CN103228381B - 制造受磨元件的方法、受磨元件以及用于制造受磨元件的临时聚集结构 - Google Patents

制造受磨元件的方法、受磨元件以及用于制造受磨元件的临时聚集结构 Download PDF

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Abstract

一种用于制造受磨元件(10)的方法，所述元件包括金属基质(14)和至少一个由硬材料制成的核心(12)。在所述方法的第一步中，一临时聚集结构(17)上设有至少部分张开的孔，并该结构在受热时能挥发或者无论如何都至少能被部分地被去除。第二步，粘合剂与含有硬金属或其前体的金属粉末的液态混合物均匀地分布在所述临时聚集结构(17)的整个内表面和外表面上。第三步，通过受控加热来破坏临时聚集结构(17)，以便至少部分挥发临时聚集结构(17)，进而在核心(12)内部释放容积，并且根据临时聚集结构(17)的构造对混合物进行固化。第四步，所述核心(12)放置于模具(16)中，仅部分地占据模具(16)的空置容积。第五步，其中将熔化的金属材料浇铸至模具(16)中，该金属占据了所述核心(12)内部和外部的空置容积和已被释放出的容积，从而与核心固定并形成一体件。

Description

制造受磨元件的方法、受磨元件以及用于制造受磨元件的临时聚集结构
技术领域
本发明涉及一种制造受磨元件的方法，例如用于对矿物质、建筑残骸废料、金属废料进行破碎或研磨或者用于其他类似处理的工具，以及通过所述方法所得到的受磨元件。
本发明还涉及一种中间支撑结构，其作为该受磨元件的初期制作步骤的一个基底，并且核心是由临时聚集结构获得的。
背景技术
已知有几种制造受磨元件的方法，其中，所述元件大体上包括一具有出色的刚性和稳固性的金属基质，以及一个或多个由具有高耐磨性的陶瓷材料制成的核心。
一种已知方法是通过将熔化的金属材料浇铸或离心铸造至模具中由陶瓷材料制成的插入物或饼状物上来制作受磨元件。
然而，这种已知的方法无法获得这样的元件：其机械特性可适用于任何用途或领域，特别是那些对压力强度和压力连续性等压力性能有特别要求的用途或领域，此外，该元件需要具有硬度、韧性和耐高温性，这些特性无法通过这些已知的方法获得。
另一个已知的方法是通过将熔化的金属材料浇铸至金属氧化物和/或金属碳化物的陶瓷插入物上，该陶瓷插入物表现为通过烧结或热压制成的一带穿孔结构，因此，在浇铸期间，该熔化的金属材料可渗入孔和插入物自身的空隙中。
但是，第二种方法的制作成本比较高，特别是不仅陶瓷插入物的制作和预成型的成本较高，且陶瓷插入物不得不基于所需要的使用形状来进行烧结。
此外，由于需要烧结工艺来保持陶瓷粉末的理想构造，因此插入物成型的可能性是有限的，这导致生产出的产品的构造相对于理想构造而言不是多了就是少了。
在某些情形下，这个缺陷使得生产成本增加，而在其他情形下，使得所制造的元件的质量有所降低。
众所周知，受磨元件源于粉末，用于在基质的浇铸步骤中采用金属材料的热量来形成碳化钛。
本发明的一个目的是完善一种得到受磨元件的方法，受磨元件例如机械构件、研磨工具或破碎工具等，这些元件具有较高的耐磨性和出色的韧性，且能够承受巨大的压力，包括热压力和持久压力。
本发明的另一个目的是完善一种得到受磨元件的方法，相对于已知方法来说成本降低、插入物构造的精度更好，并且机械品质更好。
本发明更进一步的目的是制作一种结构，该结构能制造具有出色的硬度和韧性的受磨元件，该结构还能够克服基于已知的目前工艺水平所制造的元件在制造成本和机械品质方面的缺陷。
申请人已经对本发明进行了设计、测试和实施，本发明克服了目前工艺水平的缺陷并实现前述目的和优点。
