專利名稱：一種提高機(jī)械部件耐磨性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在相對運(yùn)動(dòng)中易磨損機(jī)械部件的制造加工技術(shù)，具體涉及為提高其表面耐磨性能的方法。
背景技術(shù)：
各種機(jī)械部件相對運(yùn)動(dòng)時(shí)(如滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、滾動(dòng)等)所產(chǎn)生的磨損是其失效的主要原因之一。在國內(nèi)外，除尋求新型抗磨損材料、添加潤滑材料和從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)外，表面硬化(表面改性)則是提高機(jī)械部件質(zhì)量、延長使用壽命、改善使用性能的重要方法。目前，常用的表面硬化技術(shù)有化學(xué)、激光、電子束熱處理、堆焊、噴涂、沉積、鍍層等。這些方法絕大多數(shù)是對整個(gè)表面進(jìn)行處理，處理工期較長，且硬化層厚度較薄，往往在服役中很快被磨損掉，失去對機(jī)械部件本身的保護(hù)作用，降低了機(jī)械部件在各種工況條件下使用的有效性。并且，工程材料表面硬度的提高也是有限的。而傳統(tǒng)的觀念是將追求提高磨損部件的表面光滑度作為提高其耐磨性能的必要手段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種提高機(jī)械部件耐磨性能的方法，該方法突破了傳統(tǒng)觀念。是一種更為合理、行之有效的提高其耐磨性的方法。
按照傳統(tǒng)觀念，物體表面愈光滑，其與外物的粘附力愈小，因此而產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力也小。所以，需要減少摩擦阻力或物料粘附的工作部件或產(chǎn)品都被設(shè)計(jì)加工成光滑表面。自然界向人們展示出這一問題的另一方面在天空飛翔的生物，其體表或翅膀表面并未進(jìn)化為光滑表皮或翼膜，而是由羽毛組成的低能量非光滑表面；在水中遨游的生物，尤其是行動(dòng)敏捷的生物(如深海鯊魚，爆發(fā)啟動(dòng)速度是驚人的快，可以達(dá)到10-20m/s)，其體表也不是光滑表面，而是由鱗片或皮下結(jié)締組織構(gòu)成的非光滑表面，水洞試驗(yàn)也證實(shí)適當(dāng)設(shè)計(jì)的非光滑表面要比光滑表面阻力小。
非光滑形態(tài)是通過對生物體材料的結(jié)構(gòu)和摩擦行為研究提出來的仿生新思想。通過對某些生物如蜣螂、海生貝類、穿山甲、蛇、蜥蜴、竹材等的研究發(fā)現(xiàn)，生物體表具有的減粘耐磨功能，是與其體表的非光滑形態(tài)有密切關(guān)系，體表的非光滑形態(tài)在磨損過程中，可降低粘著磨損和摩擦系數(shù)，使在磨擦過程中產(chǎn)生的刮、鑿等轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)而大大減輕了對其體表的損傷，這是生物經(jīng)過億萬年的進(jìn)化優(yōu)化，逐漸形成與生存環(huán)境相適應(yīng)的特征。不同的生物體具有不同的非光滑形態(tài)，有凸包、凹坑、波紋、鱗片、網(wǎng)格、花紋、條狀等形態(tài)。通過大量實(shí)驗(yàn)表明根據(jù)生物體表的非光滑形態(tài)的耐磨效應(yīng)，應(yīng)用到各種相對運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件(滑塊、鉆桿、軸瓦、軋輥等)表面，可以明顯提高相對運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件表面的耐磨性，相對運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力和粘附力也小。由此提出了一種表面具有非光滑形態(tài)的耐磨部件。
本發(fā)明是按如下方式實(shí)現(xiàn)的一種提高機(jī)械部件耐磨性能的方法是將機(jī)械部件的受耐摩擦面加工制作成仿生物形態(tài)的非光滑表面，即在其基體表面上分布著與基體表面呈0.01～2mm高度差的球冠狀或鱗片狀、網(wǎng)格狀、條紋狀凸起單元體，該單元體的分布密度為其在基體表面上的幾何投影面積之和與基體表面積之比S＝10～40％，該單元體與部件基體硬度差為HB0～200。
