CN114206524B - 复合材料磨损零件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合材料磨损零件，该复合材料磨损零件包括铁合金基体和至少一个陶瓷增强体，该至少一个陶瓷增强体呈具有镂空式结构的嵌入件的形式，该镂空式结构包括盲孔，这些孔的盲侧定位于所述磨损零件的应力最大的一侧上。

Description

复合材料磨损零件
技术领域
本发明涉及一种通过翻砂铸造铁合金而制成的复合材料磨损零件。更具体地，本发明涉及一种磨损零件，该磨损零件通过集成到该磨损零件中的三维陶瓷凹入结构和适应磨损应力的几何结构来增强。本发明还披露了一种制造所述磨损零件的方法。
背景技术
通过翻砂铸造而制成的复合材料磨损零件在现有技术中是众所周知的。这些复合材料磨损零件主要是通过氧化铝-氧化锆类型的陶瓷或碳化物、氮化物或其他根据特定的三维几何形状布置在金属基体内的金属间元素对最易于受到磨损的面进行了选择性增强的铸铁零件。
增强体结构的特定布置使得可以根据增强体颗粒或结构的布置或几何形状产生具有不同增强体的分级复合材料。以此方式，可以将陶瓷晶片制成中空蜂窝型结构或毫米级颗粒聚集体的形式，该毫米级颗粒聚集体在砂型内部作为“填料”布置在零件的应力最大的一侧上的、其间隙允许熔融铁在铸造工艺期间渗透。
在根据特定的三维几何形状确定陶瓷在模具中的位置、然后再铸造铁的铸造工艺中制成的复合材料零件有两种主要类型，在一种类型中，陶瓷是在铸造之前形成的，在另一种类型中，陶瓷是在铸造期间通过来自模具中存在的试剂的自蔓延热反应形成的。
因此，一方面，复合材料磨损零件可以用例如已经形成的碳化钛来增强，这种已经形成的碳化钛可以在铸造之前放置在模具中，并且该碳化钛的间隙仅会在1500℃左右被铸造金属渗透，另一方面，该复合材料磨损零件可以用将由先前以粉末形式混合并在2500℃左右通过自蔓延热反应形成TiC的钛试剂和碳试剂原位形成的碳化钛来增强，该反应是由铸造金属引发的，该铸造金属然后会通过毛细作用被吸入增强陶瓷结构中以填充间隙。
文件WO 98/15373披露了一种具有呈蜂窝形状的基于氧化铝-氧化锆的陶瓷增强体的复合材料磨损零件。
文件WO 03/047791披露了一种具有根据由熔融铸铁引发的自蔓延热反应原位形成的碳化物、氮化物、氧化物陶瓷或金属间元素的复合材料磨损零件，一旦所述陶瓷结构形成，该熔融铸铁然后就会渗透该陶瓷结构。
文件WO 2010/031660、WO 2010/031661、WO 2010/031663、WO 2010/031662披露了用在将反应物以颗粒形式引入模具中的情况下原位形成的碳化钛增强的分级复合材料磨损零件。这些磨损零件被展示为疏浚齿(dredge teeth)、锥形件和破碎锤。
文件WO 2018/069006披露了一种研磨辊，其中磨损区域根据磨损应力而有所区别地得到增强。
发明目的
本发明的目的是提供一种具有几何形状得到改进的陶瓷增强体嵌入件的复合材料磨损零件，其中结构和定位两者都适应磨损应力。该复合材料磨损零件旨在在磨损零件的应力最大的一侧上的陶瓷增强体初次磨损后，重新建立抵抗结构。
发明内容
本发明披露了一种复合材料磨损零件，该复合材料磨损零件包括铁合金基体和至少一个陶瓷增强体，该至少一个陶瓷增强体呈具有镂空式结构的嵌入件的形式，该镂空式结构包括盲孔，这些孔的盲侧定位于所述磨损零件的应力最大的一侧上。
