CN103710702B - 一种破碎锤头表面激光陶瓷熔注仿生强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种破碎锤表面激光陶瓷熔注仿生强化方法，从破碎锤头易磨损表面仿生强化角度，研究耐磨损生物原型，利用激光熔注加工技术，将生物原型耐磨损结构在破碎锤头有磨损失效倾向区域加以“复制”，提高破碎锤头表面的耐磨性，达到延长破碎锤头使用寿命目的，解决具有工况环境选择性和结构空间调制能力的多层次破碎锤表面综合强化技术难点，实现破碎锤表面耦合仿生强化，实现同一种类、同一破碎锤材料、在同一工况、同一激光熔注材料和工艺、不同仿生结构的强化后破碎锤使用寿命具有不同幅度的提高。

Description

一种破碎锤头表面激光陶瓷熔注仿生强化方法

技术领域

本发明属于金属材料加工领域。

背景技术

锤式破碎机是利用高速旋转的锤头冲击物料，使物料沿其自然裂隙、层理面和节理面等脆弱部分断裂而破碎的破碎机械，广泛应用于矿山、冶金、建材及电力行业。锤式破碎机在陶瓷行业也有一定的应用， 如用于制陶原料页岩等的破碎。锤式破碎机在工作过程中， 由于受到物料的冲击和摩擦，不可避免地使锤头、衬板、篦条等零件发生磨损而失效，其中，锤头是最主要的易磨损零件，其消耗量极大，需要储备大量的备件，这不仅占用资金，而且影响企业的正常生产。因此，对锤头磨损的影响因素进行分析，寻找提高锤头使用寿命的措施，对维持企业正常生产和提高企业经济效率，具有重要的现实意义。

自然界生物在优胜劣汰的生存环境，形成了能以最小材料和能源消耗获得最佳功能的最优结构，生物的这种结构是由材料、表面形态、结构多因素耦合形成的，依据相似性原理，在破碎锤头表面模仿形成这样的结构也可以获得优良的性能，突破了传统从材料入手制造破碎锤概念，将激光熔注和机械仿生理论方法相结合，研究耐磨损生物原型，并将生物原型抗磨损结构通过激光熔注“复制”在破碎锤头表面，会显著提高破碎锤头表面的耐磨性，延长破碎锤头使用寿命，为破碎锤头表面强化提供了一种新的方法，根据该方法加工破碎锤头不需要再加工，生产成本低，可实现自动化，克服了激光熔覆破碎锤头再加工缺陷，解决了以煤矸石为主要原料进行电力和热力生产企业的煤矸石破碎锤使用寿命短这一关键、核心、共性技术问题。同时也可应用于水泥、陶瓷、矿山、冶金、建材及电力等诸多领域。

锤式破碎机锤头工作时速度高、冲击力大、磨损十分严重。高锰钢是锤头传统材质、由于在物料破碎过程中高锰钢的加工硬化程度不够，使用寿命较短。采用中低碳合金钢，尽管通过热处理可得到马氏体组织，由于组织中没有硬质相，耐磨性也较差。镍硬铸铁和高铬白口铸铁硬度高、耐磨性好，其组织中含有一定数量的共晶碳化物，且基体是高碳脆性马氏体，材料的强度和韧性低，在破碎冲击力的作用下易产生断裂。采用机械组装，粘结复合和冶金复合等方法生产的铸铁复合锤头使用效果较好，但存在工艺复杂的不足，开发高强韧性的抗磨锤头将具有重要意义。上述研究从破碎锤头制造材料角度，研究开发高强韧性的抗磨锤头，本发明不同之处是从破碎锤头易磨损表面仿生强化角度，研究耐磨损生物原型，利用激光熔注加工技术，将生物原型耐磨损结构在破碎锤头有磨损失效倾向区域加以“复制”，提高破碎锤头表面的耐磨性，达到延长破碎锤头使用寿命目的，解决具有工况环境选择性和结构空间调制能力的多层次破碎锤表面综合强化技术难点，实现破碎锤表面耦合仿生强化，实现同一种类、同一破碎锤材料、在同一工况、同一激光熔注材料和工艺、不同仿生结构的强化后破碎锤使用寿命具有不同幅度的提高。

