SK284900B6

SK284900B6 - Oteruvzdorný diel z kompozitného materiálu

Info

Publication number: SK284900B6
Application number: SK402-99A
Authority: SK
Inventors: Hubert Francois
Original assignee: Magotteaux International S. A.
Priority date: 1996-10-01
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 2006-02-02
Also published as: ID17782A; EP0930948B1; UA46124C2; EE9900139A; WO1998015373A1; ATE195895T1; AU723329B2; DE69702988T2; CN1232416A; HUP9904505A2; EP0930948A1; TR199900645T2; CZ111699A3; ES2150278T3; HUP9904505A3; US6399176B1; WO1998015373A8; KR100691295B1; RU2177389C2; CA2266475A1

Abstract

Je opísaný oteruvzdorný materiál, ktorý je uskutočnený liatím a tvorí ho kovová matrica, ktorej jedna alebo viac pracovných plôch obsahuje výstužné zložky s vysokou odolnosťou proti oteru. Výstužné zložky sú vytvorené z keramického telesa, ktoré je v priebehu liatia presiaknuté roztaveným kovom, pričom toto teleso tvorí homogénny tuhý roztok 20 až 80 hmotnostných % Al2O3 a 80 až 28 hmotnostných % ZrO2.

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka oteruvzdomého dielu z kompozitného materiálu, ktorý je uskutočnený liatím a tvorí ho kovová matrica, ktorej pracovná plocha jc vybavená výstužnými vložkami značne odolnými proti abrázii.

Doterajší stav techniky

Vynález sa týka oteruvzdomých dielov používaných v zariadedniach na drvenie, mletie, nakladanie a prepravu rôznych hornín, najmä v cementárňach, hutiach, baniach, elektrárňach a lomoch. Tieto diely sú často vystavené zvýšenému mechanickému namáhaniu a predovšetkým značnému oteru ich pracovnej plochy. Je teda potrebné, aby také diely boli veľmi odolné proti abrázii a zároveň boli do určitej miery ťažné, schopné odolávať mechanickému namáhaniu, napr. nárazom a mohli byť prípadne opracovávané.

Vzhľadom na to, že tieto dve vlastnosti sú v jedinom materiáli navzájom ťažko zlučiteľné, boli už navrhnuté diely z kompozitného materiálu vybaveného primerane ťažným zliatinovým jadrom, v ktorom sú zapustené jednotlivé výstužné zložky dobre odolné proti abrázii.

Taká technika je podľa dokumentu EP-A-0476496 vhodná pre drviace valce, ktorých pracovná stena je vybavená výstuhami z chrómovej liatiny.

Po zistení, že keramické hmoty sú dobre odolné proti oteru, používajú sa aj tieto hmoty na zvýšenie odolnosti oteruvzdomých dielov.

Dokument EP-A-0575685 opisuje použitie keramických materiálov pri výrobe malých oteruvzdomých dielov presným formovaním na vytaviteľný model.

Tento známy spôsob spočíva v použití voskových modelov, ktoré sa pri zahrievaní formy vypália a tým vznikne dutina, ktorá sa potom vyplní kovom. Forma je takisto uskutočnená z keramiky, nie z klasického piesku.

Podľa tohto dokumentu sa najskôr vytvorí keramické valcovité teleso poréznej trojrozmernej štruktúry s navzájom spojenými otvorenými pórmi. Keramické teleso sa vytvorí tak, že do príslušnej formy sa vložia keramické zrná a potom dobre tekuté spojivo, napr. tekutá živica, ktorá po stvrdnutí spojí zrná do pevnej keramickej štruktúry. Keramický materiál môže tvoriť oxid hlinitý alebo oxid zirkoničitý. Potom sa keramické teleso napustí voskom a umiestni do formy určenej na vytvorenie voskového modelu diela. Po získaní voskového modelu sa nakoniec vytvorí keramická forma namočením voskového modelu v keramickej kaši. Keramická forma obsahujúca voskový model sa potom zahrieva a voskový model sa roztopí. Vosk sa z keramickej formy vypáli, ale keramické telesá vložené predtým do voskového modelu zostanú prilepené ku stenám keramickej formy.

