CZ294041B6

CZ294041B6 - Otěruvzdorný díl z kompozitního materiálu

Info

Publication number: CZ294041B6
Application number: CZ19991116A
Authority: CZ
Inventors: Hubert Francois
Original assignee: Magotteaux International S.A.
Priority date: 1996-10-01
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 2004-09-15
Also published as: ATE195895T1; DE69702988D1; DE69702988T2; WO1998015373A1; KR20060013699A; ID17782A; SK284900B6; AU4552997A; USRE39998E1; HU224208B1; KR100691295B1; PL189446B1; HUP9904505A3; KR20000048806A; AU723329B2; US6520241B2; HUP9904505A2; RU2177389C2; PL332578A1; CN1232416A

Abstract

Vynález se týká otěruvzdorného dílu z kompozitního materiálu, který je proveden klasickým nebo odstředivým litím s použitím pískových forem a tvoří jej kovová matrice jejíž jedna nebo více pracovních ploch obsahuje výztužné vložky s velmi vysokou odolností proti otěru. Díly mají v řezu rozměr větší než 25 mm a výztužné vložky jsou utvořeny z keramické struktury, která je agregátem keramických zrn homogenního tuhého roztoku 20 až 80 hmotn. % Al.sub.2.n.O.sub.3.n. a 80 až 20 hmotn. % ZrO.sub.2.n. a která je poté v průběhu lití napuštěna roztaveným kovem.ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká otěruvzdomého dílu z kompozitního materiálu, který je proveden klasickým nebo odstředivým litím s použitím pískových forem a tvoří jej kovová matrice, jejíž jedna nebo více pracovních ploch obsahuje vyztužené složky s velmi vysokou odolností proti oděru.

Dosavadní stav techniky

Vynález se týká zejména otěruvzdomých dílů užívaných v zařízeních pro drcení, mletí, nakládání a přepravu různých hornin, zejména v cementárnách, hutích, dolech, elektrárnách a lomech. Tyto díly jsou často vystaveny zvýšenému mechanickému namáhání a především značnému otěru jejich pracovní plochy. Je tedy zapotřebí, aby takové díly byly velmi odolné proti abrazi a zároveň byly do určité míry tažné a odolávaly mechanickému namáhání, např. nárazům, a mohly být případně opracovávány.

Vzhledem ktomu, že tyto dvě vlastnosti jsou v jediném materiálu navzájem obtížně slučitelné, byly již navrženy díly z kompozitního materiálu opatřeného přiměřeně tažným slitinovým jádrem, ve kterém jsou zapuštěny jednotlivé výztužné složky dobře odolné proti abrazi.

Taková technika je podle dokumentu EP-A-0476496 vhodná pro drticí válce, jejichž pracovní sténaje opatřena výztuhami z chrómové litiny.

Po zjištění, že keramické hmoty jsou dobře odolné proti otěru, používají se i tyto hmoty ke zvýšení odolnosti otěruvzdomých dílů.

Dokument EP-A-0575685 popisuje užití keramických materiálů při výrobě malých otěruvzdorných dílů přesným formováním na vytavitelný model.

Tento známý způsob spočívá v užití voskových modelů, které se při zahřívání formy vypálí a tím vznikne dutina, která se poté vyplní kovem. Forma je rovněž provedena z keramiky, nikoliv z klasického písku.

Podle tohoto dokumentu se nejdříve vytvoří keramické válcovité těleso porézní trojrozměrné struktury s navzájem spojenými otevřenými póry. Keramické těleso se vytvoří tak, že do příslušné formy se vloží keramická zrna a poté dobře tekuté pojivo, např. tekutá pryskyřice, která po ztvrdnutí spojí zrna do pevné keramické struktury. Keramický materiál může tvořit oxid hlinitý nebo oxid zirkoničitý. Poté se keramické těleso napustí voskem a umístí do formy určené k vytvoření voskového modelu dílu. Po získání voskového modelu se nakonec vytvoří keramická forma namočením voskového modelu v keramické kaši. Keramická forma obsahující voskový model se poté zahřívá a voskový model roztaje. Vosk se zkeramické formy vypálí, ale keramická tělesa vložená předtím do voskového modelu zůstanou přilepena ke stěnám keramické fonny.

Pro lití kovu se keramická forma předehřívá převážně ve vakuu na teplotu řádově 1150°C.

Tato známá technika je určena pouze k přesnému odlévání na vytavitelný model. Slučitelnost mezi kovovou matricí a keramickou strukturou, zejména z hlediska tepelného chování, není pro aplikaci uvedenou v dokumentu problematická vzhledem k tomu, že při lití kovu se forma a keramická struktura předehřejí na vysokou teplotu. Kromě toho je tato technika určena k provedení velmi specifických přesných dílů, které jsou dodávány na trh za vysokou cenu, protože formování na vytavitelný model je velmi drahé.

-1CZ 294041 B6

V dokumentu „Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry“ (1985), W. Gerhartz, VCH Verlagsgesellsschaft, 5. vydání XP002023862, str. 5, jsou zmíněny kompozice na bázi AI2O3Z1O2 pro obrušovací stroje určené k opracování slévárenských výrobků (sochorů a plosek).

Výše popsanou techniku nelze jako takovou užít při výrobě otěruvzdomých dílů větších rozměrů, které jsou součástí zařízení mlýnů a drtíren nebo prostředků pro nakládání a přepravu hornin. Průřez takových dílů je alespoň 25 mm a často větší než 40 mm.

Technikou podle vynálezu není možné (nebo je přinejmenším obtížné si představit) odlévat díly 10 malých průřezů, např. menších než 25 mm, neboť ani forma, ani keramická vložka nejsou před litím kovu zahřívány na vysokou teplotu.

Je také zřejmé, že díl se zpravidla po jeho zhotovení opracovává při příslušné teplotě. Proto musí být mezi keramickým materiálem a kovem určitá slučitelnost z hlediska tepelného chování, aby 15 se zamezilo vzniku trhlin, které mohou být způsobeny jednak vlivem tepelných nárazů při lití kovu na keramickou vložku kompozitu a jednak vlivem teploty při jeho dalším opracování, jestliže by koeficienty roztažnosti obou vložek kompozitu byly odlišné.

Kromě toho je také potřeba, aby mechanické vlastnosti keramického materiálu byly přizpůsobeny 20 mechanickým vlastnostem kovu. Jenom tak může být proveden díl, jehož vlastnosti budou odpovídat podmínkám jeho specifického použití.

Vynález si klade za cíl vytvořit otěruvzdomý kompozit s keramickou vložkou, který odpovídá výše uvedeným podmínkám.

Bylo také ověřeno, že kov špatně proniká do keramického materiálu, jehož tloušťka je větší než 25 mm. Vynález tento problém řeší tím, že doporučuje zvláštní uspořádání otěruvzdomého dílu z kompozitního materiálu.

Podstata vynálezu

Otěruvzdomý díl z kompozitního materiálu, který je proveden klasickým nebo odstředivým litím s použitím pískovcových forem a tvoří jej kovová matrice jejíž jedna nebo více pracovních ploch 35 obsahuje výztužné vložky s velmi vysokou odolností proti otěru je podle vynálezu vytvořena tak, že díly mají v řezu rozměr větší než 25 mm a že výztužné vložky jsou utvořeny z keramické struktury, která je agregátem keramických zrn homogenního tuhého roztoku 20 až 80 hmotn. % AI2O3 a 80 až 20 hmotn. % ZrCh, a která je poté v průběhu lití napuštěna roztaveným kovem.

Keramický materiál může kromě toho obsahovat další oxidy, jejichž poměr nepřesáhne 3 až 4 hmotnostní %.

Keramický materiál podle prvého výhodného provedení vynálezu tvoří:

55 až 60 hmotn. % A1₂O₃ a až 42 hmotn. % ZrO^.

Podle jiného výhodného provedení vynálezu obsahuje:

70 až 77 hmotn. % A1₂O₃ a až 27 hmotn. % ZrOi.

Obsah keramického materiálu ve výztužné složce je 35 až 80 hmotn. %, přednostně 40 až 60 %, výhodně řádově 50 %.

Tento keramický kompozit je utvořen z aglomerátu keramických zrn o zrnitosti od F6 do F22 podle normy FEPA, tzn. o velikosti částic v rozsahu od 0,7 mm do 5,5 mm. Keramická zrna jsou vyrobena klasickým způsobem, elektrotavením, slinováním, rozstřikováním v žáru nebo jakýmkoli jiným známým způsobem, kteiý umožňuje sloučení obou složek.

Agregát keramických zrn je získatelný přítomností anorganického nebo organického kapalného pojivá při výrobě keramické struktury.

Keramická zrna jsou spojena pojivém, jehož podíl nepřevyšuje 4 hmotn. % z celkové hmotnosti keramického tělesa. Nejvhodnější podíl je od 2 do 3 hmotn. %. Toto pojivo může být minerální nebo organické. Jako příklad lze uvést pojivo na bázi křemičitanu nebo epoxidovou pryskyřici.

Otěruvzdomý díl z kompozitního materiálu s výhodou zahrnuje alespoň jedno keramické těleso a má v řezu rozměr větší než 25 mm a alespoň dvě keramická tělesa jsou umístěna vedlesebe tak, že je mezi nimi mezera řádově 10 mm umožňující vniknutí roztaveného kovu.

Keramické těleso má s výhodou voštinovou strukturu ve které buňky uvnitř keramické složky mají víceúhelníkový nebo kruhový tvar. Tloušťka stěn různých buněk tvořících keramickou fázi je v rozsahu 5 až 25 mm.

Vynález vychází ze skutečnosti, že oxid hlinitý (korund) a oxid zirkoničitý mají v podstatě odlišné vlastnosti, což při pečlivé volbě výše uvedených podílů obou složek, umožní jednak upravit tvrdost, houževnatost a koeficient roztažnosti keramického kompozitu tak, aby se sloučila dobrá tvrdost a dobrá houževnatost odpovídající určenému použití dílu, a jednak bylo dosaženo takového koeficientu roztažnosti keramického kompozitu, který se blíží koeficientu roztažnosti použitého kovu, t.j. litině nebo oceli s koeficientem 10.10 ⁶ až 11.10^-6.

Je výhodné, že hodnoty koeficientu roztažnosti oxidu zirkoničitého a kovu jsou blízké. Kromě toho oxid zirkoničitý přispívá k dobré houževnatosti a tím omezuje nebezpečí lámání.

Oxid hlinitý přispívá k dobré tvrdosti. Částice zirkonia v oxidu hlinitém umožní zvýšit odolnost proti tvoření trhlin v keramické složce. Tak se dosáhne větší houževnatosti než by měla samostatně každá ze dvou složek, tedy ZrOi nebo A1₂O₃.

Jinak řečeno, v otěruvzdomých dílech, které jsou vystaveny značné abrazi, je vhodné zvýšit obsah oxidu hlinitého, avšak nelze přitom překročit určitou hranici, při které odolnost proti abrazi a houževnatost začínají klesat. V tomto případě se pro keramický kompozit zvolí spíše druhý z výše uvedených podílů obou složek.

Naopak pro díly, které jsou vystaveny značným nárazům nebo vysokým tlakům je vhodnější upřednostnit koeficient roztažnosti před tvrdostí zvýšením podílu oxidu zirkoničitého. Tím se sníží napětí v dílu a nebezpečí jeho rozlomení.

Rovněž u dílů, u kterých v průběhu lití nebo dalšího tepelného opracování hrozí tvoření trhlin a popraskání, je výhodné zvýšit podíl oxidu zirkoničitého. Tím se přiblíží koeficienty roztažnosti keramické vložky a kovové matrice.

Při volbě podílů vložek keramického kompozitu je možné také vzít v úvahu složení kovu z hlediska vlastností, které vyžaduje použití dílu. Stejně tak složení kovu lze volit podle povahy keramického kompozitu.

Problém špatného pronikání roztaveného kovu do keramické vložky řeší vynález tím, že navrhuje různá uspořádání celého kompozitu.

-3CZ 294041 B6

Ve zvláštním případě, kdy je důležitá tloušťka keramického tělesa, budou podle prvého provedení vynálezu dvě nebo více těchto těles umístěna nad sebou a budou oddělena minimálním prostorem řádově 10 mm, aby roztavený kov mohl dobře pronikat. To přispěje k řádné infiltraci těchto keramických těles kovem a k požadované velikosti podílu keramické složky v celém kompozitu.

Podle jiného provedení vynálezu se keramické těleso provede ve tvaru voštinové struktury s jednotlivými buňkami víceůhelníkového nebo kruhového tvaru. Je výhodné, aby tloušťka stěn různých buněk keramické vložky byla od 5 do 25 mm.

Toto provedení umožní zvýšit velikost keramické vložky, aniž by vzniklo nebezpečí špatné infiltrace roztaveného kovu v případě dílu, jehož otěr probíhá do hloubky.

Výhoda spočívá v tom, že tloušťka stěn po celé výšce kompozitu nepřesahuje mez infiltrace roztaveného kovu, která je přibližně 25 mm. Druhé provedení keramického tělesa ve tvaru voštinové 15 struktury zlepší průběh práce při drcení. Při tomto procesu dochází po určité době v místě kovových buněk ke vzniku výmolů, které se zaplňují drceným materiálem, a tím vniká samovolná ochrana proti otěru. Tento profil zabrání, aby drcený materiál nestejnoměrně rozrušovat pracovní plochu zařízení a tím se snižoval výkon mlýnů. Rovněž bylo zjištěno, že voštinová struktura podle druhého upřednostňovaného provedení umožní snížit nebezpečí šíření trhlin, které by mohly 20 vznikat v keramickém tělese při infiltraci roztaveného kovu. Trhliny, které by se vytvářely, se samy uzavřou a nerozšiřují se po celém dílu.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže objasněn pomocí výkresu, na kterém obr. 1 znázorňuje otěruvzdomý díl z kompozitního materiálu podle prvého provedení vynálezu, obr. 2 stejný díl podle druhého provedení vynálezu a obr. 3 zvláštní provedení téhož kompozitu.

Příklady provedení vynálezu

První příklad se týká výroby kladiva drtícího prostředku se svislou osou. Ze směsi 75 hmota. % AI2O3 a 23 hmota. % ZrO₂ se elektrotavbou vytvoří kompozitní zrna o zrnitosti třídy F6 až F20 35 normy FEPA. Tato zrna se poté vloží do příslušné formy společně s tekutým pojivém, které po zatvrdnutí zrna pevně spojí a vytvoří se keramické těleso.

V tomto zvláštním případě je vhodné užít uspořádání znázorněné na obr. 1, tj. dvě keramická tělesa umístěná nad sebou tak, aby mezi nimi byla mezera 10 mm. Tato keramická tělesa jsou 40 umístěna do příslušné formy, nejlépe pískové, do které se poté vlévá surové železo obsahující % uhlíku, 26 % chrómu a v malém množství další prvky nalézající se ve slitinách tohoto typu.

Tím se vytvoří otěruvzdomý díl s keramickými vložkami o tvrdosti řádově 1600 Hv a koeficientu roztažnosti přibližně 8.10“⁶, který je usazen v litinové matrici o tvrdosti přibližně 750 Hv.

Druhý případ se týká výroby rotoru mlecího stroje. Keramický materiál se připevní stejným způsobem, jak bylo uvedeno v 1. příkladu, ale tentokrát se zvolí složení, které upřednostní koeficient roztažnosti na úkor tvrdosti. Směs bude tedy připravena ze 40 hmota. % ZrO₂ a 60 hmoto. % A1₂O₃.

Vzhledem k tomu, že pro tento typ dílu je zejména důležitá jeho tloušťka, použije se uspořádání typu voštinové struktury, které je znázorněno na obr. 2. Tloušťka stěn buněk voštinové struktmy je přibližně 20 mm a jejich výška je prakticky stejná, jako výška celého kompozitu. Struktura je provedena s použitím manganové oceli ve složení 1 % uhlíku, 14 % manganu a 1,5 % molybdenu.

-4CZ 294041 B6

Takto se zhotoví kompozit o tvrdosti přibližně 1350 Hv a s koeficientem roztažnosti přibližně 9.1 θ’⁶. V tomto případě je cílem snížit riziko trhlin v dílu vlivem větších nárazů při jeho provozu.

Třetí příklad se týká kladiva. Obr. 3 znázorňuje příklad uspořádání keramické struktury, která zesílí tři pracovní plochy tohoto prostředku. Keramická struktura je jedinou součástí umístěnou v základní kovové části.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Otěruvzdomý díl z kompozitního materiálu, který je proveden klasickým nebo odstředivým litím s použitím pískových forem a tvoří jej kovová matrice, jejíž jedna nebo více pracovních ploch obsahuje výztužné vložky svelmi vysokou odolností proti otěru, vyznačující se t í m, že díly mají v řezu rozměr větší než 25 mm a že výztužné vložky jsou utvořeny z keramické struktury, která je agregátem keramických zrn homogenního tuhého roztoku 20 až 80 hmotn. % A1₂O₃ a 80 až 20 hmotn. % ZrO^ a která je poté v průběhu lití napuštěna roztaveným kovem.
2. Otěruvzdomý díl z kompozitního materiálu podle nároku 1, vyznačující se tím, že keramický materiál tvoří 55 až 60 hmotn. % A1₂O₃ a 38 až 42 hmotn. % ZrO^
3. Otěruvzdomý díl z kompozitního materiálu podle nároku 1, vyznačující se tím, že keramický materiál tvoří 70 až 77 hmotn. % AfcO₃ a 23 až 27 hmotn. % ZrO^
4. Otěruvzdomý díl z kompozitního materiálu podle kteréhokoli z předešlých nároků, vyznačující se tím, že obsah keramického materiálu ve výztužné vložce je* 3 5 až 80 hmotn. %, přednostně 40 až 60 % a výhodně řádově 50 %.
5. Otěruvzdomý díl z kompozitního materiálu podle kteréhokoli z předešlých nároků, vyznačující se tím, že výztužné vložky jsou tvořeny agregátem kompozitních keramických zm o velikosti částic v rozsahu od 0,7 mm do 5,5 mm.
6. Otěruvzdomý díl z kompozitního materiálu podle kteréhokoli z předešlých nároků, vyznačující se tím, že keramická zrna jsou vyrobena elektrotavením, slinováním, rozstřikováním v žáru nebo jakýmkoli jiným způsobem.
7. Otěruvzdomý díl z kompozitního materiálu podle kteréhokoli z předešlých nároků, vyznačující se tím, že agregát keramických zm je získatelný přítomností anorganického nebo organického kapalného pojivá při výrobě keramické struktury.
8. Otěruvzdomý díl z kompozitního materiálu podle nároku 7, vyznačující se tím, že keramická struktura neobsahuje více než 4 % pojivá.
9. Otěruvzdomý díl z kompozitního materiálu podle nároku 1, provedený litím do pískové formy a složený z kovové matrice, která obsahuje alespoň jedno keramické těleso, vyznačující se tím, že má v řezu rozměr větší než 25 mm a že alespoň dvě keramická tělesa jsou umístěna vedle sebe tak, že je mezi nimi mezera řádově 10 mm umožňující vniknutí roztav» něho kovu.

-5CZ 294041 B6

I
10. Otěruvzdomý díl z kompozitního materiálu který je proveden klasickým nebo odstředivým litím podle nároku 1, vyznačující se tím, že keramické těleso má voštinovou strukturu ve které buňky uvnitř keramické vložky mají víceúhelníkový nebo kruhový tvar.
11. Otěruvzdomý díl z kompozitního materiálu podle nároku 10, vyznačující se tím, že tloušťka stěn různých buněk tvořících keramickou fázi je v rozsahu 5 až 25 mm.