发明内容
本发明的在独立权利要求中阐述了本发明并说明了其特征，与此同时，在附属权利要求中对本发明的其他特点以及主要的发明构思进行了说明。
根据上述目的，一种用于制造受磨元件的方法，包括金属基质和至少一个由硬材料制成的核心，其中：
-第一步骤，一临时聚集结构上设有至少部分张开的孔，并且在受热时能够挥发或者无论如何都至少能被部分消除；
-第二步骤，粘合剂与金属粉末的混合物均匀地分布在所述临时聚集结构的整个内表面和外表面上，所述金属粉末含有硬金属或其前体；
-第三步骤，通过受控加热的热作用来破坏所述临时聚集结构，以便使至少一部分的所述临时聚集结构挥发掉，使所述核心释放一些内部容积，与此同时，根据所述临时聚集结构的构造对所述混合物进行固化；
-第四步骤，所述核心放置于模具中，从而仅部分地占据所述模具的空置容积；
-第五步骤，将熔化的金属材料浇铸到所述模具内，该金属占据了所述核心内部和外部的空置容积和已被释放出的容积，从而固定核心并由此形成一体件。
根据本发明，所述核心的几何构造与最终元件或者最终元件的所有部分的需求相一致。
根据本发明，所述临时聚集结构具有一海绵型的相互连通开孔结构，这些开孔在结构中以随机或有序的方式分布。
因此，液态粘合剂和金属粉末的混合物被用于渗入所述临时聚集结构的内部，并且因此基本上覆盖了其中的每一个凹陷。
根据第一实例，所述混合物是通过以下步骤渗入所述临时聚集结构内部的：弹性地挤压所述自身结构，并将其浸入所述液态粘合剂中，然后在粘合剂内让其扩展膨胀。
根据另一个实例，将所述临时聚集结构引入一环境中，在该环境中，首先形成真空，然后再放入所述混合物。
本发明，所述熔化的金属材料既渗入相互连通的孔所形成的空隙中，同时也渗入那些由于消除了所述临时聚集结构而产生的空隙中，这些熔化的金属材料至少部分地包覆金属粉末，或者无论如何都将它们限定在原始的网状位置处。
根据一个实例，如果硬金属或其前体是碳或者包括有碳，那么他们获得一个强度更高的网状结构，或者通过在与所述熔化的金属材料接触中的物理化学反应来获得硬质颗粒。
根据本实例，该结构将制成一个具有连续性、但是硬度上存在变化的核心，金属材料浇铸将使所述核心的网状结构的轮廓清晰。
用具有相互连通的开孔的海绵材料，比如网状结构，制作所述临时聚集结构，使得成本和制造时间相比起已知的解决方案来说要低得多，在这些已知的解决方案中，整个核心以及其支撑物都是通过对氧化物和/或金属碳化物的粉末进行烧结来制作的。
根据本发明的第一配置，这些相互连通的孔的网状结构可以是随机的。
根据另一个配置，所述网状结构可根据三个或三个以上的轴线进行有序地排列。
本发明解决方案进一步的优点是：以比起已知的解决方案来说，更简单和更精确的方式来构造核心，从而确保了在制作所述受磨元件的硬质区域时能有良好精确性。
而且，通过本发明可以轻易地实现所述核心的构造。
还可能的是，甚至可通过改变所述临时聚集结构的类型或者将不同孔的结合结构，来在空间上调整产品或硬质化合物的密度。
根据一个实例，支撑结构由一金属材料制成，比如可锻铸铁等。
根据另一个实例，支撑结构由一聚合物材料制成，比如热固塑料。
这样，可以轻易地对金属粉末进行处理，并且相对于所述受磨元件的容积来说，金属粉末很容易保持正确的、规定的位置和构造，直至浇铸步骤，这样在浇铸结束时，位置和构造依旧可以被保留。
在一个实施例中，所述临时聚集结构是由金属材料制成，该临时聚集结构至少会部分地熔化，并对粉末的混合物进行固化，并保持他们的初始布置，也就是说，在它们被破坏前，在所述核心内释放一些容积。
在另一替代实施例中，支撑结构是由聚合物材料制成的，该结构基本上会完全熔化，并仅保持含有粉末的混合物的原始布置。
