CN102344265B - 一种机械构件矿铸物及其制备机械构件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种机械构件矿铸物及其制备机械构件的方法，该矿铸物包括集料、胶结料和填充材料，集料占总重量的60%-80%，胶结料占总重量的15%-20%，其余为填充材料；集料是粒径为0.1mm-20mm的花岗岩颗粒；胶结料为环氧树脂、固化剂和稀释剂的混合物，填充材料或者是陶瓷粉、空心玻璃微珠、碳酸钙粉或氧化铝粉。本发明通过在胶结料加入稀释剂和超声搅拌活化使胶结料大幅度降低了表面张力，混料过程中胶结料将集料充分润湿，使混料后的矿铸物成分分布均匀一致，使矿铸物机械构件内部各部分相对均衡的凝固，制备的机械构件矿铸物组织结构均匀，性能一致，综合机械性能高，精度稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于制作机械配件的矿铸物以及采用这种矿铸物制备机械配件的方法，属于机械配件矿铸物技术领域。
背景技术
公开报道的材料显示机械制造领域研究和使用树脂矿物复合材料世纪七十年代就开始了，在瑞士和德国首先进行了人造花岗岩在机械构件上应用。精密、超精密加工代表着一个国家制造领域的尖端技术水平，已成为当今世界各国进行科技、市场乃至军备竞争的一个重要手段，这就要求加工和测量设备具有更高的精度、动态稳定性和热稳定性，树脂矿物复合材料能够满足该方面要求。树脂矿物复合材料生产主要原料为废弃的花岗岩边角下脚料，更于国家提倡的绿色制造，环保节能的大政方针相符和。目前树脂矿物复合材料及其生产方法很多，如中国专利文献CN101381213 公开的《树脂混凝土机床基础配件及其制备方法》和CN1280223C公开的《人造花岗石、大理石机械配件及其制备方法》。但这些材料制备的机械配件存在一些不足，现有制作机械配件的矿铸物一般由集料、填料和胶结料组成，所采用的胶结料是环氧树脂和固化剂的混合物，胶结料和集料的表面张力相差较小，胶结料不能将骨料充分润湿，与集料和填充材料混合后，整个体系粘度很大难以搅拌均匀，环氧树脂在固化过程产生气体，密实过程在振动的条件下进行，不易控制，会有部分料向表面移动产生偏析。并且在混合凝固过程中产生放热反应，在液态和凝固过程各部分放热是不同步的，形成多个热岛，相互影响，造成矿铸物产成品组织结构不均匀、性能也不一致，综合机械性能低，稳定性差，影响树脂矿物复合材料机械构件的应用。
发明内容
本发明针对现有矿铸物制作机械配件技术存在的不足，提供一种综合机械性能好、结构稳定的机械构件矿铸物，同时提供一种通过该矿铸物制备机械构件的方法。
本发明的机械构件矿铸物，包括集料、胶结料和填充材料，集料占总重量的60%-80%，胶结料占总重量的15%-20%，其余为填充材料；集料是粒径为0.1mm-20mm的花岗岩颗粒；胶结料为环氧树脂、固化剂和稀释剂的混合物，其中环氧树脂占胶结料总重量的60%-85%，固化剂占胶结料总重量的10%-30%，其余为稀释剂；填充材料或者是粒径小于5微米的陶瓷粉、空心玻璃微珠或碳酸钙粉，或者是粒径小于5微米的陶瓷粉、空心玻璃微珠和碳酸钙粉按质量比1:1:8的混合配料，或者是粒径为5纳米-10纳米的氧化铝粉。
所述集料中各种粒径的花岗岩颗粒按下表给出的重量配比搭配：
| 花岗岩颗粒尺寸范围，单位mm | 占集料总重量的百分比 |
| 0.1-2 | 8-10 |
| 2-4 | 8-10 |
