耐磨材料和形成耐磨材料的系统和方法
【专利说明】
[0001]本申请是于2014年7月30日进入中国国家阶段的题为"耐磨材料和形成耐磨材料 的系统和方法"且中国申请号为201380007328.X的国际申请PCT/US2013/023541的分案申 请。
技术领域
[0002] 本发明总体涉及用于形成耐磨材料的系统和方法，更具体地，涉及采用渗透技术 形成耐磨材料并通过铜焊将该材料连接到衬底的系统和方法以及该系统和方法的产品。
【背景技术】
[0003] 多种挖掘设备具有尖头、边缘、表面和受到重复冲击和应力的其他部件，会造成这 些部件磨损或断裂。因此，具有高硬度和耐磨性以及良好刚度的材料希望用于这些应用。具 有高硬度和耐磨性的材料也用于其他应用，包括面临类似挑战的应用。
[0004] 用于制造耐磨部件的一种常用技术是通过围绕放置在模具内的硬耐磨材料注入 熔融金属(例如铸铁）以便将耐磨材料附接到铸造金属部件并形成耐磨合成物来铸造部件。 这种方法的主要缺陷在于通过这种方法附接有耐磨材料的衬底局限于适合铸造的材料。另 外，耐磨材料通常局限于5-50%的体积分数范围，并局限于大于50μπι的颗粒，并且部件通常 局限于小于6.25mm(0.250英寸）的厚度。另外，这种方法需要使熔融合金过热到大约200°C_ 400°C，这导致碳化物颗粒的显著溶解，并由此使得到的合成物的性能降级。另外，由于这种 铸造在空气中进行，存在硬颗粒和母体金属都氧化的可能性，并且氧化物可变得截留在合 成物内，并使磨损和机械性能降级。
[0005] 用于制造耐磨部件的另一常用技术是将镍基合金、铜基合金和/或铸铁渗透到纯 碳化钨和硬质合金颗粒的多孔质量块内。但是，镍基和铜基合金非常昂贵，并且铸铁不具有 对于所有应用都满意的刚度。球墨铸铁代表了更加经济的材料，其可以铸造并具有良好的 断裂刚度。但是，采用这些技术的条件不适用于球墨铸铁渗透。另外，这些技术所涉及的渗 透温度很高，从而出现硬颗粒的显著降级。在使用这些技术将铸铁渗透到球形铸造碳化物 中的情况下，原始碳化物颗粒可完全分解。由于熔融结合金属与硬碳化物颗粒之间的冶金 相互作用，用于这种技术的颗粒尺寸必须通常保持在1.14mm(0.045英寸）以上，使得即使在 反应之后，也留有大部分的硬颗粒来提供耐磨性。
[0006] 因此，虽然一些现有技术产品和方法提供许多有利特征，但是它们具有一些局限 性。本发明寻求克服这些局限性的某些局限性和现有技术的其他缺陷，并提供一种之前没 有得到的新特征。
【发明内容】
[0007] 下面提供本发明的各方面的总体概述，以提供本发明的基本理解。此概述不是本 发明的延展性综述。不意图鉴别本发明的关键或重要元件，以限定本发明的范围。以下概述 只以总体形式提供本发明的一些概念，以作为下面提供的更加详细的描述的前奏。
[0008] 本发明的各方面涉及一种用于形成衬底上的耐磨合成涂层的方法。模具邻近衬底 的表面定位，使得表面与模具腔连通，并且多孔耐磨材料与表面邻近地放置在腔内。金属母 体材料接着与腔连通地放置，并且模具和母体材料被加热到母体材料的熔点以上的温度。 该温度被保持在熔点以上长达母体材料足以渗透熔融形式的耐磨材料并接触衬底的表面 的时间。随后，模具和母体材料被冷却以固化母体材料并形成包括嵌入衬底的表面上的母 体材料内的耐磨材料的耐磨合成涂层。母体材料在一种实施方式中可以是球墨铸铁，并且 球墨铸铁可具有以重量百分比为单位的如下组分:大约3.0-4.0%碳、大约1.8-2.8%硅、大 约0.1-1.0 %锰、大约0.01-0.03 %硫和大约0.01-0.1 %磷，余量是铁和偶有元素和杂质。理 解到其他元素和添加物可包括在球墨铸铁中，例如镍（多达37 %重量百分比）、铬（多达 5.5%重量百分比）和/或娃(多达5.5%重量百分比）。
