CN111250708A - 一种挖掘机用耐磨衬套及其制备方法 - Google Patents

一种挖掘机用耐磨衬套及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于复合材料技术领域，具体公开了一种挖掘机用耐磨衬套及其制备方法。本发明的耐磨衬套包括Al‑Si合金、SiC、钨酸钠和耐磨助剂，其中，耐磨助剂包括石墨烯粉末、硅酸镁和硬脂酸；上述原料通过熔融、喷射沉积、退火、加工成型、离子注入以及涂覆即可制备得到所述挖掘机用耐磨衬套，该耐磨衬套的抗拉强度为250‑350MPa、弹性模量为90‑100GPa、密度为2.9‑3.1g/cm3，与用铝合金、碳纤维材料制成的动臂/斗杆具有良好的匹配性，使用效果好。

Description

一种挖掘机用耐磨衬套及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种挖掘机用耐磨衬套及其制备方法。
【背景技术】
挖掘机在建筑、道路施工等领域应用广泛，其动臂、斗杆是挖掘机的核心前端工作部件，而衬套是实现各个部件稳定连接与安全工作的重要零件，为了延长挖掘机的使用寿命、减少维修次数以及提高使用安全性，要求衬套不仅要具有良好的耐磨性与耐腐蚀性，而且要与被连接件之间有良好的性能匹配性。
目前用于挖掘机衬套的材料主要为45钢，其耐磨性相对较低，在使用过程中容易发生磨损失效，且其密度较大，与基于铝合金、碳纤维等材料制成的轻量动臂/斗杆匹配性不佳。
而目前虽然关于耐磨材料的研究也有很多，例如中国发明专利申请CN106424664A碳化硅(金刚砂)复合耐磨材料的生产工艺方法，其通过高温金属液体使得复合材料中的金属成分熔化并牢固的与碳化硅结合，从而在铸件的表面形成耐磨面或耐磨条块，还例如中国发明专利申请CN 108746637A铝硅/铝碳化硅梯度复合材料及其制备方法，其通过铝碳化硅提升了复合材料的强度和模量，从而利于为高功率密度电子器件提供封装保护，但是以上研究均没有涉及适于挖掘机衬套使用的且与铝合金、碳纤维等材料制成的动臂/斗杆具有好的匹配性的相关内容。
【发明内容】
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种挖掘机用耐磨衬套及其制备方法。采用本发明特制的原料组分以及制备方法制备得到的衬套的抗拉强度为250-350MPa、弹性模量为90-100GPa、密度为2.9-3.1g/cm3，其与用铝合金、碳纤维材料制成的动臂/斗杆具有良好的匹配性，使用效果好，利于工程机械结构件轻量化的发展。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种挖掘机用耐磨衬套，包括以下原料组分：Al-Si合金、SiC、钨酸钠、耐磨助剂；其中，Al-Si合金中Si的质量分数为10-20％，所述SiC的颗粒尺寸为8-12μm。
进一步的，所述耐磨衬套中所述SiC的体积分数为10-15％、所述耐磨助剂的体积分数为5-10％、所述钨酸钠的体积分数为0.1-0.3％，余量为Al-Si合金。
进一步的，所述耐磨助剂包括以下重量份的原料组分：石墨烯粉末8-10份、硅酸镁2-3份和硬脂酸1-2份。
进一步的，所述硅酸镁的颗粒尺寸在2-4μm。
进一步的，所述耐磨助剂由以下方法制备得到：将所述石墨烯粉末、所述硅酸镁和所述硬脂酸混合均匀后，置于球磨机中球磨20-30min，得球磨混合物；对所述球磨混合物进行10-15min的超声处理，然后于10-15mA的电流下处理5-10min，即得所述耐磨助剂。
进一步的，所述一种挖掘机用耐磨衬套的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔融：将Al-Si合金放入熔炉中熔融后，加入钨酸钠搅拌均匀，得熔液；
(2)喷射沉积：将上述熔液进行喷射沉积，且在喷射沉积过程同步加入SiC颗粒，得SiCp/Al-Si复合材料锭坯；
(3)退火：将上述SiCp/Al-Si复合材料锭坯于450-480℃下进行退火处理；
