PL189446B1

PL189446B1 - Zespolony element roboczy

Info

Publication number: PL189446B1
Application number: PL97332578A
Authority: PL
Inventors: Hubert Francois
Original assignee: Hubert Francois
Priority date: 1996-10-01
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 2005-08-31
Also published as: HUP9904505A2; MY128314A; PL332578A1; US20020136857A1; CN1114513C; PT930948E; EP0930948B1; HUP9904505A3; CA2266475A1; AU4552997A; BR9712188A; RU2177389C2; HU224208B1; SK40299A3; CZ111699A3; SK284900B6; CZ294041B6; AU723329B2; KR20000048806A; DE69702988T2

Abstract

1. Zespolony element roboczy, skla- dajacy sie z odlewanej metalowej matrycy, której powierzchnia robocza lub po- wierzchnie robocze zawieraja wstawki o bardzo dobrej wytrzymalosci na scieranie, znamienny tym, ze wstawki zawieraja co najmniej jedna wkladke ceramiczna zawie- rajaca jednorodny roztwór staly 2 0 do 80% wagowych Al2O3 i 80 do 20% wagowych Zr0 2 , zaimpregnowana podczas odlewania cieklym metalem. F ig 1 PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest zespolony element roboczy wykonany przez odlewanie i składający się z metalowej matrycy, której zużywalna powierzchnia robocza zawiera wstawki o dobrej wytrzymałości na ścieranie.

Wynalazek dotyczy zwłaszcza zużywalnych elementów roboczych wykorzystywanych w urządzeniach mielących, kruszących i przenoszących różne materiały o właściwościach ściernych, które stosuje się w przemysłach takich jak cementowy, górniczy, metalurgiczny, w elektrowniach i różnych kamieniołomach. Te elementy są często narażone w masie na znaczne obciążenia mechaniczne i na znaczne zużycie przez ścieranie na powierzchni roboczej. Z tego powodu jest pożądane, żeby te elementy miały wysoką wytrzymałość na ścieranie i pewną plastyczność, aby mogły przetrwać obciążenia mechaniczne takie, jak uderzenia i aby ewentualnie nadawały się do obróbki skrawaniem.

Zważywszy, że te obydwie własności są trudne do pogodzenie w jednym materiale, proponowano już elementy zespolone mające rdzeń ze stopu stosunkowo plastycznego, w którym są osadzone izolowane wkładki posiadające dobrą wytrzymałość na ścieranie.

189 446

Dokument EP-A-0476496 proponuje taką technologię do produkcji ściernic, których powierzchnia robocza ma wstawki z surówki chromowej.

Jak wiadomo, materiały ceramiczne mają dobrą odporność na ścieranie, zatem jest również znane stosowanie tych materiałów do podwyższania wytrzymałości na ścieranie elementów roboczych.

Dokument EP-A-0575685 proponuje stosowanie materiałów ceramicznych przy wylewaniu przez odlewanie precyzyjne małych elementów roboczych metodą traconego wosku.

Ten znany sposób wykorzystuje modele (rdzenie) z wosku, które muszą ulec stopieniu, aby otrzymać wnękę odlewniczą, którą następnie należy wypełnić metalem, przy czym forma jako taka, jest wykonana z ceramiki, a nie z klasycznego piasku.

Według tego dokumentu formuje się najpierw wkładkę ceramiczną (przeponkę) o strukturze gąbczastej mającej trójwymiarową sieć otwartych porów wzajemnie ze sobą połączonych. Taką wkładkę ceramiczną formuje się przez nasypanie do odpowiedniej formy ziaren materiału ceramicznego, a następnie zalanie ich ciekłym klejem o dobrej płynności, przykładowo ciekłą żywicą, która po utwardzeniu, utrzymuje ziarna z wytworzeniem struktury ceramicznej. Materiał ceramiczny może składać się z tlenku glinu lub tlenku cyrkonu. Po wstępnym zaimpregnowaniu woskiem, wkładkę tę umieszcza się w formie przeznaczonej do wytworzenia woskowego modelu elementu. Następnie odlewa się model woskowy, a na końcu wykonuje się formę ceramiczną przez zanurzanie modelu woskowego w zawiesinie ceramicznej. Następnie formę ceramiczną z modelem woskowym podgrzewa się do stopienia modelu woskowego. Wosk wypływa z ceramicznej formy, ale wkładka uprzednio umieszczona w modelu woskowym, pozostaje złączona klejem ze ściankami ceramicznej formy.

