CN104089175A - 一种仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面及其形成方法，耦合仿生表面是在球墨铸铁或灰铸铁表面形成有仿生凸起结构，是在球墨铸铁或灰铸铁表面形成有仿生凸起结构，所述的仿生凸起结构是由条形凸起和球形凸起组成，所述的条形凸起是仿沙漠蝎子背甲棱纹凸起结构；本发明之形成方法可以在现有球墨铸铁部件的生产工艺基础上，通过简单的工艺改良，提高了部件的耐磨性和疲劳性能；本发明之仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面可提高表面耐磨性3-22％；同时由于仿生表面结构具有梯度的材料构成方式，形成表面压应力，抑制了疲劳裂纹的扩展，提高了部件的疲劳性能，本发明之仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面可提高表面疲劳性能2-11％。

Description

一种仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面及其形成方法

技术领域

本发明涉及一种仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面及其形成方法。更具体的说，本发明涉及一种可提高球墨铸铁材料耐磨性和疲劳性能的表面仿生结构的组成和参数，及仿生结构的形成方法。

背景技术

球墨铸铁以其良好的机械性能和低廉的制造成本成为了重要的工程结构材料，获得了广泛的应用。但是由于球墨铸铁的硬度较低，其耐磨损性能较差，同时由于其微观组织中存在的大量球形石墨，导致其疲劳性能较差。

在提高球墨铸铁部件磨损性能和疲劳性能方面，国内外均有专利报道。目前，专利成果主要集中在材料改性和结构优化设计两个方面。

在材料改性方面

一、在材料改性方面：

1、中国专利，申请号：CN201310538659.8，公开日为2014-02-12。发明名称为“一种具有高抗疲劳性能的球墨铸铁合金”，创造描述了一种具有高抗疲劳性能的球墨铸铁合金,其组成按重量百分比为,3.1-3.5％的碳、1.75-2.0％的硅、0.5-0.8％的钼、0.05-0.15％的锰、0.01-0.03％的铬、0.1-0.3％的锡、0.01-0.03％的钛、0.03-0.05％的锆、0.001-0.003％的钇及余量的铁及不可避免的杂质。该合金很好地适用于形成工业气体涡轮机,特别是其压缩机外壳经受400℃和更高的工作温度的气体涡轮机。

2、中国专利，申请号：CN201310539061.0，公开日为2014-02-12。发明名称为“一种具有高耐磨性球墨铸铁合金”，创造描述了一种具有高耐磨性球墨铸铁合金,其组成按重量百分比为,2.1-2.3％的碳、2.8-3.0％的硅、0.1-0.3％的镁、0.02-0.04％的铬、0.003-0.005％的硼、0.1-0.12％的铜、0.001-0.003％的镧系稀土及余量为铁。本发明的球墨铸铁合金适于载重汽车和轿车的轴部件和底盘部件如横拉杆、轮架和转盘轴承,其经受高的机械和动态应力。

二、在结构优化设计方面：

1、中国专利，申请号：CN200810050347.1，公开日为2008-07-23。发明名称为“棱纹型仿生耐磨结构表面”，创造描述了一种仿生耐磨结构表面,特别是涉及一种棱纹型仿生耐磨几何结构表面。本发明是基于土壤洞穴动物穿山甲的鳞片表面具有耐土壤磨料磨损的几何结构特征,其目的是解决现有的与散体物料接触部件的磨损问题。该仿生耐磨结构表面是将原有设备或构件与接触物料的表面改变结构,在表面上增设一系列的具有一定几何参数和间距的棱纹形结构。其仿生耐磨结构形状为：y＝asin(bx+c)。其中,a-振幅,b-频率,c-初相位,0＜a≤12mm,0≤bx-c≤π,0≤x≤20mm。棱纹间距：0＜L＜30mm。本仿生耐磨损结构表面适用于农机触土部件,土方装载机械的装载部件和传送带带面等散体物料的输送部件及其它结构所涉及到的设备和部件。其耐磨损性比光滑表面的耐磨性提高1.2～1.5倍。

