被封装的磨损颗粒的制作方法
【专利摘要】将硬颗粒加入到形成构件的表面的母体内可显著地增加耐磨性。金刚石在工业应用中的实际使用因为碳结构在700℃以上的温度下在空气中分解成石墨而受到限制。在暴露于熔融铁时，金刚石表面也可化学地反应，并溶解到铁内。涂覆金刚石的金属化合物可提供一个或多个保护层，以限制金刚石表面与将使其结构退化的元素接触。涂层也可在处理期间提供用于熔融母体的可润湿表面，以改善颗粒在母体内的保持。
【专利说明】
被封装的磨损颗粒
技术领域
[0001]本发明涉及一种具有嵌入磨损颗粒以增加硬度并限制表面磨蚀的部件磨损表面。
【背景技术】
[0002]工业应用通常使得工具循环往复地接触移除工具表面的磨蚀材料。在工具的使用寿命期间，磨蚀材料磨掉并腐蚀暴露的工具表面，直到工具必须更换。用于工具的较硬表面通过减少操作期间的磨损速度来延长工具的使用寿命。
[0003]磨损工具可以通过铸造、粉末冶金渗透或其他技术制造。用于调整工具材料硬度的方法包括合金化、表面硬化和热处理。在部件成型期间将耐磨颗粒或材料加入到工具主体内也可限制操作期间的腐蚀以提供增加的使用寿命。
[0004]在铸造材料中引入并优选地放置硬磨损颗粒的材料准备和制造方法可为工具和暴露于磨蚀性磨损的其他部件提供改进的磨损和使用寿命。
【发明内容】
[0005]磨损工具和磨损构件的与其他材料滑动或冲击接触的表面受到磨蚀。例子包括提取采矿中使用的地面接合工具，其穿透地层和矿石以分离材料从而进行进一步处理。地面接合工具具有非常高的磨损率，并且必须频繁更换。例子还包括转动工具，诸如井下钻头，其通过破坏岩石而使钻孔推进。钻孔的材料围绕钻头的主体平齐，摩擦钻头的表面。其他例子包括磨损部件，土方材料经过磨损部件，诸如附接到滑槽、卡车底板等的那些磨损部件。虽然本发明非常适应于接合地面的工具或部件，它可以使用在其他磨蚀环境中以提供更长的寿命。
[0006]较硬材料比较软材料更耐磨蚀和腐蚀。硬化工具和工具表面的许多方法用来使其更耐磨蚀。材料选择、合金化和热处理为工具提供最宽的硬度性能。表面硬化可提供另外的硬度。耐磨的硬颗粒也可加入到工具的表面内或上以进一步限制磨蚀。
[0007]加入到工具材料的硬颗粒可包括诸如碳化硼、碳化钒、氮化硼、碳化钨、碳化钛或其他化合物的一种或多种超硬磨料。最硬的散装材料是金刚石。金刚石在工业应用中的实际使用受到限制，因为金刚石结构会在700°C以上的温度下在空气中分解成石墨。在暴露于熔融铁时，金刚石表面也可化学反应并分解到铁内。涂覆金刚石的金属化合物可提供一个或多个保护层，限制金刚石表面与将使其结构退化的元素接触。常见做法与在铁基铸件内嵌入多涂覆金刚石背离，因为涂层不能保护金刚石不受到高铸造温度和强烈化学攻击影响。
[0008]美国专利5224969描述涂覆金刚石颗粒以改善金刚石颗粒在包括树脂或苯酚甲醛的支承母体内的保持。铬作为第一层沉积在金刚石上以形成碳化物层，随后沉积不同金属的第二层，接着氮化。第三层沉积在氮化层上以便为母体提供粘接或加入层，从而抓持封装的金刚石。
[0009]本发明涉及也称为磨损颗粒的硬颗粒，其涂覆有金属氮化物层或金属碳化物层和金属氮化物层，从而能够包含在或暴露于熔融金属，特别是基于铁的合金。本发明使得硬颗粒(例如金刚石颗粒)包含在铸造或通过涉及熔融金属的其他制造过程制造的部件内或上，而没有通常防止其使用的不当退化。这种硬颗粒的新型使用可以为所有暴露于磨蚀磨损的产品提供较长的使用寿命。
[0010]在本发明的一种实施方式中，嵌入铁基母体的磨损颗粒是涂覆有金属碳化物的金刚石颗粒。为了保护金属碳化物层不化学退化，金属氮化物层沉积在碳化物层上。
