CN113441702A - 一种具备强耐磨特性的双合金贯穿结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备强耐磨特性的双合金贯穿结构,包括基体和骨架,所述骨架结构的材质为主耐磨合金材料,所述主耐磨合金材料采用增材制造方式形成为三维成形网格或点阵等骨架结构;所述基体结构的材质为基体合金材料,所述基体合金材料的硬度小于所述主耐磨合金材料,所述基体合金材料在熔化状态下以液态方式浇灌入所述主耐磨合金骨架结构中,所述基体合金材料在凝固过程中与所述主耐磨合金材料形成冶金结合,凝固后所述主耐磨合金材料与基体合金材料相互贯穿锁紧形成高强耐磨双合金材料。其中的主耐磨合金强度较高耐磨性较好可作为抗磨增强相,同时较软的基体材料通过磨损可自然形成平滑过渡的凹坑微织构,适于储存润滑油和磨屑,进一步增加整个材料的抗磨损性能。
Description
技术领域
本发明属于减摩抗磨技术领域,尤其涉及一种具备强耐磨特性的双合金贯穿结构及其制备方法,其中的主耐磨合金与基体合金材料相互贯穿锁紧,主耐磨合金强度较高耐磨性较好可作为抗磨增强相,同时较软的基体材料通过磨损可自然形成平滑过渡的凹坑微织构,适于储存润滑油和磨屑,进一步增加整个材料的抗磨损性能。
背景技术
广泛存在于接触表面的摩擦磨损现象会导致零件失效、系统效率降低、能耗增大,甚至可能引发巨大的灾难,因此减磨损增寿命是航空航天、兵器、船舶、陆运交通等众多领域不可避免的课题。如数控机床导轨由于抗磨损性能低导致精度保持性差一直是制约我国高档数控机床发展的重要因素之一;随着对发动机性能要求的不断提高,工作环境愈加恶劣,活塞/缸套承受着较高的热负荷和机械负荷,摩擦磨损加剧,甚至直接导致摩擦副失效;此外我国在受电弓、切削刀具、推力轴承、汽车制动毂等众多关键零部件或工具上对高耐磨结构材料的需求十分巨大。
为此,人们采用润滑剂、低摩擦表面、微织构表面、自润滑材料、各种耐磨涂层等措施已经取得了显著的效果,将零部件的抗磨损性能提到了一个较高的水平。然而我国工业基础相对薄弱,减摩机理研究不足,在关键零部件的减摩抗磨技术水平上与欧美等发达国家存在较大差距。在传统设计制造技术体系下,短期内实现零部件抗磨损设计及制造水平的较大提升是较为困难的,因此,必须采用创新思维,寻求创新方法,才能突破技术瓶颈。
发明内容
针对向技术的上述缺陷和不足,本发明结合先进的增材制造技术并基于表面微织构具有抗磨损性强的特点而提出了一种具备强耐磨特性的双合金贯穿结构,该结构是一种主耐磨合金与基体合金材料相互贯穿锁紧的高强耐磨双合金复合材料,其中的主耐磨合金强度较高耐磨性较好可作为抗磨增强相,同时较软的基体材料通过磨损可自然形成平滑过渡的凹坑微织构,适于储存润滑油和磨屑,进一步增加整个材料的抗磨损性能。
本发明为解决其技术问题,所采用的技术方案为:
一种具备强耐磨特性的双合金贯穿结构,包括基体和骨架,其特征在于,
所述骨架结构的材质为主耐磨合金材料,所述主耐磨合金材料采用增材制造方式形成为三维成形网格或点阵等骨架结构;
所述基体结构的材质为基体合金材料,所述基体合金材料的硬度小于所述主耐磨合金材料,所述基体合金材料在熔化状态下以液态方式浇灌入所述主耐磨合金骨架结构中,所述基体合金材料在凝固过程中与所述主耐磨合金材料形成冶金结合,凝固后所述主耐磨合金材料与基体合金材料相互贯穿锁紧形成高强耐磨双合金材料。
优选地,所述主耐磨合金材料选择为通常选用镍基、钴基、钢、钛等耐磨性能十分优异的合金,可大大增加材料的抗磨损性能。
优选地,所述主耐磨合金材料与基体合金材料为镍-铜或钢-铜等双合金组合,使得所述双合金贯穿结构具有耐磨-导电性强的性能。
优选地,所述主耐磨合金材料与基体合金材料为钛-铝等双合金组合,使得所述双合金贯穿结构具有耐磨-轻质的性能。
优选地,所述主耐磨合金材料与基体合金材料为钢-铸铁等双合金组合,使得所述双合金贯穿结构具有耐磨-低成本的性能。
本发明的另一个发明目的还在于提供一种上述具备强耐磨特性的双合金贯穿结构的制备方法,其特征在于,所述制备方法至少包括如下步骤:
SS1.采用增材制造技术将高强主耐磨合金粉末三维成形网格、点阵等骨架结构;
SS2.对步骤SS1制备的主耐磨合金骨架结构进行预处理,包括抛光去除增材制造时表面粘附的未融化粉末,然后去除氧化层,最后用去离子水清洗干净并真空干燥备用;
