由聚合物混凝土制造的机器部件和该类机器部件的制造方法

本发明是关于用聚合物混凝土制造物品，特别是机器部件，例如机器床身、机架、测试台台板及类似部件的方法。在这种聚合物混凝土中由颗粒状岩石作混合填料与树脂粘合剂、固化剂以及添加剂混合，然后充入一个铸型并对其进行压缩。采用由强度高的岩石破碎成的、具有经一条筛选线限定的混合比的颗粒，并采用一种粘合剂体系。在液态下的压缩过程中这种粘合剂体系使岩石颗粒得到浸润并具有润滑效应。

按已知方法，（如已发表的达姆施塔特城累姆有限公司的“普勒克辛里斯MA-混凝土结构件”-“Plexilith    MA-Beton    Konstruktionsteile”der    Roehm    GmbH，Darmstadt），用粘合剂包住颗粒可达到较好的内聚力。此种聚合物混凝土的机械强度和弹性模数主要受粘合剂的影响。要保持持久性能是件困难的事，特别是蠕变稳定性，因为稳定性要经过一段长的时间后，例如100天后，才能形成。

1983年3月18日设在苏黎世累根斯多夫的弗利直·施图特尔公司的坦诺尔先生在题为“聚合物混凝土在机床制造中的应用”的报告中曾指出，应努力谋求使机器床身的负荷尽可能通过形状连接全部由岩石传递。应采用适宜的粘合剂体系，它在处理和压缩过程中对岩石颗粒起润滑作用。报告中还进一步指出，经筛分线限定了混合比的、各种大小的岩石颗粒，不应由于微裂纹而减弱其强度。选择岩石时应注意采用高强度岩石，它的密实度要大，并且在结构上尽可能没有方向性。最好选用深成岩，如玄武岩、燧石、辉长岩、辉绿石、闪长岩和火成岩。还应指 出，岩石表面的断裂结构以及岩石的外形具有重要的意义。

本发明的任务是创造一种本文开始所述的方法，用以能生产强度更高、持久性能好并且蠕变性能好的物品，特别是机器部件。

为解决这项任务，可采用比岩石弹性模数更高的硬质混合填料颗粒做为细粒成份，采用粉碎成基本上是立方体的颗粒，将颗粒混合物和粘合剂体系浇注到模子中，然后对其进行压缩，使尽量多的相邻的颗粒互相接触。在压缩过程中，粘合剂体系至少是部分地在颗粒之间受到排挤并被挤到岩石颗粒之间的间隙中和岩石颗粒的外侧。

相对而言，采用这种方法制成的聚合物混凝土机械部件的性能受粘合剂的影响很小。通过采用硬质材料做为填料混合物中的细粒成份，可以使机械性能特别是弹性模数以及强度大为改善，因为迄今正是这些细粒成份是导致上述性能下降的主要因素。此种聚合物混凝土的性能与天然岩石的性能很近似，并且还有明显的改进。因为岩石颗粒以及硬质材料颗粒彼此直接接触，并互相支承，所以直接由颗粒传递出现的作用力。近似立方体颗粒的很大优点是有利于互相形成致密排列，并能在彼此间形成面靠面的状态。如果颗粒具有齿状或凹凸状断裂面也是有利的，因为它们可互相楔紧，使其也能传递不垂直于叠加面的作用力。颗粒互相楔紧后彼此不会出现移动。由于岩石颗粒和硬质材料颗粒对作用力的直接传递进一步排除了粘合剂的影响，在固化过程中，机器部件的外形尺寸几乎不会收缩，对持久性能，特别是抗蠕变稳定性也很有好处。

由于最小的颗粒，特别是粉状颗粒对用聚合物混凝土制造的部件的抗蠕变稳定性以及弹性模数起着消极的影响，因此微粒在混凝土中所占比重应尽可能少。因此，在发明的另一结构形式中规定，确定岩石颗粒粒度的混合比的筛分线应通过试验确定，对试验物体进行蠕变试验，由结果规定细微颗粒部分所占比重。此种规定一方面排除了不允许的蠕 变，而另一方面防止出现超过各别气孔大小的空腔。

