CN104527125A - 一种平模生物质成型机用金属陶瓷复合结构衬套及氧化铝陶瓷层生长方法 - Google Patents

一种平模生物质成型机用金属陶瓷复合结构衬套及氧化铝陶瓷层生长方法 Download PDF

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Abstract

一种平模生物质成型机用金属陶瓷复合结构衬套及氧化铝陶瓷层生长方法，它涉及一种平模生物质成型机用衬套及陶瓷层生长方法，以解决现有平模生物质成型机用衬套存在制造成本高、耐磨性能差且使用寿命短的问题，它主要由基体和基体表面的氧化铝陶瓷层组成；所述基体主要由制成一体的空心锥形套和环套组成，空心锥形套的大直径端的外侧面固接有一个环套，空心锥形套的上表面与环套的上表面齐平，基体的表面采用微弧氧化生成氧化铝陶瓷层，所述基体为铝或铝合金材料，本发明用于平模生物质成型机。

Description

一种平模生物质成型机用金属陶瓷复合结构衬套及氧化铝陶瓷层生长方法
技术领域
本发明涉及一种平模生物质成型机用衬套及陶瓷层生长方法，具体涉及一种平模生物质成型机用金属陶瓷复合结构衬套及陶瓷层生长方法。
背景技术
生物质成型机是一种将废弃的秸秆转化为可燃烧的生物质能的机械设备，主要是利用压力将秸秆压制成形使之成为具有高热值的燃料，不但可以解决农民燃烧秸秆造成的环境污染，而且又可以成为可以替代煤等化石燃料的可再生能源。但是由于秸秆在成型过程中受到巨大压力，而且反复滚压，与成型模具产生激烈的摩擦，使成型机模盘的成型孔迅速磨损，进而整个模盘报废。因此，一般采用整体金属模孔衬套，防止造价昂贵的成型机模盘过早的报废。但是由于秸秆原材料中含有一定量的沙粒，而秸秆本身也有一定硬度，即使采用热处理钢质金属制成的衬套，其硬度也有限，一般硬度不超过HRC60，衬套使用寿命很短，满足不了生产需要，引起广泛研究。
经文献检索，申请号为201410112815.9，申请日为2014年3月25日的中国发明专利申请提出一种环模秸秆成型机环模衬套及其制造方法，它提出一种在热处理钢质金属表层进行涂层处理的衬套，衬套硬度得到提高，但是涂层很薄，厚度只有2-4μm，耐磨寿命有限，而且在进行涂层加工中，要求很高的基体表面加工精度，导致衬套的涂层处理加工成本较高，实用性低；申请号为201210130479.1，申请日为2012年4月28日的中国发明专利申请提出一种平模瓷管生物质成型机，该发明采用整体陶瓷衬套，但是整体陶瓷衬套烧结过程中容易发生变形，很难再进行二次加工，成品率低，很难保证加工精度，容易造成整体陶瓷衬套与模孔部分区域点接触和间隙配合，所以在工作时，衬套局部压强过大，陶瓷衬套极易发生破裂，局部碎片掉落，衬套由此不完整，加工质量下降。所以整体陶瓷衬套虽然具有很好的耐磨性，但是衬套的使用寿命仍旧较低；申请号为201110070086.1，申请日为2011年3月23日的中国发明专利申请提出一种用于生物质成型机的耐磨非金属成型筒及其制造工艺，该发明将陶瓷成型管与金属套筒通过粘接配合安装，成型管与套筒之间必然存在间隙，陶瓷成型管受力后容易发生破裂，较难推广。因此，迫切需要一种耐磨性好，使用寿命长，成本低的衬套。
发明内容
本发明是为解决现有平模生物质成型机用衬套存在制造成本高、耐磨性能差且使用寿命短的问题，进而提供一种平模生物质成型机用金属陶瓷复合结构衬套及氧化铝陶瓷层生长方法。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
本发明的一种平模生物质成型机用金属陶瓷复合结构衬套主要由基体和基体表面的氧化铝陶瓷层组成；所述基体主要由制成一体的空心锥形套和环套组成，空心锥形套的大直径端的外侧面固接有一个环套，空心锥形套的上表面与环套的上表面齐平，基体的表面采用微弧氧化生成氧化铝陶瓷层，所述基体为铝或铝合金材料，氧化铝陶瓷层的厚度为40微米至130微米。
本发明的一种平模生物质成型机用金属陶瓷复合结构衬套的氧化铝陶瓷层生长方法是按照以下步骤进行：
步骤一、将铝或铝合金试件进行脱脂处理，用离子水洗去试件表面的残留溶液；
步骤二、将铝合金试件固定并连接电源置于盛有电解液的微弧氧化槽中进行处理，正负相电流密度均为4A/dm2-8A/dm2，正负相占空比均为10％-45％，频率为50Hz，反应时间为60-180min，电解液的pH为8-13；
步骤三、反应过程中采用电动搅拌器加速传质，反应过程中电解液温度恒定在25-35℃；
步骤四、反应结束后取出试件用蒸馏水清洗并干燥，即可制得以铝或铝合金为基体的氧化铝陶瓷层。
本发明的有益效果是：一、本发明的衬套采用铝或铝合金基体，突破了采用钢质金属材料制作衬套的传统观念，采用微弧氧化技术在铝或铝合金表面制出超硬陶瓷层，构成复合结构衬套，不同于整体陶瓷材料，具有很好的韧性，不会因为受力过大而崩裂。