Pri liatí kovu sa keramická forma predhrieva prevažne vo vákuu na teplotu rádovo 1150 °C.

Táto známa technika je určená len na presné odlievanie na vytaviteľný model. Zlučiteľnosť medzi kovovou matricou a keramickou štruktúrou, najmä z hľadiska tepelného chovania, nie je pre aplikáciu, uvedenú v dokumente problematická vzhľadom na to, že pri liatí kovu sa forma a keramická štruktúra predhreje na vysokú teplotu. Okrem toho je táto technika určená na uskutočnenie veľmi špecifických presných dielov, ktoré sú dodávané na trh za vysokú cenu, pretože formovanie na vytaviteľný model je veľmi drahé.

V dokumente „Ullman's Encyklopédia of Industrial Chemistry“ (1985), W. Gerhartz, VCH Verslagsgesellschaft. 5. vydanie XP002023862, str. 5, sú uvedené kompo zície na báze A1₂O₃ - ZrO₂pre obrusovacie stroje určené na opracovanie zlievarenských výrobkov (sochorov a plosiek).

Podstata vynálezu

Uvedenú techniku nie je možné samu osebe použiť na výrobu oteruvzdomých dielov väčších rozmerov, ktoré sú súčasťou zariadenia mlynov a drviamí alebo prostriedkov na nakladanie a prepravu hornín. Prierez takých dielov je aspoň 25 mm, často väčší ako 40 mm.

Technikou podľa vynálezu nie je možné (alebo je ťažké si predstaviť) odlievať diely malých rozmerov, napr. menších ako 25 mm, lebo ani forma ani keramická zložka nie sú pred liatím kovu zahrievané na vysokú teplotu.

Je tiež zrejmé, že diel sa spravidla po jeho zhotovení opracováva pri príslušnej teplote, preto musí byť medzi keramickým materiálom a kovom určitá zlučiteľnosť z hľadiska tepelného chovania, aby sa zamedzilo vzniku trhlín, ktoré môžu byť spôsobené jednako vplyvom tepelných nárazov pri liatí kovu na keramickú zložku kompozitu a jednako vplyvom teploty pri jeho ďalšom opracovávaní, ak by koeficienty rozťažnosti obidvoch zložiek kompozitu boli odlišné.

Okrem toho je tiež potrebné, aby mechanické vlastnosti keramického materiálu boli prispôsobené mechanickým vlastnostiam kovu. Len tak môže byť uskutočnený diel, ktorého vlastnosti budú zodpovedať podmienkam jeho špecifického použitia.

Vynález si kladie za cieľ vytvoriť oteruvzdomý kompozit s keramickou zložkou, ktorý zodpovedá uvedeným podmienkam.

Bolo tiež overené, že kov zle preniká do keramického materiálu, ktorého hrúbka je väčšia ako 25 mm. Vynález tento problém rieši tým, že odporúča zvláštne usporiadanie oteruvzdomého dielu z kompozitného materiálu.

Podľa vynálezu je diel z kompozitného materiálu uskutočnený klasickým alebo odstredivým liatím. Tvorí ho kovová matrica, ktorej jedna alebo viac pracovných plôch má výstužné zložky s vysokou odolnosťou proti oteru, pričom podstata vynálezu spočíva v tom, že výstužné vložky sú vytvorené z keramického telesa, ktoré je homogénnym keramickým kompozitom obsahujúcim 20 až 80 % hmotn. A1₂O₃ a 80 až 20 % hmotn. ZrO₂. Keramické teleso je integrované do kovovej matrice impregnáciou roztaveného kovu do keramického telesa v priebehu liatia.