在发明的另一结构形式中应用了硬质材料的颗粒，其粒度不大于1毫米。当细颗粒为约1毫米粒度的硬质材料时，其聚合物混凝土的强度和弹性模数得到明显的改善。

在发明的另一结构形式中规定，可用氧化铝、碳化硅、氮化硅、石英或者这些物质的混合物作为细颗粒成份，这些材料一方面具有很高的弹性模数，其弹性模数甚至比钢的还高;另一方面，它们的货源充足，价格也较便宜，因此，从总体而言，不会提高造价。

按本发明制造的机器部件的总的优点是可减小部件的壁厚及减小其他尺寸，因为采用硬质材料的细颗粒后使强度明显改进。

在发明的另一结构形式中，规定采用液态粘度约为100至300毫帕·秒的粘合剂体系，譬如，采用具有脂肪族聚酰胺固化剂的双酚A-环氧树脂粘合剂体系是适宜的。此种粘合剂一方面具有上述粘度，可使颗粒较易滑入形成最大致密度的相应位置;而另一方面，这种粘合剂也容易在颗粒之间受到排挤。当然应调节粘合剂，使其在压缩结束之前达到胶凝点。实践证明，在粘合剂调节后的约2至3小时后达到胶凝点是有利的。

借助于图纸所示的全自动装置的实现，通过对发明方法的说明阐明了本发明的其它特征和优点。当然在没有自动化或不同程度的自动化时也可实现本发明的方法。

在制备聚合物混凝土的预备工作中，首先要选择一种适宜的岩石。应根据要制作的聚合混凝土的结构件所希望的性能来决定要求，也就是说特别要注意最大的强度和最大的弹性模数。弹性模数应超过35000牛顿/毫米2。由于用聚合物混凝土制成的结构件中岩石颗粒彼此传递出现的作用力，因此它们应尽可能的没有微裂纹。应按地质来源的观点选择岩石类型，优先选择深成岩，如玄武岩、燧石、辉长岩、辉缘石、闪 长石或火成岩，在这些岩石的形成历史中未发生过折叠等现象，因而出现微裂纹的危险比较小。通过试样检查是否有微裂纹存在。在选择岩石时，也应进行岩石组成的分析，并且检测其物理性能和机械性能，如比重、导热性、热膨胀系数等以及弹性模数和抗拉强度。

按上述准则选择出岩石的种类后，将岩石破碎，破碎后再次进行检验，确定此种岩石是否适宜于用来制造聚合物混凝土，同时通过检测微裂纹来检查破碎工序的质量。但破碎后首先应检验的是破碎的岩石颗粒的形状。岩石颗粒应尽可能是立方体颗粒，允许的边长比约为1：1.4。不适宜的形状和圆形颗粒最多应＜30%（颗粒数）。假如不能保持这种给定的立方体的形状，则用来制造聚合物混凝土所选的具有要求质量的岩石不可用。

岩石颗粒的筛分与清洗及干燥过程共同进行，除去粉末状颗粒（约4微米）和粗颗粒（16毫米以上）。筛分过程至少要分5级进行。筛分后将粒度约1毫米以上的岩石颗粒按其粒度大小分别放于贮槽或容器中。再从这些贮槽或容器中取出定量的、不同粒度的岩石颗粒，经过一条予先为每种岩石确定的筛分线、按限定的混合比加以混合。其筛分线的确定将在后面叙述。

细颗粒成份，即小于1毫米粒度的岩石颗粒不能用。对这种粒度要采用硬质材料颗粒，就是说采用比岩石的弹性模数和抗拉强度更高的材料，优先选用氧化铝，碳化硅、氮化硅或石英或者这些化合物的混合物作为硬质材料。这些硬质材料价格便宜，数量也充足。也可采用金属，如钢或灰铸铁颗粒作为硬质材料，加入这些金属颗粒后，也可以改善聚合物混凝土的性能。只有当聚合物混凝土制造的机器部件不会承受较大的热负载时，才采用此种金属材料作硬质材料，否则将由于不同的热膨胀会损坏聚合物混凝土。前面所述的硬质材料与金属比较其优点是，它的弹性模数至少比钢的弹性模数高一倍，这样就可取得更好的效果。

