具有耐磨结构的搅拌臂和搅拌设备
技术领域
本申请大体上涉及具有耐磨结构的搅拌臂、特别是在诸如混凝土搅拌设备中使用的搅拌臂和采用这种搅拌臂的搅拌设备。
背景技术
诸如混凝土搅拌机的工程机械搅拌设备大体上包括外壳，在外壳内部设置能够旋转的主轴。自主轴径向向外延伸地安装有多个搅拌臂，每个搅拌臂的末端固定有搅拌叶片。多个搅拌臂沿着轴向彼此隔开并且在周向也彼此交错。这样，当搅拌设备的主轴经由诸如电机的动力装置被驱动旋转时，搅拌臂及其上的搅拌叶片可以将诸如砂石、水泥等的拌料均匀搅拌。
可以看出，在正常的工况下，搅拌叶片及搅拌臂不仅需要承受极大的冲击载荷，还必须经受诸如砂石、水泥等的拌料冲击，导致不断的连续磨损。因此，对于搅拌臂而言，其失效的主要原因是疲劳断裂和因拌料造成的磨损。
为了提高搅拌臂的使用寿命，传统工艺通常采用在搅拌臂的表面上以网状方式堆焊合金耐磨条。但是，这种传统工艺有可能会造成搅拌臂使用寿命降低并且也会污染环境。
发明内容
针对以上问题，本申请旨在提出一种用于搅拌机中的改进的搅拌臂及其制造方法，从而确保如此制造出的搅拌臂能够具有提高的使用寿命并且制造过程中对环境污染的影响最小化。
根据本申请的一个方面，提供了一种制造用于在搅拌设备中使用的搅拌臂的方法，包括：
依据搅拌臂的本体的具体形状提供预发泡实型；
将预制的高合金材料制成的耐磨结构选择性地嵌入预发泡实型中且至少部分地外伸出，其中，所述耐磨结构包括以散点状和/或线条状分布的多个凸块；
将嵌有耐磨结构的预发泡实型粘接浇注系统并填缝；
向嵌有耐磨结构的预发泡实型施加耐火涂料涂层，使得涂层厚度为1至1.2毫米；
将预发泡实型烘干并埋入沙箱、振实后，压尼龙薄膜，并上顶沙和浇口杯；
以负压方式设定针对耐磨结构的压力场定位，其中负压的范围为0.05兆帕至0.06兆帕；
针对所述沙箱，利用出炉温度为1670℃至1680℃的低合金钢水进行浇铸。
采用压力场定位可以严格控制耐磨结构的位置，保障耐磨结构处型腔完整、避免发生溃型缺陷。此外，严格控制低合金钢水的出炉温度可以确保本体的材料与耐磨结构的材料呈熔融状态，获得更佳的铸造产品。
可选地，所述高合金耐磨结构利用铸造制成，并且在其铸造的脱氧过程中，锰元素用做沸腾脱氧，硅元素用做预脱氧，铝用做终脱氧，并加入0.2％至0.3％的稀土元素做变质处理及辅助脱氧，从而可以有效去除耐磨结构中的氧化物，提高产品质量。
可选地，所述耐磨结构的凸块在所述搅拌臂本体内的部分具有3～8毫米深的弥散区，并且所述耐磨结构的凸块的外露部分具有HRC60以上的洛氏硬度。
可选地，在施加耐火涂料涂层的过程中，浸涂耐火涂料后烘干，烘干温度55℃，恒温6小时，浸涂耐火涂料3次完成。
根据本申请的另一个方面，还提供了一种在搅拌设备中使用的搅拌臂，其特征在于，包括：
利用真空消失模铸造法制造的低合金钢本体；以及
在真空模铸造法中使用压力场定位而在所述低合金钢本体上镶铸的高合金材料的耐磨结构，其中，所述耐磨结构包括从所述本体伸出的多个凸块，所述多个凸块以散点状和/或线条状分布的方式位于所述本体的表面上，所述凸块在所述搅拌臂本体内的镶铸部分具有3～8毫米深的弥散区。由于采用消失模铸造以及压力场对耐磨结构定位，所以可以确保镶铸有耐磨结构的搅拌臂具有更高的使用寿命，同时因为省略堆焊工艺，导致潜在环境污染的可能性被最小化。
可选地，所述凸块自所述本体的表面的伸出高度是在3与8毫米之间。
可选地，所述耐磨结构的外露部分具有HRC60以上的洛氏硬度。
可选地，所述搅拌臂在所述搅拌设备的可旋转主轴上能够拆卸地安装，并且在所述搅拌臂的本体上限定有在所述主轴旋转时直接接触拌料的冲击侧部，所述耐磨结构位于所述冲击侧部中。
可选地，所述搅拌臂的本体包括近端端部以及相反的远端端部，所述搅拌臂经由所述近端端部安装在所述主轴上，所述远端端部能够拆卸地安装搅拌叶片，在所述近端端部的表面上设置有所述耐磨结构。