| 4-9 | 8-10 |
| 9-14 | 10-18 |
| 14-18 | 20-30 |
| 18-20 | 25-35 |
所述环氧树脂为双酚A型环氧树脂。
所述固化剂为胺类固化剂。
所述稀释剂采用环氧丙烷丙烯醚或者环氧丙烷苯基醚，环氧丙烷丙烯醚或者环氧丙烷苯基醚单一选配或者各占质量50%制成混合液。
采用上述机械构件矿铸物制备机械构件的方法，包括以下步骤：
（1）胶结料的制备：将按比例称取的环氧树脂、固化剂和稀释剂混合在一起，并在超声波搅拌机内进行超声搅拌使其活化，制成胶结料；
通过超声搅拌活化的胶结剂能够大幅度降低表面张力；通过在胶结料加入稀释剂和超声搅拌活化使胶结料大幅度降低了表面张力，使胶结料和集料的表面张力差增大，混料过程中胶结料将集料充分润湿，使混料后的矿铸物混合均匀，成分分布一致，且具有较好的流动性。
（2）集料的制备：将不同粒径的花岗岩颗粒按比例配好，加入搅拌设备，搅拌混合均匀，制成集料；
（3）混料：按要求的比例分别称取集料、胶结料和填充料，在集料内加入占胶结料总重量40-50%的胶结料，搅拌混合均匀；然后加入填充料，再次搅拌混合均匀；最后再加入剩余的胶结料，搅拌混合均匀，制成矿铸物；
集料、胶结料和填充料在混合时按照一定的顺序搅拌，先将不同粒径的花岗岩颗粒按比例配好，通过搅拌设备混合均匀，再在集料内加入部分胶结料，与集料一起搅拌混合均匀，然后加入填充料，与混合均匀的集料及部分胶结料一起搅拌混合均匀；最后加入剩余的胶结料，一起搅拌混合均匀，这样制成的矿铸物可以降低胶结剂的使用量，增加密实度；
（4）将混合好的矿铸物浇注到制备机械构件的模具中，浇注过程中进行振动密实，在模具上设置溢流口，通过溢流口将模具内的气体排出并剔除多余的料，这样能够减少偏析，减少内部结构残存的气泡，使机械构件的组织均匀、强度高；
（5）将浇注成型的矿铸物机械构件连同模具一起置入30℃-180℃的温度场内，保温4小时-48小时，使机械构件凝固成型；这样利用外温度场诱发尚未开始反应的部分矿铸物起步，反应慢的部分矿铸物加速反应，在内外温度场的共同作用下（混合凝固过程中机械构件内部产生放热反应），使浇注的矿铸物机械构件内部各部分相对均衡的凝固，提高矿铸物机械构件的组织结构均匀性和性能一致性。
本发明通过在胶结料加入稀释剂和超声搅拌活化使胶结料大幅度降低了表面张力，混料过程中胶结料将集料充分润湿，使混料后的矿铸物成分分布均匀一致，在浇注后的凝固过程中在内外温度场的共同作用下，使矿铸物机械构件内部各部分相对均衡的凝固，制备的机械构件矿铸物组织结构均匀，性能一致，综合机械性能高，精度稳定性好。对制备的机械构件进行检测，其抗压强度129-138MPa，抗拉强度18-22 Mpa；弯曲强度28-32 Mpa；弹性模量：38-45Gpa。生产的磨床床身，在不改变机床其它结构的前提下加工工件表面粗糙度由0.4um提高到0.1um。生产的数控车床床身，在不改变机床其它结构的前提下，车削工件表面粗糙度由1.6um提高到0.4um，并且节约刀具用量30%。附图说明
图1是本发明中的胶结料组成示意图。
图2是本发明中的矿铸物混料示意图。
图3是本发明中的矿铸物浇注示意图。
具体实施方式
实施例1
（1）按占总重量60%、20%和20%的比例分别称取集料、胶结料和填充材料，其中：集料是粒径为0.1mm-20mm的花岗岩颗粒，不同粒径的花岗岩颗粒按下表比例搭配：
| 序 列 | 花岗岩颗粒尺寸范围（mm） | 占集料总重量的百分比 | 备 注 |