[0011 ]对于金属氮化物涂层相对于熔融铁基母体不具有充分润湿的合金来说，氮化物层可形成为亚化学计量金属氮化物，或具有内部，其中金属与氮原子的化学计量比例过渡到表面处的金属氮化物的外部亚化学计量层。亚化学计量金属氮化物可以与熔融母体更好地相互作用，使得颗粒更好地保持在固体母体内。
[0012]在另一实施方式中，磨损颗粒涂覆有金属氮化物。金属氮化物限制金刚石通过暴露于熔融金属元素的退化。在金属氮化物涂层相对于熔融铁基母体不具有充分润湿的情况下，磨损颗粒可包括亚化学计量金属氮化物涂层或沉积在氮化物涂层上的金属氮化物的亚化学计量层。
[0013]在另一实施方式中，封装的磨损颗粒在注入熔融金属之前通过产物母体或其他措施沿着模具的铸造表面定位。在将熔融金属引入模具时，母体材料被消耗并且封装的磨损颗粒分散在铸造部件的熔融材料内。
[0014]在另一实施方式中，耐磨表面使用焊接杆通过电弧焊接过程沉积在金属衬底上。焊接杆具有金属母体、芯或周边，其加入粘合剂、焊剂和/或封装的硬颗粒(例如金刚石颗粒)。封装的颗粒包括封装的主封装层和次封装层，以限制颗粒在处理期间的退化。在焊接期间，颗粒从焊接杆上的粘合剂到焊接池，并在固化时加入到表面内或上。
[0015]在另一实施方式中，在磨损构件铸造期间加入金刚石的方法包括将保护涂层沉积在金刚石的表面上，并且在保护涂层上沉积涂层。
【附图说明】
[0016]图1是磨损表面的横截面，其中金刚石封装在两层内，并且示出金刚石在表面上暴露并嵌入表面。
[0017]图2是金属注入之前的模具的竖直横截面，模具具有浸没有二次封装金刚石的母体。
[0018]图3是金属注入之前的模具的竖直横截面，模具具有位于内部模具表面上的浸没有封装金刚石的网格层。
[0019]图4是磨损表面的横截面，磨损表面具有封装在一个层内的金刚石，并且示出金刚石在表面上暴露并嵌入表面。
【具体实施方式】
[0020]许多工业操作涉及经历磨蚀材料的工具和其他部件。例如，采矿和钻井操作中的工具通过材料接触而快速磨损。在工业操作期间用于更换磨损工具和部件的停机时间会显著增加操作成本。通过增加表面硬度控制磨蚀来增加磨损构件的使用寿命可限制停机时间，并增加操作效率。
[0021]在形成构件表面的母体内加入硬颗粒可以显著增加耐磨性。作为碳的极硬形式的金刚石通常用作研磨和切削操作中的研磨剂。将金刚石颗粒(或其他硬颗粒)分散在铁基(或其他金属)铸造磨损构件内可以为工具或其他部件提供有利的磨损性能，但是过去由于金刚石在高热和/或化学反应下退化而不可行。表面磨损使另外的金刚石表面暴露以便在金刚石颗粒沿着磨损部件的表面经过至少一些深度分散时在工具的使用寿命中提供保护。
[0022]虽然这里就金刚石作为硬耐磨颗粒来描述本发明，该方法可适应于母体中限制磨蚀环境中磨损的其他硬颗粒。金刚石颗粒在铁基基合金中的使用是本发明的一种优选的实施方式，因为金刚石颗粒是高度耐磨的，并且这些合金由于其经济性、强度和耐用性而使用在许多磨蚀环境中。不过，本发明适应于在非铁基合金中使用金刚石，这些合金在制造过程中铸造或熔化时类似地使金刚石或其他硬颗粒退化。在本申请中，本发明就只作为例子的地面接合工具(诸如挖掘齿)中使用的封装金刚石来描述，即出于说明的目的，并不应该作为限制。可以在本发明中使用的硬或磨损颗粒还包括例如陶瓷、陶瓷纤维、陶瓷片或金属化合物，诸如碳化钛或立方氮化硼。
[0023]在表面母体中嵌入金刚石包括在形成工具或对工具表面处理时将金刚石颗粒加入到熔融金属中。这使金刚石暴露于化学反应和/或热量的极端条件下。在通过铸造制造的部件中，金刚石可以在它在模具中固化之前加入到熔融材料内。对于渗透部件，金刚石可以包封到模具中，并且熔融的母体金属将金刚石和任何其他硬颗粒加入就位。金刚石也可通过焊接加入到表面。