相對運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件表面的非光滑形態(tài)，根據(jù)其實(shí)際工況使用條件，可以是凸包、波紋、鱗片、網(wǎng)格、花紋、條狀等形態(tài)。凸起單元體分布規(guī)律、與基體材料之間的硬度差和尺寸大小對提高相對運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件表面的耐磨性有重要作用，設(shè)計(jì)合理的非光滑形態(tài)會顯著提高相對運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件表面的耐磨性。
凸起單元體與基體材料之間的硬度差由相對運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件構(gòu)成的摩擦副動(dòng)力學(xué)條件及材料決定。根據(jù)相對運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件所構(gòu)成的摩擦副及使用的金屬材料，凸起單元體與基體材料之間的硬度差應(yīng)在HRC0-30或HB0-200之間，此硬度差可以保證相對運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件的任一部件的耐磨性得到明顯提高。凸起單元體尺寸大小由凸起單元體與部件表面之間的高度差及面積比決定。
按本發(fā)明方法制造的非光滑形態(tài)的耐磨機(jī)械部件，其制備方法是按照仿生學(xué)理論，由計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出相對運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件表面具有耐磨效果的仿生非光滑形態(tài)圖案，通過激光處理、噴涂或機(jī)械加工與表面處理相結(jié)合等方法，在相對運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件表面加工出仿生非光滑單元體，形成高耐磨性的仿生非光滑耐磨機(jī)械部件。
本發(fā)明的非光滑形態(tài)的耐磨機(jī)械部件使用壽命與其基體材料光滑表面的使用壽命比較，提高1-8倍，生產(chǎn)的非光滑形態(tài)的耐磨機(jī)械部件成本僅提高10-30％左右，具有高的性能價(jià)格比。
利用仿生非光滑技術(shù)將相對運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件表面處理出具有不同形態(tài)、尺寸和分布規(guī)律的不光滑仿生形態(tài)圖案，具有加工簡單、性能可靠、成本低、耐磨性高等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是一種表面具有球冠狀凸起的形態(tài)示意圖；圖2是一種表面具有網(wǎng)格狀凸起的形態(tài)示意圖；圖3是表面具有另一種網(wǎng)格狀凸起的形態(tài)示意圖；圖4是一種表面具有條紋狀凸起的形態(tài)示意圖；圖5是一種表面具有鱗片狀凸起的形態(tài)示意圖；圖6是一種表面具有球冠狀凸起的另一種分布形態(tài)示意圖；
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖所示實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明方法的具體內(nèi)容。
實(shí)施例1制造表面具有球冠狀突起的壓鑄機(jī)部件——沖頭。參照圖1，其球冠狀凸起單元體的分布形態(tài)是球冠底圓直徑為3mm、球冠高度為0.1mm、各球冠單元體以6～9mm的球心距呈矩形點(diǎn)陣式分布。且點(diǎn)陣矩形邊線與部件軸心線呈45°角，材料為QT600～2，部件基體硬度為HB190～210，處理后球冠狀凸起單元體硬度為HB420～450；配副缸套為表面滲氮處理，硬度為HB470-500。球冠單元體在該表面上的投影面積之和與表面積之比為32.7％，經(jīng)過仿生非光滑表面處理的部件和未處理部件，在同樣條件下工作，配副缸套壽命相同，相互間摩擦系數(shù)降低17％，而具有仿生非光滑表面部件的壽命為未處理部件的4倍。處理仿生非光滑表面的成本提高10％。
實(shí)施例2制造表面具有網(wǎng)格狀凸起的壓鑄機(jī)部件----沖頭。參照圖2，網(wǎng)格狀非光滑形態(tài)可以看作由多個(gè)球冠構(gòu)成的條狀凸起單元體。非光滑表面是由網(wǎng)格寬度為d＝2mm，網(wǎng)格高為h＝0.15mm的網(wǎng)格狀單元體組成，網(wǎng)格單元體呈正方形排列，網(wǎng)格間距為10mm(以中心計(jì)算)，材料為QT600-2，球鐵本身硬度為HB190-210；處理后網(wǎng)格單元體硬度HB420-450；配副缸套為表面滲氮處理，硬度為HB470-500。網(wǎng)格單元體在該表面上的投影面積之和與表面積之比為25.6％，經(jīng)過仿生非光滑表面處理的部件和未處理部件，在同樣條件下工作，配副缸套壽命相同，相互間摩擦系數(shù)降低20％，而具有仿生非光滑表面部件的壽命為未處理部件的4.6倍。處理仿生非光滑表面的成本提高13％。
實(shí)施例3制造表面具有另一種網(wǎng)格狀凸起的壓鑄機(jī)部件----沖頭。參照圖3，設(shè)計(jì)方法可將網(wǎng)格狀非光滑形態(tài)設(shè)計(jì)成菱形狀，網(wǎng)格寬度為d＝2mm，網(wǎng)格高為h＝0.15mm，網(wǎng)格間距為6mm(以中心計(jì)算)，材料為QT600-2，球鐵本身硬度為HB190-210；處理后網(wǎng)格狀單元體硬度HB370-400；配副缸套為表面滲氮處理，HB450-490。網(wǎng)格單元體在該表面上的投影面積之和與表面積之比為35.9％，經(jīng)過仿生非光滑表面處理的部件和未處理部件，在同樣條件下工作，配副缸套壽命相同，相互間摩擦系數(shù)降低23％，而具有仿生非光滑表面部件的壽命為未處理部件的5.1倍。處理仿生非光滑表面的成本提高14％。
實(shí)施例4制造表面具有條紋狀凸起的曲拐旋轉(zhuǎn)部件----曲軸。參照圖4，采用本發(fā)明方法制造的非光滑表面曲軸，是在曲軸表面分部著經(jīng)激光處理的條紋狀凸起單元體，其哦條紋寬度為3mm、條紋間距為10mm。并于曲軸軸線呈45°角分布。材料為QT700-2，球鐵本身硬度為HB200-230，處理后條紋硬度為HB430-450，配副軸承硬度Hb150-170，條紋單元體在該表面上的投影面積與表面積之比為16.9％，經(jīng)過仿生非光滑表面處理的部件和未處理部件(未處理部件原為表面滲氮處理，處理一件耗時(shí)3小時(shí)，需長時(shí)間在高溫下加熱，仿生非光滑表面處理部件1小時(shí)31分鐘)，在同樣條件下工作，配副缸套壽命提高11％，相互間摩擦系數(shù)降低27％，而具有仿生非光滑表面部件的壽命為未處理部件的5.1倍。處理仿生非光滑表面的成本降低14％。
實(shí)施例5本發(fā)明方法在磨煤機(jī)打擊板上的應(yīng)用。
火力發(fā)電廠磨煤機(jī)打擊板摩擦磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失是十分驚人的，據(jù)有關(guān)部門的不完全統(tǒng)計(jì)，我國每年摩擦磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)400億元。開發(fā)高強(qiáng)耐磨材料勢在必行。沖擊板的外緣直徑1.6M拖動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為985轉(zhuǎn)/分，其外緣線速度為82米/秒。喂入的煤塊受到打擊板的打擊而粉碎，沖擊板就是在這樣條件下受到?jīng)_刷磨損。在生產(chǎn)打擊板時(shí)，利用其磨損的不均勻性設(shè)計(jì)了幾何非光滑打擊板，從而大大提高了打擊板的耐沖刷磨損。
采用本發(fā)明方法制造具有仿生鱗片狀凸起的非光滑表面的打擊板，其分布形態(tài)如圖5所示在板面上呈零星分布的鱗片狀凸起單元體的長軸為8～14mm、短軸為5～8mm、高度為2mm，鱗片單元體在基體表面上的幾何投影面積之和與基體表面積之比為30～40％。此種打擊板是不改變打擊板實(shí)際生產(chǎn)工藝及材料，通過精密鑄造直接獲得具有鱗片狀凸起的非光滑表面，不增加加工成本，耐磨性提高1倍。