| 1 | 0.1-2 | 10 | 干燥 无杂质 |
| 2 | 2-4 | 10 | 干燥 无杂质 |
| 3 | 4-9 | 10 | 干燥 无杂质 |
| 4 | 9-14 | 16 | 干燥 无杂质 |
| 5 | 14-18 | 24 | 干燥 无杂质 |
| 6 | 18-20 | 30 | 干燥 无杂质 |
胶结料为环氧树脂、固化剂和稀释剂的混合物，其中环氧树脂为双酚A型环氧树脂，占总重量的60%，固化剂为胺类固化剂，占总重量的30%，稀释剂为环氧丙烷丙烯醚，占总重量10%；填充材料是粒径小于5微米的陶瓷粉、空心玻璃微珠或碳酸钙粉。
（2）制备胶结料：如图1所示，将环氧树脂、固化剂和稀释剂混合在一起，并在超声波搅拌机内进行超声搅拌使其活化，制成胶结料；
（3）混料：如图2所示，将不同粒径的花岗岩颗粒按步骤（1）中的比例配好，加入搅拌设备，搅拌0.5分钟，混合均匀，制成集料；在集料内加入占胶结料总重量40-50%的胶结料，搅拌1分钟，混合均匀；然后加入填充料，搅拌1分钟，混合均匀；再加入剩余的胶结料，搅拌2分钟，混合均匀，制成矿铸物；
（4）浇注：如图3所示，将混合好的矿铸物浇注到模具中，制成机械构件，浇注过程中进行振动密实，在生产机械构件的模具上设置溢流口，通过溢流口将模具内的气体排出并剔除多余的料减少偏析，减少内部结构残存的气泡。
（5）将浇注成型的矿铸物机械构件连同模具一起置入30℃-50℃的温度场内，保温45-48小时，使机械构件凝固成型。
按上述步骤制成80*80*160mm的样块，进行检测，得到如下统计结果：抗压强度130-135MPa，抗拉强度18-20 Mpa；弯曲强度28-30 Mpa；弹性模量：38-40Gpa；该结果好于现有矿铸物制成的机械构件，完全能够满足机械构件的使用要求。
实施例2
按占总重量70%、18%和12%的比例分别称取集料、胶结料和填充材料，其中：集料是粒径为0.1mm-20mm的花岗岩颗粒；不同粒径的花岗岩颗粒按下表比例搭配：
| 序 列 | 花岗岩颗粒尺寸范围（mm） | 占集料总重量的百分比 | 备 注 |
| 1 | 0.1-2 | 8 | 干燥 无杂质 |
| 2 | 2-4 | 9 | 干燥 无杂质 |
| 3 | 4-9 | 8 | 干燥 无杂质 |
| 4 | 9-14 | 10 | 干燥 无杂质 |
| 5 | 14-18 | 30 | 干燥 无杂质 |
| 6 | 18-20 | 35 | 干燥 无杂质 |
胶结料为环氧树脂、固化剂和稀释剂的混合物，其中环氧树脂为双酚A型环氧树脂，占总重量的75%，固化剂为胺类固化剂，占总重量的20%，稀释剂为环氧丙烷苯基醚，占总重量的5%；填充材料是粒径小于5微米的陶瓷粉、空心玻璃微珠和碳酸钙粉按质量比1:1:8的混合配料。
按与实施例1步骤（2）-（4）同样的方法制成80*80*160mm的样块，将浇注成型的矿铸物机械构件连同模具一起置入80℃-100℃的温度场内，保温35-38小时，使样块凝固成型。对样块进行检测，进行检测，得到如下统计结果：抗压强度129-133MPa，抗拉强度19-22 Mpa；弯曲强度29-31 Mpa；弹性模量：38-41Gpa。
实施例3
按占总重量80%、15%和5%的比例分别称取集料、胶结料和填充材料，其中：集料是粒径为0.1mm-20mm的花岗岩颗粒；不同粒径的花岗岩颗粒按下表比例搭配：