[0024]金刚石会通过在处理期间接触诸如铁、铜和镍以及其他元素的熔融金属而退化。暴露于氧的金刚石在700°C以上的处理温度下退化，其中金刚石结构转换成石墨，石墨较软并不太耐磨。在真空或惰性还原环境中，退化可开始于1500°C以上。为了保持金刚石的结构整体性和材料性能，每个金刚石颗粒可以包括一个或多个保护层。金刚石表面上的层提供保护，而不使金刚石在高温下退化，并不受到母体成分的化学攻击。保护层也可提供金刚石表面的润湿性能，允许熔融材料粘接到涂覆的金刚石表面，在金刚石的一部分暴露并接触冲击材料时，限制涂覆的金刚石从母体析出。这使得磨损颗粒在部件的使用期间(诸如挖掘操作中)更好地保持在工具内或上。
[0025]在母体14中具有封装磨损颗粒12的磨损表面10总体在图1中示出。磨损颗粒16(对于此例子的金刚石)上的层没有按照比例绘制。诸如SiC或TiC的金属碳化物可在金刚石表面形成主要层18，其保护金刚石不在暴露于熔融金属时退化。覆盖金刚石表面的碳化物层限制氧和其他元素与金刚石表面相互作用。尽管如此，碳化物主要层会由于熔融母体而经受退化。碳化物层上的氮化物的次要层20可接着保护碳化物和金刚石不受到诸如钢、其他基于铁的合金或其他金属的化学攻击。
[0026]金属氮化物会难以通过熔融金属润湿。如果熔融金属不使封装的金刚石表面润湿，金刚石会趋于在表面处分离，或团聚在一起，而不是在部件的整体或一部分上分布。另夕卜，硬颗粒在熔融母体内的不充分润湿会导致硬颗粒在熔融金属固化时、特别是在使用期间不被保持。调节氮化物层的成分可允许表面更好地与液体相互作用。具有由大多数稳定形态调整的金属原子与氮化物原子的比例的亚化学计量金属氮化物成分可以显著地调整表面性能以提供表面的优先润湿。
[0027]金属氮化物和/或金属碳化物的金属元素可以是钛、银、络、娃、硼、妈、银、钽、错、铪、钼、铝中的任一种或其他金属或合金。所产生的金属化合物可包括碳化硅、氮化硼、氮化钛、碳氮化钛、氮化钒、碳化铬和碳化钒。金属化合物还可包括更复杂的化合物，诸如氮化钛铝。所列举的元素和化合物是例子，并且不应该认为是限制。
[0028]金刚石颗粒的涂层限制金刚石在处理温度下由于化学反应而退化，并改善熔融金属对于封装的金刚石颗粒表面的润湿性能从而改善封装金刚石在流体内的运动性。金刚石涂层还可改善金刚石在固化金属内的保持，使其不容易在操作期间从母体析出。
[0029]封装的金刚石可以通过多种技术加入到铸件内。在一种实施方式中，封装的金刚石被添加到用于铸造过程的熔融金属原料。在此过程中，封装的金刚石保持在高温下长达熔融和铸造过程的持续时间，并且在较长时间段内必须保持稳定且不退化。经过加热循环、将熔融物运动到最终处理的过渡时间以及注入模具，金刚石均保持在高温下。因此，此过程会不适应于一些操作。此外，在铸造之前在熔融物内包括金刚石颗粒将造成颗粒在部件内分布，这并非在所有情况下都是必须的。
[0030]替代地，封装的金刚石可在初始加热过程之后并在注入模具之前添加到熔融物。此方法将金刚石保持在高温下长达较短时间段。熔融物将普遍需要搅动，以便在熔融物中均匀地分布金刚石，而不是靠近表面保持或不均匀地混合。封装的金刚石可在固化时在整个铸件内分布。
[0031]在另一实施方式中，封装的金刚石如图2所示在注入熔融金属之前保持在模具的表面处。这可以多种方式实现。封装的金刚石可以加入到可以例如是将颗粒加入就位的蜡或涂料的产物母体材料。产物母体34可以涂刷到模具32的表面上，使得封装的金刚石36保持在所选表面上。在熔融金属注入模具时，产物母体蒸发或氧化，释放金刚石。金刚石被分散并迀徙到形成作业表面的熔融金属。此过程趋于将金刚石保持在最需要它的位置，诸如作业部分，并且限制金刚石随着熔融金属在冷却(这限制了混合和颗粒迀徙)时快速变成粘性而迀徙到其他区域(诸如安装端)。