二、与钛氮合金等陶瓷涂层相比，本发明衬套表面超硬陶瓷层采用等离子氧化为氧化铝陶瓷层，该陶瓷层为铝或铝合金表面原位生长而成，不仅与铝金属基体结合紧密，而且厚度可以到达上百微米，远远大于在钢质金属表面沉积薄的TiN或TiCN涂层，具有突出的长耐磨寿命优势。氧化铝陶瓷层具有很高硬度和很好的耐磨性。使用寿命相比现有钢制衬套的平均寿命提高了2.6倍以上，平均工作天数提高了3倍以上。
三、本发明衬套采用空心锥形套结构，基体经微弧氧化陶瓷层后零件尺寸变化很小，当衬套内孔陶瓷层磨损后，可以二次利用铝合金基体再次微弧氧化处理，重复利用，降低维护成本。
四、本发明的平模成型机衬套，是一种以铝或铝合金为基体的金属陶瓷复合结构衬套，不仅基体具备铝合金金属韧性，而且工作表面还具有陶瓷硬度高，耐磨性能好的优良性能，在使用中可以提高成型机设备衬套零件的利用率，制造成本降低了40％-60％。
附图说明
图1是本发明的基体和氧化铝陶瓷层复合结构示意图，图2是本发明的基体的工作表面微弧氧化处理后的基体和氧化铝陶瓷层复合结构示意图，图3是本发明的基体的全表面微弧氧化处理后的基体和氧化铝陶瓷层复合结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图3说明，本实施方式的一种平模生物质成型机用金属陶瓷复合结构衬套主要由基体1和基体表面的氧化铝陶瓷层2组成；所述基体1主要由制成一体的空心锥形套1-1和环套1-2组成，空心锥形套1-1的大直径端的外侧面固接有一个环套1-2，空心锥形套1-1的上表面与环套1-2的上表面齐平，基体1的表面采用微弧氧化生成氧化铝陶瓷层2，所述基体1为铝或铝合金材料，氧化铝陶瓷层2的厚度为40微米至130微米。
具体实施方式二：结合图1-图3说明，本实施方式所述铝合金为LC9铝合金或LY12铝合金。如此设置，硬度大，成分合理，综合性能良好，可进行热处理强化。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明，本实施方式所述氧化铝陶瓷层2主要由疏松层2-1、致密层2-2和过渡层2-3组成，致密层2-2位于疏松层2-1和过渡层2-3之间，过渡层2-3贴靠基体1设置。如此设置，疏松层经过磨损后裸露出致密层，致密层有很高的硬度和耐磨性可以抵御物料的磨损。因此，既可以克服整体金属衬套磨损严重，寿命低的问题，又可以解决了整体陶瓷材料无法保证加工精度容易破碎的问题。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图2-图3说明，本实施方式所述氧化铝陶瓷层2主要由α相氧化铝和γ相氧化铝组成。如此设置，氧化铝陶瓷膜层从外到内γ-Al2O3相逐渐减少，α-Al2O3相逐渐增多，而α-Al2O3相为晶态的超硬相，到致密层的时候α-Al2O3相增多，耐磨性能很高。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式五：结合图2-图3说明，本实施方式所述致密层2-2为α相氧化铝。本实施方式的耐磨性能大幅提高。其它与具体实施方式三相同。
具体实施方式六：结合图2-图3说明，本实施方式的空心锥形套1-1的圆锥角β为3°-5°。如此设置，微弧氧化陶瓷层后零件尺寸变化很小，可以保证衬套与模盘模孔的紧密配合。此外，当衬套内孔陶瓷层磨损后，可以二次利用铝合金基体再次微弧氧化处理，重复利用。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：具体实施方式一、二、五或六的任一个具体实施方式所述的一种平模生物质成型机用金属陶瓷复合结构衬套的氧化铝陶瓷层生长方法是按照以下步骤进行：
步骤一、将铝或铝合金试件进行脱脂处理，用离子水洗去试件表面的残留溶液；
步骤二、将铝合金试件固定并连接电源置于盛有电解液的微弧氧化槽中进行处理，正负相电流密度均为4A/dm2-8A/dm2，正负相占空比均为10％-45％，频率为50Hz，反应时间为60-180min，电解液的pH为8-13；
步骤三、反应过程中采用电动搅拌器加速传质，反应过程中电解液温度恒定在25-35℃；
步骤四、反应结束后取出试件用蒸馏水清洗并干燥，即可制得以铝或铝合金为基体的氧化铝陶瓷层。
本实施方式反应完成的氧化铝陶瓷层由α-Al2O3相和γ-Al2O3相组成，氧化铝陶瓷层从外到内γ-Al2O3相逐渐减少，α-Al2O3相逐渐增多，而α-Al2O3相为晶态的超硬相，到致密层的时候α-Al2O3相增多，耐磨性能很高。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：本实施方式的步骤二中的电解液为NaAlO2、Na3P5O10和CrO3混合液或K2ZrF6和NaH2PO2混合液。上述三种化合物性能稳定，适宜进行微弧氧化处理。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七至八之一不同的是：正负相电流密度均为8A/dm2，正负相占空比均为45％，反应时间为120min。