Vo výhodnom uskutočnení keramický materiál obsahuje 55 až 60 % hmotn. AI₂O₃ a 38 až 42 % hmotn. ZrO₂.

V ďalšom výhodnom uskutočnení keramický materiál obsahuje 70 až 77 % hmotn. A1₂O₃ a 23 až 27 % hmotn. ZrO₂.

V ďalšom výhodnom uskutočnení obsah keramického materiálu vo výstužnej vložke je 35 až 80 % hmotn.

Výhodné je, keď výstužné vložky sú kompozitom keramických zŕn s veľkosťou 0,7 až 5,5 mm.

V ďalšom výhodnom uskutočnení sú keramické zrná vyrobené elektrotavením, spekaním alebo rozstrekovaním v žiari.

V ďalšom výhodnom uskutočnení na vytvorenie keramického telesa sú keramické zrná pred liatím roztaveného kovu spojené tekutým minerálnym alebo anorganickým spojivom. Ako príklad je možné uviesť spojivo na báze kremičitanu alebo epoxidovú živicu.

Výhodné je, keď keramické teleso obsahuje najviac 4 % spojiva. Vynález vychádza zo skutočnosti, že oxid hlinitý (korund) a oxid zirkoničitý majú v podstate odlišné vlastnosti, čo pri starostlivej voľbe uvedených podielov obidvoch zložiek umožní jednako upraviť tvrdosť, húževnatosť a koeficient rozťažnosti keramického kompozitu tak, aby sa zlúčila dobrá tvrdosť a dobrá húževnatosť zodpovedajúca určenému použitiu dielu, a jednak bolo dosiahnutý taký koeficient roztiahnuteľnosti keramického kompozitu, ktorý sa blíži koeficientu roztiahnuteľnosti použitého kovu, t. j. liatine alebo oceli s koeficientom 10.10^_ó až 11.10'⁶.

Je výhodné, že hodnoty koeficientu roztiahnuteľnosti oxidu zirkoničitého a kovu sú blízke. Okrem toho oxid zirkoničitý prispieva k dobrej húževnatosti a tým obmedzuje nebezpečenstvo lámania.

Oxid hlinitý prispieva k dobrej tvrdosti. Častice zirkónia v oxide hlinitom umožnia zvýšiť odolnosť proti tvoreniu trhlín v keramickej zložke. Tak sa dosiahne väčšia húževnatosť ako by mala samostatne každá zo dvoch zložiek, teda ZrO₂ alebo Äl₂O₃.

Inak povedané, v oteruvzdorných dieloch, ktoré sú vystavené značnej abrázii, je vhodné zvýšiť obsah oxidu hlinitého, ale nesmie pritom prekročiť určitú hranicu, pri ktorej odolnosť proti abrázii a húževnatosť začínajú klesať. V tomto prípade sa pre keramický kompozit zvolí skôr druhý z uvedených podielov obidvoch zložiek.

Naopak pre diely, ktoré sú vystavené značným nárazom alebo vysokým tlakom je vhodnejšie uprednostniť koeficient roztiahnuteľnosti pred tvrdosťou zvýšením podielu oxidu zirkoničitého. Tým sa zníži napätie v diele a nebezpečenstvo jeho rozlomenia.

Takisto pri dieloch, pri ktorých v priebehu liatia alebo ďalšieho tepelného opracovania hrozí tvorenie trhlín a popraskania, je výhodné zvýšiť podiel oxidu zirkoničitého. Tým sa priblížia koeficienty roztiahnuteľnosti keramickej zložky a kovovej matrice.

Pri voľbe podielov zložiek keramického kompozitu je možné tiež vziať do úvahy zloženie kovov z hľadiska vlastností, ktoré vyžaduje použitie dielu. Rovnako tak zloženie kovu je možné voliť podľa povahy keramického kompozitu.

Problém zlého prenikania roztaveného kovu do keramickej zložky rieši vynález tým, že navrhuje rôzne usporiadanie celého kompozitu.