實(shí)施例6發(fā)電廠用粉煤灰輸送管路的彎頭，工作時(shí)管路內(nèi)壓力高達(dá)2.2MP，彎頭受沖刷磨損相當(dāng)嚴(yán)重，致使其壽命短，影響工作質(zhì)量。在彎頭內(nèi)壁設(shè)計(jì)成非光滑表面可以降低彎頭局部阻力提高耐沖刷磨損能力，提高使用壽命，如圖6所示。非光滑形態(tài)呈菱形分布的球冠型凸起單元體，球冠直徑6-10毫米，球冠高度在2毫米，球冠型單元體在該表面上的投影面積之和與表面積之比15～35％。此種輸煤管彎頭是不改變原生產(chǎn)工藝及材料的基礎(chǔ)上，通過精密鑄造工藝直接鑄造出表面菱形狀非光滑形態(tài)，不增加加工成本，耐磨性提高1.5倍。
綜上所述實(shí)施例可看出，本發(fā)明方法的實(shí)質(zhì)性特征即為突破了部件表面光滑度越好，耐磨性越高的傳統(tǒng)偏見，而以方生物非光滑便面形態(tài)提高其耐磨性能。根據(jù)部件的使用工況條件及對耐磨性的要求，可選擇各種仿生凸起單元作多種分布形態(tài)的設(shè)計(jì)，本發(fā)明實(shí)施例僅為對該發(fā)明方法構(gòu)思的舉例說明，非光滑單元體變化心態(tài)難以窮舉。因此，對本發(fā)明實(shí)施例并不能理解為對本發(fā)明方法的唯一限定形式。
權(quán)利要求
1.一種提高機(jī)械部件耐磨性能的方法，其特征在于將機(jī)械部件的受耐摩擦面加工制作成仿生物形態(tài)的非光滑表面，即在其基體表面上分布著與基體表面呈0.01～2mm高度差的球冠狀或鱗片狀、網(wǎng)格狀、條紋狀凸起單元體，該單元體的分布密度為其在基體表面上的幾何投影面積之和與基體表面積之比S＝10～40％，該單元體與部件基體硬度差為HB0～200。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高機(jī)械部件耐磨性能的方法，其特征在于所述的球冠狀凸起單元體按如下矩形點(diǎn)陣式分布球冠底圓直徑為3mm、球冠高度為0.1mm、各球冠單元體的球心距為6～9mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高機(jī)械部件耐磨性能的方法，其特征在于所述的網(wǎng)格狀凸起單元體按如下正方體方式分布網(wǎng)格寬度為2mm、網(wǎng)格間距為10mm、網(wǎng)格高度為0.15mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高機(jī)械部件耐磨性能的方法，其特征在于所述的網(wǎng)格狀凸起單元體按如下菱形方式分布網(wǎng)格寬度為2mm、網(wǎng)格間距為6mm、網(wǎng)格間小夾角為40度，網(wǎng)格高度為0.15mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高機(jī)械部件耐磨性能的方法，其特征在于所述的條紋狀凸起單元體按如下方式分布條紋寬度為3mm、條紋間距為10mm、條紋高度為mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高機(jī)械部件耐磨性能的方法，其特征在于所述的鱗片狀凸起單元體的長軸為8～14mm、短軸為5～8mm、高度為2mm，鱗片單元體在基體表面上的幾何投影面積之和與基體表面積之比為30～40％。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高機(jī)械部件耐磨性能的方法，其特征在于所述的球冠狀凸起單元體按如下方式呈菱形分布球冠底圓直徑為6～10mm、球冠高度為2mm，其在基體表面各上的幾何投影面積之和與基體表面積之比為15～35％。
全文摘要
本發(fā)明涉及在相對運(yùn)動(dòng)中易磨損機(jī)械部件的制造加工技術(shù)，具體涉及為提高其表面耐磨性能的方法。該方法將機(jī)械部件的受耐摩擦面加工制作成仿生物形態(tài)的非光滑表面，即在其基體表面上分布著與基體表面呈0.01～2mm高度差的球冠狀或鱗片狀、網(wǎng)格狀、條紋狀凸起單元體，該單元體的分布密度為其在基體表面上的幾何投影面積之和與基體表面積之比S＝10～40％，該單元體與部件基體硬度差為HB0～200。該方法突破了傳統(tǒng)觀念。是一種更為合理、行之有效的提高其耐磨性的方法。
文檔編號F16C3/04GK1513639SQ03127650
公開日2004年7月21日 申請日期2003年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月29日
發(fā)明者任露泉, 周宏 , 邱小明, 劉慶萍, 崔占榮, 韓志武, 張桂蘭, 李建橋, 佟金, 錢延春, 趙宇光 申請人:吉林大學(xué)