СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОНЕНТА ИЛИ КОНСТРУКЦИИ ИЗ НЕСКОЛЬКИХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF PRODUCING COMPONENT OR STRUCTURE FROM SEVERAL MATERIALS

Настоящее изобретение относится к изготовлению компонентов или конструкций из нескольких материалов путем изготовления деталей, по меньшей мере, из двух разных материалов, причем упомянутые детали предназначены для соединения друг с другом и создания компонента или конструкции из нескольких материалов.
Износостойкие конструкции и компоненты используются, например, в оборудовании для уменьшения размеров камня, строительного и/или рециркулируемого материала. В этих процессах материал, подлежащий дроблению, прессуемый между компонентами или ударяющийся о поверхности конструкций или компонентов, изнашивает поверхности компонентов в той степени, которая зависит от поверхностного давления контактов, скоростей, характеристик материалов поверхностей компонентов и физических характеристик материала, подлежащего дроблению, таких как характеристики прочности на сжатие и трибологии. Иными словами, как перемещение материла, подлежащего дроблению, относительно поверхностей компонентов, так и проникновение его в поверхность компонента оказывает влияние на износ этого компонента. Материал, перемещающийся относительно поверхностей компонентов, вызывает резание и образование бороздок, а материал, проникающий в поверхность, создает заусенцы на площади, подвергающейся его воздействию, которые в результате повторяющейся процедуры легко вырываются из поверхности конструкций и компонентов за счет отламывания, усталости или образования стружки. Интенсивность износа конструкций и компонентов на разных участках и в оборудовании в целом определяется геометрией оборудования, состоянием движения компонентов и параметрами течения материала, подлежащего дроблению.
В общем случае пытаются увеличить эффективный срок службы конструкций и компонентов не только путем влияния на геометрию и условия внутреннего течения в оборудовании, но и, в частности, путем выбора выгодных материалов. Трибологические характеристики металлических изнашиваемых защитных материалов согласно известному уровню техники основаны, например, на преимущественном сплавлении металлов, о которых идет речь, и возможном введении частиц, а также на процессах изготовления и дополнительных обработках, например термообработках, этих металлов, вследствие чего микроструктура фаз, обладающих большей стойкостью к явлениям износа, чем обычно, будет формироваться в результате объединенного воздействия всех этих факторов, причем упомянутые фазы, как правило, являются твердыми, но часто имеющими низкие ударную вязкость и сопротивление усталости. Поскольку от конструкций и компонентов требуются характеристики не только трибологии, их обычно нельзя изготавливать целиком из материалов, имеющих вышеописанную микроструктуру. С другой стороны, управление формой износа конструкций и компонентов, например, для поддержания геометрии и модели внутреннего течения оборудования может потребовать изготовления разных участков конструкций и компонентов из материалов, отличающихся друг от друга.
Способы, используемые при изготовлении компонентов из нескольких материалов, должны почти без исключения быть адаптированы к требованиям ко всем материалам, образующим конструкцию, вследствие чего характеристики, достигаемые каждым материалом, не достигают целевого уровня соответствующего материала, и наилучшие возможные рабочие параметры конструкции или компонента достигнуты не будут. Другая важная проблема заключается в поддержании допусков размеров и формы деталей или участков во время их сборки и последующих обработок, которым эти детали или участки будут подвергаться, а также их границ, образуемых разными материалами. Вследствие этого разное поведение материалов, контактирующих или соединяемых друг с другом, например разные объемные изменения, могут вызывать повреждение конструкций и компонентов. Применительно к промышленной эксплуатации, вышеупомянутые требования будут полностью исключать или, по меньшей мере, необоснованно усложнять множество способов изготовления.
В отличие от этого, способы и изнашиваемые детали в соответствии с патентными публикациями JP5317731, JP5317732 и JP6079187 характеризуются тем, что при изготовлении конструкций предпринимаются попытки увеличить износ на желаемых участках, и тем самым - попытки управлять формой поверхности изнашиваемых деталей, заменяя менее износостойкие участки более износостойкой корпусной деталью.
