一种制造耐磨组件的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及根据权利要求1的前序部分制造耐磨组件的方法。本发明还涉及通过 本发明方法获得的耐磨组件。
【背景技术】
[0002] 金属基复合材料（MMC)是包含包埋在延性（ductile)金属相中的硬质粒子例如氮 化物、碳化物、硼化物和氧化物的材料。通常，通过对硬质粒子和金属合金粉末的粉末共混 物进行热等静压（HIP)来制造 MMC组件。通过调节硬质粒子的体积份数相对于延性金属相 的体积份数的比例可针对特定应用来调节所述MMC材料的特性。MMC材料通常用作各种应 用、例如采矿中的耐磨材料。MMC作为耐磨材料的主要用途是用于防止磨粒磨损，即来自于 滑过组件表面的粒子或主体的磨损。在研磨条件下，通常通过增加材料中的硬质粒子的体 积份数来改进已知的MMC材料的耐磨性。
[0003] 与已知MMC材料相关的问题是其相对低的耐侵蚀性。
[0004] 侵蚀是常见的磨损机理，其中粒子流，例如砂和水的浆料，撞击组件的表面并从所 述组件击出小块的材料。在侵蚀是主要磨损机理的条件下，磨损比其中磨耗占主导的条件 下的磨损更复杂。这在一定程度上是由于，组件中材料的侵蚀率取决于侵蚀材料的碰撞角。 通常，延性金属相在高碰撞角下表现更好，而硬质且相对脆性的硬质粒子在较低角度下表 现更好。因此，耐侵蚀性取决于硬质相和延性相的单独的特性以及所述两相的组合。
[0005] 因此，仅仅增加构成组件的前体粉末中的硬质粒子的体积份数未必导致所述组件 的侵蚀性磨损降低。硬质相的增加将导致组件中的延性相较少，并且因此在高碰撞角下耐 侵蚀性较低。
[0006] 另一方面是，前体粉末中的硬质粒子的体积份数增加使得粉末更难以混合成其中 大部分硬质粒子被延性金属粒子包围的均匀共混物。其结果是大部分的硬质粒子可能彼此 接触，其又可产生互连碳化物的网状结构，从而使得MMC材料呈脆性并且容易受侵蚀。
[0007] 过去已尝试通过使用激光束将硬质粒子粉末和钴基合金粉末熔融在组件表面上 来实现组件上的耐磨性覆层（cladding)。[T. R Tucker等，Thin Solid Films(固体薄 膜）118(1984)73-84"Laser-processed composite metal cladding for slurry erosion resistance"（用于浆料耐侵蚀性的激光处理的复合金属覆层）]。然而，基于激光的方法产 生熔融相并且在凝固期间，合金元素的分离导致在覆层中出现不均匀和脆性的区域。此外， 所述方法昂贵，耗时，受涂层厚度限制并且不适于制造大的耐磨组件。
[0008] 因此，本发明的一个目的是提供改进的制造耐磨组件的方法。特别地，本发明的一 个目的是提供制造具有改进的耐侵蚀性磨损的组件的方法。此外，本发明的一个目的是提 供具成本效益的方法，其产生具有均匀的、即各向同性结构的耐磨组件。本发明的另一个目 的是实现在侵蚀性条件下具有高耐磨性的组件。
【发明内容】
[0009] 根据本发明的第一方面，上述目的中的至少一个是通过一种制造耐磨组件的方法 来实现的，所述方法包括以下步骤：
[0010] -提供限定所述组件的至少一部分的模具；
[0011] -提供包含碳化钨第一粉末和钴基合金第二粉末的粉末混合物，其中所述粉末混 合物包含30-70体积％的所述碳化钨第一粉末和70-30体积％的所述钴基合金第二粉末， 并且其中所述钴基合金第二粉末包含20-35重量％ Cr、0-20重量％ W、0-15重量％ Mo、0-10 重量％ Fe、0. 05-4重量％ C，和余量的Co ;其中，W和Mo的量满足要求4〈W+M〇〈20 ;
[0012] -用所述粉末混合物填充所述模具；
[0013] -使所述模具在预定温度、预定等静压力下经受热等静压（HIP)且持续预定时间， 以使得所述粉末混合物的粒子彼此冶金结合且在它们之间不存在残余孔隙度（residual porosity)〇