| 序 列 | 花岗岩颗粒尺寸范围（mm） | 占集料总重量的百分比 | 备 注 |
| 1 | 0.1-2 | 9 | 干燥 无杂质 |
| 2 | 2-4 | 9 | 干燥 无杂质 |
| 3 | 4-9 | 9 | 干燥 无杂质 |
| 4 | 9-14 | 18 | 干燥 无杂质 |
| 5 | 14-18 | 30 | 干燥 无杂质 |
| 6 | 18-20 | 25 | 干燥 无杂质 |
胶结料为环氧树脂、固化剂和稀释剂的混合物，其中环氧树脂为双酚A型环氧树脂，占总重量的85%，固化剂为胺类固化剂，占总重量的10%，稀释剂是环氧丙烷丙烯醚和环氧丙烷苯基醚各占质量50%制成的混合液，占总重量的5%；填充材料是粒径为5纳米-10纳米的氧化铝粉。
按与实施例1步骤（2）-（4）同样的方法制成80*80*160mm的样块，将浇注成型的矿铸物机械构件连同模具一起置入160℃-180℃的温度场内，保温4小时-6小时，使样块凝固成型。对样块进行检测，得到如下统计结果：抗压强度131-135MPa，抗拉强度18-21 Mpa；弯曲强度28-31 Mpa；弹性模量：39-43Gpa；该结果好于现有矿铸物制成的机械构件，完全能够满足机械构件的使用要求。
实施例4
按占总重量75%、17%和8%的比例分别称取集料、胶结料和填充材料，其中：集料是粒径为0.1mm-20mm的花岗岩颗粒；不同粒径的花岗岩颗粒按下表比例搭配：
| 序 列 | 花岗岩颗粒尺寸范围（mm） | 占集料总重量的百分比 | 备 注 |
| 1 | 0.1-2 | 9.5 | 干燥 无杂质 |
| 2 | 2-4 | 8 | 干燥 无杂质 |
| 3 | 4-9 | 9.5 | 干燥 无杂质 |
| 4 | 9-14 | 18 | 干燥 无杂质 |
| 5 | 14-18 | 20 | 干燥 无杂质 |
| 6 | 18-20 | 35 | 干燥 无杂质 |
胶结料为环氧树脂、固化剂和稀释剂的混合物，其中环氧树脂为双酚A型环氧树脂，占总重量的70%，固化剂为胺类固化剂，占总重量的15%，稀释剂是环氧丙烷丙烯醚和环氧丙烷苯基醚各占质量50%制成的混合液，占总重量的15%；填充材料是粒径为5纳米-10纳米的氧化铝粉。
按与实施例1步骤（2）-（4）同样的方法制成机械构件。将浇注成型的矿铸物机械构件连同模具一起置入120℃-140℃的温度场内，保温10-12小时，使机械构件凝固成型。生产的磨床床身，经检测，得到如下统计结果：抗压强度为132-138MPa，抗拉强度20-22 Mpa，弯曲强度30-32 Mpa；弹性模量为39-44Gpa；在不改变机床其它结构的前提下加工工件表面粗糙度由0.4um提高到0.1um。
实施例5
按占总重量68%、19%和13%的比例分别称取集料、胶结料和填充材料，其中：集料是粒径为0.1mm-20mm的花岗岩颗粒；不同粒径的花岗岩颗粒按下表比例搭配：
| 序 列 | 花岗岩颗粒尺寸范围（mm） | 重量百分比（%）范围 | 备 注 |
| 1 | 0.1-2 | 9 | 干燥 无杂质 |
| 2 | 2-4 | 10 | 干燥 无杂质 |
| 3 | 4-9 | 10 | 干燥 无杂质 |
| 4 | 9-14 | 14 | 干燥 无杂质 |
| 5 | 14-18 | 29 | 干燥 无杂质 |
| 6 | 18-20 | 28 | 干燥 无杂质 |