本发明的优选的实施例包含以下特征中的至少一个或任何合适的组合：
-所述陶瓷嵌入件包括至少两个区域(A，B)，应力较大的区域(A)包括大部分盲孔，并且应力较小的区域(B)包括大部分通孔，
-该陶瓷嵌入件的在该区域(A)中的这些孔的截面小于在所述磨损零件的区域(B)中的截面，
-该嵌入件中的在(A)侧上的这些开口的总截面小于在(B)侧上的开口的总截面，
-该陶瓷嵌入件的盲侧部分地或完全地由陶瓷形成，该陶瓷的组成不同于形成具有这些通孔的该区域(B)的陶瓷的组成，
-该嵌入件在该区域(A)中包括至少两个叠加的陶瓷增强体结构(D，E)，
-这些盲孔倾斜地布置在该嵌入件中，
-这些盲孔具有截头圆锥形状，
-该陶瓷嵌入件包括氧化铝-氧化锆，
-该陶瓷嵌入件包括通过自蔓延放热反应原位形成的碳化物，优选地碳化钛，
-该陶瓷嵌入件包括陶瓷金属复合材料(CERMET)的细粒，
-该陶瓷结构包括的氧化铝-氧化锆的比例为：氧化铝的体积范围为10％到90％并且氧化锆的体积范围为90％到10％，氧化锆可选地用氧化钇稳定。
本发明还披露了一种用于生产根据本发明的磨损零件的方法，该方法包括以下步骤：
-提供用于通过铸造铁合金来制造磨损零件的模具，
-将根据本发明的嵌入件以陶瓷材料的毫米级颗粒的聚集体或可渗透陶瓷材料前体的聚集体的形式放置于该模具中，其中盲侧在该磨损零件的应力最大的一侧上，
-由熔融铁合金渗透该嵌入件。
根据本发明的方法优选地用以下来实施：
-包括钢或铸铁的铁合金，
-毫米级陶瓷颗粒聚集体或可渗透陶瓷前体聚集体选自以下组合物：
ο比例为90/10到10/90的氧化铝-氧化锆，氧化锆可选地用氧化钇稳定，
ο可选地包括铁粉作为由该铁合金的铸造而引发的反应的缓和剂的碳粉和钛粉，
ο陶瓷金属复合材料(CERMET)。
附图说明
在下文讨论的附图中，“嵌入件”被定义为由毫米级大小的颗粒的或多或少的多孔聚集体或团聚体形成的、具有间隙的可渗透三维结构。
为了便于表示，附图仅展示了放置在磨损零件的经增强部分中的这些嵌入件的三维轮廓。
图1表示了根据本发明的具有盲孔的陶瓷嵌入件的元件。该嵌入件在此处以其最简单的形式示意性地示出。这种嵌入件被定位成盲侧在最易于受到磨损的面上。这种嵌入件具有在铸造期间旨在由铁合金渗透的多个间隙或孔(未展示)。
图2表示了基于与图1中所描述的原理相同的原理的、但具有更大的盲孔的陶瓷嵌入件，这展示了在此种陶瓷嵌入件中制造盲孔的不同可能性。
图3表示了基于与图1中所描述的原理相同的原理的具有盲孔的陶瓷嵌入件，但是这次该嵌入件具有两个不同的陶瓷层D和E。
图4表示了基于与图3中所描述的原理相同的原理的具有盲孔的陶瓷嵌入件，但是这次有更深的盲孔穿透到第二层E中。
图5表示了基于与图3中所描述的原理相同的原理的具有盲孔的陶瓷嵌入件，但是这次是用加大的孔制成的。
图6表示了基于与图1中所描述的原理相同的原理的具有盲孔的陶瓷嵌入件，但是这次盲孔与具有较大截面的通孔以大约相等的比例组合。
图7表示了基于与图1中所描述的原理相同的原理的具有盲孔的陶瓷嵌入件，但是这次盲孔与具有较大截面的通孔以较小的比例组合。此处，直径小于通孔的直径的盲孔占大多数。
图8表示了具有两个不同应力区域A和B的陶瓷嵌入件。更易于受到磨损的区域A主要包括盲孔，并且较不易于受到磨损的区域B主要包括通孔。区域B中的通孔的截面大于盲孔的截面。
图9表示了与图8相同的配置，但是这次在A侧和B侧上使用了不同的陶瓷。
