專利名稱：復(fù)合耐磨部件的制作方法
發(fā)明的主題本發(fā)明涉及用鑄造方法制造的復(fù)合耐磨材料部件，部件由金屬基體構(gòu)成，其工作面包含具有良好抗磨性能的嵌入物。
背景技術(shù)：
本發(fā)明尤其涉及在水泥、礦山、冶金、電站或各種類似工業(yè)中遇到的磨礦設(shè)備、破碎設(shè)備和各種磨蝕材料運(yùn)輸設(shè)備中使用的易磨損部件。對(duì)這些部件通常要求有很高的整體機(jī)械性能。希望這些部件有很高的耐磨性和一定的延展性，以便能具有抗沖擊等機(jī)械強(qiáng)度和能夠?qū)ζ溥M(jìn)行加工。
由于這兩種性能在同一材料中很難協(xié)調(diào)一致，有人已經(jīng)提出帶有延伸性相當(dāng)好的合金型芯的復(fù)合部件，在型芯中嵌入具有良好耐磨性的隔離嵌入物。
文獻(xiàn)EP-A-0476496提出制造研磨滾輪的技術(shù)，滾輪的工作面配有含鉻生鐵的嵌入物。
眾所周知，陶瓷材料具有很好的抗磨蝕性能，可以用這些材料來(lái)改善易磨損部件的抗磨蝕性能。
文獻(xiàn)EP-A-0575685提出將陶瓷材料應(yīng)用于小型耐磨損部件的失蠟精密鑄造中。
該已知的方法使用蠟?zāi)?，蠟?zāi)Ｈ刍玫叫颓?，型腔填入金屬；該鑄模本身由陶瓷構(gòu)成，而不是通常用的砂子。
根據(jù)該文獻(xiàn)，首先形成海綿結(jié)構(gòu)的陶瓷芯板，具有所有孔之間孔孔相通的三維網(wǎng)結(jié)構(gòu)。為了形成陶瓷芯板，往合適的鑄模中注入陶瓷材料顆粒，然后，再注入有良好流動(dòng)性的液體膠，例如液體樹脂，凝固之后將顆粒固定，便形成陶瓷結(jié)構(gòu)。陶瓷材料可由氧化鋁或氧化鋯組成。這種芯板在事先浸蠟之后，放在用于制作部件蠟?zāi)５蔫T模中。這樣蠟?zāi)ｈT造出來(lái)，最后將蠟?zāi)＝n在陶瓷澆注用泥漿中便形成陶瓷鑄模。包含蠟?zāi)５奶沾设T模進(jìn)行加熱，以便將蠟?zāi)Ｈ刍＿@樣蠟便從陶瓷鑄模中流出，但事先在蠟?zāi)Ｖ星度氲男景迦匀徽吃谔沾设T模的壁上。
為了在陶瓷鑄模中鑄造金屬，陶瓷鑄模一般在真空下預(yù)熱到1150℃左右。
然而，這種已知的技術(shù)只限于失蠟精密鑄造。此外，在金屬基體和陶瓷結(jié)構(gòu)之間、特別是熱性能方面的相容性對(duì)于該文獻(xiàn)提到的應(yīng)用不構(gòu)成問題，因?yàn)樵阼T造金屬時(shí)，鑄模和陶瓷結(jié)構(gòu)被預(yù)熱到高溫。此外，在技術(shù)僅限于制造非常精密的部件，部件以很高的價(jià)格出售，因?yàn)槭炶T造本身就是高成本的。本發(fā)明立足的問題上面描述的技術(shù)不適用于在磨礦設(shè)備、破碎設(shè)備或磨蝕材料運(yùn)輸設(shè)備中所遇到的較大尺寸耐磨損部件的制造，在這些設(shè)備中，部件斷面通常至少為25毫米，經(jīng)常在40毫米以上。
此外，根據(jù)本發(fā)明技術(shù)，不可能或者至少很難考慮鑄造小斷面的部件，例如小于25毫米的部件，因?yàn)椴徽撌氰T模，還是陶瓷嵌入物，在鑄造金屬之前都不能預(yù)熱到高溫。
另一方面，部件通常還要經(jīng)受以后的熱處理。因此，在陶瓷材料和金屬之間從熱性能方面考慮要有一定的相容性，以防止當(dāng)液體金屬在陶瓷嵌入物上鑄造時(shí)由于熱沖擊產(chǎn)生裂縫，并且在以后的熱處理時(shí)也可能產(chǎn)生裂縫，這兩種材料的不同膨脹系數(shù)也會(huì)產(chǎn)生裂縫。
此外，陶瓷材料的機(jī)械性能必須與金屬的機(jī)械性能匹配，以便制造部件的性能滿足特定的應(yīng)用領(lǐng)域。
