CN107858599B - 一种耐磨增强型风机叶片及其制备方法 - Google Patents

一种耐磨增强型风机叶片及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种耐磨增强型风机叶片及其制备方法，属于机械技术领域。本发明的风机叶片包括基体和增强层，所述基体由合金钢压铸而成，所述合金钢包括以下质量百分比的组分，26～32％Al，0.06～0.13％C，1.5～3％Cu，0.6～1.0％Si，0.5～1.0％Mn，0.08～0.15％Mg，0.2～0.5％Nb，0.02～0.05％Pr，0.05～0.15％Dy，2.5～3.6％AlN，余量为Fe。本发明制得的风机叶片力学性能优良、磨擦性能优良，使用寿命长。

Description

一种耐磨增强型风机叶片及其制备方法
技术领域
本发明属于机械技术领域，涉及一种耐磨增强型风机叶片及其制备方法。
背景技术
风机是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的机械。在生产中，尤其是需要排风、鼓风的场所，风机更是得到广泛的应用。在一些空气颗粒物较多的生产场所中使用的风机，如使用在水泥生产场所中的风机，叶片的迎风面经常容易触碰、撞击到颗粒物，导致叶片的磨损，且叶片一旦磨损较为严重，就会破坏风机的动平衡，导致风机轴承振动过大，这些因素都易导致风机的损坏。中国专利文献CN102192169A公开了一种风机，该风机包括一动力扇、一承载座及一从动件。从动件受动力扇的风力而转动，包括一毂部、多个叶片、一环形导流结构及一负载元件。毂部设在承载座上，叶片围设在毂部，环形导流结构围设在叶片末端，负载元件与环形导流结构连接。该文献中风机的不足之处在于不能用于空气颗粒物较多的生产场所，否则无法避免叶轮叶片被划伤，易导致风机工作动平衡被破坏，使风机损坏。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种力学性能优良、使用寿命长的耐磨增强型风机叶片。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：
一种耐磨增强型风机叶片，所述风机叶片包括基体和增强层，所述基体由合金钢压铸而成，所述合金钢包括以下质量百分比的组分，2.6～3.2％Al，0.06～0.13％C，1.5～3％Cu，0.6～1.0％Si，0.5～1.0％Mn，0.08～0.15％Mg，0.2～0.5％Nb，0.02～0.05％Pr，0.05～0.15％Dy，2.5～3.6％AlN，余量为Fe。
本发明通过合理配伍合金钢的组分及其质量百分比，有效提高了合金钢的硬度、抗压强度和抗冲击性能。本发明的合金钢中Al含量较高，有助于提高合金钢的流动性，提高其可压铸性，并且有助于降低摩擦系数。Cu有助于提高基体合金钢的散热性能，减少晶间腐蚀；但是Cu含量过高，会使压铸件的尺寸和机械强度因时效而发生变化，并且降低合金钢的可延伸性。本发明中的Mg与Si形成Mg2Si硬质相存在于合金钢中以提高合金钢的硬度和耐磨性，但是该硬质相过多会降低合金钢的强度和抗冲击韧性，并且Mg2Si硬质相尺寸粗大，分布不均匀。本发明中Mn能够增强合金钢的强度和韧性，并具有细化合金钢基体晶粒的作用。本发明中稀土元素Pr和Dy的添加能够有效细化合金钢基体晶粒，改善合金钢中Mg2Si大小和形状，改善其分布均匀性，进而提高合金钢的强韧性和耐磨性。在常规合金钢中，Mn的固溶度很小，富Mn化合物相分布于晶界或晶界附近，明显降低合金钢的冲击韧性，而适量的Nb和Pr协同作用能够减少此类富Mn化合物相的生成，从而提高合金钢的强度和韧性。稀土含量过高会出现一些针状化合物，降低合金的强韧性。本发明中适量AlN的添加能够显著提高合金钢的强度和韧性，并且能够缩小合金钢结晶温度的范围，避免因Al含量过高(大于30％)引起的铸态组织中的偏析倾向，以及缩孔、缩松的可能性。
作为优选，所述AlN的粒径为1～8μm。