(4)加工成型：将退火处理后的SiCp/Al-Si复合材料锭坯通过机加工成型，得耐磨衬套半成品；
(5)离子注入：通过离子注入机向所述耐磨衬套半成品注入铝离子；
(6)涂覆：往上述注入离子后的耐磨衬套半成品表面喷涂耐磨助剂，烘干，即得所述挖掘机用耐磨衬套。
进一步的，步骤(5)中，所述铝离子的注入量为2×1017ions/cm2、注入温度为170-180℃。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)本发明的耐磨衬套由Al-Si合金、SiC、钨酸钠和耐磨助剂这5种原料组分制成，其中，以Al-Si合金和SiC为主要成分，不仅使得衬套的密度仅为钢制衬套密度的1/3左右，可以大幅度降低衬套的重量，利于工程机械结构件的轻量化发展，而且通过在Al-Si合金中加入高硬度的SiC，SiC颗粒均匀进入Al-Si合金中，从而有效增强了衬套的耐磨性；添加的钨酸钠可避免Al-Si合金和SiC混合喷射沉积不均匀形成的孔隙结构，使得Al-Si合金和SiC颗粒之间形成较密实的结合，提升了SiCp/Al-Si复合材料锭坯结构的致密性，在受到磨损介质冲击时，磨损程度趋于均匀，从而有效降低了衬套磨损的程度，进而提高了衬套的耐磨性；而添加的耐磨助剂可与SiCp/Al-Si复合材料粒子的有效结合，从而可在衬套表面相互吸附形成一层硬度高的自润滑层，使得衬套在使用过程中实现自润滑、自修复的功能，从而有效降低了衬套的磨损。
(2)在Al-Si合金和SiC的混合喷射沉积中，SiC颗粒粒径会明显影响两者结合的效果，本发明的发明人发现通过将SiC控制在8-12μm之间，不仅使得SiC颗粒可与Al-Si合金熔液均匀混合，提升材料的均一性，而且在该粒径下SiCp/Al-Si复合材料内部存在的微孔与本发明的耐磨助剂的匹配性佳，从而才可实现SiCp/Al-Si复合材料和耐磨助剂之间有效的相互吸附，有效结合性高，在磨损过程中硬质相颗粒不容易发生脱落，从而提升了衬套的耐磨性。
(3)本发明的耐磨助剂由石墨烯粉末、硅酸镁和硬脂酸这3种原料制成，其中，石墨烯具有独特的纳米层状结构，是一种性能优异的纳米润滑材料，将其作为耐磨助剂的主要成分，可有效提升衬套的自润滑性能，添加的硅酸镁粉末与石墨烯粉末搭配，不仅使得衬套的自润滑效果增强，而且可在衬套使用过程中，在受到磨损介质摩擦时，与SiCp/Al-Si复合材料发生反应，形成新的键合，从而增强了耐磨助剂与SiCp/Al-Si复合材料的结合力，有一定的自修复作用，从而有效降低了衬套在摩擦时的磨损，而添加的硬脂酸首先在球磨时熔融有效吸附于石墨烯粉末颗粒和硅酸镁粉末颗粒的活性表面，屏蔽附聚力，从而使得耐磨助剂整体呈成分均一、分散度佳的状态，然后三者在弱电流的辅助处理下形成微网络物理结构，进而使得耐磨助剂可有效与衬套表面相互作用，牢固结合。
(4)本发明在加工成型得到的耐磨衬套半成品注入了铝离子，不仅提升了衬套的硬度和耐磨性，而且注入的铝离子表面可与耐磨助剂中的硬脂酸形成不可逆吸附，从而使得耐磨助剂与衬套表面的结合更为紧密，没有明显的边界，稳定性高，此外，在2×1017ions/cm2的注入量下，使得衬套表面形成均匀的显微结构，利于耐磨衬套通过该显微结构进入衬套内部的微孔结构，从而形成有效的、稳定的吸附结合，进而大大提升了衬套的耐磨性。
综上，由以上原料组分按本申请的制备方法制备得到的耐磨衬套抗拉强度为250-350MPa、弹性模量为90-100GPa、密度为2.9-3.1g/cm3，其与用铝合金、碳纤维材料制成的动臂/斗杆具有良好的匹配性，使用效果好。
【具体实施方式】
下面将结合具体实施例来对本发明作进一步的说明。
实施例1
一.制备前准备
1)耐磨助剂的制备
(1)按重量份计，称取下列原料组分：石墨烯粉末8份、硅酸镁2份和硬脂酸1份；其中，所述硅酸镁的颗粒尺寸在2μm；
(2)将所述石墨烯粉末、所述硅酸镁和所述硬脂酸混合均匀后，置于球磨机中球磨20min，得球磨混合物；对所述球磨混合物进行10min的超声处理，然后于10mA的电流下处理5min，即得所述耐磨助剂。