可选地，所述凸块在所述搅拌臂本体内的嵌入深度至少是15毫米。
可选地，在压力场定位中，负压的范围是0.05兆帕至0.06兆帕，并且低合金钢水的出炉温度为1670℃至1680℃。
可选地，所述高合金耐磨结构是利用铸造制成的高合金耐磨结构，并且经受以锰元素用做沸腾脱氧、硅元素用做预脱氧、铝用做终脱氧、并加入0.2％至0.3％的稀土元素做变质处理及辅助脱氧的脱氧处理。
可选地，所述凸块的外露部分的直径或长度是在6毫米至20毫米之间。
根据本申请的另一个方面，还提供了一种搅拌设备，包括：
外壳；
在所述外壳内能够旋转地安装的主轴；和
在所述主轴上安装的前述的搅拌臂。
采用本申请的上述技术方案，在搅拌臂上直接镶铸耐磨结构同时利用压力场定位在铸造过程中确保型腔完整、避免发生溃型缺陷，提高了生产效率，并提高了搅拌臂的使用寿命，同时也降低了制造成本。因为没有传统堆焊技术所造成的污染物排放问题，也最小化环境污染的可能性。
附图说明
从下文的详细说明并结合下面的附图将能更全面地理解本申请的原理及各个方面。需要指出的是，各附图的比例出于清楚说明的目的有可能不一样，但这并不会影响对本申请的理解。在附图中：
图1示意性示出了根据现有技术的搅拌设备中的主轴，其中，所述主轴上安装有根据现有技术的搅拌臂；
图2示意性示出了根据本申请的搅拌设备中的主轴，其中，所述主轴上安装有根据本申请的一个实施例的搅拌臂；
图3A和3B示意性示出了根据本申请的实施例的搅拌臂的侧视图和俯视图；
图4示意性示出了根据本申请的一个实施例的耐磨结构的剖视图；
图5示意性示出了根据用于制造根据本申请的搅拌臂的实型的局部剖视图。
具体实施方式
在本申请的各附图中，结构相同或功能相似的特征由相同的附图标记表示。
图1示意性示出了根据现有技术的搅拌设备中的主轴10。在主轴10上可拆卸地安装有多个搅拌臂20。各搅拌臂20从主轴10径向向外伸出，并且彼此相互轴向间隔。各搅拌臂20在圆周方向上也安装成彼此交错。在每个搅拌臂20的自由端部上可拆卸地安装有一个搅拌叶片31。
根据现有技术，在搅拌臂20的表面上用合金耐磨条以网状方式进行堆焊，例如利用焊接机器人进行堆焊，从而达到防止搅拌臂20在使用过程中过快磨损的目的。但是，这样的工艺具有如下不足：
(1)在堆焊的过程中，合金耐磨条的材料首先会被部分地熔化，然后堆积固定在搅拌臂20的本体表面上。因此，堆焊处理后的搅拌臂20的本体材料会因受热而造成金相组织改变，进而导致其力学性能变差。也就是说，虽然本体表面上焊接合金耐磨网能够提高耐磨性，但是因本体材料的金相组织改变，甚至可能造成搅拌臂20在使用过程中疲劳断裂的可能性加大。这样，最终会造成搅拌臂整体机械性能下降，进而造成这种搅拌臂在超负载运行时弯曲变形、严重的话会造成卡断，进而导致搅拌设备提前报废。
(2)合金耐磨条与搅拌臂20的本体材料本身之间存在较大差异，这就会造成堆焊处理后因这种材料差异导致耐磨条构成的网的耐磨层会发生脱落，造成在脱落处磨损加大并因而导致提前报废。
(3)在堆焊的过程中产生的烟雾会对环境造成极大的影响，例如焊接时所产生的重金属粉尘以及有害气体如果因车间空间受限而无法及时回收的话，会造成环保排放不合格。
为了解决上述问题，图2示意性示出了根据本申请的一个实施例的搅拌设备中的主轴100。
需要指出的是，在本申请的上下文中，搅拌设备例如指的是用于对诸如砂石、水泥等拌料进行搅拌的搅拌机、特别是混凝土搅拌机。这种搅拌设备大体上包括外壳、以及在所述外壳内能够旋转地安装的主轴100。在所述主轴100上能够拆卸地安装有多个径向伸出的搅拌臂200。在每个搅拌臂200的自由端部上可拆卸地安装有一个搅拌叶片310。各搅拌臂200从主轴100径向向外伸出，并且彼此相互轴向间隔。各搅拌臂200在圆周方向上也安装成彼此交错。这样，组装有所述搅拌臂200的主轴100在外壳内安装就位后，在搅拌设备的动力装置例如电机的带动下，主轴100携带着搅拌臂200及其搅拌叶片310在外壳内旋转，使得外壳内填放的诸如砂石、水泥等的拌料均匀搅拌。