本发明中AlN的粒径保持在上述范围内，能够有效提高合金钢基体的力学性能，并且能提高合金钢基体的摩擦系数和表面粗糙度，有利于增强层在基体上的附着。粒度过大，会对合金钢基体造成撕裂作用，从而降低其力学性能，粒度过小，会降低合金钢的摩擦系数。
作为优选，所述增强层为微晶合金层。
本发明采用微晶合金层作为增强层，微晶合金比其它同类合金具有更加优异的综合机械性能和力学性能、超强的性能稳定性和尺寸稳定性、极好的减磨性和耐磨性。
作为优选，所述增强层包括以下质量百分比的组分，2.6～3.0％Al，2-5％Cr，3.2～5.3％Mo，6.3～9.2％B，0.1～0.2％Bi，5.5～8.6％纳米WC，余量为Fe。
本发明增强层中的Mo改善微晶合金层的延展性、韧性以及耐磨性，并且能提高形变强化后的软化和恢复温度以及再结晶温度，从而提高微晶合金层的热强度，适量的Mo还能提高微晶合金层的抗蚀性能，但是过多的Mo会恶化微晶合金层的抗氧性。本发明增强层中的Cr与B能形成硼Cr化物CrB、Cr2B硬质相，对增强层起强化作用，Cr还能与Al形成金属间化合物起到改善增强层韧性和降低应力腐蚀开裂敏感性的作用。Cr含量过多会降低增强层的伸长率和断面收缩率。本发明中适量Bi的添加能够在增强层的凝固过程中膨胀，有利于补缩，且有利于提高增强层的耐磨性。适量纳米WC弥散分布增强层中起到弥散强化的作用，显著提高了增强层的显微硬度；其次是纳米WC自身硬度很高。纳米WC颗粒小，比表面积大，活性高，具有很高的化学活性，极易与其他原子相结合而形成稳定的化合物，增强层内部颗粒出现微冶金结合，增大了增强层中颗粒之间的润湿程度，促进了增强层内部颗粒的结合，减少增强层中的气孔、提高了增强层的致密性。另外纳米WC熔融性好，在碰到基体表面时变形大，平铺性较好，使得增强层内部结合紧密，进一步提高了致密性。纳米WC含量过高增强层中易出现比重偏析和团聚现象，纳米WC发生团聚增加了材料的局部热失配，造成增强层成分分布不均，整体性能不均衡。
作为优选，所述纳米WC的粒径为30～80nm。
本发明中纳米WC的粒径在上述范围内，在摩擦热的作用下,不容易使磨损颗粒断裂，耐磨性较高，粒径过大，增强层的摩擦系数较高，在使用时会提高增强层的磨损量。
本发明的另一目的在于提高一种耐磨增强型风机叶片的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤，
S1、将合金钢熔炼后压铸制成风机叶片基体；
S2、将增强层的原料熔炼后通过雾化法快速凝固成微晶合金粉末，将微晶合金粉末通过高压成型的方法在风机叶片基体表面形成增强层，制得风机叶片；
S3、对风机叶片进行等离子氮碳共渗，在风机叶片表面形成加强层。
本发明采用压铸工艺，够得到尺寸精度高、强度和硬度高的风机叶片基体；通过在风机叶片基体上形成一层微晶合金增强层，能够显著提高风机叶片的力学性能和摩擦性能；通过对风机叶片进行氮碳共渗，在风机叶片表面生成一层高硬度的化合物层，进一步提高了风机叶片的抗磨损性能和抗腐蚀性能。
作为优选，所述步骤S1中压铸的过程中，将压铸模预热至150～220℃，将熔炼后的合金钢熔液冷却至450～490℃充型到压铸模中，充型率为0～50％时，熔体流速从0匀速增至0.8m/s，时间为0.5～1.0s，充型率为50～100％时，熔体流速从0.8m/s匀速增至3.6m/s，时间为0.6～1.2s，充型结束后保温3～5min，得到压铸铸件，然后将压铸铸件在压铸模型腔中冷却至室温。
本发明在充型前期采用较低的充型速度和增速，在充型后期采用较高的充型速度和增速，从而避免湍流的出现而容易卷入气体和氧化物夹杂，以及导致局部熔体的快速凝固而产生气孔等缺陷；过低的熔体流速会导致熔体降温过快而影响熔体的压铸性能。
作为优选，所述步骤S1中压铸模预热温度从上到下依次分为第一段、第二段、第三段和第四段，第一段、第二段、第三段和第四段的预热温度逐渐增加，第一段的预热温度为150～170℃、第二段的预热温度为170～190℃、第三段的预热温度为190～210℃，第四段的预热温度为210～220℃。