本發(fā)明的目的是制造帶陶瓷嵌入物的復(fù)合耐磨部件，以令人滿意的方式滿足上面提到的要求。
第二個(gè)問題的提出是基于陶瓷材料厚度大于25毫米時(shí)，金屬的滲透性很差這一事實(shí)。本發(fā)明的另一目的，就是為解決這個(gè)第二問題而提出復(fù)合耐磨件的特殊幾何形狀。本發(fā)明的主要特征為了達(dá)到第一目的，本發(fā)明提出用傳統(tǒng)的鑄造或離心鑄造來(lái)制造復(fù)合耐磨部件。這種復(fù)合耐磨件由金屬基體組成，其磨損表面帶有具有很好耐磨蝕性能的嵌入物，這些嵌入物由陶瓷材料制成，其本身也是復(fù)合體，由占成分重量20％到80％的氧化鋁和80％到20％的氧化鋯的固體溶液或均勻相組成。
此外，陶瓷材料可包含其它的氧化物，其重量比不超過3％到4％。
根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例，陶瓷材料成份如下55-60％重量的Al2O3和38-42％重量的ZrO2。
根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施例，陶瓷材料成份如下70-77％重量的Al2O3和23-27％重量的ZrO2。
在嵌入物中陶瓷材料的含量按重量在35％和80％之間，最好在40％和60％之間，有利的是在50％左右。
這種陶瓷復(fù)合材料用陶瓷顆粒燒結(jié)而成，按照FEPA標(biāo)準(zhǔn)燒結(jié)顆粒粒度在F6到F22范圍內(nèi)，即直徑在0.7毫米和5.5毫米之間。這些陶瓷顆粒以常規(guī)方式，用電熔法、燒結(jié)法、熱拋射或其它方法制造，這些方法都能把兩種組成部分熔化。
陶瓷顆粒利用一種膠燒結(jié)，其比例相對(duì)于芯板總重量而言重量不超過4％，最好重量在2％和3％之間。這種膠可以是無(wú)機(jī)的，也可以是有機(jī)的。作為例子，可以是一種硅酸鹽基膠，或環(huán)氧樹脂形式的膠。
本發(fā)明基于下述事實(shí)，即氧化鋁(剛玉)和氧化鋯性能有很大差別，可以在上述范圍內(nèi)進(jìn)行合理選擇來(lái)調(diào)整復(fù)合陶瓷件的硬度、韌性和熱膨脹系數(shù)，以便把好的硬度與好的韌性結(jié)合起來(lái)，使其能應(yīng)用在精密的地方，另一方面，也為了使陶瓷復(fù)合材料的膨脹系數(shù)接近所選擇的鑄造金屬、即生鐵或鋼的膨脹系數(shù)(在10×10-6和11×10-6之間)。
氧化鋯的優(yōu)點(diǎn)是它的膨脹系數(shù)接近金屬的膨脹系數(shù)。此外，它有很好的韌性，換句話說(shuō)，它減少了破碎的危險(xiǎn)。
至于氧化鋁，它有很高的硬度。在芯板內(nèi)部，在氧化鋁中鋯顆粒能夠增加氧化鋁的抗裂能力，因而具有比復(fù)合材料的每一單獨(dú)成分、如ZrO2或Al2O3更高的韌性。
因此在經(jīng)常強(qiáng)烈磨蝕的易磨部件中最好增加氧化鋁的比例，但不能超過一定限度，超過這個(gè)限度，抗磨蝕性和韌性開始降低。在此情況下，最好選擇陶瓷復(fù)合材料的第二個(gè)范圍。
反之，對(duì)于那些經(jīng)受巨大沖擊或很高壓力的部件，最好優(yōu)先考慮膨脹系數(shù)而犧牲硬度并增加氧化鋯的比例，以便減小部件中的應(yīng)力，從而減小破碎的危險(xiǎn)。
對(duì)于那些在鑄造時(shí)或在以后的熱處理時(shí)有發(fā)生裂縫危險(xiǎn)的部件，最好還要增加氧化鋯的比例，以便使嵌入物的膨脹系數(shù)接近金屬基體的膨脹系數(shù)。
陶瓷復(fù)合嵌入物成分比例的選擇，當(dāng)然還要根據(jù)部件應(yīng)用所要求的性能考慮鑄造金屬的成分。同樣，鑄造金屬成分的選擇可以與復(fù)合嵌入物的性能配合。