[0014] 由本发明的粉末混合物制造的热等静压组件展现非常高的耐侵蚀性以及耐磨粒 磨损性。良好的耐磨性部分地取决于分布在组件中的来自第一粉末的相对大的碳化钨粒 子。然而，据信，高的耐磨性并且特别是耐侵蚀性磨损性此外是由于钴基基质的变形硬化特 性，以及在热等静压期间通过第一粉末的WC粒子与钴基合金粉末的合金元素之间的反应 而在组件基质中形成的出乎意料量的小硬质碳化物，即尺寸为1-4 μπι。基质中另外的小的 碳化物的存在保护钴基合金基质免于由于在高和低的碰撞角下撞击MMC材料的磨粒介质 而受侵蚀。
[0015] 这使得本发明方法非常适于制造经受侵蚀的组件，例如用于采矿工业中的组件。 本发明方法的另一个优点是所制造的组件具有各向同性微观结构和各向同性特性。所制造 组件的各向同性性质是由于在低于构成组件的材料的熔点的温度下进行的HIP方法。由于 在HIP期间不存在熔融相，因此避免了由于合金元素分离或碳化钨粒子与金属合金之间的 密度差异而造成的不均匀性。
【附图说明】
[0016] 图1 :根据第一优选实施方式利用本发明方法制造的MMC材料在500倍放大率下 的SEM图像。
[0017] 图2 :根据第一优选实施方式的MMC材料在1500倍放大率下的SEM图像。
[0018] 图3 :根据第二优选实施方式的MMC材料在1500倍放大率下的SEM图像。
【具体实施方式】
[0019] 定义
[0020] "粉末"是指小粒子的料体（volume)，即具有小于500 μ m的平均尺寸。
[0021] "粉末混合物"是指如下的料体，其包含至少两种不同组成的粒子，即第一组成的 材料的粒子和第二组成的材料的粒子。在该粉末混合物中，不同材料的粒子是均匀共混的。
[0022] "各向同性微观结构"和"各向同性特性"是指整个制造的组件具有相同的微观结 构和特性并且所述微观结构和所述特性在组件的所有方向上是相同的。
[0023] "WC"是指纯的碳化钨或浇铸共晶（cast eutectic)碳化物（WC/W2C)。
[0024] 在本发明方法的第一步骤中，提供模具。所述模具，也可称为囊（capsule)或成型 体（form)，限定最终组件的形状或轮廓的至少一部分。所述模具通常由焊接在一起的钢板、 例如低碳钢制造。所述模具可限定整个组件。所述模具也可限定组件的一部分。当例如建 筑钢的核具有耐磨覆层时，这是有利的。在这种情况下，所述模具限定组件的一个部分，即 所述覆层，和所述核限定组件的另一部分。所述组件是例如用于采矿操作或矿石或浆料处 理的组件。例如，破碎机齿或浆料处理管。然而，该组件显然可为任何类型的耐磨组件。
[0025] 在第二步骤中，提供本发明的粉末混合物。
[0026] 本发明的粉末混合物包含为碳化钨粒子（WC)粉末的第一粉末，这些粉末是可购 得的，例如通过HC Starck和Treilbacher公司购得。在最终的热等静压组件中，碳化鹤粉 末提供硬质耐磨相，其保护组件不受在低碰撞角下撞击组件的侵蚀性材料影响。
[0027] 本发明的粉末混合物还包含钴基合金第二粉末。在最终组件中，所述钴基合金第 二粉末构成基质，即包围并包埋所述第一粉末的碳化钨粒子的材料。数种类型的钴基合金 可用于本发明的粉末混合物中，然而，钴合金应含有形成碳化物的元素，例如铬、钨或钼。所 述钴基合金可例如是与可购得的例如为Stellite 1号或Stellite 6号的Stellite?型类 似的任何合金。
[0028] 与本发明粉末混合物的第一粉末的碳化钨的硬质粒子相比，所述钴基合金具延 性。在所得MMC组件中，其提供低脆性和高韧性。
[0029] 然而，在本发明粉末混合物中使用钴基合金的主要优点是，这些合金具有低堆垛 层错能，其导致合金的适当的变形硬化特性。这被认为是钴基合金对侵蚀性介质在高碰撞 角下具有良好耐侵蚀性的一个原因。
[0030] 根据本发明的第一实施方式，本发明的粉末混合物包含钴基合金粉末，其含有 20-35重量％ Cr、0-20重量％ W、0-15重量％ Μο、0· 5-4重量％ C、0-10重量％ Fe，和余量的 Co和天然存在的杂质。应当选择W和Mo的量以使其满足表述5〈W+M〇〈20。
[0031] 为了耐腐蚀性和为了确保通过与合金中的碳反应来形成硬质碳化铬，加入铬。为 了形成碳化物和固溶强化（solid solution strengthening)，在合金中还包括鹤和/或钼。
[0032] 碳化物，即碳化铬、碳化钨和/或富钼碳化物增加延性钴相的硬度并且从而增加 其