但少有将表面结构设计与材料特性相结合，从材料和表面结构两方面结合提高部件耐磨和耐疲劳性能的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面及其形成方法，本发明旨在通过工艺优化和表面结构设计方法，改善球墨铸铁部件局部的显微组织构成，改善摩擦磨损行为；采用仿生学设计方法，通过部件表面结构的优化设计，提高球墨铸铁部件的疲劳性能。

本发明之耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面是在球墨铸铁或灰铸铁表面形成有仿生凸起结构，是在球墨铸铁或灰铸铁表面形成有仿生凸起结构，所述的仿生凸起结构是由条形凸起和球形凸起组成。

所述的条形凸起是仿沙漠蝎子背甲棱纹凸起结构，所述条形凸起的截面外轮廓满足以下数学表达式：

$y=n\{\sin (\frac{\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\θ})+\cos (\frac{\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\θ})\}\·\sin \frac{\mathrm{mx}}{\{\cos (\frac{\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\θ})-\sin (\frac{\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\θ})\}}$

0≤x≤3，y≥0

其中θ为条形凸起外轮廓线与基体的最小夹角，n为条形凸起的高度系数，0.25≤n≤3；m为条形凸起的宽度系数，0.5≤m≤4。

所述球形凸起的外轮廓满足以下数学表达式：

x²+y²+z²＝R² 其中z≥0

其中R为球形凸起的高度，5mm≤R≤30mm，且R与L之间满足以下关系式：

R＝n₁×L其申0.1≤n₁≤0.2。

所述的四条条形凸起组成菱形网格，网格边长为L，15≤L≤200mm；菱形网格的锐角为α，球形凸起位于菱形网格的中心处。

其材料硬度呈梯度分布，由表面向基体材料硬度逐渐降低，所述的仿生凸起结构材料的硬度为基体材料硬度的1.2-2倍。

一种仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面的形成方法包括以下步骤：

(一)熔炼浇铸铁液，铁液原料组成如下：原生铁88％-92％，废钢4％-8％，，硅铁1％-4％。

(二)向铁液中加入铁液质量1％-4％的稀土镁合金球化剂，并孕育0.2-1小时；

(三)将按质量百分比为铜粉10-60％，铁粉15-60％，铬铁矿粉10-55％，铬粉5-15％，锰粉5-15％的混合粉末均匀混合后，在100-800Mpa的压力下压制成厚度为1-2mm的预制块；

(四)制备浇铸用砂型，将预制块固定在砂型上与形成仿生凸起结构相对应的位置上；预制块的作用是迅速提高过冷度，有利于仿生凸起结构形成白口铁；

(五)进行浇铸，浇铸温度1430-1510℃，冷却后脱模并进行表面清理。

本发明与现有技术相比有益效果是：

1、本发明之仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面，是通过对沙漠蝎子背甲棱纹凸起结构的模仿所设计的具有良好耐磨性的仿生表面结构，同时由于仿生表面结构的存在以及在铸造过程中在相应位置放置具有促进铁液白口化转变作用的预制块，使仿生表面结构由高硬度的白口铁和具有高韧性的球墨铸铁或灰口铁组成，提高了部件的耐磨性，实验测试结果表面，本发明之仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面可提高表面耐磨性3-22％；同时由于仿生表面结构具有梯度的材料构成方式，形成表面压应力，抑制了疲劳裂纹的扩展，提高了部件的疲劳性能，本发明之仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面可提高表面疲劳性能2-11％。

2、本发明之仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面的形成方法，可以在现有球墨铸铁部件的生产工艺基础上，通过简单的工艺改良，提高了部件的耐磨性和疲劳性能。