В изнашиваемых деталях, описанных в патентной публикации JP2001165146, предусматривается соединение со вторым материалом, который является более износостойким, для управления формой износа, но описан лишь способ соединения, требующий точных допусков формы и размеров для изготовления конструкций в соответствии с поставленной задачей, которая применительно к эффективности затрат оказывается нецелесообразной.
Кроме того, в патентной публикации JP7323238 раскрыта наиболее предпочтительная по функциональным возможностям - за счет установки точно сформованных защищающих от износа элементов - форма изнашиваемых деталей для сборки конструкций с корпусами компонентов, в результате чего не удается исключать дорогостоящий многоэтапный процесс изготовления и корпусных деталей, и защищающих от износа элементов.
В патентных публикациях JP2001269599 и US 6123279 описаны изнашиваемые детали и соответственно поставлена задача повышения износостойкости путем нанесения износостойкого материала на тело изнашиваемой детали, но за счет использования фиксирующего форму соединения, а также обязательного применения способов придания формы, обуславливающих высокие технические требования и увеличение затрат, для защищающих от износа материалов, обладающих плохой обрабатываемостью и формуемостью, таких как твердые металлы в соответствии с последней публикацией, перед тем, как можно будет достичь точности размеров и формы, необходимой для сборки.
В патентной публикации JP2004160360 также указано, что износостойкую деталь надо формовать (пазовать) определенным образом для соединения, что технически и экономически невыгодно для износостойких материалов, используемых в способе, соответствующем патенту.
В патентной публикации WO 03/099443 А1 описан способ изготовления конструкций из нескольких материалов, в соответствии  с которым износостойкий материал или износостойкие материалы соединяют с корпусной деталью, изготовленной из обрабатываемого материала посредством горячего изостатического прессования с прямым диффузионным соединением или путем использования порошкового материала, выводимого между корпусной и износостойкой деталями. Обуславливаемое этим способом требование газонепроницаемой оболочки для конструкции и тот факт, что в общем случае необходима, по меньшей мере, частичная механическая обработка соединяемых деталей, затягивают рабочие фазы обработки компонентов, а также делают производственные затраты слишком большими, чтобы этот способ оказался экономически выгодным.
Посредством решения в соответствии с настоящим изобретением, обеспечивается создание компонента или конструкции из нескольких материалов, как правило, используемого или используемой в качестве изнашиваемой части, путем соединения деталей, изготовленных в соответствии с нестрогими требованиями к размерам и форме, в объект, который во всех аспектах будет достигать оптимальной формы в контексте функциональных возможностей не только до эксплуатации.
Точнее, способ изготовления в соответствии с изобретением отличается тем, что указано в отличительной части пункта 1 формулы изобретения, а применение компонента или конструкции из нескольких материалов, изготовленного или изготовленной способом в соответствии с настоящим изобретением, отличается тем, что указано в отличительной части пункта 10 формулы изобретения
Ниже изобретение будет описано подробнее посредством примера со ссылками на прилагаемые чертежи, при этом:
на фиг. 1А показан корпус из основного материала компонента из нескольких материалов в соответствии с изобретением;
на фиг 1В показано сечение вдоль линии А-А корпуса из основного материала согласно фиг. 1А;
на фиг. 2 показаны детали из материалов, подлежащие соединению с корпусом из основного материала согласно фиг. 1А и 1В;
на фиг. 3А показаны детали согласно фиг. 1 и 2, соединенные друг с другом в компонент из нескольких материалов;
на фиг 3В показано сечение вдоль линии А-А компонента из нескольких материалов согласно фиг. 3А;
на фиг. 4 показан альтернативный корпус из основного материала компонента из нескольких материалов в соответствии с изобретением;
на фиг. 5 показаны детали из материалов, подлежащие соединению с корпусом из основного материала согласно фиг. 4, и
на фиг. 6 показаны детали согласно фиг. 4 и 5, соединенные друг с другом в компонент из нескольких материалов.
