白口化球墨铸铁耦合仿生表面形成机制及磨损机理研究

The surface structures of desert scorpion, and the profile of claw toe and excavation action of mole be treated as bionic prototype, and the bionic surface and complex bionic surface with different Bionic structural units. The drag reduction wearable mechanism, reciprocal influence and joint action mechanism between the different bionic structures units of complex bionic surface will be researched by simulation methods. The The influence of structure and parameter on the wear resistance and drag reduction performance will be researched by abrasive wear experiment. The influence of structure and parameter of bionic surfaces and complex bionic surface on the distribution of local flow field and thermal field of process of casting ductile iron will be researched by simulation methods. The relationship between the structure and parameter of bionic surfaces and chilling behavior of ductile iron, interfacial bonding, material strength, abrasive wear behavior will be test and verify by related experiments. The coupling relationship between the structure and parameter of bionic surfaces and complex bionic surface and material properties will be defined. The deep pine shovel tip and stirring piece with bionic surfaces or complex bionic surface will be prepared by chilled ductile iron, the machinery performance and abrasive wear behavior of the deep pine shovel tip and stirring piece will be tested, wear resistance and drag reduction performance and mechanism of bionic surfaces or complex bionic surface on the components under the different conditions of service speed and abrasive will be researched. The research will provided theory basis and application foundation for improving surface drag reduction wearable performance by the coupling bionic design methods.

以沙漠蝎子体表结构和鼹鼠爪趾结构及挖掘动作特征作为仿生原型，设计仿生表面及兼具两种仿生原型结构特点的复合仿生表面；采用模拟仿真方法研究仿生表面的减阻耐磨机理及复合仿生表面不同仿生结构在磨损过程中相互影响和共同作用机理；采用磨料磨损实验研究仿生表面结构及参数对减阻耐磨性能的影响；采用模拟仿真方法分析仿生表面结构及参数对球墨铸铁铸造过程中局部流场及热场分布的影响，对仿生表面结构及参数对球墨铸铁表面白口化行为、不同相之间界面结合、材料强度、磨料磨损行为等性能的影响进行实验测试分析，建立仿生表面结构及参数与球墨铸铁材料性能间的耦合关系，实现仿生表面结构与材料二元耦合；采用表面白口化球墨铸铁制备具有仿生表面结构的深松铲尖和搅拌片，测试部件的机械性能和磨损性能，研究仿生表面结构在不同服役速度和磨料性质条件下的减阻耐磨性能和作用机理。为采用耦合仿生设计方法提高部件耐磨料磨损性能提供理论依据和应用基础。

本项目主要研究的是仿生表面结构耐磨原理、仿生表面结构和工艺方法对样品表面局部相组成的影响规律和作用机理，微观组织结构对仿生结构机械物理性能的影响规律，具有仿生结构部件的磨损行为和耐磨机理，作业阻力测试方法等。主要包括：通过对狗獾和中原太行犬犬齿摩擦磨损行为和机械性能的分析，发现二者磨损行为均为疲劳造成的剥层磨损，但由于狗獾犬齿机械性能由于中原太行犬犬齿，其表现处较优的磨损性能，外硬内韧的结构使动物犬齿具有优良的摩擦磨损性能；采用砂型铸造方法制备了具有仿生表面结构的样品，分析发现，单纯通过仿生结构和预置冷铁的方式都不能在样品表面局部产生足够的多冷度，只有综合仿生结构和预置冷铁，才能实现样品表面局部白口化；具有白口化的球墨铸铁仿生结构表面具有较高的硬度，同时具有较高的水润湿角；通过砂型铸造方法，采用仿生表面结构与预置冷铁相结合的方式，可以制备出具有表面白口化仿生结构的深松铲尖，与现有65Mn材料深松铲尖的对比试验表面，耦合仿生深松铲尖具有较低的作业阻力和磨损率；为了准确有效测量耦合仿生深松铲尖的作业阻力，设计研制了一种基于扭转弹簧和角位移传感器的阻力测试装置，对测试装置的主要结构参数进行了设计，并基于仿生深松铲所采用的双翼型结构进行了深松阻力测试方法的研究，与现有多维拉力传感器组测试装置进行了对比分析，验证了新型测试装置的可靠性和准确性；对耦合仿生深松铲尖和现有65Mn材料深松铲尖进行对比田间测试，实验结果表面，耦合仿生深松铲尖可减阻4%-5.5%。本项目共发表SCI、EI论文8篇，申报国家发明专利8件，其中获授权国家发明专利5件。培养硕士研究生2名，达到资助计划书要求。