附图说明

图1是本发明的条形凸起截面示意图。

图2是本发明志仿生凸起结构组成示意图。

其中：1-基体，2-球形凸起，3-条形凸起。

具体实施方式

本发明将仿生表面设计、材料特性相结合，通过两种方法的耦合作用，在不提高部件生产成本的前提下，共同提高部件的耐磨性和耐疲劳性能。

本发明所述的仿生表面结构中的条形凸起是源于对沙漠蝎子背甲棱纹凸起结构的模仿，通过在浇铸模具相应位置形成凹槽，在浇铸过程中形成部件表面的仿生结构，同时在浇铸过程中，由于仿生表面结构具有较大的曲率，产生了尖端热效应，促进了局部金属液的冷却与凝固，而在浇铸模具相应位置形成凹槽内放置预置块也可改变局部金属液成分，提高冷却速度，在形成表面仿生结构的同时，改变仿生表面结构局部的材料微观组织结构，提高其硬度和耐磨性。同时由于仿生表面结构的材料与基体材料的微观组织结构存在差异，会形成局部压应力梯度，有利于提高部件表面的耐疲劳性能。

如图1和图2所示，本发明之耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面是在球墨铸铁或灰铸铁表面形成有仿生凸起结构，球墨铸铁或灰铸铁为基体1，所述的仿生凸起结构是由条形凸起3和球形凸起2组成。

所述的条形凸起2是仿沙漠蝎子背甲棱纹凸起结构，所述条形凸起2的截面外轮廓满足以下数学表达式：

$y=n\{\sin (\frac{\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\θ})+\cos (\frac{\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\θ})\}\·\sin \frac{\mathrm{mx}}{\{\cos (\frac{\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\θ})-\sin (\frac{\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\θ})\}}$

0≤x≤3，y≥0

如图1所示，其中θ为条形凸起3外轮廓线与基体1的最小夹角， n为条形凸起3的高度系数，0.25≤n≤3；m为条形凸起3的宽度系数，0.5≤m≤4；所述的四条条形凸起3组成菱形网格，网格边长为L，15≤L≤200mm；菱形网格的锐角为α，球形凸起2位于菱形网格的中心处。

所述球形凸起2的外轮廓满足以下数学表达式：

x²+y²+z²＝R² 其中z≥0

其中R为球形凸起2的高度，5mm≤R≤30mm，且R与L之间满足以下关系式：

R＝n₁×L其申0.1≤n₁≤0.2。

其材料硬度呈梯度分布，由表面向基体1材料硬度逐渐降低，所述仿生凸起结构材料的硬度为基体1材料硬度的1.2-2倍。

本发明之仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面的形成方法包括以下步骤：

(一)熔炼浇铸铁液，铁液原料组成如下：原生铁88％-92％，废钢4％-8％，，硅铁1％-4％。

(二)向铁液中加入铁液质量1％-4％的稀土镁合金球化剂，并孕育0.2-1小时；

(三)将按质量百分比为铜粉10-60％，铁粉15-60％，铬铁矿粉10-55％，铬粉5-15％，锰粉5-15％的混合粉末均匀混合后，在100-800Mpa的压力下压制成厚度为1-2mm的预制块；

(四)制备浇铸用砂型，将预制块固定在砂型上与形成仿生凸起结构相对应的位置上；预制块的作用是提高局部冷却速度和调整局部成分，有利于仿生凸起结构形成白口铁；

(五)进行浇铸，浇铸温度1430-1510℃，冷却后脱模并进行表面清理。

所述的条形凸起3和球形凸起2均是通过在模具相应位置的凹槽形成的，在浇铸之前将具有提高局部冷却速度和调整局部成分作用的预制块固定在凹槽内，在固定好预制块后，将熔炼好铁液浇铸到模具内，冷却后脱模并进行表面清理即可。

由于仿生凸起结构具有较高的曲率，可以提高局部冷却速率，同时在浇铸前放置的预制块可以进一步提高局部的冷却速度，同时预制块内的元素可以促进局部材料的白口化转变，使仿生表面表层形成具有高硬度的白口铁，提高了部件的耐磨性；同时由于仿生表面结构局部形成了白口铁组织，同时芯部由球墨铸铁或灰口铁组成，形成了材料的梯度分布，在表面局部形成了压应力分布，有助于抑制疲劳裂纹的萌生和扩展，提高了部件的疲劳性能。

