专利名称：硬面结构和含有该硬面结构的主体的制作方法
硬面结构和含有该硬面结构的主体技术领域
本发明一般涉及用于钢制主体的硬面结构以及含有所述硬面结构的钢制主体，更具体地，但不是唯一地，本发明涉及用于路面或岩石分解的掘取工具的硬面结构。
背景技术：
掘取工具可以用于例如破裂、分解或钻入诸如岩石、浙青、煤或混凝土的主体，并可以用于比如采矿、建筑和道路修复的应用中。在一些应用中，例如在道路修复中，可以在可旋转滚筒上安装多个掘取工具，并且当滚筒相对于待分解的主体转动时，可相对于所述主体而驱动这些掘取工具。
掘取工具可含有超硬材料的工作尖端，所述超硬材料为例如多晶金刚石(PCD)，其含有大量基本上内生的金刚石颗粒，这些金刚石颗粒形成限定金刚石颗粒之间间隙的框架体。PCD材料典型地含有体积含量为至少约80%的金刚石，并且可通过使金刚石颗粒的聚集体经受例如大于约5GPa的超高压力和例如至少约1200°C的温度而制成。
专利号为3，725，016的美国专利公开了一种碳化钛硬面钢基复合物，其基本上由重量百分比为约10至75%的TiC构成，其剩余部分基本上为由钢形成的基质。
公开号为W0/2010/029518的PCT专利申请公开了一种硬金属，该硬金属包括体积百分比为至少13%的、选自TiC、VC、ZrC, NbC, MoC, HfC, TaC, WC或其组合物的金属碳化物；黏结相，该黏结相含有一种或更多种铁族金属或其合金，以及重量百分比为 O.1至10% 的Si和重量百分比为O.1至10%的Cr，并具有摄氏1280度或更低的液相温度；以及，体积百分比为3至39%的、涂有保护涂层的金刚石或CBN，或其混合物。
公开号为W0/2010/029522的PCT专利申请公开了一种磨损部件或工具，其包括 包含铁族金属或合金的主体；以及，通过中间层冶金结合至该主体表面的耐磨层。
专利号为3 618 198的德国专利公开了一种硬面化钢制凿切工具的方法，所述方法将含有碳化物和金属颗粒的粉末放置在工具头部和模具之间，并将所述颗粒混合物弧焊至所述工具的头部。
有必要提供表现出改进的磨损性能的含钢磨损部件和制造该磨损部件的成本有效的方法。发明内容
从本发明的第一个方面来看，其可以提供一种主体，所述主体包括钢制基底和熔凝至所述钢制基底的硬面结构；所述硬面结构包括核心区域和中间区域；所述中间区域至少部分地围住所述核心区域并且含有重量百分比为至少约O. 5%的S1、重量百分比为至少约3%的Cr和重量百分比为至少约10%的W，并且中间区域的剩余部分基本上由铁族金属 M和碳构成，M选自Fe、Co和Ni或其合金，并且中间区域包括多个微晶，所述微晶含有根据化学式MxWyCz的至少一个η相或Θ相，或含有根据该化学式的η相和Θ相的混合物，其中，X在从I至 的范围内，y在从I至10的范围内，且z在从I至4的范围内；所述核心区域含有重量百分比为至少约1%的S1、重量百分比为至少约5%的Cr和重量百分比为至少约40%的W，并且所述核心区域的剩余部分基本上由M和碳构成，所述核心区域包括含有WC 的颗粒和含有(M，Cr) 7C3的颗粒或含有(M，Cr) 23C6的颗粒，或含有(M，Cr) 7C3的颗粒和含有 (M, CiO23C6的颗粒，这些颗粒分散在核心区域基质材料中，所述核心区域基质材料含有重量百分比大于50%的M，所述M中含有Cr、W和Si的固溶体；所述中间区域基本上不具有WC 颗粒。