W celu wykonania odlewu z metalu w tej ceramicznej formie, podgrzewa się ją do temperatury rzędu 1150°C, na ogół pod próżnią.

Ta znana technologia ogranicza się jednak do odlewania precyzyjnego metodą traconego wosku. Ponadto, zgodność między matrycą metalową i strukturą ceramiczną, zwłaszcza w zakresie charakterystyki cieplnej nie stanowi dużego problemu w przypadku zastosowań wymienionych w tym dokumencie zważywszy, że podczas odlewania metalu, forma i struktura ceramiczna są podgrzewane do wysokich temperatur. Ta technologia jest ponadto ograniczona do wytwarzania elementów szczególnych, bardzo precyzyjnych, które sprzedaje się po bardzo wysokich cenach, gdyż sposób odlewania metodą za pomocą traconego wosku jest sam w sobie bardzo kosztowny.

Dokument „Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry” (1985), W. Gerhartz, VCH Verslagsgesellschaft, Wydanie V XP002023826, str. 5, wymienia kompozycje na bazie AhO3 - ZrCh dla maszyn mielących przeznaczonych do obróbki produktów lanych (kęsy i wlewki płaskie).

Powyżej opisana technologia nie może być jako taka przystosowana do wytwarzania elementów roboczych o dużych wymiarach do zastosowań takich, jakie spotyka się w urządzeniach mielących, kruszących i przenoszących różne materiały ścierne, w których elementy takie mają na ogół przekrój co najmniej 25 mm, a często ponad 40 mm.

Ponadto, zgodnie z technologią według wynalazku, jest niemożliwe lub co najmniej trudne do wyobrażenia, odlewanie elementów o małych przekrojach, przykładowo mniejszych niż 25 mm, gdyż ani forma ani też wkładka ceramiczna nie są wstępnie podgrzewane do wysokiej temperatury przed odlewaniem metalu.

Ponadto, element jest zwykle poddany następnej obróbce cieplnej. Z tego względu musi być chociaż niewielka zgodność z punktu widzenia charakterystyki cieplnej pomiędzy materiałem ceramicznym i metalem, aby uniknąć pęknięć spowodowanych szokami termicznymi podczas odlewania ciekłego metalu na wkładkach ceramicznych oraz jakie mogą wystąpić podczas następczej obróbki cieplnej, jak również wynikających z różnych współczynników rozszerzalności cieplnej obu tych materiałów.

Poza tym, konieczne jest aby własności mechaniczne materiału ceramicznego były dostosowane do mechanicznych własności metalu, by wykonać element, którego własności spełniają wymagania właściwe dla szczególnego zastosowania, dla którego jest on przeznaczony.

Celem wynalazku jest zapewnienie zespolonego elementu roboczego z wstawkami ceramicznymi spełniającego w sposób zadawalający wyżej wymienione wymagania.

189 446

Drugi problem wynika z faktu, że przy grubości materiału ceramicznego powyżej 25 mm obserwuje się złą infiltrację metalu. Innym celem niniejszego wynalazku jest rozwiązanie tego drugiego problemu przez zaproponowanie szczególnej geometrii zespolonego elementu roboczego.

Cele te zrealizowano dzięki opracowaniu rozwiązania według wynalazku.