Корпус 1 из основного материала компонента из нескольких материалов в соответствии с настоящим изобретением, показанный на фиг. 1А и 1В, содержит деталь, выполненную из основного материала, имеющую соединительные гнезда 2 для деталей, подлежащих соединению, уже выполненные в определенных местах корпуса из основного материала, причем упомянутые соединительные гнезда в примере согласно фиг. 1А и 1В являются вырезами или полостями, выполненными на поверхности материала. Корпус 1 изготовлен из основного материала на основе железа (Fe>50%), включающего в себя относительно малое количество карбидов металлов, предпочтительно - менее 10%, посредством способа изготовления, подходящего для соответствующего материала, как правило посредством литья с приданием формы, содержащей готовые соединительные гнезда 2.
После первичного изготовления корпуса 1 из основного материала и возможных необходимых последующих обработок или механической обработки корпус подвергают термообработке в подходящих технологических условиях для достижения как можно более выгодных механических и трибологических характеристик для основного материала.
На фиг. 2 показаны детали 3, 4 и 5, изготовленные из износостойкого материала, которые в примере согласно рассматриваемому чертежу изготовлены из трех разных материалов, причем каждый из материалов имеет характеристики, по меньшей мере, частично отличающиеся друг от друга. Эти детали 3, 4 и 5 из износостойких материалов изготовлены посредством способа изготовления, подходящего для каждого материала, соответственно, например, посредством литья или некоторых других металлургических способов плавки или порошковой металлургии. Детали 3, 4 и 5 можно изготавливать, непосредственно придавая им окончательную форму, соответствующую их соответствующим соединительным гнездам, либо можно после первичного изготовления подвергать их простому формованию или механическим обработкам для достижения окончательной формы.
В решении, соответствующем изобретению, детали 3, 4 и 5, изготовленные из износостойкого материала, предпочтительно делают из сплава металлов на основе железа, имеющего содержание углерода более 1,9 массового процента, твердость более 50 единиц по шкале С Роквелла, предпочтительно - более 54 единиц по шкале С Роквелла, и при этом упомянутый сплав имеет в своей микроструктуре составляющую более 10% долю карбидов металлов с диаметром более 3 мкм.
В решении, соответствующем изобретению, объемная доля износостойкого материала компонента или конструкции из нескольких материалов, подлежащего или подлежащей изготовлению, предпочтительно составляет более 4%, а объем наибольшей одиночной детали, изготовленной из износостойкого материала, предпочтительно не превышает 25% общего объема компонента или конструкции из нескольких материалов.
После завершения процессов первичной и возможной вторичной обработки износостойкие детали 3, 4 и 5 подвергают термообработке, возможно - в технологических условиях, отличающихся друг от друга для обеспечения наиболее выгодных механических и трибологических характеристик деталей. Как правило, износостойкие детали изготавливают из сплава на основе железа, причем их микроструктура характеризуется наличием большей объемной доли твердых фаз, чем в основном материале, при этом размеры их зерен и частиц предпочтительно больше, чем размеры зерен и частиц других твердых фаз, присутствующих в меньших количествах в основном материале.
Достижение наиболее выгодных механических и трибологических характеристик как корпуса 1 из основного материала, так и износостойких деталей 3, 4 и 5 в этой связи означает, что, например, температуры закалки и отпуска сплавов на основе железа, отличающихся друг от друга по содержанию углерода или других элементов сплава, выбирают в зависимости от материала, чтобы сделать твердость и ударную вязкость, достигаемые каждым из материалов, как можно более выгодными применительно к цели использования, например, по параметру нагрузки, прикладываемой к каждой детали компонента из нескольких материалов.