从本发明的第二个方面来看，其可以提供一种包括钢制基底和熔凝至所述钢制基底的硬面结构的主体的制造方法，所述方法包括使前体与钢制基底接触，所述前体含有体积百分比为至少13%的WC颗粒、重量百分比在从O. 1%至10%范围内的Si和重量百分比在从O. 1%至10%范围内的Cr，其余的是M，且所述前体具有至多约摄氏1280度的液相温度； 在一时间段内，至少将所述前体加热至所述液相温度的温度，控制所述时间段以容许所述前体的外围区域与所述钢发生反应和熔凝，并避免所述前体的核心区域与所述钢发生完全反应。
下面参考所附附图对用于例示本发明的非限定性实例的配置进行描述，其中
图1示出了用于路面分解的掘取工具的实例的示意性透视图。
图2示出了具有熔凝至钢制主体的一部分上的硬面结构的掘取工具的实例的示意性局部剖面侧视图。
图3示出了图1所示的掘取工具的实例的扩展部分的示意性局部剖面。
图4示出了硬面结构的实例的中间材料的微观结构示意图。
图5示出了具有一对前体环的掘取工具的实例的示意性透视图,所述一对前体环用于生产熔凝至掘取工具的硬面结构。
图6示出了熔凝至钢制基底的硬面结构的实例的一部分的示意性剖面图。
在所有附图中，相同的参考标记用于表示相同的特征。
具体实施方式
对本发明中所用的特定术语进行解释。
此处所用的硬面结构为一种结构，比如但不限于结合至基底以保护该基底不受磨损的层。该硬面结构显示出基本上比基底更大的耐磨性。
此处所用的词语“工具”应理解为意指“工具或用于工具的组件”。
此处所用的磨损部件为一种在应用中经受了或旨在经受磨损应力的部件或组件。 对于磨损部件而言，一般可能会经受各种磨损应力，比如研磨、侵蚀、腐蚀和其它形式的化学磨损。磨损部件可含有任何种类的材料，其取决于磨损部件期望经受的磨损的性质和强度以及成本、尺寸和质量的限制。例如，烧结碳化钨具有很高的耐磨损性能，但由于其高密度和成本，一般只作为比较小的部件的主要成分，比如钻头嵌件、凿具、切削头等。较大的磨损部件可用于挖掘、钻头主体、料斗和研磨材料的载体，并且一般由硬钢制成，所述硬钢在特定应用中比硬质合金经济得多。
此处所用的硬金属为含有金属碳化物颗粒的材料，比如分散在金属粘结剂、尤其是含钴粘结剂中的WC。金属碳化物颗粒的含量为所述材料的重量的至少约50%。
将描述硬面结构和含有该硬面结构的主体的设置的实例。
在一个设置实例中，X在从约2至约4的范围内，而y在从约2至约4的范围内。 在一个实施例中，X为3且y为3。
在一个设置实例中，η相和Θ相的颗粒中的任一或两者含有重量百分比为至少约1%的Cr和重量百分比为至少约1%的Si ; η相和Θ相中的任一或两者分散在中间区域基质材料内，该基质材料含有重量百分比为至少约1%的Si和重量百分比为至少约2%的 Cr。
在一个设置实例中，含有(Μ，Cr) 7C3的颗粒和含有(M，Cr) 23C6的颗粒中的任一或两者含有重量百分比为至少约1%的Si，并且核心基质材料含有重量百分比为至少约1%的 S1、重量百分比为至少约5%的W和重量百分比为至少约5%的Cr。
在一个设置实例中，中间区域具有至少约O. 5mm或至少约Imm的厚度，所述厚度为位于核心区域边界上的点和位于钢制基底边界上的最近点之间的最短距离。
在一个设置实例中，硬面结构的核心区域和中间区域具有至少约700HV10或者至少约800HV10的维氏硬度。在一些实施例中，硬面结构的核心区域和中间区域具有至少约 700HV10或者至少约750HV10的维氏硬度。在一些实施例中，硬面结构的核心区域和中间区域具有至多约900HV10或者至多约850HV10的维氏硬度。