Zespolony element roboczy, składający się z odlewanej metalowej matrycy, której powierzchnia robocza lub powierzchnie robocze zawierają wstawki o bardzo dobrej wytrzymałości na ścieranie, według wynalazku cechuje się tym, że wstawki zawierają co najmniej jedną wkładkę ceramiczną zawierającą jednorodny roztwór stały 20 do 80% wagowych A^Ch i 80 do 20% wagowych ZrO2, zaimpregnowaną podczas odlewania ciekłym metalem.

Zgodnie z wynalazkiem, w zespolonym elemencie roboczym materiał ceramiczny zawiera od 55 do 60% wagowych AhO3 i od 38 do 42% wagowych ZrO2.

Alternatywnie, w zespolonym elemencie roboczym według wynalazku materiał ceramiczny zawiera od 70 do 77% wagowych Ab 0 3 i od 23 do 27% wagowych ZrO2.

W zespolonym elemencie roboczym według wynalazku zawartość materiałów ceramicznych we wstawce jest między 35 i 80% wagowych, korzystnie między 40 i 60% wagowych, a najkorzystniej jest rzędu 50% wagowych.

Zgodnie z wynalazkiem odporne na ścieranie wstawki składają się z agregatu kompozytowych granulek ceramicznych, które majągranulometrię w zakresie od 0,7 mm do 5,5 mm.

Korzystnie, odporne na ścieranie wstawki składają się z agregatu kompozytowych granulek ceramicznych, wytworzonych przez elektrofuzję, przez spiekanie, przez natryskiwanie płomieniowe lub dowolnym innym sposobem.

Korzystnie, wkładkę ceramiczną tworzą granulki ceramiczne integralnie ze sobą połączone za pomocą ciekłego kleju nieorganicznego lub organicznego, przy czym zawartość kleju we wkładce nie przekracza 4%.

Korzystnie, w zespolonym elemencie roboczym według wynalazku, wstawki o bardzo dobrej odporności na ścieranie zawierają co najmniej dwie ceramiczne wkładki rozmieszczone obok siebie, w odległości rzędu 10 mm, a przestrzeń między nimi jest wypełniona metalem, ciekłym podczas odlewania.

Zgodnie z wynalazkiem ceramiczna wkładka ma korzystnie strukturę plastra miodu, w której w fazie ceramicznej poszczególne komórki mają kształt wielokątny lub okrągły, a grubość ścianek różnych komórek tworzących fazę ceramiczną, zawiera się od 5 do 25 mm.

Zespolone elementy robocze według wynalazku wykonane są przez odlewanie klasyczne lub odśrodkowe.

Obok wskazanych wyżej składników materiał ceramiczny może ponadto zawierać inne tlenki, których udział wagowy nie przekracza 3 do 4%.

Zgodnie z pierwszym, korzystnym przykładem wykonania niniejszego wynalazku, skład materiału ceramicznego we wstawce o wysokiej wytrzymałości na ścieranie jest następujący:

- 60% wagowych A^O3 oraz

- 42% wagowych ZrO2

Korzystnie, skład materiału ceramicznego jest następujący:

- 77% wagowych A^O3 oraz

- 27% wagowych ZrO2

Jak wspomniano, zawartość materiałów ceramicznych we wstawce wynosi między 35 i 80% wagowych, korzystnie między 40 i 60% wagowych, a najkorzystniej jest rzędu 50% wagowych.

Ten kompozytowy materiał ceramiczny jest wytworzony z aglomeratu ziaren ceramicznych, o granulometrii w zakresie F6 do F22 według normy FEPA, to jest o średnicy w zakresie między około 0,7 mm i 5,5 mm. Te ziarna ceramiczne są wytwarzane w sposób klasyczny na drodze elektrofuzji, przez spiekanie, przez natryskiwanie płomieniowe lub każdym innym sposobem umożliwiającym stopienie obu składników.

Ceramiczne ziarna są łączone w agregaty za pomocą kleju, który dodaje się w proporcji nie przekraczającej 4% wagowych w przeliczeniu na całkowitą masę wkładki i korzystnie między 2 i 3% wagowych. Klej może być mineralny lub organiczny. Tytułem przykładu można wskazać klej na bazie krzemianu lub klej mający postać żywicy epoksydowej.

189 446

Wynalazek opiera się na ustaleniu, że tlenek glinu (korund) i tlenek cyrkonu mają stosunkowo odmienne własności, a to pozwala - drogą dowolnego wyboru w ramach podanych wyżej zakresów - z jednej strony dostosować twardość, plastyczność oraz współczynnik rozszerzalności cieplnej kompozytu ceramicznego tak, aby pogodzić dużą twardość i odpowiednią plastyczność nadając mu przydatność do określonego zastosowania, do którego ten element jest przeznaczony, z drugiej zaś - uzyskać współczynnik rozszerzalności kompozytu ceramicznego, który jest bliski współczynnikowi rozszerzalności wybranego metalu odlewanego, przykładowo surówki lub stali, dla których współczynnik rozszerzalności zawarty jest między 10x10-⁶ i 11x10'⁶.

Tlenek cyrkonu ma tę zaletę, że jego współczynnik rozszerzalności jest bliski współczynnikowi rozszerzalności metalu. Ponadto, wpływa korzystnie na dobrą plastyczność, to znaczy zmniejsza ryzyko pęknięć.

Tlenek glinu natomiast, wpływa korzystnie na dobrą twardość. W obrębie wkładek, cząstki cyrkonu obecne w tlenku glinowym umożliwiają zwiększenie wytrzymałości tych wkładek na pękanie, przez co umożliwiają osiągnięcie plastyczności wyższej od plastyczności każdego ze składników rozpatrywanych oddzielnie, a mianowicie ZrO? lub AĘO;,.

Inaczej mówiąc, w elementach roboczych, które są poddawane silnemu ścieraniu, korzystne jest zwiększenie udziału tlenku glinowego - nieprzekraczając jednakże pewnej granicy, powyżej której wytrzymałość na ścieranie i plastyczność zaczynają się zmniejszać. W tym przypadku wybiera się raczej drugi zakres dla mieszanki ceramicznej.

Natomiast, dla elementów, które są poddawane silnym uderzeniom lub wysokim ciśnieniom, korzystne jest uprzywilejowanie współczynnika rozszerzalności kosztem twardości i zwiększenie proporcji tlenku cyrkonu, aby zmniejszyć naprężenia w elemencie, a w konsekwencji ryzyko jego pęknięcia.

Odnośnie elementów, w których istnieje ryzyko pęknięcia podczas odlewania lub podczas następczej obróbki cieplnej, jest również korzystne zwiększenie proporcji tlenku cyrkonu, aby zbliżyć wielkość współczynnika rozszerzalności wkładki do współczynnika rozszerzalności metalowej matrycy.

Wybór proporcji składników kompozytowej wkładki ceramicznej może oczywiście również uwzględnić skład odlewanego metalu ze względu na własności, których wymaga zastosowanie, do którego ten element jest przeznaczony. Podobnie, wybór składu metalu odlewanego może być przystosowany do charakteru wkładki kompozytowej.

Aby rozwiązać problem złego wnikania ciekłego metalu do wnętrza fazy ceramicznej, w ramach wynalazku proponuje się różne geometrie.

W szczególnym przypadku, w którym grubość wkładki wykonanej z materiału ceramicznego staje się znaczna, proponuje się zgodnie z korzystnym przykładem wykonania, dwie lub więcej wkładek z materiału ceramicznego, ułożonych warstwowo, utrzymywanych w odległości rzędu co najmniej 10 mm, aby umożliwić dopływ ciekłego metalu podczas odlewania danego elementu. Umożliwia to osiągnięcie prawidłowej infiltracji w różnych wkładkach. W ten sposób otrzymuje się znaczny wzrost zawartości fazy ceramicznej wewnątrz wstawki bez napotykania problemu jej złej infiltracji przez metal.