胶结料为环氧树脂、固化剂和稀释剂的混合物，其中环氧树脂为双酚A型环氧树脂，占总重量的80%，固化剂为胺类固化剂，占总重量的10%，稀释剂是环氧丙烷丙烯醚和环氧丙烷苯基醚各占质量50%制成的混合液，占总重量的10%；填充材料是粒径小于5微米的陶瓷粉、空心玻璃微珠和碳酸钙粉按质量比1:1:8的混合配料。
按与实施例1步骤（2）-（4）同样的方法制成机械构件。将浇注成型的矿铸物机械构件连同模具一起置入100℃-120℃的温度场内，保温18-20小时，使机械构件凝固成型。生产的数控车床床身，经检测，得到如下统计结果：抗压强度为131-138MPa，抗拉强度19-22 Mpa，弯曲强度30-32 Mpa；弹性模量为40-45Gpa；在不改变数控车床其它结构的前提下，车削的工件表面粗糙度1.6um提高到0.4um，并且节约刀具用量30%。
Claims (2)
1.一种机械构件矿铸物，包括集料、胶结料和填充材料，其特征是：集料占总重量的60%-80%，胶结料占总重量的15%-20%，其余为填充材料；集料是粒径为0.1mm-20mm的花岗岩颗粒；胶结料为环氧树脂、固化剂和稀释剂的混合物，其中环氧树脂占胶结料总重量的60%-85%，固化剂占胶结料总重量的10%-30%，其余为稀释剂；填充材料或者是粒径小于5微米的陶瓷粉、空心玻璃微珠或碳酸钙粉，或者是粒径小于5微米的陶瓷粉、空心玻璃微珠和碳酸钙粉按质量比1:1:8的混合配料，或者是粒径为5纳米-10纳米的氧化铝粉；
所述集料中各种粒径的花岗岩颗粒按下表给出的重量配比搭配：
集料中各种粒径的花岗岩颗粒组分之和为100%。
2.一种权利要求1所述机械构件矿铸物制备机械构件的方法，该机械构件矿铸物包括集料、胶结料和填充材料，集料占总重量的60%-80%，胶结料占总重量的15%-20%，其余为填充材料；集料是粒径为0.1mm-20mm的花岗岩颗粒；胶结料为环氧树脂、固化剂和稀释剂的混合物，其中环氧树脂占胶结料总重量的60%-85%，固化剂占胶结料总重量的10%-30%，其余为稀释剂；填充材料或者是粒径小于5微米的陶瓷粉、空心玻璃微珠或碳酸钙粉，或者是粒径小于5微米的陶瓷粉、空心玻璃微珠和碳酸钙粉按质量比1:1:8的混合配料，或者是粒径为5纳米-10纳米的氧化铝粉；其特征是：包括以下步骤：
（1）胶结料的制备：将按比例称取的环氧树脂、固化剂和稀释剂混合在一起，并在超声波搅拌机内进行超声搅拌使其活化，制成胶结料；
（2）集料的制备：将不同粒径的花岗岩颗粒按比例配好，加入搅拌设备，搅拌混合均匀，制成集料；
（3）混料：按要求的比例分别称取集料、胶结料和填充料，在集料内加入占胶结料总重量40-50%的胶结料，搅拌混合均匀；然后加入填充料，再次搅拌混合均匀；最后再加入剩余的胶结料，搅拌混合均匀，制成矿铸物；
（4）将混合好的矿铸物浇注到制备机械构件的模具中，浇注过程中进行振动密实，在模具上设置溢流口，通过溢流口将模具内的气体排出并剔除多余的料；这样能够减少偏析，减少内部结构残存的气泡，使机械构件的组织均匀、强度高；
（5）将浇注成型的矿铸物机械构件连同模具一起置入30℃-180℃的温度场内，保温4小时-48小时，使机械构件凝固成型；这样利用外温度场诱发尚未开始反应的部分矿铸物起步，反应慢的部分矿铸物加速反应，在内外温度场的共同作用下，使浇注的矿铸物机械构件内部各部分相对均衡的凝固，提高矿铸物机械构件的组织结构均匀性和性能一致性。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |