一种仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面及其形成方法
【专利摘要】本发明公开了一种仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面及其形成方法，耦合仿生表面是在球墨铸铁或灰铸铁表面形成有仿生凸起结构，是在球墨铸铁或灰铸铁表面形成有仿生凸起结构，所述的仿生凸起结构是由条形凸起和球形凸起组成，所述的条形凸起是仿沙漠蝎子背甲棱纹凸起结构；本发明之形成方法可以在现有球墨铸铁部件的生产工艺基础上，通过简单的工艺改良，提高了部件的耐磨性和疲劳性能；本发明之仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面可提高表面耐磨性3-22％；同时由于仿生表面结构具有梯度的材料构成方式，形成表面压应力，抑制了疲劳裂纹的扩展，提高了部件的疲劳性能，本发明之仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面可提高表面疲劳性能2-11％。
【专利说明】一种仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面及其形成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面及其形成方法。更具体的说， 本发明涉及一种可提高球墨铸铁材料耐磨性和疲劳性能的表面仿生结构的组成和参数，及 仿生结构的形成方法。
【背景技术】
[0002] 球墨铸铁以其良好的机械性能和低廉的制造成本成为了重要的工程结构材料，获 得了广泛的应用。但是由于球墨铸铁的硬度较低，其耐磨损性能较差，同时由于其微观组织 中存在的大量球形石墨，导致其疲劳性能较差。
[0003] 在提高球墨铸铁部件磨损性能和疲劳性能方面，国内外均有专利报道。目前，专利 成果主要集中在材料改性和结构优化设计两个方面。
[0004] 在材料改性方面
[0005] 一、在材料改性方面：
[0006] 1、中国专利，申请号：CN201310538659. 8,
【公开日】为2014-02-12。发明名称为 "一种具有高抗疲劳性能的球墨铸铁合金"，创造描述了一种具有高抗疲劳性能的球墨 铸铁合金，其组成按重量百分比为，3. 1-3. 5 %的碳、1.75-2. 0 %的硅、0.5-0. 8 %的钥、 0· 05-0. 15 % 的锰、0· 01-0. 03 % 的铬、0· 1-0. 3 % 的锡、0· 01-0. 03 % 的钛、0· 03-0. 05 % 的 锆、0. 001-0. 003%的钇及余量的铁及不可避免的杂质。该合金很好地适用于形成工业气体 涡轮机，特别是其压缩机外壳经受400°C和更高的工作温度的气体涡轮机。
[0007] 2、中国专利，申请号：CN201310539061. 0,
【公开日】为2014-02-12。发明名称为 "一种具有高耐磨性球墨铸铁合金"，创造描述了一种具有高耐磨性球墨铸铁合金，其组 成按重量百分比为，2. 1-2. 3 %的碳、2.8-3. 0 %的硅、0. 1-0. 3 %的镁、0.02-0. 04 %的铬、 0. 003-0. 005%的硼、0. 1-0. 12%的铜、0. 001-0. 003%的镧系稀土及余量为铁。本发明的球 墨铸铁合金适于载重汽车和轿车的轴部件和底盘部件如横拉杆、轮架和转盘轴承，其经受 高的机械和动态应力。
[0008] 二、在结构优化设计方面：
[0009] 1、中国专利，申请号：CN200810050347. 1，
【公开日】为2008-07-23。发明名称为"棱 纹型仿生耐磨结构表面"，创造描述了一种仿生耐磨结构表面，特别是涉及一种棱纹型仿生 耐磨几何结构表面。本发明是基于土壤洞穴动物穿山甲的鳞片表面具有耐土壤磨料磨损 的几何结构特征，其目的是解决现有的与散体物料接触部件的磨损问题。该仿生耐磨结 构表面是将原有设备或构件与接触物料的表面改变结构，在表面上增设一系列的具有一 定几何参数和间距的棱纹形结构。其仿生耐磨结构形状为：y = asin(bx+C)。其中，a-振 幅，b_ 频率，c-初相位，0 < a < 12mm, 0 < bx_c < π，〇 < X < 20mm。棱纹间距：0 < L <30_。本仿生耐磨损结构表面适用于农机触土部件，土方装载机械的装载部件和传送带 带面等散体物料的输送部件及其它结构所涉及到的设备和部件。其耐磨损性比光滑表面的 耐磨性提高1. 2?1. 5倍。
[0010] 但少有将表面结构设计与材料特性相结合，从材料和表面结构两方面结合提高部 件耐磨和耐疲劳性能的报道。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的是提供一种仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面及其形成方法，本发 明旨在通过工艺优化和表面结构设计方法，改善球墨铸铁部件局部的显微组织构成，改善 摩擦磨损行为；采用仿生学设计方法，通过部件表面结构的优化设计，提高球墨铸铁部件的 疲劳性能。
[0012] 本发明之耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面是在球墨铸铁或灰铸铁表面形成有仿生 凸起结构，是在球墨铸铁或灰铸铁表面形成有仿生凸起结构，所述的仿生凸起结构是由条 形凸起和球形凸起组成。
[0013] 所述的条形凸起是仿沙漠蝎子背甲棱纹凸起结构，所述条形凸起的截面外轮廓满 足以下数学表达式：
【权利要求】
1. 一种耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面，其特征在于：是在球墨铸铁或灰铸铁表面形成 有仿生凸起结构，所述的仿生凸起结构是由条形凸起和球形凸起组成。
5. 根据权利要求1所述的一种耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面，其特征在于：所述的仿 生凸起结构材料的硬度为基体材料硬度的1. 2-2倍。
6. -种权利要求1所述的仿生耐疲劳耐磨铸铁耦合仿生表面的形成方法，该方法包括 以下步骤： (一） 熔炼浇铸铁液，铁液原料组成如下：原生铁88 % -92 %，废钢4 % -8 %，，硅铁 1% -4%。 (二） 向铁液中加入铁液质量1% -4%的稀土镁合金球化剂，并孕育0. 2-1小时； (三） 将按质量百分比为铜粉10-60%，铁粉15-60%，铬铁矿粉10-55%，铬粉5-15%， 锰粉5-15%的混合粉末均匀混合后，在100-800Mpa的压力下压制成厚度为1-2_的预制 块； (四） 制备浇铸用砂型，将预制块固定在砂型上与形成仿生凸起结构相对应的位置上； 预制块的作用是迅速提高过冷度，有利于仿生凸起结构形成白口铁； (五） 进行浇铸，浇铸温度1430-15KTC，冷却后脱模并进行表面清理。
【文档编号】B22D25/02GK104089175SQ201410316845
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2014年7月3日
【发明者】庄健, 贾洪雷, 罗晓峰, 王文君, 袁洪方, 齐江涛, 姜鑫铭 申请人:吉林大学