[0032]替代地，封装的金刚石可例如嵌入为模具表面提供衬垫的诸如网格或布料、金属带、金属泡沫或陶瓷泡沫的另一牺牲介质，如图3所示。以类似于产物母体的方式，网格或布料38在熔融金属进入模具时被消耗，并且金刚石36被释放以便与熔融金属混合，使其分布在磨损表面。类似地，两层或更多层的网格38A和38B可用于为模具提供衬垫的多个层。金刚石可以随着衬垫在引入熔融金属时顺序消耗而逐渐释放。金刚石的顺序释放可提供金刚石在磨损构件的表面内或上的更好分布。
[0033]其他放置方法可用来在熔融物内或在部件的特定部分内优先地分布金刚石。封装的金刚石可刚好在注入之前或在注入同时注入模具。用于包含封装的金刚石的方法可通过铸件的形状和尺寸、铸造过程和/或金刚石颗粒的尺寸来确定。
[0034]在操作期间，工具或其他部件的暴露于磨蚀条件的作业表面连续磨损，形成新表面。在磨损工具的作业端内分布的金刚石在工具的使用寿命内连续提供新的金刚石颗粒。工具的安装端内的金刚石通常不能有效地增加工具的使用寿命，因为工具在安装端变成磨损表面之前通常被更换。此类型的工具的安装端内的金刚石趋于为工具添加不必要的成本。不过，它可有利于在安装端和/或整个部件内包括金刚石或其他硬颗粒的一些部件。
[0035]通过保护层封装金刚石限制了金刚石的退化。在覆盖率不是最佳的情况下，金刚石的未涂覆部分可在金刚石的涂覆部分没有退化的同时退化。不过，这会适应于一些使用。涂层的厚度、熔融物的温度和处于高温的时间以及其他因素会影响需要限制退化的涂层。在金刚石在设定温度下以相对低的速率退化并且金刚石经受设定温度长达短时间段的情况下，保护层的厚度可被最佳化，以限制金刚石的损坏，并使得处理成本最小。
[0036]优选地，每层不比限制磨损颗粒退化所需的厚，使其适应于预定用途。沉积的层可以具有任何有效厚度，但是优选在1-30微米(μπι)的范围内。封装的磨损颗粒可包括作为处理的副产品或暴露于环境因素的附加部件的残留层。例如薄的氧化物层可在处理步骤之间或在处理之前或之后在暴露表面上产生。这些层不认为对于封装的金刚石的物理或化学性能具有显著影响。
[0037]在金刚石上构成金属化合物的层可加入少量的附加金属。例如，碳化钛可包括可测量含量的硅。通常，金属化合物可加入5%的不同金属，而不认为它是化合物的主要部分或影响其物理性能。
[0038]可使用许多技术中的任何技术将层沉积在金刚石表面上。选择的方法可取决于沉积的材料和沉积该材料的衬底材料。通常，每个金刚石颗粒被处理，并且保护涂层以恒定厚度施加在整个表面上，尽管厚度和覆盖率可取决于涂层材料与金刚石表面的晶体结构的反应能力。通常采用流化床，使得金刚石粒子悬浮在水流或气流内，允许涂覆材料均匀沉积。可使用无电极、电解、化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积过程(PVD)、预陶瓷聚合物高温分解或其他技术将涂层施加到金刚石。
[0039]金刚石磨损颗粒可以是来自于高压高温合成技术的工程化金刚石、热稳定聚晶金刚石(TSP)、CVD金刚石、聚晶金刚石(PCD)、来自于刀具的回收PCD台、变形金刚石、单晶、合成和天然金刚石。金刚石可最初通过诸如硼、磷或其他元素掺杂。掺杂可通过植入或在金刚石的制造期间实现，并且可改变金刚石的导电性能。掺杂元素可促进封装层在金刚石上的保持。
[0040]在一种优选实施方式中，在流化床内使用化学气相沉积将碳化硅(SiC)加入到金刚石颗粒的表面。硅作为主要层沉积在金刚石表面上，并且加入到表面上的碳原子以形成碳化硅。金刚石表面上的碳化硅限制金刚石在不利的高温环境下的氧化和退化。在流化床内同样通过化学气相沉积将氮化钛(TiN)层作为次要层沉积在碳化硅的表面上。氮化钛层限制碳化物层通过高温熔融钢操作中的铁(或其他金属)的退化。任选的第三层沉积在氮化层上以改善封装金刚石通过熔融金属的润湿。第三层可以是亚化学计量的氮化钛。这可以采用TihNx的形式，其中X的值在0.1和0.99之间，例如TiN0.3。此层允许封装的金刚石通过液体环境润湿并在液体环境中混合，而不容易分离。