发明内容

本发明提供了一种破碎锤表面激光陶瓷熔注仿生强化方法，在破碎锤功能表面利用激光熔注加工的方法，对表面进行局部填加陶瓷颗粒和仿生强化。从仿生角度，根据破碎锤表面磨损及其周围有失效倾向区域特征进行归一化分类，设计破碎锤表面激光熔注耦合仿生强化模型，对破碎锤表面进行仿生强化。所述陶瓷包括TiC、WC和SiC，送粉速度1～200mg/s，颗粒尺寸为1.0μm～1.0mm，在破碎锤功能表面制备陶瓷梯度熔注层中陶瓷的体积分数为10%～50%，熔注层厚度0.1～10mm。所述仿生强化是按破碎锤表面耐磨仿生结构模型，在破碎锤表面激光熔注陶瓷颗粒而成仿生纹理，其中相邻条形仿生单元体陶瓷筋脉间距W1，W2为1.0~40mm，条形仿生单元体宽度W3，W4为0.5~10mm，熔注陶瓷筋脉深度h1为1.0-8.0mm，仿生凸点单元体深度h2为1.0-10mm，仿生凸点单元体直径d为1.0~20mm。

本发明突破了传统从材料入手制造破碎锤概念，从仿生角度，对现有破碎锤表面进行激光熔注仿生强化，提高破碎锤使用寿命。破碎锤头表面激光陶瓷熔注仿生强化方法流程如图1所示，下面分别详细说明：

（1）破碎锤表面失效区域特征归一化技术：首先对热电燃煤高锰钢破碎锤头磨损的影响因素进行分析，影响因素包括锤头结构、几何形状、工况、材料、化学成分、破碎物料和破碎机转速，分析研究上述因素和破碎锤表面失效区域特征定量关系。以破碎锤表面形态、材料、结构为研究对象，从破碎锤表面仿生强化角度，对破碎锤表面磨损失效区域特征进行归一化处理。

（2）破碎锤表面强化激光熔注多尺度耐磨层制备技术：从减小破碎锤表面强化应力应变角度，通过激光熔注参数优化，根据归一化破碎锤表面失效区域不同特征，制备多尺度陶瓷梯度熔注层。通过对熔注复合材料层的陶瓷颗粒尺寸、陶瓷体积分数、陶瓷弥散形态、化学成分、组织结构、显微硬度和磨损的实验分析，建立激光熔注参数与多尺度复合材料层耐磨定量关系。

（3）破碎锤表面强化耦合仿生耐磨模型：选择具有耐磨功能如贝壳等为生物原型，运用相似理论建立相应的生物原型，针对归一化破碎锤表面失效区域不同特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，设计仿生单元体和不同单元体按一定规律偶联构成仿生结构体。仿生单元体设计包括仿生单元体的形态、几何尺寸、化学成分、组织形态、陶瓷颗粒尺寸、陶瓷体积分数和陶瓷弥散形态设计，仿生结构体设计包括各仿生单元体耦合形式和偶联结构形态设计。

（4）破碎锤表面激光熔注耦合仿生强化模型：根据破碎锤表面强化耦合仿生模型和激光熔注多尺度耐磨层制备技术，在破碎锤失效区域多尺度仿生结构激光三维加工路径规划策略指导下，根据激光熔注参数对破碎锤强化表面仿生单元体和仿生结构体耐磨影响规律，建立激光熔注参数、多尺度复合材料层与仿生单元体、仿生结构体耐磨关联模型。根据仿生单元体的形态、几何尺寸、化学成分、组织形态及陶瓷颗粒尺寸、体积分数、弥散形态和仿生结构体的各单元体耦合形式、偶联结构形态对强化破碎锤使用寿命影响规律，建立激光熔注参数、多尺度复合材料层、仿生单元体、仿生结构体与破碎锤强化表面耐磨关联模型，既破碎锤表面激光熔注耦合仿生强化模型。

（5）破碎锤表面激光熔注耦合仿生强化：对实际生产用破碎锤，针对破碎锤表面不同特征的磨损失效倾向区域，根据激光熔注仿生强化模型，对破碎锤进行仿生强化。

附图说明

图1破碎锤头表面激光陶瓷熔注仿生强化方法流程图

图2 破碎锤表面激光熔注陶瓷颗粒纹理示意图

其中： W1、W2相邻陶瓷筋脉间距 W3、 W4熔注陶瓷筋脉宽度 h1熔注陶瓷筋脉深度h2仿生凸点单元体深度 d仿生凸点单元体直径。

具体实施方式

破碎锤头表面激光陶瓷熔注仿生强化方法步骤如下：

（1） 选取典型燃煤破碎锤头，破碎锤材料为高锰钢，首先对热电燃煤高锰钢破碎锤头磨损的影响因素进行分析，影响因素包括锤头结构、几何形状、工况、材料、化学成分、破碎物料和破碎机转速，分析上述因素和破碎锤表面失效区域特征定量关系。