在一个设置实例中，硬面结构的核心区域和中间区域具有至少约20MPa.m1/2的 Palmquist断裂韧度。
在一个设置实例中，硬面结构包括多个嵌在中间区域内的核心区域，并且在一些实施例中，硬面区域包括两个或三个核心区域。在一个实施例中，至少一个核心区域具有一般的环形。
在一些设置实例中，主体为用于高磨损应用中的工具或磨损部件。在本发明的一个实施例中，主体为用于路面或岩石分解的工具或磨损部件。在一个实施例中，工具包括由多晶金刚石形成的尖部。在一个实施例中，主体为用于路面分解的掘取工具，其包括具有纵向轴并具有一般为圆柱形、圆锥形或者截头圆锥形的部分的钢制基底和一般为环形或同轴的、熔凝至该钢制基底的硬面结构。
参考图1，用于掘取工具的主体实例10包括钢制基底12和熔凝至钢制基底12的硬面结构20。掘取工具10还包括结合至烧结碳化钨底部16上的多晶金刚石的尖部14。
参考图2，用于掘取工具的主体实例10包括钢制基底12和熔凝至钢制基底12的硬面结构20。掘取工具10还包括结合至烧结碳化钨底部16上的多晶金刚石的尖部14。
参考图3，硬面结构20的实例包括两个基本上同轴的核心区域22a和22b，以及中间区域24，中间区域24围住这两个核心区域22a和22b。
参考图4，中间区域的实例包括多个枝状晶体34，其含有根据化学式MxWyCz的至少一个Π相或Θ相，或含有根据该化学式的η相和Θ相的混合物，其中，X在从I至7的范围内，y在从I至10的范围内，且z在从I至4的范围内。所述中间区域包括相32，该相 32富含选自Fe、Co和Ni或其合金的铁族金属M。所述中间区域含有平均重量百分比为至少约O. 5%的S1、平均重量百分比为至少约3%的Cr和平均重量百分比为至少约10%的W， 并且基本上所述中间区域的剩余部分由金属M构成。所述中间区域包括基本上不具有WC颗粒的相。
参考图5，硬面结构的实例可以通过以下方法制成，所述方法包括将两个生坯主体的前体环40a和40b熔凝至用于路面分解的掘取工具的一般为圆锥形的钢制部分12上。在一种描述中，前体环可以含有如W0/2010/029518和W0/2010/029522中所描述的用于硬金属的前体材料。掘取工具还含有结合至烧结碳化钨底部16上的多晶金刚石尖部14。前体环40a和40b具有在相邻纵向位置处与圆锥形钢制部分12的周围配合的不同直径。前体环是未烧结的生坯主体，其含有体积百分比为至少13%的WC颗粒、重量百分比在从约O. 1% 至约10%的范围内的Si和重量百分比在从约O. 1%至约10%的范围内的Cr。生坯主体的前体环的液相温度为至多约摄氏1，280度。两个前体环42a和42b紧密围绕圆锥形钢制部分12放置并互相抵靠，然后被加热至至少约摄氏1，300度，使其熔化并与钢制工具主体的相邻部分12的钢发生反应和熔凝。执行加热达一定时间，从而容许前体环的外围区域与钢充分反应和熔凝，并避免前体主体的核心区域与钢发生完全反应。
在所述方法的一种描述中，前体包含金刚石或CBN颗粒。
在所述方法的一种描述中，所述方法包括配置硬面前体的形状，使其与钢制基底的非平面表面的形状配合。在本发明的一个实施例中，钢制基底的非平面表面是弓形的。在本发明的一个实施例中，该非平面表面包括侧弯或锐弯。
在所述方法的一种描述中，所述温度为至少约摄氏1200度，并且至多约摄氏1300 度，且所述时间周期为至少约I分钟和至多约5分钟。
