专利名称：具有冶金结合式涂层的链轮及其制造方法
技术领域：
本发明一般涉及各种链轮及制造它们的方法。尤其是，本发明涉及具有一个耐磨涂层的链轮，及形成这种经过涂装的链轮的方法，上述耐磨涂层冶金结合到链轮其中至少一个在其操作期间经受磨损的表面上。
背景技术：
在讨论现有技术水平时，下面参照某些结构和/或方法。然而，不应把下面的参考文献看作是承认这些结构和/或方法构成先有技术。申请人明确地保留证明这些结构和/或方法不看作先有技术违背本发明的权利。
一种环形履带传动装置由许多元件如连杆、履带销衬套，辊，履带销和氏，以及链轮组成。美国专利No.2,271,172示出这类装置。美国专利No.2,271,172内容整体包括在本文中作为参考文献。
环形履带传动装置经受很严格的工作环境。例如，碎屑、土地、岩石等在运行期间可能进入一种履带式机器如履带拖拉机的履带和行走部分。这些材料可以依次集聚在履带销衬套和驱动链轮齿的接合面之间，装入履带及绷紧履带张力，和/或直接研磨、磨损、弄凹、刮擦或毁损各元件的表面。此外，各元件经受腐蚀条件的影响，所述腐蚀条件可能进一步使上述磨损机制恶化。
常规链轮通常用经过硬化的钢材料制成。例如，钢链轮可以具有一种表面处理，如渗碳，氮化或其它施加于其上的表面硬化处理。然而，这些经过表面硬化的钢链轮仍产生某些缺点，象这些材料和方法仍然会导致比较短的使用寿命。
例如，砂子可能比甚至经过表面硬化的钢还硬，因此造成元件磨耗。上述表面处理不是用于防止腐蚀的费用低廉解决方案。用一种价钱更贵的高合金钢组成形成链轮齿也不是一种完全令人满意的解决方案，因为即使经过硬化的高合金钢也易于因与砂子接触而磨耗。此外，这些高合金钢不经济。
美国专利No.5,933,955公开了一种制造驱动动链轮的方法，所述方法包括水力喷射机加工各链齿，以便留下未受影响的金属材料组成和结构的均匀性，接着进行选择性的表面硬化，上述专利整个内容包括在本文中作为参考文献。
美国专利No.6,414,258介绍了一种用于形成焊接的技术，所述焊接覆盖在一个链轮和/或衬套表面上，上述专利整个内容包括在本文中作为参考文献。按照这个专利，将一个电弧极加到一种基底金属上，同时在其表面上形成一个“焊池”。然后将烧结碳化物粒子加入焊池中，随后烧结碳化物粒子固化，同时在部件的表面上留下一种珠状构造。这种方法具有某些缺点。上述操作手续是令人乏味的，耗费时间而费用高。由这种操作手续所产生的经过处理的表面是一种比较粗糙的正弦形表面。另外，烧结的碳化物粒子是价钱比较贵的材料。
美国专利No.5,879,743公开了一种用于使一种机器元件表面硬化的方法，该方法通过将含有一种合金的浆料涂布到基底金属的表面上，然后将涂层熔化并冶金结合(metallurgically bonded)到基底材料上，上述专利整个内容包括在本文中作为参考文献。在这个专利中所介绍的方法不是专门适用于生产一种改善的链轮元件。
美国专利申请公报No.2003/0168912 A1介绍了一种方法，所述方法用于将一种浆料涂层涂布到履带衬套的工作面上，然后将涂层熔合或冶金结合到元件的基底金属上，上述专利的整个内容都包括在本文中作为参考文献。测试如其中所述经过处理的履带衬套已证明，这种技术是增加这些元件耐磨耐腐蚀性的一种费用低廉的方法。
然而，各履带衬套接触上述环形履带驱动机构中的链齿轮。常规链齿轮的使用寿命看不到能与上述改善的衬套使用寿命相匹配。因此，环形履带驱动机构的总使用寿命不必受现有链轮构造限制。
因此，有必要提供一种具有改善了使用寿命和性能特征的链轮。
发明内容