（2）结合破碎锤表面磨损失效区域不同几何特征，以破碎锤表面形态、材料、结构为研究对象，从破碎锤表面仿生强化角度，对破碎锤表面磨损失效区域特征进行归一化分类处理。

（3）利用激光熔注加工方法，根据归一化破碎锤表面失效区域不同特征制备陶瓷梯度熔注层，熔注层厚度0.01～1.0mm，熔注层中陶瓷（TiC、WC和SiC）的体积分数为10%～50%，陶瓷颗粒尺寸为1.0μm～1.0mm，建立激光熔注参数与多尺度复合材料层耐磨定量关系。

（4） 选择具有耐磨功能如贝壳等为生物原型，运用相似理论建立相应的生物模型，针对破碎锤表面失效区域的不同特征，通过计算机数值模拟和特征参数优化，进行仿生单元体和结构体设计。

（5）根据破碎锤失效区域多尺度仿生结构激光三维加工路径规划策略，结合破碎锤表面耦合仿生耐磨模型和激光熔注加工参数对仿生单元体和仿生结构体耐磨影响规律，建立激光熔注参数、多尺度复合材料层与仿生单元体、仿生结构体耐磨关联模型。

（6） 根据建立关联模型和仿生单元体和结构体对强化后破碎锤使用寿命影响规律，建立破碎锤表面激光熔注耦合仿生强化模型。

（7） 选择未使用燃煤破碎锤，根据仿生强化模型，利用激光熔注制备耐磨层技术，在破碎锤表面进行耦合仿生强化。

根据破碎锤表面磨损及其周围有失效倾向区域特征进行归一化分类，然后根据激光熔注破碎锤表面耦合仿生强化模型，对破碎锤表面进行仿生强化。破碎锤材料为高锰钢，激光器为2kW光纤激光器、五轴CNC数控系统和精密送粉器，WC粉末由熔池中后部注入，注入方向与激光扫描方向相同，与基体表面的角度为45°。激光熔注采用铸造WC陶瓷粉末作为注入材料，平均尺寸为200μm，呈不规则多边形状，由WC和W2C两相组成，采用负离焦6.0mm，激光束加工斑点尺寸为6.0mm，激光功率密度P=520 W/mm2，扫描速度v=1.5m/min，送粉速度m=100 mg/s，熔注层中陶瓷（WC）的体积分数为30%，陶瓷以均匀梯度弥散形态。在破碎锤表面加工成一定纹理网格，如图2所示，该网格仿生结构体是由条形单元体和圆形单元体按一定规律耦合而成，单元体中弥散熔注了碳化物陶瓷颗粒。其中相邻条形仿生单元体陶瓷筋脉间距W1，W2为6mm，条形仿生单元体宽度W3，W4为3.0mm，熔注陶瓷筋脉深度h1为2.0mm，仿生凸点单元体深度h2为3mm，仿生凸点单元体直径d为2.5mm。破碎锤表面激光熔注仿生强化后延长破碎锤使用寿命1.0倍以上。

Claims (2)

1.一种破碎锤表面激光陶瓷熔注仿生强化方法，其特征在于：在破碎锤功能表面利用激光熔注加工的方法，对表面进行局部填加陶瓷颗粒和仿生强化；从仿生角度，根据破碎锤表面磨损及其周围有失效倾向区域特征进行归一化分类，设计破碎锤表面激光熔注耦合仿生强化模型，对破碎锤表面进行仿生强化；在破碎锤表面加工成纹理网格，每个相邻条形单元体围成的区域中均设置有圆形的仿生凸点单元体，所述仿生强化是按破碎锤表面耐磨仿生结构模型，在破碎锤表面激光熔注陶瓷颗粒而成仿生纹理，其中相邻条形仿生单元体陶瓷筋脉间距W1，W2为1.0～40mm，条形仿生单元体宽度W3，W4为0.5～10mm，熔注陶瓷筋脉深度h1为1.0-8.0mm，仿生凸点单元体深度h2为1.0-10mm，仿生凸点单元体直径d为1.0～20mm。

2.按权利要求1所述的破碎锤表面激光陶瓷熔注仿生强化方法，其特征在于：所述陶瓷包括TiC、WC和SiC，送粉速度1～200mg/s，颗粒尺寸为1.0μm～1.0mm，在破碎锤功能表面制备陶瓷梯度熔注层中陶瓷的体积分数为10％～50％，熔注层厚度0.1～10mm。