Korzystne jest również wykonanie wkładki w postaci struktury „plastra miodu”, która ma wewnątrz fazy ceramicznej różne komórki elementarne, o kształcie wielokątnym lub okrągłym. Korzystnie, grubość ścianek różnych komórek stanowiących fazę ceramiczną zawiera się w zakresie między 5 i 25 mm.

I w tym przykładzie wykonania możliwe jest zwiększenie ilości fazy ceramicznej, jednakże bez ryzyka złej infiltracji ciekłego metalu w przypadku elementu, którego zużycie następuje w szczególności w głąb.

Ponownie, korzyść wynika z faktu, że ścianki nie przekraczają grubości granicznej przenikania ciekłego metalu, która wynosi około 25 mm, przy wysokości praktycznie równej wysokości elementu zespolonego. Ponadto, proponując wykonanie wkładki w postaci plastra miodu obserwuje się polepszenie procesu mielenia. Faktycznie, po pewnym okresie eksploatacji tworzą się wydrążone wgłębienia w komórkowej części metalowej, które wypełniają się następnie mielonym materiałem, co spełnia rolę samoochronną przeciw zużyciu. Taka charakterystyka umożliwia uniknięcia powstawania preferencyjnych dróg zużycia wywołanych mate6

189 446 riałem mielonym, powodujących spadek wydajności młynów. Obserwuje się ponadto, że struktura w postaci plastra miodu według korzystnego przykładu wykonania umożliwia zmniejszenie ryzyka rozprzestrzeniania się pęknięć, które mogłyby powstać we wkładce infiltrowanej podczas wytwarzania elementu. Faktycznie, pęknięcia, które mogłyby powstać zamykają się następnie i nie rozprzestrzeniają w całym elemencie.

Figura 1 przedstawia zespolony element roboczy według korzystnego przykładu wykonania wynalazku.

Figura 2 przedstawia zespolony element roboczy według innego korzystnego przykładu wykonania wynalazku.

Figura 3 przedstawia szczególne zastosowanie zespolonego elementu roboczego według wynalazku.

Przykład I

Wytwarzanie wypychacza kruszarki z wałem pionowym.

Przygotowuje się mieszaninę 75% AJ2O₃ i 23% ZrO2, której obydwa składniki stapia się przez elektrofuzję, z wytworzeniem granulek kompozytowych o granulometrii zawartej w kategoriach F6 do F22 normy FEPA. Następnie granulki te wprowadza się do formy o odpowiednim kształcie wraz z ciekłym klejem, który po utwardzeniu łączy granulki ze sobą z wytworzeniem ceramicznej wkładki.

W tym szczegółowym przykładzie, poleca się stosowanie konfiguracji przedstawionej na rysunku fig. 1, gdzie dwie wkładki ceramiczne są ułożone warstwami jedna nad drugą z pozostawieniem odległości 10 mm. Te wkładki umieszcza się we właściwej formie, korzystnie wykonanej z piasku, w którą wlewa się następnie ciekłą surówkę zawierającą 3% węgla, 26% chromu i w niewielkich ilościach inne tradycyjne pierwiastki, jakie zawsze stosuje się w tego typu stopach. Na rysunku fig. 1 faza metalowa oznaczona jest kolorem szarym. Wytwarza się w ten sposób element roboczy z ceramicznymi wstawkami o twardości rzędu 1600 Hv i współczynniku rozszerzalności bliskim 8x10-⁶, osadzonymi w matrycy z surówki o twardości bliskiej 750 Hv.

Przykład II

Wytwarzanie wirnika kruszarki.

Materiał ceramiczny przygotowuje się jak w przykładzie 1, lecz tym razem wybierając skład, który preferuje współczynnik rozszerzalności kosztem twardości, to jest biorąc 40% ZrO2 i 60% Ah0₃.