图10表示了与图8相同的配置，但是这次不仅在A侧和B侧上使用了不同的陶瓷，而且区域A中具有两个不同的陶瓷层D和E，其中区域A的盲侧上的陶瓷更加耐磨损。
图11表示了根据本发明的具有倾斜定位的盲孔的陶瓷嵌入件。
图12表示了根据本发明的具有呈截头圆锥形状的盲孔的陶瓷嵌入件。
图13表示了根据本发明的呈用于立式旋转研磨机的研磨辊的形式的磨损零件的说明性示例，其中最易于受到磨损的区域A包括具有盲孔的陶瓷嵌入件。区域A邻近包括通孔的较不易于受到磨损的区域B。
图14示意性地表示了在立式旋转研磨机的研磨台上使用研磨辊。
图15示意性地表示了具有带有盲孔的陶瓷嵌入件的研磨锥形件。
附图标记清单
1：陶瓷嵌入件
2：盲孔
3：磨损零件的应力最大的面
4：通孔
5：研磨辊
6：具有研磨辊和研磨台的立式旋转研磨机的示意性表示
A：磨损零件的应力最大的区域
B：磨损零件的应力最小的区域
D：陶瓷嵌入件的上层
E：陶瓷嵌入件的朝最易于受到磨损的一侧定向的下层
具体实施方式
翻砂铸造的磨损零件在采矿业中(用于研磨岩石和矿石)或疏浚领域中非常常见。在不受限制的情况下，可以例如在岩石研磨方面提到用于冲击式破碎机的复合材料冲击器、用于压缩式破碎机的可移动锥形件或用于立式压缩式研磨机的辊台。
磨损零件在这些机器中面临的应力是抗冲击性和耐磨损性两者。出于此原因，耐磨损、但不抗冲击的陶瓷材料(各种类型的碳化物、氮化物、氧化物等)的硬度通常会与提供一定程度的延展性以抗冲击、但较不耐磨损的比如铸铁或钢等铁合金结合。
然而，将这两种类型的材料结合并不容易，因为这两种类型的材料的膨胀系数非常不同，这可能会在零件冷却时产生微裂纹并且会由于这些潜在的缺陷而在复合材料磨损零件中抵消这种协同效应。
另一困难之处在于熔融铸铁完全渗透陶瓷嵌入件这一问题，该熔融铸铁在与该陶瓷嵌入件接触时往往会冷却，因此阻碍了令人满意的渗透(除了通过自蔓延放热反应原位形成陶瓷的反应以外)。
陶瓷嵌入件的许多配置已经由行业进行过测试。最受欢迎的嵌入件是相对较容易渗透的“蜂窝”形状，其中高陶瓷浓度区域与低陶瓷浓度区域交替布置。
陶瓷增强体通常以预制的陶瓷嵌入件的形式引入，或甚至以其中的间隙已经被熔融铸铁填充并在重新引入模具中以铸造期望的磨损零件之前被冷却的嵌入件的形式引入。
陶瓷嵌入件的生产涉及大量技术诀窍，因为该陶瓷嵌入件必须具有多孔结构以被熔融铸铁渗透，孔隙率水平是决定性的，这导致了整个系列的用于制造呈直径为几毫米的阻塞细粒的形式的粉末团聚体(聚集体)的技术，该粉末团聚体(聚集体)然后会被组装成具有或多或少的大间隙的“填料”结构，这具体取决于要渗透的嵌入件的厚度和该嵌入件在模具中的位置。
生产根据本发明的嵌入件有许多组成可能性。在非穷尽列表中，可以提到：
-10/90到90/10、具有或不具有稳定性、呈以可渗透结构组装成聚集体的毫米级颗粒的形式的氧化铝-氧化锆。
-来自基于例如碳化物、氮化物、硼化物或金属间元素的磨碎的CERMET、然后以可渗透多孔结构团聚的颗粒。
-通过自蔓延放热合成(SHS)形成的陶瓷，比如来自可能会与比如铁粉等用于缓和反应的粉末混合的碳粉和钛粉的碳化钛，该陶瓷可以呈具有间隙的团聚的毫米级细粒的形式存在。碳与钛之间的反应是由铁合金的铸造而引发的。
-等等。
在铸造期间将嵌入件固持在模具中也需要行业多年来获得的某种技术诀窍。