[0041]在一种替代实施方式中，诸如金刚石、碳化钨、碳化硅、碳化钛的耐磨颗粒涂覆有可以强力粘接到硬颗粒的金属碳化钨的初始层。此初始层可以保护颗粒不受导致石墨化或退化的热和氧化损害。碳化物的初始层可以是连续涂层，完全覆盖硬颗粒以提供保护，或者可以是局部涂层，其覆盖颗粒表面的一半以上。金属碳化物的第一层也可以是金属碳化物的混合物，与单一金属的碳化物涂层相比，可以增加断裂韧性。
[0042]金属氮化物的第二层可粘接到涂覆有碳化物层的硬颗粒，以保护涂覆碳化物层的硬颗粒不与熔融金属母体氧化和化学反应。第二层可以是碳氮化物，诸如SiCN和/STi(CN)，或其他碳氮化物，其中层将粘接到涂覆有氮化物层的硬颗粒并提供颗粒保护而不氧化和化学反应。碳氮化物层的碳化学性能可在铁基熔融金属母体内提供润湿和粘接。替代地，第二层可以是氮化铝，诸如在TiAlN中，以便提供保护而不氧化和化学反应。金属氮化物的第二层可以是金属氮化物的混合物，诸如Si3N4和TiN的混合物。与单一的氮化物相比，这种Si3N4和TiN成分可具有增强的断裂韧性。第二层材料可具有与碳化物的初始层的可溶解度，这可促进层彼此粘接并导致更强的多层涂层。
[0043]为了促进通过熔融金属母体的润湿和与其强力加入，第三层施加到保护金属氮化物的第二层。此第三层包括亚化学计量金属氮化物，其中没有足够的氮原子来构成完整的晶体结构。实际上，金属氮化物的化学计量可以改变成亚化学计量晶体结构。
[0044]用作金属碳氮化物或金属氮化铝的第二层的材料可以用作具有亚化学计量化学性能的第三层，以提供好的润湿和与金属母体的粘接，而不牺牲与熔融金属母体的化学反应和分解的保护或氧化保护。
[0045]第三层的材料可以是之前描述的材料的混合物。与任何单一材料相比，这些合成材料可具有增强的断裂韧性。这种外涂层与母体的润湿性能可被改变，以增加或减小与金属母体的粘接，在一些磨损应用中。
[0046]亚化学计量成分可在沉积过程期间容易地形成。例如，沉积层的成分可以通过调整化学气相沉积过程供应的元素的局部压力来控制，在此例中为氮。
[0047]在另一替代实施方式中，用于在磨损构件中嵌入金刚石的处理时间很短，并且在温度下金刚石分解的速率相对缓慢，从而不需要碳化物层和碳化物层上的氮化物层，或者可以具有限制的厚度或覆盖率。在此例中金刚石的短处理时间对应于在熔融金属中很短地暴露于石墨化温度以上的温度。
[0048]在图4所示的一种实施方式中，金刚石封装包括沉积在金刚石表面上的氮化物的一个亚化学计量层18。在惰性环境或真空中，金刚石12的石墨化可以不开始，直到温度为1500°C以上。典型的熔融钢的温度为1400°C以上。虽然模具不在惰性环境中，在引入熔融钢时，模具耗尽氧，并且石漠化温度升高到700°C以上。封装金刚石颗粒的金属氮化物和/或亚化学计量氮化物也保护金刚石表面不受氧的影响，类似于增加石墨化温度的惰性环境。对于此例子，用于石墨化的临界温度是1200°C。只通过氮化物涂层保护的金刚石为模具内侧提供衬垫，并迀徙到熔融金属。一旦引入模具，熔融铁在模具表面处最快速地冷却。金刚石暴露在石墨化温度以上的时间很短，并且金刚石到石墨的转换和化学退化受到限制。氮化物涂层可包括金属碳氮化物，诸如碳氮化钛(TiCN)。
[0049]替代地，封装可包括一个主要层，诸如碳化物，其用作加入层，而不是保护层，并可加入到金刚石和氮化物层两者。次要亚化学计量氮化物层可提供表面与液体的相互作用。沉积在金刚石表面上的层优选为例如I微米到I毫米的范围，但是可以根据所需目的而更小或更大。金刚石颗粒优选为纳米尺寸到5毫米的范围，但是可以使用其他尺寸。