На фиг. 3А и 3В показан конечный компонент из нескольких материалов, формируемый посредством соединения износостойких деталей 3, 4 и 5 и корпуса 1 из основного материала в оптимальных местах на основе износа, которому подвергается компонент из нескольких материалов, и характеристик износостойких деталей. Износостойкие детали 3, 4 и 5 соединены с корпусом 1 из основного материала посредством процесса, при воплощении которого износостойкие детали и корпус не образуют ванну расплава и при воплощении которого в большинстве случаев, но не обязательно между износостойкими деталями и корпусом предусмотрен слой дополнительного материала 6, причем упомянутый дополнительный материал 6 показан сформировавшим соединение также между корпусом 1 из основного материала и износостойкими деталями 3, 4 и 5 и тем самым соединившим их в единую конструкцию из нескольких материалов. Подходящий дополнительный материал 6 способен формировать соединение между всеми износостойкими деталями конструкции из нескольких материалов, о которой идет речь, и корпусом, изготовленным из основного материала, но не склонен к образованию вредных продуктов реакции сам по себе или вместе с соединяемыми материалами при обстоятельствах, необходимых для процесса соединения, или в условиях применения конструкции либо компонента.
Помимо характеристик материалов, подлежащих соединению, при выборе дополнительного материала 6 важно также, чтобы термодинамические и кинетические ограничения не препятствовали течению дополнительного материала, вследствие чего появляется возможность изготавливать корпус и износостойкие детали с менее строгими допусками, а зачастую - с приданием форм, лишенных всякой отделки, и тогда промежуток между ними будет полностью или почти полностью заполняться в течение процесса соединения. С учетом всех вышеописанных ограничений, сварка или соединяющее литье при непосредственном использовании ванн расплавов, например, соответствующих структуре деталей 1, 3, 4 или 5, не является возможным способом соединения.
Дополнительный материал 6, используемый в решении, соответствующем изобретению, преимущественно может быть каким-либо подходящим клеем, наиболее предпочтительные из которых включают в себя клеи на эпоксидной основе, смеси каучука и эпоксидной смолы, а также смеси полиуретана и эпоксидной смолы. Кроме того, другие полностью или частично органические дополнительные материалы, посредством которых можно достичь механических свойств, соответствующих типичным допускам упомянутых клеев (например, прочность, сопротивление сдвигу, твердость по шкале D Шора и ударная вязкость), также пригодны для использования при осуществлении способа в соответствии с изобретением. В качестве альтернативы, в процессе, предусматривающем и температуру, не превышающую 80% низшей температуры плавления материалов, подлежащих соединению, и атмосферу, имеющую такие парциальные давления газов, которые благоприятствуют образованию желаемых составов, микроструктуры и механических свойств в соединении и зоне соединения, можно также использовать металлический припой или припой на основе металла, предпочтительно - припой из никеля или меди или на их основе. Однако решение, соответствующее изобретению, не ограничивается применением дополнительного материала при соединении деталей из износостойкого материала с корпусом из основного материала.
На фиг. 4-6 показан альтернативный пример решения в соответствии с изобретением, в котором корпус 7 из основного материала имеет коническую форму. Во время изготовления в корпусе 7 из основного материала образованы пазообразные полости 8 для соединения износостойких деталей 9. Конечный компонент из нескольких материалов выполнен путем соединения износостойких деталей 9 посредством дополнительного материала 10 с полостями, выполненными в корпусе 7 из основного материала.
Однако решение в соответствии с изобретением не ограничивается применением дополнительного материала для соединения деталей из износостойкого материала с корпусом из основного материала. Соединение можно также обеспечить, соединяя детали друг с другом, например, посредством давления и возникающего из-за него течения материала, причем упомянутое давление при осуществлении процесса создают механически или посредством переносящей давление среды, при этом температура в деталях, подлежащих соединению, не превышает приблизительно 60 % низшей температуры плавления материалов, подлежащих соединению.