根据另一个实例，在所述浇铸步骤结束时，实施热处理步骤，其中至少对所述受磨元件进行一次热处理，从而为受磨元件赋予确定的机械特性和结构特性。
用来制造基质的金属材料优选地是铁基的，即使这种特性对于本发明来说并不重要。在铁基材料的情形下，该材料为锰钢、马氏体或其他。根据一个实例，该材料为铬铸铁或其他类似材料。
根据本发明的另一个实例，在进行金属材料的浇铸之前，砂模和内核心都保持于环境温度下并且没有必要进行加热，从而极大地降低了加热设备的安装成本和供能成本。
附图说明
下面结合附图对作为非限制性实例提出的本实施例的优选形式进行说明，使得本发明的这些和其他特点变得显而易见，其中：
-图1为根据本发明的受磨元件的立体图；
-图2a为图1元件制造方法第一步骤中的沙子模具的横截面图；
-图2b为临时聚集结构的一部分的放大截面示意图；
-图3a为图1元件制造方法第二步骤中的沙子模具的横截面图；
-图3b为临时聚集结构的一部分的放大截面示意图。
为了便于理解，在可能的地方，已采用相同的参考数字来标识附图中相同的普通元件以便于区分。应理解的是，本专利某个形式的实施例的元件和特征可在无需进一步进行解释的情形下被自然的适用到其他形式的实施例中。
具体实施方式
参考图1，一种根据本发明制造的受磨元件10的方法，受磨元件如机械构件、研磨工具或破碎工具等，该受磨元件包括由硬材料制成的核心12或面板，以及金属基质14，该方法包括一个制备核心12和对核心12铸模成型的步骤，其中需要准备一临时聚集结构17，在其上聚集有液态粘合剂与金属粉末的混合物，所述金属粉末含有硬金属或其前体，例如钛、铬、钨、钼或其他金属以单一形式或多个组合的形式被使用。
混合物均匀地聚集在该临时聚集结构17的内表面和外表面上，而该结构具有海绵型的相互连通的开孔结构。
混合物可含有两种或两种以上的金属粉末，基于不同的重量百分比的成分混合可每次都可获得具有确定特性的核心12，核心12所具有的韧性、热扩张性、耐磨性和其他特性要依靠实际需要何种类型的元件10来决定。
该临时聚集结构17由一聚合物材料制成，在本实施例中，临时聚集结构17是由聚合物泡沫制成。但是，也不能排除以下情形：它由任何其他相似的或具有可比性的材料制成，只要这些材料在受热时能挥发。
在本实施例的替代形式中，该临时聚集结构17由一金属材料制成。
无论如何，该临时聚集结构17具有一个几何网状结构，该构造将被赋予给核心12并在核心12上得到构造一致的延续，从而将金属粉末精确地保持在模具16的容积的确定区域中，并且因此，在进行浇铸之后，这些金属粉末也将保持在元件10的容积的确定区域中。
在本案中，混合物中应当采用适当的胶水量来对应金属粉末的用量，胶水与金属粉末的重量百分比优选在1%至3%之间。
在一个实例中，该临时聚集结构17在压缩状态下浸入混合物浴缸中，然后再释放，这样，混合物便渗入所述临时聚集结构17的孔中，从而大体上均匀地分布在该临时聚集结构17上以及相互连通的开孔内。
如图2a所示，在这种条件下，该临时聚集结构17的各部分被粉末13的混合物从外部包覆，并且还借助胶层15以聚集状态一起保持于该临时聚集结构17上。
在核心12的初步铸模成型步骤中，独立的或者一体成形的间隔件18，它们被均匀地放置于该临时聚集结构17的外表面上。
在以下的第一步骤中，带有聚集粉末的混合物的该临时聚集结构17插入至砂模16的内部以便进行浇铸，间隔件18被稳固地定位在模具16的对应侧壁22上。
这些间隔件实质上实现了一个双重优点：它们使得该临时聚集结构17具有自承载特性，无需在该临时聚集结构17的中央处插入一承载框架，这样做的益处就是减少了制造成本和时间；它们将临时聚集结构17限定在合适的位置，进而确定了在模具16内的核心12周围为空置容积。