V zvláštnom prípade, keď je dôležitá hrúbka keramického telesa, budú podľa prvého vynálezu dva alebo viac týchto telies umiestnené nad sebou a budú oddelené minimálnym priestorom rádovo 10 mm, aby roztavený kov mohol dobre prenikať. To prispeje k riadnej infiltrácii keramických telies kovom a k požadovanej veľkosti podielu keramickej zložky v celom kompozite.

Podľa iného uskutočnenia vynálezu sa keramické teleso uskutočni v tvare voštinovej štruktúry s jednotlivými bunkami viacuholnikového alebo kruhového tvaru. Je výhodné, aby hrúbka stien rôznych buniek keramickej zložky bola od 5 do 25 mm.

Toto uskutočnenie umožní zvýšiť veľkosť keramickej zložky, bez toho aby vzniklo nebezpečenstvo zlej infiltrácie roztaveného kovu v prípade dielu, ktorého oter prebieha do hĺbky.

Výhoda spočíva v tom, že hrúbka stien po celej výške kompozitu nepresahuje medzu infiltrácie roztaveného kovu, ktorá je približne 25 mm. Druhé uskutočnenie keramického telesa v tvare voštinovej štruktúry zlepší priebeh práce pri drvení. Pri tomto procese dochádza po určitom čase v mieste kovových buniek ku vzniku výmoľov, ktoré sa zaplňujú drvením materiálom, a tým vniká samovoľná ochrana proti oteru. Tento profil zabráni, aby drvený materiál nerovnomerne rozrušoval pracovnú plochu zariadenia a tým sa znižoval výkon mlynov. Takisto bolo zistené, že voštinová štruktúra podľa druhého uprednostňovaného uskutočnenia umožní znížiť nebezpečenstvo šírenia trhlín, ktoré by mohli vznikať v keramickom telese pri infiltrácii roztaveného kovu. Trhliny, ktoré by sa vytvárali, sa samé uzavrú a nerozširujú sa po celom diele.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Vynález bude bližšie objasnený pomocou výkresu, na ktorom obr. 1 znázorňuje oteruvzdorný diel z kompozitného materiálu podľa prvého uskutočnenia vynálezu, obr. 2 rovnaký diel podľa druhého uskutočnenia vynálezu a obr. 3 zvláštne uskutočnenie toho istého kompozitu.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Prvý príklad sa týka výroby kladiva drviaceho prostriedku so zvislou osou. Zo zmesi 75 hmotnostných % A1₂O₃ a 23 hmotnostných % ZrO₂ s elektrotavbou vytvoria kompozitné zrná s veľkosťou 0,7 až 5,5 mm. Tieto zrná sa potom vložia do príslušnej formy spoločne s tekutým spojivom, ktoré sa po zatvrdnutí zrna pevne spoja a vytvorí sa keramické teleso.

V tomto zvláštnom prípade je vhodné použiť usporiadanie znázornené na obr. 1, t. j. dve keramické telesá umiestnené nad sebou tak, aby medzi nimi bola medzera 10 mm. Tieto keramické telesá sú umiestnené do príslušnej formy, najlepšie pieskovej, do ktorej sa potom vlieva surové železo obsahujúce 3 % uhlíka, 26 % chrómu a v malom množstve ďalšie prvky nachádzajúce sa v zliatinách tohto typu. Tým sa vytvorí oteruvzdorný diel s keramickými zložkami s tvrdosťou rádovo 1 600 Hv a koeficientom roztiahnuteľnosti približne 8 . 10'⁶, ktorý je usadený v liatinovej matrici s tvrdosťou približne 750 Hv.

Druhý príklad sa týka výroby rotora mlecieho stroja. Keramický materiál sa pripraví rovnakým spôsobom, ako bolo uvedené v 1. príklade, ale teraz sa zvolí zloženie, ktoré uprednostní koeficient roztiahnuteľnosti na úkor tvrdosti. Zmes bude teda pripravená zo 40 hmotnostných % ZrO₂ a 60 hmotnostných % A1₂O₃.