作为优选，所述步骤S1中压铸铸件冷却时压铸模的降温速率从上到下依次分为第一段、第二段、第三段和第四段，第一段、第二段、第三段和第四段的降温速率逐渐增加，第一段的降温速率为30～35℃/min、第二段的降温速率为20～25℃/min、第三段的降温速率为15～20℃/min，第四段的降温速率为10～15℃/min。
本发明在对压铸模预热和对压铸铸件冷却凝固时分别控制温度从上到下逐渐降低，从而形成和强化方向性凝固，控制结晶的方向向中心和向下进行，控制温度可控制结晶方向角度，从而提高了合金钢基体抗高温蠕变和疲劳的能力，以及强度和韧性。
作为优选，所述步骤S3中等离子氮碳共渗的工作气体为乙醇和N2的混合气体。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
通过在合金钢表面形成一层微晶合金增强层，有效提高了风机叶片的力学性能和耐磨性；通过合理配伍风机叶片基体和增强层的组分，进一步提高了基体和增强层的力学性能及摩擦性能，增强了基体和增强层的结合；通过合理优化制备工艺，在增强层表面进行等离子碳氮共渗，提高了风机叶片的强度和抗腐蚀性能。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1～5
实施例1～5中耐磨增强型风机叶片包括基体和增强层，基体由合金钢压铸而成，合金钢包括以下质量百分比的组分，2.6～3.2％Al，0.06～0.13％C，1.5～3％Cu，0.6～1.0％Si，0.5～1％Mn，0.08～0.15％Mg，0.2～0.5％Nb，0.02～0.05％Pr，0.05～0.15％Dy，2.5～3.6％AlN，余量为Fe。
其中，AlN的粒径为1～8μm。
增强层为微晶合金层，增强层包括以下质量百分比的组分，2.6～3.0％Al，2-5％Cr，3.2～5.3％Mo，6.3～9.2％B，0.1～0.2％Bi，5.5～8.6％纳米WC，余量为Fe，纳米WC的粒径为30～80nm。
实施例1～5中合金钢的组分及其他参数如表1和表2所示。
表1：实施例1～5中合金钢的组分及其质量百分比
表2：实施例1～5中增强层的组分及其质量百分比
实施例6
本实施例中耐磨增强型风机叶片的制备方法包括以下步骤，
(1)、按照实施例3中的原料及配比准备原材料，将合金钢熔炼为合金钢熔液，对压铸模进行预热，压铸模预热温度从上到下依次分为第一段、第二段、第三段和第四段，第一段、第二段、第三段和第四段的预热温度逐渐增加，第一段的预热温度为150℃、第二段的预热温度为170℃、第三段的预热温度为190℃，第四段的预热温度为210℃，然后将熔炼好的合金钢熔液冷却至450℃充型到压铸模中，充型率为0～50％时，熔体流速从0匀速增至0.8m/s，时间为0.5s，充型率为50～100％时，熔体流速从0.8m/s匀速增至3.6m/s，时间为0.6s，充型结束后保温3min，得到压铸铸件，然后将压铸铸件在压铸模型腔中冷却至室温，冷却时压铸模的降温速率从上到下依次分为第一段、第二段、第三段和第四段，第一段、第二段、第三段和第四段的降温速率逐渐增加，第一段的降温速率为30℃/min、第二段的降温速率为20℃/min、第三段的降温速率为15℃/min，第四段的降温速率为10℃/min，冷却结束制得风机叶片基体；
(2)、将增强层的原料熔炼后通过雾化法快速凝固成微晶合金粉末，将微晶合金粉末通过高压成型的方法在风机叶片基体表面形成增强层，制得风机叶片；
(3)、对风机叶片进行等离子氮碳共渗，在风机叶片表面形成加强层；等离子氮碳共渗的工作气体为乙醇和N2的混合气体。
实施例7
本实施例中耐磨增强型风机叶片的制备方法包括以下步骤，