[0009] 根据一个方面，耐磨材料可包括选自包括如下物质的组的一种或多种材料:碳化 物、氮化物、硼化物、硅化物和过渡金属的金属间化合物及其组合。可以使用的碳化物的例 子包括:1(：、1'扣、3比、03(：2、￥(：、2"、恥(：、了3(：、（1，11)(：、84(：和]\1〇 2(：及其组合。可以使用的氮 化物的例子包括:T i N、BN、S i 3N4、ZrN、VN、TaN、NbN、Hf N、CrN、MoN和WN及其组合。可以使用的 硼化物的例子包括:硼化钛、硼化铬、硼化钨、硼化镍、硼化锆、硼化铪、硼化钽、硼化铌、硼化 钒、硼化钼、硼化硅、硼化铝，以及过渡金属的其他硼化物，及其组合。可以使用的硅化物的 例子包括过渡金属的硅化物。耐磨材料可进一步具有潮湿相容涂层。
[0010] 根据另一方面，合成涂层可形成在衬底的多个表面上，或者可以只形成在衬底的 表面的一部分上。
[0011]根据又一方面，多孔耐磨材料可以是松散颗粒材料的形式或者是由结合在一起以 形成多孔预成型件的颗粒材料形成的多孔预成型件的形式。预成型件中的颗粒材料可以例 如通过烧结或通过聚合物材料的多种不同方式结合在一起。如果使用聚合物材料进行结 合，该材料可以选择成使得铜焊温度在加热过程中足以从颗粒材料移除聚合物材料。
[0012] 根据再一方面，模具可以是或包括连接到衬底的片金属壳体，以限定腔。壳体可以 具有到壳体外部的开口，并且多孔耐磨材料可以通过插入经过开口被放置在腔内。这种壳 体可具有显著小于衬底厚度的壁厚，并可以焊接到衬底的外表面。
[0013] 根据进一步方面，加热在炉室内进行，并且室在温度达到母体材料的熔点之前可 以被排空(例如0.0001或0.001托-ο. 010托，或甚至更低压力）。惰性气体在母体材料已经熔 化之后引入室。替代地，熔化可以在惰性气体存在的情况下进行，例如通过在母体材料已经 熔化之前引入氩气进入室。在此实施方式中，模具具有接触多孔耐磨材料的可渗透部分，以 允许残留气体在渗透过程中从可渗透部分逃逸。
[0014] 根据附加的方面，母体材料可以相对于耐磨材料至少部分横向或水平定位，并且 该方法还可包括邻近母体材料并与耐磨材料相对地放置位移介质(例如像陶瓷珠的可流动 介质）。位移介质支承熔融母体材料并随着熔融母体材料渗透耐磨材料而使熔融母体材料 位移。屏障可进一步放置在位移介质和母体材料之间，以防止熔融母体材料渗透到位移介 质内。横向渗透的一个例子是在衬底是管状结构时，使得熔融母体材料向外横向渗透以形 成管状结构的内表面上的合成涂层。在此构型中，位移介质放置在管状结构的中心处，并且 随着熔融母体材料渗透耐磨材料而向外位移。
[0015] 本发明的另外方面涉及用于形成衬底表面上的耐磨合成涂层的系统。该系统可包 括邻近衬底的表面定位的模具，使得该表面与模具腔连通，位于腔内的邻近该表面的多孔 耐磨材料以及与腔连通的金属母体材料。该系统可与根据以上描述的方面的方法结合使 用，例如将模具和母体材料加热到母体材料的熔点以上的温度，并保持该温度足以使母体 材料渗透熔融形式的耐磨材料并接触衬底的表面的时间，接着冷却模具和母体材料以固化 母体材料并形成衬底表面上的耐磨合成涂层。如上所述，母体材料可以是球墨铸铁。
[0016]根据一个方面，耐磨材料可包括选自包括如下物质的组的一种或多种材料:碳化 物、氮化物、硼化物、硅化物和过渡金属的金属间化合物及其组合，包括以上描述的材料。 [0017]根据另一方面，多孔耐磨材料可以是松散颗粒材料的形式或如上所述由结合在一 起以形成多孔预成型件的颗粒材料形成的多孔预成型件的形式。