在所述方法的一种描述中，所述方法包括配置基底，以使其包括一般为圆柱形、 圆锥形或截头圆锥形的侧面部分，并且硬面前体具有环状物或环的一般形状，其尺寸和形状被设置为使其能够装配到该侧面部分的周围。
所公开的方法的一方面可产生紧密焊接在主体上的非常有效的硬面结构。
下面对非限定性实例进行更详细的描述。
如下制备两个生坯主体的前体环在研磨机中，以己烷介质和20g的固体石蜡以及6kg的硬金属球，将含有重量百分比为67%的具有约O. 8微米平均直径的WC粉末、重量百分比为24%的Co粉末、重量百分比为6. 4%的Cr3C2粉末和重量百分比为1. 6%的Si粉末的Ikg批量的粉末碾磨6小时。在研磨后干燥所得悬浮液，并且对粉末进行筛选以消除结块。压制硬金属环，并在真空中以摄氏800度对其预烧结达I小时。
将这两个生坯主体环安装在用于路面分解的掘取工具的钢制主体上，并且通过在氩气中使用钎焊常用设备，在富氮环境摄氏1250度下对组件进行约4分钟的热处理。测得涂层的HVlO硬度大致为850维氏单位。
参考图6，其示出了在热处理后熔凝至掘取工具(未全部示出)的钢制主体12的硬面结构20的局部剖面示意图，近表面的硬面结构20包括两个核心区域22a和22b，每一个对应于一前体硬金属环(未示出)，所述核心区域嵌入并完全包覆在中间区域24内。在用A、 B、C、D和E表示的五个位置的每一位置处测量硬面结构的HVlO维氏硬度和元素组成。其结果如下面表I所示。
表I
权利要求
1.一种主体，其包括钢制基底和熔凝至所述钢制基底上的硬面结构，所述硬面结构包括核心区域和中间区域；所述中间区域至少部分地围住所述核心区域并且含有重量百分比为至少O. 5%的S1、重量百分比为至少3%的Cr和重量百分比为至少10%的W，并且所述中间区域的剩余部分基本上由铁族金属M和碳构成，M选自Fe、Co和Ni或其合金；并且所述中间区域包括多个微晶，所述微晶包括根据化学式MxWyCz的至少一个η相或Θ相，或包括根据所述化学式的η相和Θ相的混合物，其中，X在从I至7的范围内，y在从I至10的范围内，且z在从I至4的范围内；所述核心区域含有重量百分比为至少1%的S1、重量百分比为至少5%的Cr和重量百分比为至少40%的W，并且所述核心区域的剩余部分基本上由 M和碳构成，所述核心区域包括含有WC的颗粒和含有(M，Cr) 7C3的颗粒，或含有(M，Cr) 23C6 的颗粒，或含有(M，Cr) 7C3的颗粒和含有(M，Cr) 23C6的颗粒，这些颗粒被分散在核心区域基质材料中，所述核心区域基质材料含有重量百分比大于50%的M,所述M在其中含有Cr、W和 Si的固溶体；所述中间区域基本上不具有WC颗粒。
2.如权利要求1所述的主体，其中所述η相的颗粒和所述Θ相的颗粒中的任一或两者含有重量百分比为至少1%的Cr和重量百分比为至少1%的Si，所述η相的颗粒和所述 Θ相的颗粒中的任一或两者被分散在含有重量百分比为至少1%的Si和重量百分比为至少 2%的Cr的中间区域基质材料中。
3.如权利要求1或2所述的主体，其中含有(Μ，Cr)7C3的所述颗粒和含有(M，Cr) 23C6 的所述颗粒中的任一或两者含有重量百分比为至少1%的Si，并且所述核心基质材料含有重量百分比为至少1%的S1、重量百分比为至少5%的W和重量百分比为至少5%的Cr。
4.如上述权利要求中任一项所述的主体，其中所述中间区域具有至少O.5mm的厚度， 所述厚度为位于所述核心区域边界上的点和位于所述钢制基底边界上的最近点之间的最短距离。