一般，本发明包括一种用于改善链轮耐腐和耐腐蚀性的方法。方法包括将一层比较厚的表面硬化材料涂布到链轮选定的表面上，将经过涂装的链轮优选的是在一种含氢或氩的气氛中加热，以便将表面硬化材料熔合到链轮上。在表面硬化材料已经熔合之后，将链轮进行热处理，淬火和回火，以便提供具有增加了耐腐性的层或区的底层钢。本发明还包括一种如一般上述所形成的链轮。亦即，一种链轮用一种基底钢材料形成，所述基底钢材料具有一个表面硬化材料的涂层，上述涂层涂布到其至少选定的表面上，其中链轮的底层基底钢也具有一个增加了耐磨性的层或区，所述耐磨性的层或区至少设置在最易于磨损和/或腐蚀的那些表面上。
因此，本发明提供一种链轮，所述链轮包括一个基底钢构件，所述基底钢构件包括一个外齿廓表面，外齿廓表面的至少其中一部分具有一个设置于其上的耐磨和耐腐蚀涂层；涂层包括一种合金，合金包括至少60wt％的铁、钴、镍、或它们的合金。
按照另一方面，本发明提供一种生产耐磨和耐腐蚀链轮的方法，所述方法包括(i)机加工一种基底钢构件，以便在其上形成一个外齿廓表面；(ii)将一种浆料涂层涂布在表面的其中至少一部分上；及(iii)将浆料涂层熔合到基底钢构件上。
本发明的一些目的和优点从下面结合附图的一些优选实施例的详细说明将变得显而易见，其中相同的标号表示相同的元件，及其中图1是按照本发明所述原理制造的一种行走部分组件有关元件的局部平面图。
图2是按照本发明原理制造的一种整体链轮平面图。
图3是按照本发明原理所形成的多个弧形段制造的一种链轮平面图。
图4是按照本发明的原理所形成的一种链轮局部剖视图。
图5是用本发明所述方法所形成的一种齿廓其中一部分细节的局部剖视图。
具体实施例方式
如例如图1中所示，一种通常是用作履带式拖拉机驱动机构的行走部分组件10包括一个链轮20，所述链轮通过若干链齿轮22与履带销/衬套组合40的接合驱动一个环形履带构件30。
如图2中所示，链轮可以形成为一个整体环形构件20’。可供选择地，链轮可以通过将多个弧形段20”接合形成。按照本发明，一个链轮20用一种独特的方法形成，以便提供一种增加其性能和使用寿命的独特构造。
如图4中所示，按照本发明所述形成的链轮20由一个基底钢构件形成，所述基底钢构件具有一个外齿廓24，外齿廓24制成用地与履带销/衬套组件40接合。链轮20由其制成的基底金属构件外表面25设置一层耐磨耐腐蚀的材料26。层26设置在至少外齿廓24通常与履带/衬套组件40接触的那些表面上。在所示的实施例中，层26沿着整个外齿廓24设置。如下面进一步详细说明的，链轮20还设置一个硬化的表面区27，所述硬化的表面区27从外表面25朝一径向上向内的方向上延伸。层26的合适厚度约为1-2mm。然而，层26的厚度可以根据各种因素，如使用条件，制造要求和限制等进行改变。表面区27的合适厚度约为1.0-1.5mm，但同样可以改变。
层26是一种耐磨和耐腐蚀的材料，如一种易熔合金，所述易熔合金比甚至在硬化条件下的基底钢构件如1045级钢显著更硬和耐磨得多。另外，层26优选的是基本上不含夹杂物，因此耐磨涂层是均匀致密、较少脆性和更耐久的。
普遍承认的美国专利No.5,879,743公开了这种耐磨合金，该专利的整个内容都包括在本文中作为参考文献。此外，公开了适合在本发明中使用的成浆和涂装技术。例如，在示例性实施例中的易熔硬质金属合金优选的是至少含60％元素周期表VIII族的一种过渡金属如铁，钴，或镍。然而，硬质金属合金可以以其它金属为基础，只要合金具有上述物理性能。少量成分(约0.1-约20wt％)通常是硼、碳、铬、铁(在镍基和钴基合金中)、锰、镍(在铁基和钴基合金中)、硅、钨、钼、一种或多种形成碳化物的元素，或它们的组合。微量元素(低于约0.1wt％)如硫可以作为小量杂质存在。在一些示例性实施例中，合金具有一维氐(Vickers)硬度(HV)高达950-1250HV。硬质金属合金具有一熔融温度为低于待涂装的金属的熔点，比如约1110℃或更低，而优选的是在约900℃和约1200℃之间。
在一种示例性方法中，基底金属构件机加工成所希望的形状或轮廓。金属可以通过任何合适的技术，如机加工、切削、车削、研磨和抛光等除去。露出的部分限定一个待涂装的区域。
