳化硅、碳化钛或碳化钨骨架，金属基体包括高锰钢、碳钢或低合金钢，仿生物骨骼结构陶瓷骨架网络直径3~15mm，仿生物骨骼结构陶瓷骨架和金属基体间的显微硬度差Hv200～600。
3、根据权利要求1或2所述的仿生物骨骼结构陶瓷骨架局部增强机械部件耐磨性方法，其特征在于，所述的仿生物骨骼结构陶瓷骨架根据机械部件的耐磨性要求进行选择，仿生物骨骼结构陶瓷骨架由需要耐磨性的高低依次选择碳化钨、碳化钛、碳化硅骨架，再由机械部件的性能选择仿生物骨骼结构陶瓷骨架和金属基体的体积分数之比，并由韧性的高低从低到高选择；包覆仿生物骨骼结构陶瓷骨架的金属基体和复合材料区域厚度，由机械部件的使用需求决定。
4、根据权利要求3所述的仿生物骨骼结构陶瓷骨架局部增强机械部件耐磨性方法，其特征在于，所述仿生物骨骼结构陶瓷材料骨架和金属基体的体积分数之比为15～45％。
5、根据权利要求1所述的仿生物骨骼结构陶瓷骨架局部增强机械部件耐磨性方法，其特征在于，所述的复合材料区域组织是金属基体包覆仿生物骨骼结构陶瓷骨架的双连续相组织，厚度5~50mm。
6、根据权利要求1或2所述的仿生物骨骼结构陶瓷骨架局部增强机械部件耐磨性方法，其特征在于，所述仿生物骨骼结构陶瓷骨架的结构为与生物骨骼结构类似的立体的连续网络泡沫状。
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