二.制备
将上述称取好的耐磨助剂按以下步骤进行挖掘机用耐磨衬套的制备：
(1)按体积百分比计，量取下列原料组分：Al-Si合金84.9％、SiC 10％、钨酸钠0.1％、耐磨助剂5％；其中，Al-Si合金中Si的质量分数为10％，所述SiC的颗粒尺寸为8μm；
(2)熔融：将Al-Si合金放入井式坩埚炉中熔融后，加入钨酸钠搅拌均匀，得熔液；
(3)喷射沉积：将上述熔液进行喷射沉积，且在喷射沉积过程同步加入SiC颗粒，得SiCp/Al-Si复合材料锭坯；
(4)退火：将上述SiCp/Al-Si复合材料锭坯于450℃下进行退火处理；
(5)加工成型：将退火处理后的SiCp/Al-Si复合材料锭坯通过机加工成型，得耐磨衬套半成品；
(6)离子注入：通过离子注入机向所述耐磨衬套半成品注入铝离子，注入量为2×1017ions/cm2、注入温度为170℃；
(7)涂覆：往上述注入离子后的耐磨衬套半成品表面喷涂耐磨助剂，烘干，即得所述挖掘机用耐磨衬套。
实施例2
一.制备前准备
1)耐磨助剂的制备
(1)按重量份计，称取下列原料组分：石墨烯粉末9份、硅酸镁2.5份和硬脂酸1.5份；其中，所述硅酸镁的颗粒尺寸在3μm；
(2)将所述石墨烯粉末、所述硅酸镁和所述硬脂酸混合均匀后，置于球磨机中球磨25min，得球磨混合物；对所述球磨混合物进行12min的超声处理，然后于13mA的电流下处理8min，即得所述耐磨助剂。
二.制备
将上述称取好的耐磨助剂按以下步骤进行挖掘机用耐磨衬套的制备：
(1)按体积百分比计，量取下列原料组分：Al-Si合金80.8％、SiC 12％、钨酸钠0.2％、耐磨助剂7％；其中，Al-Si合金中Si的质量分数为15％，所述SiC的颗粒尺寸为10μm；
(2)熔融：将Al-Si合金放入井式坩埚炉中熔融后，加入钨酸钠搅拌均匀，得熔液；
(3)喷射沉积：将上述熔液进行喷射沉积，且在喷射沉积过程同步加入SiC颗粒，得SiCp/Al-Si复合材料锭坯；
(4)退火：将上述SiCp/Al-Si复合材料锭坯于470℃下进行退火处理；
(5)加工成型：将退火处理后的SiCp/Al-Si复合材料锭坯通过机加工成型，得耐磨衬套半成品；
(6)离子注入：通过离子注入机向所述耐磨衬套半成品注入铝离子，注入量为2×1017ions/cm2、注入温度为175℃；
(7)涂覆：往上述注入离子后的耐磨衬套半成品表面喷涂耐磨助剂，烘干，即得所述挖掘机用耐磨衬套。
实施例3
一.制备前准备
1)耐磨助剂的制备
(1)按重量份计，称取下列原料组分：石墨烯粉末10份、硅酸镁3份和硬脂酸2份；其中，所述硅酸镁的颗粒尺寸在4μm；
(2)将所述石墨烯粉末、所述硅酸镁和所述硬脂酸混合均匀后，置于球磨机中球磨30min，得球磨混合物；对所述球磨混合物进行15min的超声处理，然后于15mA的电流下处理10min，即得所述耐磨助剂。
二.制备
将上述称取好的耐磨助剂按以下步骤进行挖掘机用耐磨衬套的制备：
(1)按体积百分比计，量取下列原料组分：Al-Si合金74.7％、SiC 15％、钨酸钠0.3％、耐磨助剂10％；其中，Al-Si合金中Si的质量分数为20％，所述SiC的颗粒尺寸为12μm；
(2)熔融：将Al-Si合金放入井式坩埚炉中熔融后，加入钨酸钠搅拌均匀，得熔液；
(3)喷射沉积：将上述熔液进行喷射沉积，且在喷射沉积过程同步加入SiC颗粒，得SiCp/Al-Si复合材料锭坯；
(4)退火：将上述SiCp/Al-Si复合材料锭坯于480℃下进行退火处理；
(5)加工成型：将退火处理后的SiCp/Al-Si复合材料锭坯通过机加工成型，得耐磨衬套半成品；
(6)离子注入：通过离子注入机向所述耐磨衬套半成品注入铝离子，注入量为2×1017ions/cm2、注入温度为180℃；
(7)涂覆：往上述注入离子后的耐磨衬套半成品表面喷涂耐磨助剂，烘干，即得所述挖掘机用耐磨衬套。
效果验证
对上述3个实施例制备得到的耐磨衬套的以下性能进行测定：