為了解決在陶瓷相內(nèi)部液體金屬不好的滲透問題，在本發(fā)明范圍內(nèi)提出了不同的幾何形狀。
當(dāng)以陶瓷材料制造的芯板厚度變得很厚的特殊情況下，根據(jù)第一種實(shí)施形式，提出兩塊或更多塊陶瓷芯板迭加在一起，而在芯板之間保留約10毫米的小空間，以便液體金屬能流入。以這種方式，能在嵌入物內(nèi)部大大增加陶瓷相的比例，從而解決了金屬滲透性不好的問題。
根據(jù)另一實(shí)施形式，提出制造“蜂窩”結(jié)構(gòu)形的芯板，該結(jié)構(gòu)包括在陶瓷相內(nèi)部呈現(xiàn)多角形或圓形的多種基本單元。構(gòu)成陶瓷相的不同單元的壁厚最好在5毫米和25毫米之間變化。
在易磨損部件的磨損特別深的情況下，這種實(shí)施形式能夠增加陶瓷相的量，也能解決液體金屬滲透性差的問題。
其優(yōu)點(diǎn)還在于壁厚不超過液體金屬滲透的極限厚度(約25毫米)，然而高度實(shí)際上等于復(fù)合部件的高度。此外，這種“蜂窩”形的芯板的第二種形式可改善磨碎工藝。事實(shí)上，在投入使用一定時(shí)間后，在空心蜂窩的金屬單元部分中填滿了被磨材料，這就起到了抗磨損自保護(hù)作用。這種形式的優(yōu)點(diǎn)是避免被磨物質(zhì)形成優(yōu)先磨損途徑，而導(dǎo)致磨碎設(shè)備的流量下降。此外，根據(jù)優(yōu)選的第二實(shí)施形式的“蜂窩”形結(jié)構(gòu)能夠減小裂縫擴(kuò)展的危險(xiǎn)，當(dāng)制造部件時(shí)這種裂縫可能在滲透芯板中發(fā)展。事實(shí)上，可能產(chǎn)生的裂縫這時(shí)能自行封閉，而不至于擴(kuò)展到整個(gè)部件。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施形式的復(fù)合耐磨部件。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施形式的復(fù)合耐磨部件。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合耐磨部件的一種特定應(yīng)用。實(shí)施例例1立軸式破碎機(jī)的排出器首先形成75％的Al2O3和23％的ZrO2的混合物，用電熔法將這兩種成分熔化，形成復(fù)合顆粒，其粒度按FEPA標(biāo)準(zhǔn)在F6到F20級(jí)之間。然后將這些顆粒與一種液體膠一起注入合適形狀的鑄模中，在凝固之后，液體膠將顆粒固定成一整體，形成陶瓷芯板。
在此特殊例子中，建議使用圖1示出的構(gòu)形，兩塊陶瓷芯板迭加在一起，兩者之間有10毫米的空間。這些芯板放在合適的鑄模中，最好是砂模，然后在砂模中鑄入液體生鐵，生鐵中包含3％的碳、26％的鉻和這類合金中常用的其它少量元素。這樣便制成了帶陶瓷嵌入物的硬度約1600Hv、膨脹系數(shù)接近8×10-6的耐磨部件，而在生鐵基體中保持近于750Hv的硬度。例2破碎機(jī)的轉(zhuǎn)子如同例1一樣制備陶瓷材料，但陶瓷材料成份的選擇要優(yōu)先考慮膨脹系數(shù)而犧牲硬度，即取40％的ZrO2和60％的Al2O3。
如果這類部件厚度特別大，則采用圖2示出的“蜂窩”形結(jié)構(gòu)。在此情況下，“蜂窩”形結(jié)構(gòu)的單元壁厚約為20毫米，而且其高度實(shí)際上等于復(fù)合件的高度。這種結(jié)構(gòu)采用錳鋼制造，其成分為1％的碳、14％的錳和1.5％的鉬。
這樣制造的復(fù)合部件，其硬度約為1350Hv，膨脹系數(shù)接近9×106。其目的是減小這類部件在大的撞擊時(shí)在部件內(nèi)產(chǎn)生裂縫的危險(xiǎn)。例3拍打器圖3示出在拍打器的應(yīng)用中使用的陶瓷芯板，這種結(jié)構(gòu)能加強(qiáng)拍打器的三相磨損。陶瓷芯板是在金屬相內(nèi)部的單一部件。