其它与具体实施方式七至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七至九之一不同的是：正相电流密度为8A/dm2，负相电流密度为4A/dm2，正负相占空比均为45％，反应时间为60min。其它与具体实施方式七至九相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式七至十之一不同的是：步骤一采用纯Al作为基体试件，步骤二中的正负相电流密度8A/dm2，正负相占空比均为45％，频率为50Hz，反应时间为120min，NaAlO2溶液中在基体工作表面微弧氧化制备Al2O3陶瓷层。本实施方式的纯Al放电通道中温度不断升高，使γ-Al2O3相都转化为α-Al2O3相，硬度最高，氧化铝陶瓷层厚度达60μm。其它与具体实施方式七至十相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式十一不同的是：步骤一采用LC9铝合金作为基体试件。氧化铝陶瓷层厚度较大，在85μm左右，试验结果如表1。其它与具体实施方式十一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式十一不同的是：步骤一采用LY12铝合金作为基体试件。LY12铝合金陶瓷层有大量γ-Al2O3相和少量α-Al2O3相，在长时间反复烧结过程中有少量的γ-Al2O3相转化为α-Al2O3相膜层厚度最大，接近100μm，试验结果如表1，硬度介于具体实施方式十一和具体实施方式十二之间。其它与具体实施方式十一相同。
具体实施方案十四：本实施方式与具体实施方式十一不同的是：本实施方式是在基体试件整个内外表面均进行微弧氧化处理。陶瓷层覆盖试件整个内外表面，如图3所示。其它与具体实施方式十一相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式十二不同的是：本实施方式是在基体试件整个内外表面均进行微弧氧化处理。陶瓷层覆盖试件整个内外表面，如图3所示。其它与具体实施方式十一相同。
具体实施方案十六：本实施方式与具体实施方式十三不同的是：本实施方式是在基体试件整个内外表面均进行微弧氧化处理。本实施方式的陶瓷层覆盖试件整个内外表面，如图3所示。其它与具体实施方式十三相同。
具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式七至十之一不同的是：步骤一采用LY12铝合金作为基体试件；步骤二、在Na3P5O10和CrO3电解液体系中对基体的工作表面进行微弧氧化处理，Na3P5O10作为成膜稳定剂，CrO3作为成膜着色剂，CrO3浓度为2.5g/L，Na3P5O10浓度为10g/L，负相电流密度为4A/dm2，正相电流密度均为8A/dm2，正负相占空比均为45％，反应时间为60min。本实施方式制备的基体的工作表面的氧化铝陶瓷层，膜层厚度40μm左右。其它与具体实施方式七至十之一相同。
具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式十七不同的是：本实施方式是在基体试件整个内外表面均进行微弧氧化处理。本实施方式的陶瓷层覆盖试件全表面。其它与具体实施方式十七相同。
具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式七至十之一不同的是：步骤一采用LY12铝合金作为基体试件；步骤二、在K2ZrF6和NaH2PO2电解液体系中对LY12铝合金试件的工作表面微弧氧化处理，在浓度8g/L的K2ZrF6中溶液中加6g/L的NaH2PO2，保持正相电流密度为8A/dm2，负相电流密度为12A/dm2，负相占空比为10％，反应时间为180min。本实施方式的火花出现的时间缩短，反应可稳定长时间进行，获得的陶瓷层厚度大，该方式制备得到的基体工作表面的陶瓷层，如图2所示，陶瓷层厚度可达120μm，试验结果如表1。其它与具体实施方式七至十之一相同。
具体实施方式二十：本实施方式与具体实施方式十九不同的是：本实施方式是在基体试件整个内外表面均进行微弧氧化处理。本实施方式的陶瓷层覆盖试件整个内外表面，如图3所示。其它与具体实施方式十九相同。
表1为具体实施方式十二、具体实施方式十三和具体实施方式十九制得的金属陶瓷层复合结构衬套与现有的整体钢质衬套的性能实验数据比对表。
表1：金属陶瓷层复合结构衬套与现有的整体钢质衬套的性能实验数据比对表
名称 实施方式十二 实施方式十三 实施方式十九 钢质衬套
陶瓷层厚度，μm 85 100 120 HRC55-60
累计寿命，h 2125 2408 3060 720
平均工作天数，天 266 301 382 90
提高倍数 1.95 2.34 3.24 —
其中：生物质材料原料为玉米秸秆；平均工作天数按照每天工作8小时折算得出。