陶瓷嵌入件在复合材料磨损零件内的配置和定位一直是许多研究的主题，所有这些研究都得出以下观察：在测试期间获得的磨损速率结果相对较不可预测，因为这些磨损速率结果取决于具体的应用(即，所使用的机器类型和要研磨的岩石类型)或使用的间歇性。
情况由于以下这一事实变得更加复杂：在磨损现象期间，磨损零件的几何形状发生变化，并且在开始时承受应力不大的区域随着磨损进展而变得承受更大应力。因此，为了协调短期磨损和长期磨损，通常需要对嵌入件的结构作出妥协，短期磨损和长期磨损两者可能因情况不同而显著地变化。
本发明的发明人现在已经生产出了一种完美达成这一妥协的陶瓷嵌入件结构。这种陶瓷嵌入件结构包含具有盲孔镂空式结构，盲侧放置在磨损零件的应力最大的一侧上使得在开始使用时就提供高耐磨损性，并且一旦盲侧(孔的底部)已经被磨损掉，就提供对归因于通孔的冲击和磨损的抵抗。
在嵌入件的结构中制成的孔的直径通常介于1cm与10cm之间，优选地介于1cm与8cm之间，并且更优选地介于1cm与4cm之间。
盲孔的深度取决于嵌入件的总厚度和具体用途，并且通常表示介于总厚度的20％与85％之间，优选地介于30％与80％之间，并且更优选地介于40％与70％之间。
可以将嵌入件制成若干叠加层(D和E)或用邻近部分(A和B)制成。因此，盲侧可以由陶瓷制成，该陶瓷的组成不同于包含孔的陶瓷的组成，该孔叠加在包含该孔的陶瓷上或邻近包含该孔的陶瓷(参见附图)。
虽然对于孔而言，圆形截面是优选的，但是清楚的是，本发明不限于这种形状。因此，孔可以具有任何截面形状，比如六边正方形或任何形状。
还可以设想到具有盲孔的部分凹入的嵌入件，其中盲孔紧挨着通孔，然而，盲孔的比例应当是显著的(即，大于20％，优选地大于40％，并且更优选地大于60％)。
当嵌入件由两个邻近区域(一个区域主要包括盲孔，并且另一个区域主要包括通孔)形成时，磨损零件的应力最大的区域中的盲孔的截面和/或开口表面小于应力较小的区域中的孔的截面和/或开口表面。
本发明的一般概念在于以下这一事实：第一次磨损发生在由主要无孔的嵌入件增强的一侧上，在这种情况下，嵌入件的盲侧一旦受到磨损，仍然会提供高耐磨损性，并且该盲侧的通孔的截面小于磨损零件的应力较小的一侧上的通孔的截面。
虽然本发明不限于特定的陶瓷组成，但是按原样放置在模具中(金属陶瓷细粒)或通过自蔓延热反应原位形成的基于氧化铝-氧化锆或碳化钛的陶瓷是优选的。包括10％-90％氧化铝和90％-10％氧化锆的氧化铝-氧化锆体积比例是优选的，氧化锆可选地用氧化钇稳定。
示例
本发明已经通过立式旋转研磨机的辊和圆锥破碎机的移动零件进行了说明，一方面，这些移动零件已经根据现有技术用包含通孔的嵌入件制成，另一方面，这些移动零件已经根据本发明用基本上包含盲孔的嵌入件制成。
在以下条件下对磨损速率进行了比较：
机器类型：二级圆锥破碎机
磨损零件类型：移动零件
研磨材料类型：50-150mm的流纹岩
在应力最大的零件上使用和不使用通孔嵌入件的操作小时数：
圆锥破碎机 使用寿命 优势因子(SF)
通孔嵌入件 220小时 1
盲孔嵌入件 308小时 1.4
机器类型：立式研磨机
磨损零件类型：辊
研磨材料类型：硅质石灰石(Silico-lime)
在应力最大的零件上使用和不使用通孔嵌入件的操作小时数：
立式研磨机 磨损速率 优势因子(SF)
通孔嵌入件 32mm/kh 1
盲孔嵌入件 21mm/kh 1.5

Claims (18)