Vzhľadom na to, že pre tento typ dielu je najmä dôležitá jeho hrúbka, použije sa usporiadanie typu voštinovej štruktúry, ktoré je znázornená na obr. 2. Hrúbka stien buniek voštinovej štruktúry je približne 20 mm a ich výška je prakticky rovnaká, ako výška celého kompozitu. Štruktúra je uskutočnená s použitím mangánovej ocele v zložení 1 % uhlíka, 14 % mangánu a 1,5 % molybdénu.

Takto sa zhotoví kompozit s tvrdosťou približne 1350 Hv a s koeficientom roztiahnuteľnosti 9.10'⁶. V tomto prípade je cieľom znížiť riziko trhlín v diele vplyvom väčších nárazov pri jeho prevádzke.

Tretí príklad sa týka kladiva. Obr. 3 znázorňuje príklad keramickej štruktúry pre kladivo, ktorá zosilní tri pracovné plochy tohto prostriedku. Keramická štruktúra je jedinou súčasťou umiestnenou v základni kovovej časti.

Claims

1. Oteruvzdorný diel z kompozitného materiálu, uskutočnený klasickým alebo odstredivým liatím, obsahuje kovovú matricu, ktorej jedna alebo viac pracovných plôch má výstužné zložky s vysokou odolnosťou proti oteru, vyznačujúci sa tým, že výstužné vložky sú vytvorené z keramického telesa, ktoré je homogénnym keramickým kompozitom obsahujúcim 20 až 80 % hmotn.

AI₂Oj a 80 až 20 % hmotn. ZrO₂, pričom keramické teleso je integrované do kovovej matrice impregnáciou roztaveného kovu do keramického telesa v priebehu liatia.

2. Oteruvzdomý diel z kompozitného materiálu podľa nároku I, vyznačujúci sa tým, že keramický materiál obsahuje 55 až 60 % hmotn. AI₂O₃ a 38 až 42 % hmotn. ZrO₂.

3. Oteruvzdomý diel z kompozitného materiálu podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že keramický materiál obsahuje 70 až 77 % hmotn. AI₂O₃ a 23 až 27 % hmotn. ZrO₂.

4. Oteruvzdomý diel z kompozitného materiálu podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že obsah keramického materiálu vo výstužnej vložke je 35 až 80 % hmotn.

5. Oteruvzdomý diel z kompozitného materiálu podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, ževýstužné vložky sú kompozitom keramických zŕn s veľkosťou 0,7 až 5,5 mm.

6. Oteruvzdomý diel z kompozitného materiálu podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že keramické zrná sú vyrobené elektrotavením, spekaním alebo rozstrekovaním v žiari.

7. Oteruvzdomý diel z kompozitného materiálu podľa nároku 1, v y z n a č u j ú c i sa tým, že na vytvorenie keramického telesa sú keramické zrná pred liatím roztaveného kovu spojené tekutým minerálnym alebo anorganickým spojivom.

8. Oteruvzdomý diel z kompozitného materiálu podľa nároku 7, vyznačujúci sa tým, že keramické teleso obsahuje najviac 4 % spojiva.

9. Oteruvzdomý diel z kompozitného materiálu uskutočnený klasickým alebo odstredivým liatím podľa nároku 1 a vyrobený z kovovej matrice obsahujúcej keramické teleso s odolnosťou proti oteru, vyznačujúci sa tým, že keramické teleso má voštinovú štruktúru a bunky vnútri keramickej zložky majú mnohouholníkový alebo kruhový tvar.

10. Oteruvzdomý diel z kompozitného materiálu podľa nároku 9, vyznačujúci sa tým, že hrúbka stien rôznych buniek tvoriacich keramickú zložku jc 5 až 25 mm.