(3)在具备浇注功能的真空悬浮熔炼炉中对基体合金材料加热熔化,并将主耐磨合金骨架预热到熔点以下的温度,然后将熔化的基体合金材料浇灌入主耐磨合金骨架结构中。基体材料凝固过程中主耐磨合金与基体材料可形成良好的冶金结合,且凝固后两种合金相互贯穿锁紧形成高强耐磨双合金材料。
优选地,步骤SS2中,根据主耐磨合金材料成分可选择HF+HNO3或1:1:1的HCl/+HNO3/+H2O酸性溶液作为抛光液,抛光去除增材制造时表面粘附的未融化粉末。
优选地,步骤SS2中,采用酸/碱洗方法去除主耐磨合金骨架结构表面的氧化层。
本发明制备的强耐磨双合金贯穿结构,其工作原理在于,该强耐磨双合金贯穿结构的磨损过程分为如下几个阶段:
Ⅰ期—初始期磨损:主耐磨合金与基体合金材料处于同一高度,共同抵抗摩擦磨损,其中主耐磨合金通常选用镍基、钴基、钢、钛等耐磨性能十分优异的合金,可大大增加材料的抗磨损性能;
Ⅱ期—中期磨损:由于基体材料磨损速度高于主耐磨合金,经过一段时间的磨损后,较软的基体材料被磨耗掉一个微小的高度,从而自然形成平滑过渡的凹坑,用于存储润滑油和磨屑,称为自集油功能,如此进一步增加了整个材料的抗磨损性能。此磨损期凸出的主耐磨合金是直接抵抗磨损的实体,保护整个表面的精度及完整性;
Ⅲ期—末期磨损:经历初中期磨损后,凸出的主耐磨合金逐渐被磨耗掉,从而在高度上又开始接近甚至等高于基体材料;
Ⅳ期—循环期磨损:经历第Ⅲ期磨损的主基体材料达到了接近Ⅰ期的材料状态,将循环经历Ⅰ期、Ⅱ期、Ⅲ期磨损,直至零件失效或不满足尺寸精度要求而作废。
本发明的强耐磨双合金贯穿结构,其中的双合金材料具有多种组合形式,可根据不同功能需求,进行不同结构的设计、多种材料的选择,最终成形满足需求的功能性结构材料。例如根据抗磨损程度、耐热、导电、轻质、经济性等不同需求,主基体材料可选择多种组合形式,要求耐磨-导电性强时可选择镍-铜或钢-铜等双合金组合,要求耐磨-轻质时可选择钛-铝等双合金组合,要求耐磨-低成本时可选择钢-铸铁等双合金组合。
同现有技术相比,本发明的强耐磨双合金贯穿结构的有益之处在于:
(1)主耐磨合金本身具备高强和耐磨的特性,主-基材料相互贯穿咬合可大大强化材料的耐磨性能,同时在磨损过程中,较软的基体材料通过磨损可自然形成平滑过渡的凹坑微织构,适于储存润滑油和磨屑,进一步增加整个材料的抗磨损性能。
(2)双合金贯穿结构可根据不同功能需求,进行不同结构的设计、多种材料的选择,最终成形满足需求的功能性结构材料。例如根据抗磨损程度、耐热、导电、轻质、经济性等不同需求,主基体材料可选择多种组合形式,要求耐磨-导电性强时可选择镍-铜或钢-铜等双合金组合,要求耐磨-轻质时可选择钛-铝等双合金组合,要求耐磨-低成本时可选择钢-铸铁等双合金组合。双合金贯穿结构强耐磨机理及制造工艺研究是典型的材料-结构-功能一体化设计与制造技术的体现,也是未来设计-制造技术重要的发展方向。
附图说明
图1为网格类双合金贯穿结构主要制造过程示意图,其中,(A)为增材成形网格状骨架,(B)为浇注基体材料熔化体,(C)为形成双合金贯穿结构。
图2为点阵类双合金贯穿结构主要制造过程示意图,其中,(A)为增材成形点阵状骨架,(B)为浇注基体材料熔化体,(C)为形成双合金贯穿结构。
图3为本发明的强耐磨双合金贯穿结构的初、中期磨损形貌示意图,其中,(A)为初期磨损形貌,(B)为中期磨损形貌。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中,自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
如图1、2所示,本发明的强耐磨双合金贯穿结构在制备时,首先采用增材制造技术将高强主耐磨合金粉末三维成形网格、点阵等骨架结构;其次,对主耐磨合金骨架结构进行预处理,包括抛光去除增材制造时表面粘附的未融化粉末,抛光液可根据主耐磨合金材料成本可选择HF+HNO3或HCl+HNO3+H2O酸性溶液,然后采用酸/碱洗方法去除氧化层,最后用去离子水清洗干净并真空干燥备用;最后,在具备浇注功能的真空悬浮熔炼炉中对基体合金材料加热熔化,并将主耐磨合金骨架预热到熔点以下的温度,然后将熔化的基体合金材料浇灌入主耐磨合金骨架结构中。基体材料凝固过程中主耐磨合金与基体材料可形成良好的冶金结合,且凝固后两种合金相互贯穿锁紧形成高强耐磨双合金材料。
如图3所示,本发明的强耐磨双合金贯穿结构磨损过程分为如下几个阶段:
Ⅰ期—初始期磨损:主耐磨合金与基体合金材料处于同一高度,共同抵抗摩擦磨损,其中主耐磨合金通常选用镍基、钴基、钢、钛等耐磨性能十分优异的合金,可大大增加材料的抗磨损性能;
Ⅱ期—中期磨损:由于基体材料磨损速度高于主耐磨合金,经过一段时间的磨损后,较软的基体材料被磨耗掉一个微小的高度,从而自然形成平滑过渡的凹坑,用于存储润滑油和磨屑,称为自集油功能,如此进一步增加了整个材料的抗磨损性能。此磨损期凸出的主耐磨合金是直接抵抗磨损的实体,保护整个表面的精度及完整性;
Ⅲ期—末期磨损:经历初中期磨损后,凸出的主耐磨合金逐渐被磨耗掉,从而在高度上又开始接近甚至等高于基体材料;
Ⅳ期—循环期磨损:经历第Ⅲ期磨损的主基体材料达到了接近Ⅰ期的材料状态,将循环经历Ⅰ期、Ⅱ期、Ⅲ期磨损,直至零件失效或不满足尺寸精度要求而作废。
本发明的强耐磨双合金贯穿结构,其中的双合金材料具有多种组合形式,可根据不同功能需求,进行不同结构的设计、多种材料的选择,最终成形满足需求的功能性结构材料。例如根据抗磨损程度、耐热、导电、轻质、经济性等不同需求,主基体材料可选择多种组合形式,要求耐磨-导电性强时可选择镍-铜或钢-铜等双合金组合,要求耐磨-轻质时可选择钛-铝等双合金组合,要求耐磨-低成本时可选择钢-铸铁等双合金组合。
通过上述实施例,完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明,但应知道,本发明并不限于所公开的实施例,任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。
Claims (8)
1.一种具备强耐磨特性的双合金贯穿结构,包括基体和骨架,其特征在于,
所述骨架结构的材质为主耐磨合金材料,所述主耐磨合金材料采用增材制造方式形成为三维成形网格或点阵等骨架结构;
所述基体结构的材质为基体合金材料,所述基体合金材料的硬度小于所述主耐磨合金材料,所述基体合金材料在熔化状态下以液态方式浇灌入所述主耐磨合金骨架结构中,所述基体合金材料在凝固过程中与所述主耐磨合金材料形成冶金结合,凝固后所述主耐磨合金材料与基体合金材料相互贯穿锁紧形成高强耐磨双合金材料。
2.根据权利要求1所述的具备强耐磨特性的双合金贯穿结构,其特征在于,所述主耐磨合金材料选择为通常选用镍基、钴基、钢、钛等耐磨性能十分优异的合金,可大大增加材料的抗磨损性能。
3.根据权利要求1所述的具备强耐磨特性的双合金贯穿结构,其特征在于,所述主耐磨合金材料与基体合金材料为镍-铜或钢-铜等双合金组合,使得所述双合金贯穿结构具有耐磨-导电性强的性能。
4.根据权利要求1所述的具备强耐磨特性的双合金贯穿结构,其特征在于,所述主耐磨合金材料与基体合金材料为钛-铝等双合金组合,使得所述双合金贯穿结构具有耐磨-轻质的性能。
5.根据权利要求1所述的具备强耐磨特性的双合金贯穿结构,其特征在于,所述主耐磨合金材料与基体合金材料为钢-铸铁等双合金组合,使得所述双合金贯穿结构具有耐磨-低成本的性能。
6.一种权利要求1~5任一项所述的具备强耐磨特性的双合金贯穿结构的制备方法,其特征在于,所述制备方法至少包括如下步骤:
SS1.采用增材制造技术将高强主耐磨合金粉末三维成形网格、点阵等骨架结构;
SS2.对步骤SS1制备的主耐磨合金骨架结构进行预处理,包括抛光去除增材制造时表面粘附的未融化粉末,然后去除氧化层,最后用去离子水清洗干净并真空干燥备用;
(3)在具备浇注功能的真空悬浮熔炼炉中对基体合金材料加热熔化,并将主耐磨合金骨架预热到熔点以下的温度,然后将熔化的基体合金材料浇灌入主耐磨合金骨架结构中。基体材料凝固过程中主耐磨合金与基体材料可形成良好的冶金结合,且凝固后两种合金相互贯穿锁紧形成高强耐磨双合金材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,步骤SS2中,根据主耐磨合金材料成分可选择HF+HNO3或HCl+HNO3+H2O酸性溶液作为抛光液,抛光去除增材制造时表面粘附的未融化粉末。
8.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,步骤SS2中,采用酸/碱洗方法去除主耐磨合金骨架结构表面的氧化层。
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