专利名称：一种提高机械部件耐磨性能的方法
技术领域：
本发明涉及在相对运动中易磨损机械部件的制造加工技术，具体涉及为提高其表面耐磨性能的方法。
背景技术：
各种机械部件相对运动时(如滑动、转动、滚动等)所产生的磨损是其失效的主要原因之一。在国内外，除寻求新型抗磨损材料、添加润滑材料和从结构上进行合理的设计外，表面硬化(表面改性)则是提高机械部件质量、延长使用寿命、改善使用性能的重要方法。目前，常用的表面硬化技术有化学、激光、电子束热处理、堆焊、喷涂、沉积、镀层等。这些方法绝大多数是对整个表面进行处理，处理工期较长，且硬化层厚度较薄，往往在服役中很快被磨损掉，失去对机械部件本身的保护作用，降低了机械部件在各种工况条件下使用的有效性。并且，工程材料表面硬度的提高也是有限的。而传统的观念是将追求提高磨损部件的表面光滑度作为提高其耐磨性能的必要手段。
发明内容
本发明的目的是提出一种提高机械部件耐磨性能的方法，该方法突破了传统观念。是一种更为合理、行之有效的提高其耐磨性的方法。
按照传统观念，物体表面愈光滑，其与外物的粘附力愈小，因此而产生相对运动时的摩擦阻力也小。所以，需要减少摩擦阻力或物料粘附的工作部件或产品都被设计加工成光滑表面。自然界向人们展示出这一问题的另一方面在天空飞翔的生物，其体表或翅膀表面并未进化为光滑表皮或翼膜，而是由羽毛组成的低能量非光滑表面；在水中遨游的生物，尤其是行动敏捷的生物(如深海鲨鱼，爆发启动速度是惊人的快，可以达到10-20m/s)，其体表也不是光滑表面，而是由鳞片或皮下结缔组织构成的非光滑表面，水洞试验也证实适当设计的非光滑表面要比光滑表面阻力小。
非光滑形态是通过对生物体材料的结构和摩擦行为研究提出来的仿生新思想。通过对某些生物如蜣螂、海生贝类、穿山甲、蛇、蜥蜴、竹材等的研究发现，生物体表具有的减粘耐磨功能，是与其体表的非光滑形态有密切关系，体表的非光滑形态在磨损过程中，可降低粘着磨损和摩擦系数，使在磨擦过程中产生的刮、凿等转变为滚动而大大减轻了对其体表的损伤，这是生物经过亿万年的进化优化，逐渐形成与生存环境相适应的特征。不同的生物体具有不同的非光滑形态，有凸包、凹坑、波纹、鳞片、网格、花纹、条状等形态。通过大量实验表明根据生物体表的非光滑形态的耐磨效应，应用到各种相对运动机械部件(滑块、钻杆、轴瓦、轧辊等)表面，可以明显提高相对运动机械部件表面的耐磨性，相对运动时的摩擦阻力和粘附力也小。由此提出了一种表面具有非光滑形态的耐磨部件。
本发明是按如下方式实现的一种提高机械部件耐磨性能的方法是将机械部件的受耐摩擦面加工制作成仿生物形态的非光滑表面，即在其基体表面上分布着与基体表面呈0.01～2mm高度差的球冠状或鳞片状、网格状、条纹状凸起单元体，该单元体的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比S＝10～40％，该单元体与部件基体硬度差为HB0～200。
相对运动机械部件表面的非光滑形态，根据其实际工况使用条件，可以是凸包、波纹、鳞片、网格、花纹、条状等形态。凸起单元体分布规律、与基体材料之间的硬度差和尺寸大小对提高相对运动机械部件表面的耐磨性有重要作用，设计合理的非光滑形态会显著提高相对运动机械部件表面的耐磨性。
凸起单元体与基体材料之间的硬度差由相对运动机械部件构成的摩擦副动力学条件及材料决定。根据相对运动机械部件所构成的摩擦副及使用的金属材料，凸起单元体与基体材料之间的硬度差应在HRC0-30或HB0-200之间，此硬度差可以保证相对运动机械部件的任一部件的耐磨性得到明显提高。凸起单元体尺寸大小由凸起单元体与部件表面之间的高度差及面积比决定。
按本发明方法制造的非光滑形态的耐磨机械部件，其制备方法是按照仿生学理论，由计算机设计出相对运动机械部件表面具有耐磨效果的仿生非光滑形态图案，通过激光处理、喷涂或机械加工与表面处理相结合等方法，在相对运动机械部件表面加工出仿生非光滑单元体，形成高耐磨性的仿生非光滑耐磨机械部件。
本发明的非光滑形态的耐磨机械部件使用寿命与其基体材料光滑表面的使用寿命比较，提高1-8倍，生产的非光滑形态的耐磨机械部件成本仅提高10-30％左右，具有高的性能价格比。
利用仿生非光滑技术将相对运动机械部件表面处理出具有不同形态、尺寸和分布规律的不光滑仿生形态图案，具有加工简单、性能可靠、成本低、耐磨性高等优点。
图1是一种表面具有球冠状凸起的形态示意图；图2是一种表面具有网格状凸起的形态示意图；图3是表面具有另一种网格状凸起的形态示意图；图4是一种表面具有条纹状凸起的形态示意图；图5是一种表面具有鳞片状凸起的形态示意图；图6是一种表面具有球冠状凸起的另一种分布形态示意图；
具体实施例方式
下面结合附图所示实施例进一步说明本发明方法的具体内容。
实施例1制造表面具有球冠状突起的压铸机部件——冲头。参照图1，其球冠状凸起单元体的分布形态是球冠底圆直径为3mm、球冠高度为0.1mm、各球冠单元体以6～9mm的球心距呈矩形点阵式分布。且点阵矩形边线与部件轴心线呈45°角，材料为QT600～2，部件基体硬度为HB190～210，处理后球冠状凸起单元体硬度为HB420～450；配副缸套为表面渗氮处理，硬度为HB470-500。球冠单元体在该表面上的投影面积之和与表面积之比为32.7％，经过仿生非光滑表面处理的部件和未处理部件，在同样条件下工作，配副缸套寿命相同，相互间摩擦系数降低17％，而具有仿生非光滑表面部件的寿命为未处理部件的4倍。处理仿生非光滑表面的成本提高10％。
实施例2制造表面具有网格状凸起的压铸机部件----冲头。参照图2，网格状非光滑形态可以看作由多个球冠构成的条状凸起单元体。非光滑表面是由网格宽度为d＝2mm，网格高为h＝0.15mm的网格状单元体组成，网格单元体呈正方形排列，网格间距为10mm(以中心计算)，材料为QT600-2，球铁本身硬度为HB190-210；处理后网格单元体硬度HB420-450；配副缸套为表面渗氮处理，硬度为HB470-500。网格单元体在该表面上的投影面积之和与表面积之比为25.6％，经过仿生非光滑表面处理的部件和未处理部件，在同样条件下工作，配副缸套寿命相同，相互间摩擦系数降低20％，而具有仿生非光滑表面部件的寿命为未处理部件的4.6倍。处理仿生非光滑表面的成本提高13％。
实施例3制造表面具有另一种网格状凸起的压铸机部件----冲头。参照图3，设计方法可将网格状非光滑形态设计成菱形状，网格宽度为d＝2mm，网格高为h＝0.15mm，网格间距为6mm(以中心计算)，材料为QT600-2，球铁本身硬度为HB190-210；处理后网格状单元体硬度HB370-400；配副缸套为表面渗氮处理，HB450-490。网格单元体在该表面上的投影面积之和与表面积之比为35.9％，经过仿生非光滑表面处理的部件和未处理部件，在同样条件下工作，配副缸套寿命相同，相互间摩擦系数降低23％，而具有仿生非光滑表面部件的寿命为未处理部件的5.1倍。处理仿生非光滑表面的成本提高14％。
实施例4制造表面具有条纹状凸起的曲拐旋转部件----曲轴。参照图4，采用本发明方法制造的非光滑表面曲轴，是在曲轴表面分部着经激光处理的条纹状凸起单元体，其哦条纹宽度为3mm、条纹间距为10mm。并于曲轴轴线呈45°角分布。材料为QT700-2，球铁本身硬度为HB200-230，处理后条纹硬度为HB430-450，配副轴承硬度Hb150-170，条纹单元体在该表面上的投影面积与表面积之比为16.9％，经过仿生非光滑表面处理的部件和未处理部件(未处理部件原为表面渗氮处理，处理一件耗时3小时，需长时间在高温下加热，仿生非光滑表面处理部件1小时31分钟)，在同样条件下工作，配副缸套寿命提高11％，相互间摩擦系数降低27％，而具有仿生非光滑表面部件的寿命为未处理部件的5.1倍。处理仿生非光滑表面的成本降低14％。
实施例5本发明方法在磨煤机打击板上的应用。
火力发电厂磨煤机打击板摩擦磨损造成的经济损失是十分惊人的，据有关部门的不完全统计，我国每年摩擦磨损造成的经济损失达400亿元。开发高强耐磨材料势在必行。冲击板的外缘直径1.6M拖动电机转速为985转/分，其外缘线速度为82米/秒。喂入的煤块受到打击板的打击而粉碎，冲击板就是在这样条件下受到冲刷磨损。在生产打击板时，利用其磨损的不均匀性设计了几何非光滑打击板，从而大大提高了打击板的耐冲刷磨损。
采用本发明方法制造具有仿生鳞片状凸起的非光滑表面的打击板，其分布形态如图5所示在板面上呈零星分布的鳞片状凸起单元体的长轴为8～14mm、短轴为5～8mm、高度为2mm，鳞片单元体在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为30～40％。此种打击板是不改变打击板实际生产工艺及材料，通过精密铸造直接获得具有鳞片状凸起的非光滑表面，不增加加工成本，耐磨性提高1倍。
实施例6发电厂用粉煤灰输送管路的弯头，工作时管路内压力高达2.2MP，弯头受冲刷磨损相当严重，致使其寿命短，影响工作质量。在弯头内壁设计成非光滑表面可以降低弯头局部阻力提高耐冲刷磨损能力，提高使用寿命，如图6所示。非光滑形态呈菱形分布的球冠型凸起单元体，球冠直径6-10毫米，球冠高度在2毫米，球冠型单元体在该表面上的投影面积之和与表面积之比15～35％。此种输煤管弯头是不改变原生产工艺及材料的基础上，通过精密铸造工艺直接铸造出表面菱形状非光滑形态，不增加加工成本，耐磨性提高1.5倍。
综上所述实施例可看出，本发明方法的实质性特征即为突破了部件表面光滑度越好，耐磨性越高的传统偏见，而以方生物非光滑便面形态提高其耐磨性能。根据部件的使用工况条件及对耐磨性的要求，可选择各种仿生凸起单元作多种分布形态的设计，本发明实施例仅为对该发明方法构思的举例说明，非光滑单元体变化心态难以穷举。因此，对本发明实施例并不能理解为对本发明方法的唯一限定形式。
权利要求
1.一种提高机械部件耐磨性能的方法，其特征在于将机械部件的受耐摩擦面加工制作成仿生物形态的非光滑表面，即在其基体表面上分布着与基体表面呈0.01～2mm高度差的球冠状或鳞片状、网格状、条纹状凸起单元体，该单元体的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比S＝10～40％，该单元体与部件基体硬度差为HB0～200。
2.根据权利要求1所述的一种提高机械部件耐磨性能的方法，其特征在于所述的球冠状凸起单元体按如下矩形点阵式分布球冠底圆直径为3mm、球冠高度为0.1mm、各球冠单元体的球心距为6～9mm。
3.根据权利要求1所述的一种提高机械部件耐磨性能的方法，其特征在于所述的网格状凸起单元体按如下正方体方式分布网格宽度为2mm、网格间距为10mm、网格高度为0.15mm。
4.根据权利要求1所述的一种提高机械部件耐磨性能的方法，其特征在于所述的网格状凸起单元体按如下菱形方式分布网格宽度为2mm、网格间距为6mm、网格间小夹角为40度，网格高度为0.15mm。
5.根据权利要求1所述的一种提高机械部件耐磨性能的方法，其特征在于所述的条纹状凸起单元体按如下方式分布条纹宽度为3mm、条纹间距为10mm、条纹高度为mm。
6.根据权利要求1所述的一种提高机械部件耐磨性能的方法，其特征在于所述的鳞片状凸起单元体的长轴为8～14mm、短轴为5～8mm、高度为2mm，鳞片单元体在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比为30～40％。
7.根据权利要求1所述的一种提高机械部件耐磨性能的方法，其特征在于所述的球冠状凸起单元体按如下方式呈菱形分布球冠底圆直径为6～10mm、球冠高度为2mm，其在基体表面各上的几何投影面积之和与基体表面积之比为15～35％。
全文摘要
本发明涉及在相对运动中易磨损机械部件的制造加工技术，具体涉及为提高其表面耐磨性能的方法。该方法将机械部件的受耐摩擦面加工制作成仿生物形态的非光滑表面，即在其基体表面上分布着与基体表面呈0.01～2mm高度差的球冠状或鳞片状、网格状、条纹状凸起单元体，该单元体的分布密度为其在基体表面上的几何投影面积之和与基体表面积之比S＝10～40％，该单元体与部件基体硬度差为HB0～200。该方法突破了传统观念。是一种更为合理、行之有效的提高其耐磨性的方法。
文档编号F16C3/04GK1513639SQ03127650
公开日2004年7月21日 申请日期2003年7月29日 优先权日2003年7月29日
发明者任露泉, 周宏 , 邱小明, 刘庆萍, 崔占荣, 韩志武, 张桂兰, 李建桥, 佟金, 钱延春, 赵宇光 申请人:吉林大学