(1)、按照实施例3中的原料及配比准备原材料，将合金钢熔炼为合金钢熔液，对压铸模进行预热，压铸模预热温度从上到下依次分为第一段、第二段、第三段和第四段，第一段、第二段、第三段和第四段的预热温度逐渐增加，第一段的预热温度为160℃、第二段的预热温度为180℃、第三段的预热温度为195℃，第四段的预热温度为215℃，然后将熔炼好的合金钢熔液冷却至460℃充型到压铸模中，充型率为0～50％时，熔体流速从0匀速增至0.8m/s，时间为0.7s，充型率为50～100％时，熔体流速从0.8m/s匀速增至3.6m/s，时间为0.9s，充型结束后保温4min，得到压铸铸件，然后将压铸铸件在压铸模型腔中冷却至室温，冷却时压铸模的降温速率从上到下依次分为第一段、第二段、第三段和第四段，第一段、第二段、第三段和第四段的降温速率逐渐增加，第一段的降温速率为32℃/min、第二段的降温速率为23℃/min、第三段的降温速率为17℃/min，第四段的降温速率为12℃/min，冷却结束制得风机叶片基体；
(2)、将增强层的原料熔炼后通过雾化法快速凝固成微晶合金粉末，将微晶合金粉末通过高压成型的方法在风机叶片基体表面形成增强层，制得风机叶片；
(3)、对风机叶片进行等离子氮碳共渗，在风机叶片表面形成加强层；等离子氮碳共渗的工作气体为乙醇和N2的混合气体。
实施例8
本实施例中耐磨增强型风机叶片的制备方法包括以下步骤，
(1)、按照实施例3中的原料及配比准备原材料，将合金钢熔炼为合金钢熔液，对压铸模进行预热，压铸模预热温度从上到下依次分为第一段、第二段、第三段和第四段，第一段、第二段、第三段和第四段的预热温度逐渐增加，第一段的预热温度为165℃、第二段的预热温度为185℃、第三段的预热温度为200℃，第四段的预热温度为215℃，然后将熔炼好的合金钢熔液冷却至483℃充型到压铸模中，充型率为0～50％时，熔体流速从0匀速增至0.8m/s，时间为0.8s，充型率为50～100％时，熔体流速从0.8m/s匀速增至3.6m/s，时间为1.0s，充型结束后保温4min，得到压铸铸件，然后将压铸铸件在压铸模型腔中冷却至室温，冷却时压铸模的降温速率从上到下依次分为第一段、第二段、第三段和第四段，第一段、第二段、第三段和第四段的降温速率逐渐增加，第一段的降温速率为34℃/min、第二段的降温速率为23℃/min、第三段的降温速率为18℃/min，第四段的降温速率为13℃/min，冷却结束制得风机叶片基体；
(2)、将增强层的原料熔炼后通过雾化法快速凝固成微晶合金粉末，将微晶合金粉末通过高压成型的方法在风机叶片基体表面形成增强层，制得风机叶片；
(3)、对风机叶片进行等离子氮碳共渗，在风机叶片表面形成加强层；等离子氮碳共渗的工作气体为乙醇和N2的混合气体。
实施例9
本实施例中耐磨增强型风机叶片的制备方法包括以下步骤，
(1)、按照实施例3中的原料及配比准备原材料，将合金钢熔炼为合金钢熔液，对压铸模进行预热，压铸模预热温度从上到下依次分为第一段、第二段、第三段和第四段，第一段、第二段、第三段和第四段的预热温度逐渐增加，第一段的预热温度为170℃、第二段的预热温度为190℃、第三段的预热温度为210℃，第四段的预热温度为220℃，然后将熔炼好的合金钢熔液冷却至490℃充型到压铸模中，充型率为0～50％时，熔体流速从0匀速增至0.8m/s，时间为1.0s，充型率为50～100％时，熔体流速从0.8m/s匀速增至3.6m/s，时间为1.2s，充型结束后保温5min，得到压铸铸件，然后将压铸铸件在压铸模型腔中冷却至室温，冷却时压铸模的降温速率从上到下依次分为第一段、第二段、第三段和第四段，第一段、第二段、第三段和第四段的降温速率逐渐增加，第一段的降温速率为35℃/min、第二段的降温速率为25℃/min、第三段的降温速率为20℃/min，第四段的降温速率为15℃/min，冷却结束制得风机叶片基体；
(2)、将增强层的原料熔炼后通过雾化法快速凝固成微晶合金粉末，将微晶合金粉末通过高压成型的方法在风机叶片基体表面形成增强层，制得风机叶片；
(3)、对风机叶片进行等离子氮碳共渗，在风机叶片表面形成加强层；等离子氮碳共渗的工作气体为乙醇和N2的混合气体。
实施例10～13
分别按照实施例1、2、4、5的原料及配比准备原材料，按照实施例8的制备方法进行耐磨增强型风机叶片的制备。