[0050]封装的金刚石可以有利于磨损部件之外的许多应用。嵌入的封装金刚石表面可在可以包括枪管衬垫、装甲板、切削工具、栗叶片表面、轴承和生物医疗植入物的应用中使用。
[0051]磨损部件也可通过粉末冶金渗透技术制造。渗透使得材料组合有对比的性能，具有有限的溶解性能，并且将通常不形成合金。在较软材料中分布硬颗粒将硬颗粒加入就位。用于石油和天然气的钻头通常通过在模具内包封碳化钨颗粒来制成。填充的模具可以被烧结以便将碳化钨颗粒加入在一起。封装的金刚石可以与碳化钨颗粒包含在一起，以便附加的磨损保护。熔融母体材料接着流入烧结的碳化钨和金刚石，使其填充硬颗粒之间的缝隙，从而将粒子加入在一起。
[0052]用来渗透烧结的碳化钨的母体材料包括铜、铝、铁和镍或这些和其他材料的合金。母体材料被加热到熔化温度以流入烧结的碳化钨。碳化钨之外的其他磨损颗粒可用于渗透应用，包括立方碳化硼、碳化钛或其他硬颗粒。封装的金刚石磨损颗粒可适应于其他应用，诸如形成和修复磨损构件上的尖头，如美国专利公开文献20120258273所公开，该公开文献整体通过引用合并与此。
[0053]渗透提供嵌入较软母体材料的非常硬的耐磨主要材料。将主要材料保持就位的母体材料作为磨损表面磨损，暴露碳化钨和金刚石颗粒。
[0054]虽然渗透处理温度通常低于铸造过程，在母体材料的熔化温度的级别，与渗透材料的化学反应可使金刚石结构退化。涂覆金刚石限制了化学反应和金刚石退化。
[0055]封装的金刚石也可与用来将表面硬化的表面施加到较软主体的电弧焊接过程。焊接杆通常包括具有被覆物的金属杆，被覆物可包括焊剂和/或不含氧材料，诸如硅酸钠。在此替代实施方式中，焊接杆的金属芯周围的被覆物可包括封装的金刚石颗粒。在焊接期间，随着杆消耗，金刚石进入具有芯金属的熔融焊接池。池固化，其中金刚石作为工具的表面硬化的成分。
[0056]涂覆的金刚石和/或其他硬颗粒可加入到诸如铜的管内，并用作焊接杆。附加的焊剂材料可加入到具有硬颗粒的管内。替代地，涂覆的金刚石可被放置在被构造成沟槽的模具中，并加入材料和/或焊剂可注入到颗粒上以便将其加入在一起并形成焊接杆。
[0057]与熔融金属铸造相比，焊接过程可以不太具有挑战性，因为金刚石位于高温下长达非常短的时间段。金刚石涂层可保护金刚石在焊接过程期间不受到化学攻击和石墨化。代替加入在焊接池和表面硬化中的金刚石或除其之外，焊接杆可加入其他硬颗粒。
[0058]封装的金刚石可类似地与离子转移电弧焊接(PTAW)、电渣表面加工、离子喷涂或其他表面加工技术一起使用。替代地，金刚石可与焊接杆分开地引入熔融焊接池。例如，金刚石颗粒可被吹送或注入熔融焊接池。
[0059]应该理解到虽然这里公开了代表性的封装磨损颗粒的所选实施方式，本领域普通技术人员可以设想到这些实施方式的多种变型，而不偏离本发明的范围。用于封装金刚石的当前公开的方法和构型使其本身用于多种磨损颗粒，并且得到的硬化表面非常适用于磨损构件之外的多种应用。
[0060]确信的是这里给出的披露包括具有独立用途的多种不同发明。虽然这些发明的每个以其优选形式公开，这里公开和描述的其【具体实施方式】不认为具有限制含义，因为多种变型也是可以的。每个例子限定以上公开中公开的实施方式，但是任何一个例子不必须包括可以最终要求保护的所有特征或组合。在说明书中描述“一个”或“第一”元件或其等同物的情况下，这种描述包括一种或多种这种元件，不需要也不排除两个或更多个这种元件的情况。另外，对于所述元件来说，例如第一、第二或第三的顺序术语用来在元件之间进行区分，并不表明这些元件的必需或受限制的数量，并不表明这些元件的特定位置或顺序，除非另外明确说明。
【主权项】
