之前排空，并在整个渗透过程中保持在真空条件 下。在一种实施方式中，排空之后的气体压力可以是0.001-0.010托，或者在另一实施方式 中可以低至0.0001托(例如0.0001-0.010托），或者在进一步实施方式中，在0.0001托以下。 在一种实施方式中，渗透可以在大约2180-2225 ^下进行长达大约30-60分钟。室在母体材 料16熔化之前的排空减小或消除填充材料15中的残留气体压力，帮助经过毛细管作用驱动 渗透。注意到由于在使用一些合金(特别是具有大量锰含量的合金)时，在母体材料熔化之 后将系统保持在真空下，会遇到由于母体材料内的化学品挥发造成的飞溅。这种飞溅不仅 损害炉30内的设备，而且还减小用于铜焊的母体材料16的量。这种飞溅会通过将合金的Μη 含量保持显著低来缓解，虽然这样作的成本会很高。这种飞溅也可以通过母体材料16熔化 之后室31内存在的Ar或另一种非反应气体来避免。
[0055]图14-15示出用于渗透的系统600的另一实施方式，其中Ar气体在母体材料16熔化 之后被引入室31。如图14所示，室31如上所述在铜焊过程之前被排空，类似于以上相对于图 13的描述。如上所述，在一种实施方式中，渗透可在大约2180-2225 下进行长达大约30-60 分钟。在母体材料16熔化之后，氩气体32(或另一非反应气体)被引入室31。在一种实施方式 中，Ar气体32被供应到室31内，直到Ar局部压力达到大约0.050-0.100托。室在母体材料16 熔化之前的排空减小或消除填充材料15中的残留气体压力，如上所述帮助驱动渗透，并且 Ar气体32的随后引入帮助减小挥发物质造成的飞溅。在使用图14-15所示的系统的一个例 子中，在Ar氛围在母体材料16熔化之后引入时，发现母体材料16在2180 ^下的渗透过程中 渗透填充材料15的至少7.5英寸。但是，在Ar氛围在熔化之前引入时，发现母体材料16最多 只渗透6.5英寸，而不管系统在渗透温度下保持多长时间。这指明填充材料15内的残留气体 会限制可以经过毛细管作用实现的渗透的长度。
[0056]图16示出用于渗透的系统700的另一实施方式，其中Ar气体32在母体材料16熔化 之前引入室31。类似于以上相对于图14的描述，此实施方式中的室31如上所述在加热过程 中排空，直到系统几乎达到母体材料16的熔化温度(例如直到温度达到用于球墨铸铁的大 约2150 TO。此时，Ar气体32或另一非反应气体在母体材料16熔化之前引入室31。类似于以 上描述，在一种实施方式中，气体32可引入直到达到0.050-0.100托的局部Ar压力。如上所 述，在一种实施方式中，渗透可在大约2180-2225 下进行大约30-60分钟。为了避免填充材 料15中的残留气体压力限制渗透，模具12设置与填充材料15接触的可渗透部分33。可渗透 部分33可以是多孔的，或者以其他方式可渗透气体，以允许残留气体在渗透过程中从填充 材料15逃逸，而不限制母体材料16的渗透。可渗透部分33可大致与母体材料16相对设置，以 避免母体材料16覆盖或密封可渗透部分33而防止残留气体在渗透完成之前逃逸。如上所 述，Ar气体的存在抑制熔融母体材料16的飞溅。在使用图16所示的系统的一个例子中，通过 包括可渗透部分33的模具12,在Ar氛围在母体材料16熔化之前引入时，发现母体材料16在 2225 7下的渗透过程中渗透填充材料15的至少7.5英寸。但是在模具12被密封并且在母体 材料16熔化之后渗透前部不与室31中的氛围连通时，发现渗透只延伸最多6.5英寸。这指明 保持渗透前部与室31中的氛围连通可减小填充材料15内的残留气体会对于毛细管作用驱 动力的限制效果。