图3A和3B示意性示出了根据本申请的一个实施例的搅拌臂200的侧视图和俯视图。搅拌臂200包括本体。本体由低合金钢制成。在本申请的上下文中，涉及材料的低合金指的是在这种材料中合金含量(质量百分比)低于5％；涉及材料的高合计指的是这种材料中合金含量(质量百分比)高于10％。如图3A所示，搅拌臂200限定有近端端部210和相反的远端端部220。搅拌臂200能够经由其近端端部210可拆卸地连接至搅拌设备的主轴100。例如，如图3B进一步所示，近端端部210可以分成端部半部212和端部半部211，其中端部半部211与本体一体相连，端部半部212能够经由螺栓与端部半部211可拆卸地连接。当端部半部211和212连接在一起时，在端部210中限定有非圆形的内孔结构，该非圆形的内孔结构用于与主轴100上的互补结构相接合，以便在主轴100旋转时带动搅拌臂200一起旋转。此外，远端端部220设置成能够与搅拌叶片310可拆卸地相连，例如也经由螺栓相连。
当搅拌臂200在主轴100上安装就位后，根据主轴100的旋转方向，在搅拌臂200中会存在进行搅拌时主要经受拌料直接冲击的侧部。在本申请的上下文中，将搅拌臂200的在旋转时主要经受拌料直接冲击的侧部规定为冲击侧部。例如，在图3B中，当组装就位的搅拌臂200绕着其端部210逆时针旋转一周时，如果存在拌料的话，搅拌臂200的最先接触拌料的部分构成了其冲击侧部。
进一步参考图3A和3B，在搅拌臂200的冲击侧部中通过镶铸的方式形成有耐磨结构。在所示的实施例中，耐磨结构包括多个高合金耐磨材料制成的点状凸块400。在一替代的实施例中，耐磨结构也可以包括多个高合金耐磨材料制成的线条状物。甚至，在另一替代的实施例中，耐磨结构可以包括多个这种点状凸块400与多个线条状物的组合。因为耐磨结构仅仅形成在搅拌臂200的冲击侧部上，所以节约了制造成本(与耐磨结构在搅拌臂的整个外表面上形成相比)。
凸块400本身的尺寸以及它们之间的间距可以依据搅拌臂200的具体应用场合(例如针对不同的拌料、不同的搅拌设备等)而定。例如，凸块400可以呈柱状。再例如，凸块的镶铸在搅拌臂200的本体中的部分与暴露的部分可以具有不同的尺寸。
根据本申请，为了制造搅拌臂，在真空实型铸造工艺基础上，采用压力场定位工艺来定位散点状阵列或线条状阵列和/或它们组合的复合铸造耐磨合金结构。在现有技术中，虽然也存在其它镶铸工艺，例如型砂定位，但其工艺繁杂，而且采用这种工艺时，散点状或线块状需要预留出一段嵌入型砂内，铸造出成品毛坯还需要去掉伸长的一段合金，导致工时加长。
以下介绍制造根据本申请的搅拌臂200的具体方法的实施例。本申请基本上以真空消失模铸造法来铸造搅拌臂。
依据搅拌臂200的本体的具体形状提供预发泡实型。在此，搅拌臂200的本体可以包括或者不包括端部半部212。在本体不包括端部半部212的情况下，该端部半部随后能够以如下所述相同的方式被制造。例如，预发泡实型可以采用苯乙烯和甲基丙烯酸甲酯共聚物(STMMA)，将其在成型模具中发泡成型，制造出符合搅拌臂200的本体的具体形状的实型(STMMA预发泡实型)。
在STMMA预发泡实型上，依据搅拌臂的局部抗磨要求确定作为耐磨结构的凸块和/或线条状物的位置和间距，并将作为耐磨结构的多个高合金耐磨材料的凸块以散点状分布和/或线条状分布的方式嵌入到STMMA预发泡实型且部分地外伸出。例如，图5示出了STMMA预发泡实型的嵌有一个凸块400的局部放大剖切图。例如，作为耐磨结构的凸块可以在预发泡实型制造之前被制出，通过铸造等合适的方式被制成。