1.一种包含在铁基母体内的磨损颗粒，包括: 金刚石颗粒； 位于金刚石表面上的内层；以及 与铁基母体加入的外层。2.根据权利要求1所述的磨损颗粒，其中，内层和外层分别包括金属化合物。3.根据前述权利要求中任一项所述的磨损颗粒，其中，内层是金属碳化物。4.根据前述权利要求中任一项所述的磨损颗粒，其中，外层是金属氮化物。5.根据前述权利要求中任一项所述的磨损颗粒，其中，外层的成分促进磨损颗粒由熔融母体进行的润湿。6.根据前述权利要求中任一项所述的磨损颗粒，还包括位于内层和外层之间的第三层。7.根据前述权利要求中任一项所述的磨损颗粒，其中，外层是亚化学计量的氮化物以促进润湿。8.根据前述权利要求中任一项所述的磨损颗粒，其中，每层包括金属化合物，金属化合物包括硅、钨、钛、镍、硼、铌、钽、锆、铪、钼和铝中的一种或多种。9.根据前述权利要求中任一项所述的磨损颗粒，其中，内层是金属化合物，并且外层是含有不同于内层的金属的金属化合物。10.一种含有金刚石颗粒的铸造磨损构件，金刚石颗粒包括: 位于金刚石表面上的主层；以及 与铸造磨损构件的金属加入的第三层。11.根据权利要求10所述的铸造磨损构件，其中，磨损构件是黑色金属材料。12.根据权利要求10所述的铸造磨损构件，其中，主层是碳化物。13.根据权利要求10-12任一项所述的铸造磨损构件，其中，第三层是氮化物。14.根据权利要求10-13中任一项所述的铸造磨损构件，其中，第三层促进磨损颗粒由磨损构件熔融母体进行的润湿。15.根据权利要求10-14中任一项所述的铸造磨损构件，其中，第三层是亚化学计量的氮化物以促进润湿。16.根据权利要求10-15中任一项所述的铸造磨损构件，其中，每层包括金属化合物，该金属化合物包括硅、钨、钛、镍、硼、铌、钽、锆、铪、钼和铝中的一种或多种。17.根据权利要求10-16中任一项所述的铸造磨损构件，其中，所述构件具有作业部分和安装部分，并且金刚石优先地分布在作业部分中。18.根据权利要求17所述的铸造磨损构件，其中，安装部分基本上没有金刚石。19.一种在磨损构件铸造期间加入金刚石的方法，包括: 将保护涂层沉积在金刚石表面上； 将涂层沉积在保护涂层上。20.根据权利要求19所述的加入金刚石的方法，其中，沉积涂层包括化学气相沉积。21.根据权利要求19-20中任一项所述的加入金刚石的方法，其中，沉积涂层包括物理气相沉积。22.根据权利要求19-21中任一项所述的加入金刚石的方法，其中，涂层包括金属化合物，该金属化合物包括硅、钨、钛、镍、硼、铌、钽、锆、铪、钼和铝中的一种或多种。23.根据权利要求19-21中任一项所述的加入金刚石的方法，其中，保护涂层是金属碳化物。24.根据权利要求19-23中任一项所述的加入金刚石的方法，其中，保护涂层抵抗金刚石的通过与铁基母体接触而发生的退化。25.根据权利要求19-24中任一项所述的加入金刚石的方法，其中，保护涂层上的涂层是金属氮化物。26.根据权利要求19-24中任一项所述的加入金刚石的方法，其中，保护涂层上的涂层是金属碳氮化物。27.根据权利要求19-26中任一项所述的加入金刚石的方法，还包括沉积作为亚化学计量的金属氮化物的第三涂层，以便促进涂覆的金刚石通过熔融金属进行的的润湿。28.根据权利要求19-26中任一项所述的加入金刚石的方法，还包括沉积作为亚化学计量的金属碳氮化物的第三涂层，以便促进涂覆的金刚石通过熔融金属进行的润湿。29.根据权利要求19-28中任一项所述的加入金刚石的方法，其中，保护涂层的金属和保护涂层上的涂层的金属是不同的金属。30.根据权利要求19-29在任一项所述的加入金刚石的方法，其中，在铸造金属中加入金刚石包括在为磨损构件浇注熔融金属之前在模具中悬浮涂覆的金刚石颗粒。31.根据权利要求19-30中任一项所述的加入金刚石的方法，其中，涂覆的金刚石颗粒与用于磨损构件的熔融金属同时被引入模具。32.