權(quán)利要求
1．用鑄造法制造的復(fù)合耐磨部件，由一金屬基體構(gòu)成，其工作面包含具有很高抗磨性能的嵌入物，其特征在于，嵌入物由陶瓷芯板構(gòu)成，該陶瓷芯板由含20％到80％Al2O3和80％到20％ZrO2的均勻固體溶液組成，百分比是成分的重量百分比，然后，在鑄造時(shí)滲入金屬液體。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合耐磨部件，其特征在于，陶瓷材料包括55％到60％重量的Al2O3和38％到42％重量的ZrO2。
3．根據(jù)權(quán)利要求l所述的復(fù)合耐磨部件，其特征在于，陶瓷材料包括70％到77％重量的Al2O3和23％到27％重量的ZrO2。
4．根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的復(fù)合耐磨部件，其特征在于，陶瓷材料在嵌入物中的含量按重量在35％和80％之間，優(yōu)選的是在40％和60％之間，最好為50％左右。
5．根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的復(fù)合耐磨部件，其特征在于，嵌入物由復(fù)合陶瓷顆粒塊構(gòu)成，其粒度按FEPA標(biāo)準(zhǔn)在F6和F22范圍之間。
6．根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的復(fù)合耐磨部件，其特征在于，陶瓷顆粒用電熔法、燒結(jié)法、熱拋射法或者其它方法制造而成。
7．根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的復(fù)合耐磨部件，其特征在于，復(fù)合陶瓷顆粒用無(wú)機(jī)或有機(jī)液體膠固化而成，以便制造陶瓷芯板。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的復(fù)合耐磨部件，其特征在于，芯板中的膠不超過4％。
9．用鑄造制造和由金屬基體構(gòu)成的復(fù)合耐磨部件，至少包括一個(gè)陶瓷芯板，其特征在于，至少有兩個(gè)陶瓷芯板并列設(shè)置，它們之間留有最小的空隙。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的復(fù)合耐磨部件，其特征在于，該最小的空隙約為10毫米，以便液體金屬進(jìn)入。
11．用鑄造制造和由金屬基體構(gòu)成的復(fù)合耐磨部件，包括一塊抗磨損的陶瓷芯板，其特征在于，陶瓷芯板呈“蜂窩”形結(jié)構(gòu)，其不同單元在陶瓷相內(nèi)部為多角形或圓形。
12．根據(jù)權(quán)利要求11所述的復(fù)合耐磨部件，其特征在于，構(gòu)成陶瓷相的不同單元的壁厚在5毫米和25毫米之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及由鑄造法制造并由金屬基體構(gòu)成的復(fù)合耐磨部件,其工作面包括具有良好抗磨性能的嵌入物,其特征在于,嵌入物由鑄造時(shí)滲透金屬液體的陶瓷芯板組成,陶瓷芯板由占重量20%到80%的氧化鋁和80%到20%的氧化鋯的均勻固體溶液組成。
文檔編號(hào)B22D19/02GK1232416SQ97198472
公開日1999年10月20日 申請(qǐng)日期1997年8月27日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月1日
發(fā)明者哈伯特·弗蘭西斯 申請(qǐng)人:哈伯特·弗蘭西斯