1.一种复合材料磨损零件，该复合材料磨损零件包括铁合金基体和至少一个陶瓷增强体，该至少一个陶瓷增强体呈具有镂空式结构的陶瓷嵌入件（1）的形式，该镂空式结构包括盲孔（2），这些盲孔的盲侧定位于所述磨损零件的应力最大的一侧（3）上。
2.根据权利要求1所述的复合材料磨损零件，其中，所述陶瓷嵌入件包括至少两个区域（A，B），应力较大的区域（A）包括大部分盲孔（2），并且应力较小的区域（B）包括大部分通孔（4）。
3.根据权利要求2所述的复合材料磨损零件，其中，该陶瓷嵌入件（1）的在该应力较大的区域（A）中的盲孔（2）的截面小于其在应力较小的区域（B）中的截面。
4.根据权利要求2所述的复合材料磨损零件，其中，该陶瓷嵌入件（1）中的在应力较大的区域（A）侧上的孔的总截面小于在应力较小的区域（B）侧上的孔的总截面。
5.根据权利要求2所述的复合材料磨损零件，其中，该陶瓷嵌入件（1）的盲侧部分地或完全地由陶瓷形成，该陶瓷的组成不同于形成具有这些通孔（4）的该应力较小的区域（B）的陶瓷的组成。
6.根据权利要求2所述的复合材料磨损零件，其中，该应力较大的区域（A）中有至少两个叠加的陶瓷增强体结构（D，E）。
7.根据权利要求1所述的复合材料磨损零件，其中，这些盲孔倾斜地布置在该陶瓷嵌入件中。
8.根据权利要求1所述的复合材料磨损零件，其中，这些盲孔具有截头圆锥形状。
9.根据权利要求1所述的复合材料磨损零件，其中，该陶瓷嵌入件（1）包括氧化铝-氧化锆。
10.根据权利要求1所述的复合材料磨损零件，其中，该陶瓷嵌入件（1）包括通过自蔓延放热反应原位形成的碳化物。
11.根据权利要求10所述的复合材料磨损零件，其中，该陶瓷嵌入件（1）包括通过自蔓延放热反应原位形成的碳化钛。
12.根据权利要求1所述的复合材料磨损零件，其中，该陶瓷嵌入件（1）包括陶瓷金属复合材料的细粒。
13.根据权利要求9所述的复合材料磨损零件，其中，该陶瓷嵌入件包括的氧化铝-氧化锆的比例为：氧化铝的体积范围为10%到90%并且氧化锆的体积范围为90%到10%。
14.根据权利要求13所述的复合材料磨损零件，其中，氧化锆用氧化钇稳定。
15.一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的磨损零件的方法，所述方法包括：以下步骤：
-提供用于通过铸造铁合金来制造磨损零件的模具，
-将根据权利要求1到14中任一项所述的陶瓷嵌入件以陶瓷材料的毫米级颗粒的聚集体或可渗透陶瓷材料前体的聚集体的形式放置于该模具中，其中盲侧在该磨损零件的应力最大的一侧上，
-由熔融铁合金渗透该嵌入件。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，该铁合金包括钢或铸铁。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，该毫米级颗粒的聚集体或该可渗透陶瓷材料前体的聚集体选自以下组合物：
-比例为90/10到10/90的氧化铝-氧化锆，
-包括混合的碳粉和钛粉，作为缓和剂的铁粉，碳粉和钛粉之间的反应由该铁合金的铸造而引发，
-陶瓷金属复合材料。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，氧化锆用氧化钇稳定。
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