Zważywszy, że grubość jest szczególnie znaczna dla tego rodzaju elementu, stosuje się konfigurację plastra miodu jak to pokazano na rysunku fig. 2. W obecnym przypadku struktura ma formę plastra miodu, którego komórki mają ścianki o grubości około 20 mm i wysokości praktycznie równej wysokości elementu zespolonego. Konstrukcja ta wykonana jest ze stali manganowej o zawartości 1% węgla, 14% manganu i 1,5% molibdenu. Rysunek fig. 2 przedstawia przekrój pionowy przez wstawkę oraz widok z góry po przecięciu wzdłuż linii A-A1

W ten sposób wytwarza się element zespolony o twardości około 1350 Hv i współczynniku rozszerzalności około 9x106. Celem jest tu zmniejszenie ryzyka pęknięć w elemencie, mogących powstać ze względu na wysoki poziom udarów, jakim poddawany jest element tego typu.

Przykład III

Bijak

Na rysunku fig. 3 przedstawiono przykład wkładki ceramicznej - pola skośnie kreskowane, mającej zastosowanie w bijakach, która zapewnia wzmocnienie w trzech fazach: 1, 2 i 3, zużycia bijaka. Wkładka ceramiczna jest pojedynczym elementem usytuowanym wewnątrz fazy metalowej zaznaczonej kolorem szarym na rysunku fig. 3.

189 446

przekrój A-A’

3

Fig. 3

E metal impregnowana wkładka ceramiczna

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Zespolony element roboczy, składający się z odlewanej metalowej matrycy, której powierzchnia robocza lub powierzchnie robocze zawierają wstawki o bardzo dobrej wytrzymałości na ścieranie, znamienny tym, że wstawki zawierają co najmniej jedną wkładkę ceramiczną zawierającą jednorodny roztwór stały 20 do 80% wagowych AkCj i 80 do 20% wagowych ZrO2, zaimpregnowaną podczas odlewania ciekłym metalem.
2. Zespolony element roboczy według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał ceramiczny zawiera od 55 do 60% wagowych /M2O3 i od 38 do 42% wagowych ZrO2.
3. Zespolony element roboczy według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał ceramiczny zawiera od 70 do 77% wagowych A^Oj i od 23 do 27% wagowych ZrO2.
4. Zespolony element roboczy według zastrz. 1, znamienny tym, że zawartość materiałów ceramicznych we wstawce jest między 35 i 80% wagowych, korzystnie między 40 i 60% wagowych, a najkorzystniej - rzędu 50% wagowych.
5. Zespolony element roboczy według zastrz. 1, znamienny tym, że wstawki składają się z agregatu kompozytowych granulek ceramicznych, które mają granulometrię w zakresie od 0,7 mm do 5,5 mm.
6. Zespolony element roboczy według zastrz. 1, znamienny tym, że wstawki składają się z agregatu kompozytowych granulek ceramicznych, wytworzonych przez elektrofuzję, przez spiekanie, przez natryskiwanie płomieniowe lub dowolnym innym sposobem.
7. Zespolony element roboczy według zastrz. 1 albo 5, albo 6, znamienny tym, że wkładkę ceramiczną tworzą granulki ceramiczne integralnie ze sobą połączone za pomocą ciekłego kleju nieorganicznego lub organicznego.
8. Zespolony element roboczy według zastrz. 7, znamienny tym, że wkładka zawiera do 4% kleju.
9. Zespolony element roboczy, według zastrz. 1, znamienny tym, że wstawki zawierają co najmniej dwie ceramiczne wkładki rozmieszczone obok siebie, w odległości rzędu 10 mm, a przestrzeń między nimi jest wypełniona metalem, ciekłym podczas odlewania.
10. Zespolony element roboczy według zastrz. 1, znamienny tym, że ceramiczna wkładka ma strukturę plastra miodu, w której w fazie ceramicznej poszczególne komórki mają kształt wielokątny lub okrągły.
11. Zespolony element roboczy według zastrz. 10, znamienny tym, że grubość ścianek różnych komórek tworzących fazę ceramiczną, zawiera się od 5 do 25 mm.