附图中的设备包括三个容器1、2和3，其中放置着按粒度分类的岩石颗粒，以及二个容器4和5，用于盛放前面提及的硬质材料颗粒。容器1至5安装在运输带6的上部，按预先确定的混合比计量的颗粒通过运输带6输送至溜槽7中。溜槽7是输送机8的一部份，将所计量的颗粒倾注到强制混合器9中。在强制混合器9中混合后，颗粒被加入到混合物处理机10中，在这里加入粘合树脂、固化剂和添加剂，用泵将它们从各个贮罐如11和12送进混合物处理机10中。最好采用双酚-A-环氧树脂与脂肪类聚酰胺固化剂做粘合剂，脂肪类聚酰胺的粘度最小，为100至300毫帕·秒。调节粘合剂体系，使其在大约二小时至三小时后达到胶凝点。在混合物处理机10中经过处理的混合物被加到浇注罐13中，然后由浇注罐13加入铸型14。铸型14安置在一个振动台上，为了压缩填充料，使振动台处于振动之中，压缩时间取决于铸型，即取决于待铸的机器部件的大小和形状的复杂程度。在压缩过程中，粘合剂体系基于所调配的粘度起着润滑剂的作用，首先使颗粒容易进入能够使其形成最大充填密度的位置。颗粒挤穿包覆颗粒的粘合剂体系的树脂膜，这样就使颗粒之间达到直接接触。大部份粘合剂体系被挤到上部，在铸型的上表面先形成一个粘合剂的“湖面”。由于机器部件在浇铸成型时，是头朝下的，因此，从混合物中出来的粘合剂事后，即固化后形成的是机器部件的底面。通过激振使之压缩致密的方法有时也可代之以对铸型14中的混合物进行挤压的办法，以达到很大的充填密度，并驱出粘合剂系统。

所采用的铸型在所用材料和结构方面，须能保证把压缩能量传递到填充物上。根据浇注批量可采用木制或金属制铸型，或者二者组合的铸型。在对部件的刚性有关键作用的区域，一般讲壁厚为60至80毫米。这大约相当于灰铁结构的三倍壁厚，但两者的重量相近。由于材料堆积没有损坏作用，所以在负荷上特别关键的部位可任意增大其壁厚，这时重 量增加并不多，而使部件的刚性提高很多。空腔部位用所谓的一次性型芯来填充，使之有可能在构件内部有一个有利的静力学构形。预先把十分之一毫米级位置公差的重属镶嵌件固定在铸型内，并且直接浇注到机器部件之中。对位置公差应为微米级的已加工好的机器部件进行相互找正，然后浇注。在一般情况下，对导轨进行直接模铸或者先加工成导向件再浇注。

如前所述，为了规定每一种岩石颗粒的粒度分布的混合比，须确定一条筛分线。富勒（Fuller）分布曲线是确定粒度分布的基础，然后浇注试样棒，用以进行蠕变试验。这些试样具有正方形断面（80×80毫米），长度为一米。将它们架在与其距离一米的支架上，用一个百分表测量因试样自重造成的中部弯曲，绘出测量的弯曲值与时间的关系曲线，即蠕变曲线。如果在给定的时间，如三天之后，试样不再出现运动，就是说蠕变停止，即可得出允许的蠕变稳定性。一般讲，有赖于岩石颗粒的形状接近于富勒（Fuller）曲线。当试样棒在蠕变试验中不能达到蠕变稳定性时，则应减少细颗粒的成份。然后重新制作试验棒并进行蠕变试验。如果仍达不到蠕变稳定性，则应再次减少细颗粒成份，重新浇注试样棒和重复蠕变试验。假如通过减少细颗粒在部件中形成超过气孔大小的空腔，那么这种减少就达到了极限。假如减少细颗粒的同时又不形成空腔，但仍达不到蠕变稳定性，则所使用的岩石材料是不适宜的，特别是破碎时形成的岩石颗粒的立体形状不适宜。经验表明，与理想立方体形状比较，当边长比超过1：1.4时，在大多数情况下会出现这种问题。