根据权利要求19-31中任一项所述的加入金刚石的方法，还包括对金刚石掺杂一种或多种元素以改变金刚石的导电性。33.一种用于磨蚀环境的物品，其包括金属主体和位于金属主体内的硬颗粒，所述硬颗粒分别包括超磨损芯、至少部分地涂覆超磨损芯的第一金属碳化物层和至少部分地涂覆第一金属碳化物层的第二金属氮化物层。34.根据权利要求33所述的物品，其中，金属主体是铁基的。35.根据权利要求34所述的物品，包括位于第二层上的外层，其中外层的成分是亚化学计量的氮化物。36.根据权利要求33或35中任一项所述的物品，其中，每层包括金属化合物，该金属化合物包括硅、钨、钛、镍、硼、铌、钽、锆、铪、钼和铝中的一种或多种。37.一种用于磨蚀环境的物品，其包括金属主体和位于金属主体内的硬颗粒，所述硬颗粒分别包括至少部分地由金属氮化物层涂覆的超磨损芯。38.—种用于磨蚀环境的物品，其包括金属主体和包含在金属主体内的金刚石颗粒，所述金属主体由铁基合金组成，其中金刚石颗粒由内部金属碳化物层和外部金属氮化物层涂覆。39.根据权利要求38所述的物品，其中，内部金属层完全覆盖金刚石颗粒。40.根据权利要求38或39所述的物品，其中，外部金属层完全覆盖内部金属层。41.根据权利要求38-40中任一项所述的物品，其中，每层包括金属化合物，该金属化合物包括硅、钨、钛、镍、硼、铌、钽、锆、铪、钼和铝中的一种或多种。42.—种用于磨蚀环境的物品，其包括金属主体和包含在金属主体内的金刚石颗粒，所述金属主体由铁基合金组成，其中金刚石颗粒由金属氮化物层涂覆。43.根据权利要求42所述的物品，其中，金属氮化物层完全覆盖金刚石颗粒。44.根据权利要求42或43所述的物品，其中，外部亚化学计量的金属化合物层涂覆金属氮化物层。45.根据权利要求42-44中任一项所述的物品，其中，每层包括金属化合物，该金属化合物包括硅、钨、钛、镍、硼、铌、钽、锆、铪、钼和铝中的一种或多种。46.—种用于土方作业设备的磨损部件，其包括具有安装到土方作业设备上的基部的可磨损主体和接触土方材料的磨损表面，其中磨损表面的至少一部分包括涂覆的金刚石砂石乐。47.根据权利要求46所述的用于土方作业设备的磨损部件，其中，可磨损主体是用于铲斗的齿或护罩。48.根据权利要求46所述的用于土方作业设备的磨损部件，其中，可磨损主体是用于挖泥机的齿。49.根据权利要求46所述的用于土方作业设备的磨损部件，其中，可磨损主体安装在破碎机内。50.—种用于制造用于磨蚀环境的物品的方法，其包括将涂覆的金刚石砂砾固定到模具内的铸造表面，将熔融的铁基合金送进进到模具内，使得熔融的铁基合金接收涂覆的金刚石砂砾，以形成所述物品，以及从物品移除模具。51.根据权利要求50所述的制造方法，其中，使用诸如网格或布料、金属带、金属泡沫或陶瓷泡沫的牺牲介质，将金刚石砂砾固定到铸造表面。52.根据权利要求50所述的制造方法，其中，金刚石砂砾通过产物母体材料固定到铸造表面。53.—种用于制造用于磨蚀环境的物品的方法，包括将包括涂覆第一金属碳化物层和第二金属氮化物层的超磨损芯的硬颗粒固定到模具内的铸造表面，将铁基熔融金属送进到模具中，其中熔融金属接收硬颗粒，以及从物品移除模具。54.根据权利要求53所述的制造方法，其中超磨损芯被涂刷在铸造表面上。55.—种制造用于磨蚀环境的物品的方法，包括将涂覆有内部金属碳化物层和外部金属氮化物层的硬颗粒固定到模具的内表面，将金属基粉末送进到模具内，加热模具以便将粉末烧结成含有硬颗粒的固体主体，以及移除模具。
【文档编号】E02F9/28GK106029303SQ201580009348
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2015年1月9日
【发明人】C·S·蒙特罗斯
【申请人】埃斯科公司