Claims (10)

1.一种平模生物质成型机用金属陶瓷复合结构衬套，其特征在于：它主要由基体(1)和基体表面的氧化铝陶瓷层(2)组成；所述基体(1)主要由制成一体的空心锥形套(1-1)和环套(1-2)组成，空心锥形套(1-1)的大直径端的外侧面固接有一个环套(1-2)，空心锥形套(1-1)的上表面与环套(1-2)的上表面齐平，基体(1)的表面采用微弧氧化生成氧化铝陶瓷层(2)，所述基体(1)为铝或铝合金材料，氧化铝陶瓷层(2)的厚度为40微米至130微米。
2.根据权利要求1所述的一种平模生物质成型机用金属陶瓷复合结构衬套，其特征在于：所述铝合金为LC9铝合金或LY12铝合金。
3.根据权利要求1或2所述的一种平模生物质成型机用金属陶瓷复合结构衬套，其特征在于：所述氧化铝陶瓷层(2)主要由疏松层(2-1)、致密层(2-2)和过渡层(2-3)组成，致密层(2-2)位于疏松层(2-1)和过渡层(2-3)之间，过渡层(2-3)贴靠基体(1)设置。
4.根据权利要求1或2所述的一种平模生物质成型机用金属陶瓷复合结构衬套，其特征在于：所述氧化铝陶瓷层(2)主要由α相氧化铝和γ相氧化铝组成。
5.根据权利要求3所述的一种平模生物质成型机用金属陶瓷复合结构衬套，其特征在于：所述致密层(2-2)为α相氧化铝。
6.根据权利要求1所述的一种平模生物质成型机用金属陶瓷复合结构衬套，其特征在于：空心锥形套(1-1)的圆锥角(β)为3°-5°。
7.权利要求1、2、5或6的任一项权利要求所述的一种平模生物质成型机用金属陶瓷复合结构衬套的氧化铝陶瓷层生长方法，其特征在于：该生长方法按照以下步骤进行：
步骤一、将铝或铝合金试件进行脱脂处理，用离子水洗去试件表面的残留溶液；
步骤二、将铝合金试件固定并连接电源置于盛有电解液的微弧氧化槽中进行处理，正负相电流密度均为4A/dm2-8A/dm2，正负相占空比均为10％-45％，频率为50Hz，反应时间为60-180min，电解液的pH为8-13；
步骤三、反应过程中采用电动搅拌器加速传质，反应过程中电解液温度恒定在25-35℃；
步骤四、反应结束后取出试件用蒸馏水清洗并干燥，即可制得以铝或铝合金为基体的氧化铝陶瓷层。
8.根据权利要求7所述的一种平模生物质成型机用金属陶瓷复合结构衬套的氧化铝陶瓷层生长方法，其特征在于：步骤二中的电解液为NaAlO2、Na3P5O10和CrO3或K2ZrF6和NaH2PO2。
9.根据权利要求7所述的一种平模生物质成型机用金属陶瓷复合层结构衬套的氧化铝陶瓷层生长方法，其特征在于：正负相电流密度均为8A/dm2，正负相占空比均为45％，反应时间为120min。
10.根据权利要求7所述的一种平模生物质成型机用金属陶瓷复合层结构衬套的氧化铝陶瓷层生长方法，其特征在于：正相电流密度为8A/dm2，负相电流密度为4A/dm2，正负相占空比均为45％，反应时间为60min。
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