[0057]图4-5示出用于形成耐磨合成材料的系统或组件100的一种示例性实施方式以及 使用系统或组件1 〇〇的方法。在此实施方式中，衬底1 〇(例如挖掘工具的尖头)定位在模具12 的腔11内，使得模具12在模具12的内表面13和衬底10的外表面14之间截留腔11内的体积， 如图4所示。衬底10可事先制备，例如通过清洁和干燥以移除油或油脂物质，和/或使用石榴 石砂进行喷砂以移除氧化膜并使表面粗糙，使得母体材料良好地结合到衬底10。模具12可 由任何适当材料制成，例如高恪点金属材料、陶瓷材料或石墨。如果可能，模具12可被焊接、 铜焊或通过其他方式连接到衬底10的外表面14,例如在点P处焊接。在一种实施方式中，模 具12是焊接到衬底以形成腔11的钢壳体，并且可以在焊接之前喷砂以避免模具腔11的污 染。这种实施方式在下面更详细描述并在图19-20中示出。填充材料15被插入模具腔11，例 如以颗粒材料或预成型件的形式，与衬底10的外表面14接触或通过其他方式连通，如图4所 示。母体材料16与填充材料15和衬底的外表面14连通地放置。母体材料16可定位在模具腔 11内，例如通过将母体材料16简单地放置在固体形式的填充材料15的顶部上，如图4所示。 在一种实施方式中，母体材料16可以是块或坯段形式。在另一实施方式中，母体材料16可以 定位在供应器或喷射结构内。系统100可接着准备渗透，如上所述，例如通过将系统100放置 在炉中以便加热，炉可包括惰性氛围（例如氩）。托盘或类似容器可用来在炉中支承系统 100,例如不锈钢托盘。在渗透过程中，母体材料16熔化并向下渗透经过所有填充材料15,最 后接触衬底10的外表面14。
[0058] 在如上所述已经进行渗透并且系统100冷却之后，形成外表面14上具有合成涂层 18的部件17,如图5所示。部件17可以从模具12移除，如果焊接到衬底10和/或结合到涂层 18,这需要将模具12切开或破坏。合成涂层18包括通过母体材料16结合在一起并连接到衬 底1 〇的填充材料15。在一种实施方式中，填充材料16可具有合成材料18中的5-95 %的体积 分数。在另一实施方式中，填充材料16可具有30-85%的体积分数。在一些实施方式中，部件 17可在合成涂层18的外侧的至少一部分上具有过多母体材料19。过多材料19可以有意地形 成，并留在部件17上，以用作焊接或附接另一部件的基部。过多材料19(如果有的话)可例如 通过机加工来移除。合成涂层18可以形成有广泛范围的厚度，这取决于希望的应用。在一种 实施方式中，部件17可形成大约0.5"厚的合成涂层18,其可以用于广泛的多种应用中。部件 17可以是承受重复冲击和应力的设备部件的尖头、边缘或其他部分，并且合成涂层18的出 色耐磨性和刚度增加了这些应用中的性能。挖掘/采矿设备代表用于根据这里描述的系统 和方法制造的部件17的应用的一个例子。图12示出根据这里描述的一种实施方式制造的部 件17'的附加实施方式，该部件是土方设备的磨损构件(例如钢的采矿尖头）的形式，其具有 形成衬底10 '的作业部分，该作业部分在其外表面14 '上覆盖有如上所述的耐磨合成材料层 18'。在一种实施方式中，合成材料层18'包括位于球墨铸铁母体材料中的球形铸造碳化妈 颗粒或其他耐磨材料。
[0059] 图17-18示出可以与图4-5所示的系统或组件100或类似系统/组件结合使用以制 造耐磨合成涂层18的衬底10(例如挖掘或采矿工具的尖头）的另一实施方式。根据衬底10的 材料、填充材料15和/或母体材料16的本性和本质，衬底10和涂层18的热膨胀系数(CTE)会 不匹配。例如，在使用钢衬底10时，钢通常具有比涂层18高的CTE。根据所使用的材料，这种 CTE差的一个例子可以是大约2x 1(T6/°C。这继而可以造成衬底10和涂层18之间的松解，特 别是在涂层18形成在衬底10的外侧表面上时（例如如图4-5所示）。在图17-18的实施方式 中，衬底10在外表面14上设置肋部形式的突出部28。突出部28可通过响应于随着铜焊之后 衬底10和涂层18冷却而施加的压力塑性变形来帮助缓解衬底10和涂层18之间的CTE差造成 的问题。在一种实施方式中，突出部28可由具有相对低的屈服强度和良好延展性的材料形 成，以便塑性变形。