实施例1：

本发明所述仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面用于搅拌机的搅拌片，仿生凸起结构的条形凸起3截面的特征参数分别为：n＝0.45，m＝1.25；仿生凸起结构的球形凸起2的高度R＝0.4mm；四条条形凸起3组成的菱形网格的特征参数分别为：L＝15mm，

上述搅拌机搅拌片的制备工艺为如下：

(1)熔炼浇铸铁液，铁液原料组成如下：原生铁90％，废钢6％，硅铁4％。

(2)向铁液中加入铁液质量1.5％的稀土镁合金球化剂，并孕育0.5小时；

(3)将按质量百分比为铁粉：60％，铬铁矿粉10％，铬粉15％，锰粉15％的混合粉末均匀混合后，在600Mpa的压力下压制成厚度为1.5mm的预制块。

(4)制备浇铸用砂型，在砂型内表面制备与仿生凸起结构相匹配的凹槽，并将预制块固定在凹槽内。

(5)进行浇铸，浇铸温度1480℃，冷却后脱模并进行表面清理。

与已有搅拌机搅拌片相比，采用上述工艺制备的具有本发明所述仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面的搅拌机搅拌片，在不提高工作功耗的基础上，使用寿命提高15％。

实施例2：

本发明所述仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面用于起垄铲壁，仿生凸起结构的条形凸起3截面的特征参数分别为：n＝0.25，m＝1.75；仿生凸起结构的球形凸起2的高度R＝0.2mm；四条条形凸起3组成的菱形网格的特征参数分别为：L＝10mm，

上述起垄铲壁的制备工艺与实施例1相同

与已有起垄铲壁相比，采用上述工艺制备的具有本发明所述仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面的起垄铲壁，作业阻力降低6％，使用寿命提高11％。

Claims (6)

1.一种耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面，其特征在于：是在球墨铸铁或灰铸铁表面形成有仿生凸起结构，所述的仿生凸起结构是由条形凸起和球形凸起组成。

2.根据权利要求1所述的一种耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面，其特征在于：所述的条形凸起是仿沙漠蝎子背甲棱纹凸起结构，所述条形凸起的截面外轮廓满足以下数学表达式：

$y=n\{\sin (\frac{\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\θ})+\cos (\frac{\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\θ})\}\·\sin \frac{\mathrm{mx}}{\{\cos (\frac{\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\θ})-\sin (\frac{\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\θ})\}}$

0≤x≤3，y≥0

其中θ为条形凸起外轮廓线与基体的最小夹角，n为条形凸起的高度系数，0.25≤n≤3；m为条形凸起的宽度系数，0.5≤m≤4。

3.根据权利要求1所述的一种耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面，其特征在于：所述球形凸起的外轮廓满足以下数学表达式：

x²+y²+z²＝R² 其中z≥0

其中R为球形凸起的高度，5mm≤R≤30mm，且R与L之间满足以下关系式：

R＝n₁×L其申0.1≤n₁≤0.2。

4.根据权利要求1所述的一种耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面，其特征在于：所述的四条条形凸起组成菱形网格，网格边长为L，15≤L≤200mm；菱形网格的锐角为α，球形凸起位于菱形网格的中心处。

5.根据权利要求1所述的一种耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面，其特征在于：所述的仿生凸起结构材料的硬度为基体材料硬度的1.2-2倍。

6.一种权利要求1所述的仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面的形成方法，该方法包括以下步骤：

(一)熔炼浇铸铁液，铁液原料组成如下：原生铁88％-92％，废钢4％-8％，，硅铁1％-4％。

(二)向铁液中加入铁液质量1％-4％的稀土镁合金球化剂，并孕育0.2-1小时；

(三)将按质量百分比为铜粉10-60％，铁粉15-60％，铬铁矿粉10-55％，铬粉5-15％，锰粉5-15％的混合粉末均匀混合后，在100-800Mpa的压力下压制成厚度为1-2mm的预制块；

(四)制备浇铸用砂型，将预制块固定在砂型上与形成仿生凸起结构相对应的位置上；预制块的作用是迅速提高过冷度，有利于仿生凸起结构形成白口铁；

(五)进行浇铸，浇铸温度1430-1510℃，冷却后脱模并进行表面清理。