对比例1
采用常规合金钢制备风机叶片，其它与实施例8相同。
对比例2
合金钢中AlN粒径为0.9μm，其它与实施例8相同。
对比例3
采用常规压铸的方法制备风机叶片基体，其它与实施例8相同。
对比例4
采用实施例3中的合金钢制成微晶合金粉来形成增强层，其它与实施例8相同。
对比例5
增强层中纳米WC的粒径为85nm，其它与实施例8相同。
将本发明实施例6～13、对比例1～5中制备的耐磨增强型风机叶片的性能进行比较，比较结果如表3～4所示。
表3：实施例6～15、对比例1～3中风机叶片基体性能的比较
表4：实施例6～15、对比例4～5中风机叶片性能的比较
综上所述，本发明通过合理配伍基体合金钢及增强层合金的原料组分，并通过优化制备工艺及其参数，制得力学性能优良的耐磨增强型风机叶片。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1. 一种耐磨增强型风机叶片，其特征在于，所述风机叶片包括基体、增强层和加强层，所述基体由合金钢压铸而成，所述合金钢包括以下质量百分比的组分，2.6~3.2%Al，0.06~0.13%C，1.5~3%Cu， 0.6~1.0%Si，0.5~1.0%Mn，0.08~0.15%Mg，0.2~0.5%Nb，0.02~0.05%Pr，0.05~0.15%Dy，2.5~3.6%AlN，余量为Fe，
所述增强层为微晶合金层，所述增强层包括以下质量百分比的组分，2.6~3.0%Al，2-5%Cr，3.2~5.3%Mo，6.3~9.2%B，0.1~0.2%Bi，5.5~8.6%纳米WC，余量为Fe，所述纳米WC的粒径为30~80nm。
2.根据权利要求1所述的耐磨增强型风机叶片，其特征在于，所述AlN的粒径为1~8μm。
3.一种如权利要求1~2任一权利要求所述耐磨增强型风机叶片的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤，
S1、将合金钢熔炼后压铸制成风机叶片基体；
S2、将增强层的原料熔炼后通过雾化法快速凝固成微晶合金粉末，将微晶合金粉末通过高压成型的方法在风机叶片基体表面形成增强层，制得风机叶片；
S3、对风机叶片进行等离子氮碳共渗，在风机叶片表面形成加强层。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中压铸的过程中，将压铸模预热至150~220℃，将熔炼后的合金钢熔液冷却至450~490℃充型到压铸模中，充型率为0~50%时，熔体流速从0匀速增至0.8m/s，时间为0.5~1.0s，充型率为50~100%时，熔体流速从0.8m/s匀速增至3.6m/s，时间为0.6~1.2s，充型结束后保温3~5min，得到压铸铸件，然后将压铸铸件在压铸模型腔中冷却至室温。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中压铸模预热温度从上到下依次分为第一段、第二段、第三段和第四段，第一段、第二段、第三段和第四段的预热温度逐渐增加，第一段的预热温度为150~170℃、第二段的预热温度为170~190℃、第三段的预热温度为190~210℃，第四段的预热温度为210~220℃。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中压铸铸件冷却时压铸模的降温速率从上到下依次分为第一段、第二段、第三段和第四段，第一段、第二段、第三段和第四段的降温速率逐渐减小，第一段的降温速率为30~35℃/min、第二段的降温速率为20~25℃/min、第三段的降温速率为15~20℃/min，第四段的降温速率为10~15℃/min。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中等离子氮碳共渗的工作气体为乙醇和N2的混合气体。
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