在将熔化的金属材料浇铸入模具16的内部之前，已通过热作用对临时聚集结构17进行了破坏，比如将带有聚集粉末的混合物的该临时聚集结构17进行升温，从约50°C至约150°C之间的温度，优选为约100°C的温度，上升至约300°C至约800°C之间的温度，优选在约500°C至约700°C之间的温度，温升变化率在约0.5°C/h至约3°C/h之间，优选在约1°C/h至约2°C/h之间。
在临时聚集结构17是由一聚合物材料制成的方案中，当所达到的温度足够时，临时聚集结构17将大体上完全地熔化或挥发，导致在受控加热结束时，核心12的空间被释放，并且只有含有金属粉末的混合物保持着临时聚集结构17原本所赋予其的初始构造。
在临时聚集结构17是由一金属材料制成的方案中，所达到的温度足以用来实现临时聚集结构17的部分熔化，这样在经受控制的加热结束时，核心12内部的容积仍然是自由的，并且，所熔化的部分便充当粘合剂，将金属粉末的混合物保持于临时聚集结构17原本所赋予的初始构造。
就此，熔化的金属材料通过附图中未示出的一浇铸通道被浇铸进来，从而渗入核心12的海绵型结构的空隙中，以包覆粉末或者有可能会与粉末发生反应。
在另一变化的实施例中，最初的支持结构，即临时聚集结构17是由金属制成的，该临时聚集结构17的余留部分与金属材料铸料熔化在一起。
本条件决定了在基质14内部的核心12的融合，从而形成一个整体的两部分，其中，在核心12内的构造将继续延续所述临时聚集结构17的海绵型构造，粉末的网状分布结构将被延续，但结构的硬度会发生变化。
简单地举一个实例，在图3a中，以虚线示出基质14中的核心12的假设形状，截面图为了示出一个理想中的核心12与基质14之间的交汇区域，该截面图刻意地夸大了这部分。
在图3b中示出了与图2b中相同的部分，但图3b显示的是在浇铸了金属材料制成基质14之后的状态。
通过对比可以看出，金属基质14已经完全取代了临时聚集结构17和胶层15。相反，粉末13的位置仍然保持呈网状，并且粉末13的位置较其在临时聚集结构17中的原始分布而言大体上没有发生变化。
优选地，制作模具16的砂采用的是橄榄石，即，硅酸铁和硅酸镁，其不会形成游离二氧化硅且由此也不会引起硅肺病，另外，它还特别适用于熔化金属材料的浇铸。
临时聚集结构17还可借助连接元件24临时地连接到模具16上，比如借助钉子、螺钉等，连接元件被放置在临时聚集结构17与壁22中，从而将临时聚集结构17稳固地固定在间隔件18所限定的位置处。
在浇铸进行之前，临时聚集结构17与模具16都处于环境温度下。
在本实施例中，熔化的金属材料是玛氏体钢。或者选择使用铬铸铁。
在本实施例中，在模具中缓慢地将元件10冷却至低于300°C的温度下，以减少内部张力；然后将其挖出，在约950至1100°C的温度下，优选在100°C的温度下，淬火一段时间，淬火所需的时间取决于元件10的厚度，并且在强制通风或水中或者通过其他已知方法下进行冷却。在优选的方案中，在淬火期间根据一定的温度变化率对元件10逐渐加热约10小时，直至达到950至1100°C，然后再保持该温度约2至6小时。
在元件10被冷却了之后，对其进行压平、较平或其他加工，使得元件10可组装在一破碎件上，例如，磨机的转子上。比如，附图中示出的元件10具有大体上呈平行六面体的形状，但是显然，本发明并不限于这种形状，这是因为形状是取决于元件10之后的应用。
显而易见的是，在不脱离本发明的领域和范围的前提下，可对本方法的步骤或零部件进行修改和/或增加，比如之前所述的临时聚集结构17和受磨元件10.
