一種提高機械部件耐磨性能的方法技術

本發明專利技術涉及在相對運動中易磨損機械部件的制造加工技術，具體涉及為提高其表面耐磨性能的方法。該方法將機械部件的受耐摩擦面加工制作成仿生物形態的非光滑表面，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。該方法突破了傳統觀念。是一種更為合理、行之有效的提高其耐磨性的方法。（*該技術在2023年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及在相對運動中易磨損機械部件的制造加工技術，具體涉及為提高其表面耐磨性能的方法。
技術介紹
各種機械部件相對運動時(如滑動、轉動、滾動等)所產生的磨損是其失效的主要原因之一。在國內外，除尋求新型抗磨損材料、添加潤滑材料和從結構上進行合理的設計外，表面硬化(表面改性)則是提高機械部件質量、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有化學、激光、電子束熱處理、堆焊、噴涂、沉積、鍍層等。這些方法絕大多數是對整個表面進行處理，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，失去對機械部件本身的保護作用，降低了機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。
技術實現思路
本專利技術的目的是提出，該方法突破了傳統觀念。是一種更為合理、行之有效的提高其耐磨性的方法。按照傳統觀念，物體表面愈光滑，其與外物的粘附力愈小，因此而產生相對運動時的摩擦阻力也小。所以，需要減少摩擦阻力或物料粘附的工作部件或產品都被設計加工成光滑表面。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，尤其是行動敏捷的生物(如深海鯊魚，爆發啟動速度是驚人的快，可以達到10-20m/s)，其體表也不是光滑表面，而是由鱗片或皮下結締組織構成的非光滑表面，水洞試驗也證實適當設計的非光滑表面要比光滑表面阻力小。非光滑形態是通過對生物體材料的結構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、竹材等的研究發現，生物體表具有的減粘耐磨功能，是與其體表的非光滑形態有密切關系，體表的非光滑形態在磨損過程中，可降低粘著磨損和摩擦系數，使在磨擦過程中產生的刮、鑿等轉變為滾動而大大減輕了對其體表的損傷，這是生物經過億萬年的進化優化，逐漸形成與生存環境相適應的特征。不同的生物體具有不同的非光滑形態，有凸包、凹坑、波紋、鱗片、網格、花紋、條狀等形態。通過大量實驗表明根據生物體表的非光滑形態的耐磨效應，應用到各種相對運動機械部件(滑塊、鉆桿、軸瓦、軋輥等)表面，可以明顯提高相對運動機械部件表面的耐磨性，相對運動時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的耐磨部件。本專利技術是按如下方式實現的是將機械部件的受耐摩擦面加工制作成仿生物形態的非光滑表面，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。相對運動機械部件表面的非光滑形態，根據其實際工況使用條件，可以是凸包、波紋、鱗片、網格、花紋、條狀等形態。凸起單元體分布規律、與基體材料之間的硬度差和尺寸大小對提高相對運動機械部件表面的耐磨性有重要作用，設計合理的非光滑形態會顯著提高相對運動機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動機械部件構成的摩擦副動力學條件及材料決定。根據相對運動機械部件所構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在HRC0-30或HB0-200之間，此硬度差可以保證相對運動機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。按本專利技術方法制造的非光滑形態的耐磨機械部件，其制備方法是按照仿生學理論，由計算機設計出相對運動機械部件表面具有耐磨效果的仿生非光滑形態圖案，通過激光處理、噴涂或機械加工與表面處理相結合等方法，在相對運動機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械部件。本專利技術的非光滑形態的耐磨機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，生產的非光滑形態的耐磨機械部件成本僅提高10-30％左右，具有高的性能價格比。利用仿生非光滑技術將相對運動機械部件表面處理出具有不同形態、尺寸和分布規律的不光滑仿生形態圖案，具有加工簡單、性能可靠、成本低、耐磨性高等優點。附圖說明圖1是一種表面具有球冠狀凸起的形態示意圖；圖2是一種表面具有網格狀凸起的形態示意圖；圖3是表面具有另一種網格狀凸起的形態示意圖；圖4是一種表面具有條紋狀凸起的形態示意圖；圖5是一種表面具有鱗片狀凸起的形態示意圖；圖6是一種表面具有球冠狀凸起的另一種分布形態示意圖； 具體實施例方式下面結合附圖所示實施例進一步說明本專利技術方法的具體內容。實施例1制造表面具有球冠狀突起的壓鑄機部件——沖頭。參照圖1，其球冠狀凸起單元體的分布形態是球冠底圓直徑為3mm、球冠高度為0.1mm、各球冠單元體以6～9mm的球心距呈矩形點陣式分布。且點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％。實施例2制造表面具有網格狀凸起的壓鑄機部件----沖頭。參照圖2，網格狀非光滑形態可以看作由多個球冠構成的條狀凸起單元體。非光滑表面是由網格寬度為d＝2mm，網格高為h＝0.15mm的網格狀單元體組成，網格單元體呈正方形排列，網格間距為10mm(以中心計算)，材料為QT600-2，球鐵本身硬度為HB190-210；處理后網格單元體硬度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％。實施例3制造表面具有另一種網格狀凸起的壓鑄機部件----沖頭。參照圖3，設計方法可將網格狀非光滑形態設計成菱形狀，網格寬度為d＝2mm，網格高為h＝0.15mm，網格間距為6mm(以中心計算)，材料為QT600-2，球鐵本身硬度為HB190-210；處理后網格狀單元體硬度HB370-400；配副缸套為表面滲氮處理，HB450-490。網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％。實施例4制造表面具有條紋狀凸起的曲拐旋轉部件----曲軸。參照圖4，采用本專利技術方法制造的非光滑表面曲軸，是在曲軸表面分部著經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本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種提高機械部件耐磨性能的方法，其特征在于將機械部件的受耐摩擦面加工制作成仿生物形態的非光滑表面，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。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：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(專利權)人：吉林大學，
類型：發明
國別省市：82[中國|長春]