在MM-W1B立式万能摩擦磨损试验机上测试室温、干摩擦条件下，各组耐磨衬套的摩擦磨损性能。采用销盘对磨的方式，上试样通过线切割加工成4.7mm×4.7mm×3.7mm的立方体，下试样为31mm×10mm的淬火45#钢圆盘。在摩擦磨损试验过程中，装夹有试样(即各组耐磨衬套)的上部分在水平方向上做匀速圆周运动，转速设置为220r/min，装有对磨件的下部分相对静止不动。设定试验时间为50h，加载载荷为600N。在试验前后，用分析天平(精度0.05mg)称量，计算试样的质量磨损量Δm＝m1－m2(m1和m2分别为试样实验前后的重量)，结果见表1：
表1各组耐磨衬套的磨损量(mg)
组别 实施例1 实施例2 实施例3
磨损量 1.65 1.42 1.67
由表1可知，经过50h的摩擦磨损测试，各组衬套的磨损量均低于2mg，说明本申请衬套的耐磨效果好。
此外，在同等测试条件下，仅未注入铝离子制备得到的耐磨衬套(即该耐磨衬套与实施例3相比，区别仅在于：缺少步骤(6))的磨损量比实施例3制备得到的耐磨衬套增加至少17.9％以上；而仅添加本申请耐磨助剂中其中一种或两种原料制备得到的耐磨衬套(即该耐磨衬套与实施例3的耐磨衬套相比，区别仅在于：耐磨助剂中仅含石墨烯粉末、硅酸镁、硬脂酸中的一种或两种)的磨损量比实施例3增加至少28.7％以上。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (7)

1.一种挖掘机用耐磨衬套，其特征在于，包括以下原料组分：Al-Si合金、SiC、钨酸钠、耐磨助剂；其中，Al-Si合金中Si的质量分数为10-20％，所述SiC的颗粒尺寸为8-12μm。
2.根据权利要求1所述一种挖掘机用耐磨衬套，其特征在于，所述耐磨衬套中所述SiC的体积分数为10-15％、所述耐磨助剂的体积分数为5-10％、所述钨酸钠的体积分数为0.1-0.3％，余量为Al-Si合金。
3.根据权利要求1所述一种挖掘机用耐磨衬套，其特征在于，所述耐磨助剂包括以下重量份的原料组分：石墨烯粉末8-10份、硅酸镁2-3份和硬脂酸1-2份。
4.根据权利要求3所述一种挖掘机用耐磨衬套，其特征在于，所述硅酸镁的颗粒尺寸在2-4μm。
5.根据权利要求3所述一种挖掘机用耐磨衬套，其特征在于，所述耐磨助剂由以下方法制备得到：将所述石墨烯粉末、所述硅酸镁和所述硬脂酸混合均匀后，置于球磨机中球磨20-30min，得球磨混合物；对所述球磨混合物进行10-15min的超声处理，然后于10-15mA的电流下处理5-10min，即得所述耐磨助剂。
6.根据权利要求1-5任意一项所述一种挖掘机用耐磨衬套的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)熔融：将Al-Si合金放入熔炉中熔融后，加入钨酸钠搅拌均匀，得熔液；
(2)喷射沉积：将上述熔液进行喷射沉积，且在喷射沉积过程同步加入SiC颗粒，得SiCp/Al-Si复合材料锭坯；
(3)退火：将上述SiCp/Al-Si复合材料锭坯于450-480℃下进行退火处理；
(4)加工成型：将退火处理后的SiCp/Al-Si复合材料锭坯通过机加工成型，得耐磨衬套半成品；
(5)离子注入：通过离子注入机向所述耐磨衬套半成品注入铝离子；
(6)涂覆：往上述注入离子后的耐磨衬套半成品表面喷涂耐磨助剂，烘干，即得所述挖掘机用耐磨衬套。
7.根据权利要求5所述一种挖掘机用耐磨衬套的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述铝离子的注入量为2×1017ions/cm2、注入温度为170-180℃。
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Title
滕杰等: "喷射沉积Al-Si/SiCp复合材料干滑动磨损机理的研究", 《矿冶工程》 *

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