还显而易见的是，尽管已经结合了某些特定实例来对本发明进行说明，但是本领域的技术人员确定能够实现用于制造受磨元件的方法、受磨元件以及用于制造受磨元件的临时聚集结构的许多其他等同形式，其具有权利要求中所提出的特点并且由此全部落入所限定的保护范围内。

Claims (21)

1.一种制造受磨元件的方法，所述受磨元件包括金属基质(14)和至少一个由硬材料构成的核心(12)，其特征在于，所述方法包括：
-第一步骤，一临时聚集结构(17)上设有至少部分张开的孔，并且在受热时能够挥发或者无论如何都至少能被部分消除；
-第二步骤，粘合剂与金属粉末的液态混合物均匀地分布在所述临时聚集结构(17)的整个内表面和外表面上，所述金属粉末含有硬金属或其前体；
-第三步骤，通过受控加热的热作用来破坏所述临时聚集结构(17)，以便使至少一部分的所述临时聚集结构(17)挥发掉，进而所述核心(12)内被释放出一些容积，并且根据所述临时聚集结构(17)的构造对所述混合物进行固化；
-第四步骤，所述核心(12)放置于模具(16)中，从而仅部分地占据所述模具(16)的空置容积；
-第五步骤，将熔化的金属材料浇铸到所述模具(16)内，该金属占据了所述核心(12)内部和外部的空置容积和已被释放出的容积，从而固定核心并由此形成一体件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述第一步骤中，对所述临时聚集结构(17)地几何构造将以延续的方式体现到所述核心(12)的几何构造上。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述第二步骤中，所述临时聚集结构(17)以弹性压缩的形式陷入所述混合物中，然后释放。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述第二步骤中，所述临时聚集结构(17)先做真空处理，然后再进入所述混合物。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述第三步骤中，加热进行的破坏是将所述临时聚集结构(17)从50℃至150℃之间的温度，加热升温到300℃至800℃之间的温度，升温变化率在0.5℃/h至3℃/h之间。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述的第三步骤中，加热进行的破坏是将所述临时聚集结构(17)从100℃的温度，加热升温到500℃至700℃之间的温度，升温变化率在1℃/h至2℃/h之间。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述第一步骤中，在所述临时聚集结构(17)的外表面上设有间隔件(18)，间隔件(18)凸出于所述外表面。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述第四步骤中，在浇铸所述熔化的金属材料之前，借助连接元件(24)来将所述核心(12)夹紧，所述连接元件被固定在所述模具(16)的壁(22)和所述核心(12)中。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述第五步骤中，在浇铸所述熔化的金属材料之前，所述核心(12)和所述模具(16)都处于环境温度下。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法包括在第六步骤中，对所述元件(10)进行回火处理。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述受磨元件选自如下元件：机械构件、研磨工具、破碎工具。
12.一种用于制造受磨元件的临时聚集结构，所述受磨元件包括金属基质(14)和至少一个由硬材料制成的核心(12)，所述基质(14)是通过将熔化的金属材料浇铸至其中放置有所述核心(12)的模具(16)中来得到的，其特征在于，所述临时聚集结构带有至少部分张开的孔，所述临时聚集结构的几何构造与所述核心(12)的几何构造具有延续性，并且在受热时能够挥发或者无论如何都至少能被部分地消除，此外，在所述临时聚集结构的整个内表面和外表面上均匀地分布有粘合剂与金属粉末的液态混合物，所述金属粉末含有硬金属或其前体。
13.根据权利要求12所述的结构，其特征在于，所述临时聚集结构上设有多个张开的相互连通的孔，这些连通的孔呈空间网状结构。
14.根据权利要求12所述的结构，其特征在于，所述相互连通的孔的位置是随机的。
15.根据权利要求12所述的结构，其特征在于，所述相互连通的孔的位置是有序的。
16.根据权利要求12至15的任一项所述的结构，其特征在于，在所述结构的外表面上设有间隔件(18)，所述间隔件(18)凸出于所述外表面。
17.根据权利要求12至15的任一项所述的结构，其特征在于，所述受磨元件选自如下元件：机械构件、研磨工具、破碎工具。
18.一种受磨元件，包括金属基质(14)和至少一个由硬材料制成的核心(12)，其特征在于，所述核心(12)源于临时聚集结构(17)，所述临时聚集结构上设有至少部分张开的孔，它的几何构造被延续赋予到所述核心(12)的几何构造上，并且能够挥发，或者在受到加热时，在任何情形下都会至少部分地被去除，此外，在其整个内表面和外表面上均匀地分布有粘合剂与金属粉末的液态混合物，金属粉末含有硬金属或其前体。
19.根据权利要求18所述的受磨元件，其特征在于，所述受磨元件选自如下元件：机械构件、研磨工具、破碎工具。
20.一种用于制造受磨元件的由硬材料制成的核心，所述受磨元件包括金属基质(14)，在金属基质(14)内包覆有所述核心(12)，其特征在于，所述核心(12)源于带有至少部分张开的孔的临时聚集结构(17)，它的几何构造被被延续赋予到所述核心(12)的几何构造上，它能够挥发，或者在受到加热时，在任何情形下都会至少部分地被去除，此外，在其整个内表面和外表面上均匀地分布有粘合剂与金属粉末的液态混合物，金属粉末含有硬金属或其前体。
21.根据权利要求20所述的用于制造受磨元件的由硬材料制成的核心，其特征在于，所述受磨元件选自如下元件：机械构件、研磨工具、破碎工具。
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