选择用于突出部28的材料的一种考虑是其与衬底10连接(例如通过焊接 或其他技术）以及与涂层18结合的相容性。适用于用作结合到钢衬底10的突出部的材料的 一个例子是软钢，例如AISI 1008。适当材料的其他例子可尤其包括304不锈钢、AISI 1018 和AISI 1010。突出部28也为涂层18的结合提供附加表面，并且可因此进一步增强涂层18和 衬底10之间的结合。如图18所示，涂层18围绕突出部28形成，使得突出部28嵌入涂层18并结 合到最终部件17的涂层18内。但是，在其他实施方式中，突出部28可至少延伸到涂层18的外 表面，并可以基本上与涂层18的外表面平齐。
[0060] 图17-18的实施方式中的突出部28从衬底10的外表面14向外延伸，并且是肋部或 板的形式，其具有显著大于其厚度的长度和高度。在一个例子中，突出部28可具有大约1 一2 英寸的长度(平行于衬底10的表面）、大约0.25英寸的高度(平行于涂层18的厚度方向）和大 约0.125英寸的厚度。另外，此实施方式中的突出部28以大致轴向的方式取向，并且在衬底 10的外表面14的所有小面上相当均匀和对称地分布。在一种实施方式中，突出部28可具有 以如下方式选择的厚度、长度和宽度，使得由热膨胀不匹配造成的一些或所有应变通过突 出部28的变形来适应。另外，在一种实施方式中，每个突出部的长度可以大于高度，高度继 而大于厚度（即长度〉宽度〉厚度）。使用这种尺寸关系的突出部28增加用于涂层18的潜在结 合面积，因为通过突出部28增加的潜在结合面积大于通过突出部28覆盖的衬底10的潜在结 合面积。突出部28的尺寸可以根据涂层的厚度和衬底的尺寸来调节。突出部28之间的距离 也可取决于衬底10的位置和几何结构，并且在一种实施方式中可从Γ变化到3"。在其他实 施方式中，突出部28可具有不同形式，例如杆、椎体、钉等，并且可以不同方式分布和/或取 向。图17所示的突出部28被焊接到衬底10的外表面14。衬底10可在焊接之后喷砂。用于将突 出部28连接到衬底10的其他技术可在其他实施方式中使用。理解到突出部28可以由与衬底 10相同的材料形成，并在一种实施方式中，可以与衬底10-体地形成。还理解到具有突出部 28的衬底10会在焊接和/或铜焊之后需要热处理或传统热处理的调整形式，这根据所使用 的材料和结构。另外，图17 -18所示的最终部件17是磨损构件，例如用于土方设备的尖头， 并且衬底10通过磨损构件的作业部分形成，使得突出部28连接到作业部分。理解到其他类 型的突出部28可以与这种磨损构件一起使用，并且图17-18所示的突出部28也可与其他类 型的制造物品一起使用。
[0061] 图6-9示出根据本发明的各方面用于形成耐磨合成物的其他系统和方法。图6-7示 出用于经过向外或径向渗透形成衬底10的内表面20上的合成材料的系统200。在此实施方 式中，衬底10是管状形式，并且衬底10与模具12和板21-起使用以便在衬底10的内侧形成 模具腔11。板21可以由任何适当材料形成，包括以上对于模具构造提到的任何材料(例如石 墨、金属或陶瓷）。如果板21、模具12和/或衬底10由可焊接材料制成，任何这些部件可通过 焊接连接，但是焊接不是必须的。多孔填充材料15在衬底10的内表面20上定位就位以形成 合成物，并且母体材料16与填充材料15接触或通过其他方式连通地放置。陶瓷珠22或另一 位移材料也可在模具腔11内放置就位以使母体材料16在渗透过程中位移。理解到实现母体 材料16的位移以便在渗透过程中支持母体材料16恒定地接触填充材料15，并且母体材料16 的渗透主要通过其他力（例如毛细管作用)驱动，而不是通过陶瓷珠22施加的力。替代地，可 以使用另一位移技术。在图6-7的实施方式中，母体材料16可以放置在管状形式的模具腔11 内（见图7)，与填充材料15接触，并且向外渗透到填充材料15内。在另一实施方式中，母