[0018] 本发明的进一步方面涉及一种制造物品，其根据以上描述的系统和/或方法或通 过其他系统和/或方法制造。该物品包括金属衬底，其具有表面，表面具有结合到表面的耐 磨合成涂层。耐磨合成涂层包括耐磨颗粒材料以及与耐磨颗粒材料结合在一起的金属母体 材料。涂层可以是连续涂层。母体材料进一步结合到衬底表面，以便将耐磨合成涂层结合到 衬底。金属母体材料可以是球墨铸铁，其可具有如上所述的组分。该方法可用来制造具有至 少0.005英寸并通常大于0.040英寸厚度的涂层。在一些实施方式中，该方法可实现多达6英 寸或更多或7.5英寸或更多的渗透距离，并且可因此用来制造具有大于衬底本身的厚度的 涂层，在多种实施方式中，例如多达6英寸或更多，多达7.5英寸或更多，或甚至更大厚度。
[0019] 根据一个方面，耐磨材料可包括选自包括如下物质的组的一种或多种材料:碳化 物、氮化物、硼化物、硅化物和过渡金属的金属间化合物及其组合，包括以上描述的例子。
[0020] 根据另一方面，衬底具有连接到表面并从表面向外延伸的多个突出部。突出部嵌 入耐磨合成涂层。作为一个例子，突出部可以是对称分布在衬底的外表面上的多个肋部或 板构件。
[0021] 根据进一步方面，物品可以是用于挖掘、采矿或其他土方设备的磨损构件，并且衬 底可以通过磨损构件的作业部分形成，使得合成涂层覆盖作业部分。
[0022] 本发明的其他特征和优点将结合附图从以下说明中明白。
【附图说明】
[0023] 为了使得本发明得到更完全的理解，现在将参考附图通过例子描述本发明，附图 中：
[0024] 图1是示出根据本发明的一种实施方式从上方竖直渗透以形成耐磨合成材料的例 子的不意图；
[0025] 图2是示出根据本发明的一种实施方式从下方竖直渗透以形成耐磨合成材料的例 子的不意图；
[0026] 图3是示出根据本发明的一种实施方式水平渗透以形成耐磨合成材料的示意图；
[0027] 图4是示出根据本发明的方面在渗透之前使用竖直渗透在衬底上形成耐磨合成材 料的系统和方法的一种实施方式的示意图；
[0028] 图5是示出根据本发明的方面在渗透之后具有使用图4所示的方法形成其上的耐 磨合成材料的衬底的示意图；
[0029] 图6是示出根据本发明的方面在渗透之前使用向外渗透在衬底上形成耐磨合成材 料的系统和方法的另一实施方式的示意图；
[0030] 图7是示出图6所示的系统的横截面的示意图；
[0031] 图8是示出根据本发明的方面在渗透之前使用竖直和水平渗透在衬底上形成耐磨 合成材料的系统和方法的另一实施方式的示意图；
[0032] 图9是示出根据本发明的方面在渗透之前使用竖直和水平渗透在衬底上形成耐磨 合成材料的系统和方法的另一实施方式的示意图；
[0033]图10是示出使用根据本发明的方法制造的球墨铸铁母体中的球形铸造碳化钨颗 粒的例子的显微照片；
[0034]图11是示出使用根据本发明的方法在渗透过程之后保留的球形铸造碳化钨/球墨 铸铁合成物和过量球墨铸铁之间的界面的显微照片；
[0035] 图12是示出根据本发明的方面具有使用渗透方法在其上形成的耐磨合成材料的 衬底的另一实施方式的示意图；
[0036] 图13是示出根据本发明的另一实施方式在真空条件下在炉内通过铜焊材料渗透 多孔耐磨材料的系统和方法的例子的示意图；
[0037] 图14是示出根据本发明的一种实施方式在铜焊材料熔化之前在真空条件下在炉 内通过铜焊材料渗透多孔耐磨材料的系统和方法的例子的示意图；
[0038]图15是图14的系统和方法的示意图，其中局部Ar压力在铜焊材料熔化之后引入 炉；
[0039]图16是示出根据本发明的另一实施方式在局部Ar压力下在炉中通过铜焊材料渗 透多孔耐磨材料的系统和方法的例子的示意图；
[0040] 图17是根据本发明的方面被构造成以用于挖掘或采矿设备的尖头形式使用的衬 底的另一实施方式的透视图；
[0041] 图18是图17的衬底的横截面图，具有形成其外表面上的耐磨合成材料；