5.如上述权利要求中任一项所述的主体，其中所述硬面结构的所述核心区域和所述中间区域具有至少700HV10的维氏硬度。
6.如上述权利要求中任一项所述的主体，其中所述硬面结构的所述核心区域和所述中间区域具有至少800HV10的维氏硬度。
7.如上述权利要求中任一项所述的主体，其中所述硬面结构的所述核心区域和所述中间区域具有至少约20MPa. m1/2的Palmquist断裂韧度。
8.如上述权利要求中任一项所述的主体，其中所述硬面结构包括多个嵌在所述中间区域内的核心区域。
9.如上述权利要求中任一项所述的主体，其中所述主体为用于路面或岩石分解的工具或磨损部件。
10.如权利要求9所述的主体，其包括由多晶金刚石形成的尖部。
11.如上述权利要求中任一项所述的主体，其中所述主体为用于路面分解的掘取工具， 其包括具有纵向轴并具有一般为圆柱形、圆锥形或者截头圆锥形的部分的钢制基底；以及，一般为环形或者其他同轴的、熔凝至所述钢制基底的硬面结构。
12.—种生产如上述权利要求中任一项所述的主体的方法,所述方法包括使前体与钢制基底接触，所述前体含有体积百分比为至少13%的WC颗粒、重量百分比在从O. 1%至 10%的范围内的Si和重量百分比在从O. 1%至10%的范围内的Cr，其余的是M，并且所述前体具有至多约摄氏1280度的液相温度；在一时间段内，将所述前体至少加热至所述液相温度的温度，控制所述时间段，以容许所述前体的外围区域与所述钢发生反应和熔凝，并避免所述前体的核心区域与所述钢发生完全反应。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述前体含有金刚石或CBN颗粒。
14.如权利要求12或13所述的方法，所述方法包括配置所述硬面前体的形状，使其与所述钢制基底的非平面表面的形状配合。
15.如权利要求12至14中所述的方法，其中所述温度至少为摄氏1200度且至多为摄氏1300度，并且所述时间段至少为I分钟而至多为5分钟。
全文摘要
一种主体，其包括钢制基底和熔凝至所述钢制基底的硬面结构，所述硬面结构包括核心区域和中间区域；所述中间区域至少部分地围住所述核心区域并且含有重量百分比为至少约0.5%的Si、重量百分比为至少约3%的Cr和重量百分比为至少约10%的W，并且所述中间区域的剩余部分基本上由铁族金属M和碳构成，M选自Fe、Co和Ni或其合金；并且所述中间区域包括多个微晶，所述微晶含有根据化学式MxWyCz的至少一个η相或θ相，或含有根据化学式的η相和θ相的混合物，其中，x在从1至7的范围内，y在从1至10的范围内，且z在从1至4的范围内；所述核心区域含有重量百分比为至少约1%的Si、重量百分比为至少约5%的Cr和重量百分比为至少约40%的W，并且所述核心区域的剩余部分基本上由M和碳构成，所述核心区域包括含有WC的颗粒和含有(M,Cr)7C3的颗粒，或含有(M,Cr)23C6的颗粒，或含有(M,Cr)7C3的颗粒和含有(M,Cr)23C6的颗粒，这些颗粒被分散在核心区域基质材料中，所述核心区域基质材料含有重量百分比大于50%的M(在其中含有Cr、W和Si的固溶体)；所述中间区域基本上不具有WC颗粒。
文档编号E21C35/183GK103003471SQ201180025095
公开日2013年3月27日 申请日期2011年4月7日 优先权日2010年4月16日
发明者伊戈尔·尤里·孔亚新, 贝恩德·海恩里希·里斯, 弗里德里希·弗兰克·拉赫曼 申请人:第六元素公司