В решении, соответствующем изобретению, принципиальная функция материала «тел» изнашиваемых деталей заключается в выдерживании механической нагрузки, прикладываемой при эксплуатации к компонентам или деталям, и передаче ее посредством несущих поверхностей на корпус устройства, действующий как монтажное основание, вследствие чего от его материала требуются адекватные прочность, ударная вязкость и сопротивление усталости. Функция износостойких деталей в упомянутых конструкциях и компонентах из нескольких материалов, в принципе, ограничивается защитой от износа, вследствие чего их характеристики можно выбирать почти исключительно в соответствии с профилем характеристик, требуемым этой функцией. Поэтому существенными характеристиками являются, в частности, твердость материала и его способность сопротивляться распространению явлений износа и происходящим из-за них изменениям материалов, типичным для обстоятельств соответствующего приложения. Распространяясь, износ, как правило, вызывает образование бороздок, ямок, заусенцев, резание или разрушение материала конструкции или компонента, но если выбранный и обработанный износостойкий материал обладает некоторым свойством, наступление этих явлений оказывается минимальным по сравнению с материалом корпуса конструкции и другими материалами, обычно используемыми в этом приложении.
Для сборки износостойкой конструкции или износостойкого компонента корпус из основного материала и износостойкие детали очищают от зон, подвергнутых вредному влиянию, например зон поверхности, которые подобны зонам окисления, или от примесей, подобных остаткам смазочно-охлаждающей жидкости, обусловленным первичным изготовлением либо последующей обработкой и/или механическими операциями на станках, которые могут оказывать негативное влияние на характеристики зоны соединения, образуемой при сборке материалом корпуса, износостойкими деталями и дополнительным материалом. Для формирования соединения между корпусом и износостойкими деталями, подготовленными так, как описано выше, вводят дополнительный материал, походящий для пары соответствующих материалов, в качестве слоя подходящей толщины. Параметры процесса соединения следует выбирать так, чтобы характеристики дополнительного материала в условиях процесса гарантировали адекватное смачивание поверхностей, подлежащих соединению, и течение дополнительного материала, вследствие чего промежуток между корпусом и износостойкими деталями будет заполняться как можно полнее. С другой стороны, упомянутые условия не должны благоприятствовать слишком интенсивным реакциям дополнительного материала с любым из материалов, снижая качество соединения.
В решении, соответствующем изобретению, характеристики износостойких материалов и размеры деталей предпочтительно определяются следующей формулой:
((сумма объемных долей износостойких материалов объема всей конструкции)/5)+((твердость износостойких материалов по шкале С Роквелла как средневзвешенное значение их объемных долей)/10).
Таким образом, показатель, получаемый из этой формулы, должен быть больше 6, предпочтительно - больше 10.
Конструкции и компоненты из нескольких материалов, изготавливаемые способом в соответствии с изобретением, весьма подходят для применения в изнашиваемых частях, требующихся в приложениях, например, таких, как уменьшение размеров камня, строительного и/или рециркулируемого материала.
Среди прочих, решение в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает следующие преимущества.
(i) За счет ограничения использования износостойкого материала в конструкциях и компонентах только зонами, где неизбежна часть, защищающая от износа, можно снизить издержки производства изделий, о которых идет речь.
(ii) Одиночные материалы, подлежащие соединению с получением компонента или конструкции из нескольких материалов посредством решения в соответствии с изобретением, можно производить отдельно посредством способов, весьма подходящих для их производства, поэтому можно с большей надежностью достигать их желаемых характеристик, в результате чего произойдет улучшение рабочих параметров и повышение надежности конструкций и компонентов.
(iii) Делая менее строгими допуски размеров и формы, требуемые сборкой конструкций, можно достичь значительной экономии.
(iv) Посредством меньшего использования износостойких материалов и сырья, необходимого для их производства, будет повышена экологическая эффективность изготавливаемых конструкций и компонентов.