将嵌有高合金耐磨结构的STMMA预发泡实型进行浇注系统粘接并填缝，例如采用蜡质专用修补膏修补粘接实型缝隙和高合金耐磨结构的缝隙。
将嵌有高合金耐磨结构的STMMA预发泡实型浸涂耐火涂料后烘干。烘干温度55℃，恒温6小时，涂层厚度1至1.2毫米。大体上，浸涂耐火涂料3次完成。
将嵌有高合金耐磨结构的STMMA并且经耐火涂料浸涂且烘干后的预发泡实型埋入沙箱，沙箱的周壁与实型保持大于100毫米的间距。如果有多个这样的实型的话，各实型之间的间距大于60毫米。将沙箱振实，例如三维振动40秒至少三次，在实型上压尼龙薄膜，上顶沙100毫米厚之后安装浇口杯以备浇铸。
熔炼低合金钢水，例如采用感应式中频电炉熔炼材质为铸造35Mn2、铸造35CrMo或其它牌号的铸造一般工程结构钢。为了确保浇铸充型温度恰好熔化嵌入的耐磨合金凸块散点状或线条状表层，使搅拌臂本体母材与嵌入的耐磨结构的合金凸块呈熔融状态，将钢水的出炉温度严格控制在1670℃至1680℃。
为达到作为耐磨结构的凸块的氧化物的目的，在铸造耐磨结构的凸块和/或线条状物时，严格控制脱氧过程，锰元素做沸腾脱氧，硅元素做预脱氧，铝做终脱氧，以及终脱氧后铝残留含量(铝残留含量规范值为0.08％至0.09％)，并加入0.2％至0.3％的稀土元素做变质处理及辅助脱氧。
针对作为耐磨结构的凸块采用压力场定位。例如，采用水环真空(泵)系统设置压力场，将负压控制在0.05兆帕与0.06兆帕之间。
按实型浇铸方法进行浇铸，浇铸后保持压力5分钟停止施压，降温60至90分钟出箱。
用常规方法去除浇注系统、清理打磨、热处理、涂装等工序完成低合金钢搅拌臂产品(如图3A和3B所示)。
在作为成品的搅拌臂200中，如图4所示，凸块400的纵向横截面可以呈T形，小直径部分用于镶铸在搅拌臂200内，大直径部分(暴露部分)用于提供抗磨功能。凸块400的暴露部分的直径或长度可以是在6毫米至20毫米之间。凸块400的暴露部分可以自搅拌臂200的本体径向向外延伸3至8毫米的距离，优选延伸5毫米的距离。在本申请的上下文中，涉及凸块的暴露部分的直径尺寸指的是该暴露部分在垂直于主轴100的方向观察外周最远的两个分开的端点之间的距离。此外，在本申请的实施例中，凸块和/或线条状物在搅拌臂200的本体上的布置间距、方向和深度可以依据具体要求而定。以凸块为例，优选地，存在两个相邻的凸块之间的间距是在40毫米与50毫米之间的情况。但是，该间距也可以依据需要相应增大或减小。在这里，间距指的是沿着搅拌臂本体的表面测量的两个相邻的凸块之间的距离。此外，当凸块400以线条状设置时，其相对于搅拌臂本体的纵向轴线的分布角度可以依据需要而定。每个凸块在搅拌臂本体中嵌入的深度至少是15毫米。此外，采用本申请工艺制造的搅拌臂，最终确保其上的耐磨结构凸块、特别其外露部分的洛氏硬度达到HRC60以上，并且在搅拌臂本体内嵌入部分的周围具有至少3～8毫米深、优选至少5毫米深的弥散区，从而将耐磨结构凸块牢固地固定在搅拌臂本体中。
表1(如下)示出了针对同一尺寸的搅拌臂采用现有技术的堆焊制造方法与根据本申请的制造方法获得的搅拌臂的测试对比结果。
表1
可以看出，采用本申请的制造方法可以显著提高搅拌臂的使用寿命，并且提高生产效率。同时，由于不会存在堆焊过程中产生的有害物质和气体，因此对环境的影响达到最小化。
尽管这里详细描述了本申请的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出，而不应认为它们对本申请的范围构成限制。此外，本领域技术人员应当清楚，本说明书所描述的各实施例可以彼此相互组合使用。在不脱离本申请精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。