如图5中所示，按照本发明的原理所述形成的经过机加工的表面b，与一种常规的未经涂装的链轮标准外部轮廓或表面a相比，可以说成是下切一个尺寸x。
然后将一种硬质金属合金涂层涂布在这个区域上，并通过熔合硬质金属合金在基底金属构件和涂层之间形成一种冶金结合，因而形成一种耐磨和耐腐蚀涂层。
如图5中另外示出的，涂装成的未熔合层C具有一第一厚度y1。由于熔合过程，及任选的随后机加工的结果，层26具有一个厚度为y2的外表面。在所示的实施例中，表面d严格地与表面a一致。因为图不是按比例给出，所以表面a和d之间的任何差别都可能是经过夸张的。浆料涂层的厚度从它的涂装成的尺寸减少到它的最终熔融，和任选的经过机加工的尺寸(y1-y2)，是由于在熔融操作，及任何任选的机加工期间所经历的上述收缩，上述收缩进一步减少层26的厚度。
一种合适的浆料可以是水基的，并含有聚乙烯醇(PVA)和一种易熔的取极细粉末形式的硬质金属合金。在普遍承认的美国专利No.5,879,743中公开了一种合适浆料的若干例子，其整个内容包括在本文中作为参考文献。可以加另一些添加剂来促进粉粒的悬浮。如本文所述和’743专利中所公开的，硬质金属合金可以是元素周期表第VIII族中的一种过渡金属如铁、钴、镍，或者它们的合金。在一个示例性的实施例中，硬质金属合金取一种极细粉末的形式，上述极细粉末具有足够小的粒径，以便形成一种均匀的浆料。典型粒径是在约90目-约400目范围内。优选的是，平均粒径细于约115目，最优选的是，细于约200目。粉体可以是一种不同粒径粉体的混合物。
另外，所用的浆料通过将粉状硬质金属合金与聚乙烯醇粘合剂溶液充分混合制备，以便产生所希望的合金与粘合剂溶液的重量比，如在普遍承认的美国专利No.5,879,743中所述，上述专利的整个内容都包括在本文中作为参考文献。也许加其它的添加剂来促进粉粒的悬浮。
浆料可以用任何合适的方式涂布。例如，浆料可以喷涂、离心铸造、浸渍、浇注、或散布，亦即用刷子或刮刀涂布。
在一种用于使一个具有耐磨和耐腐蚀涂层的金属表面进行表面硬化的方法一个示例性实施例中，在金属表面上形成和涂装一种基本上均匀的聚乙烯醇和易熔硬质金属合金的水性浆料，上述易熔硬质合金取一种极细粉体的形式。然后将水性浆料干燥，优选的是通过从外部加热干燥，以便在金属表面上留下一个易熔硬质合金在聚乙烯醇基体中的固体层。涂装金属表面和干燥浆料留下一固体层的步骤可以重复一次或多次，以便形成一个较厚的浆料材料涂层。
在涂装之前，可以将基底金属部分加热到一个合适的温度(比如，约300°F)。
在用于表面硬化一种具有耐磨涂层的金属表面的方法另一个示例性实施例中，金属表面涂装一种聚乙烯醇水溶液，并将一个基本上均匀的取极细粉体形式的易熔金属合金层在聚乙烯醇溶液干燥之前分配到聚乙烯醇溶液涂层上。涂装金属表面，分配易熔硬质金属合金，和干燥浆料或溶液涂层而留下一个固体层等步骤可以重复一次或多次，以便形成一个较厚的浆料材料涂层。
在本发明方法的一个示例性实施例中，用于将一种浆料涂布到待涂装的金属表面上的优选操作手续取决于具有金属表面的金属物品的形状和尺寸，以及硬质金属合金与聚乙烯醇粘结剂溶液的浓度的比例。通常是，将未熔的浆料浇注、刷涂、或喷涂在待保护的金属表面上，或者将具有待保护金属表面的物品浸渍到未熔合的浆料中。
浸渍，浇注，和刷涂通常适用于在短时间内形成比较厚的涂层，比如大于1mm，不过也可以在一较长时间内采用重复喷涂来形成一较厚的层。对于这些操作，优选的是硬质金属合金与PVA溶液之比值是在约4∶1-约8∶1的范围内，并且PVA溶液的浓度按重量计为约1％-15％PVA。例如，0500/0250和0600/0250或类似浆料适用于这种操作手续。表达式xxxx/yyyy表示浆料参数，此处xxxx＝粉状合金与聚乙烯醇的重量比，而yyyy＝作为粘结剂在水溶液中存在的聚乙烯醇百分重量。应该记住，一个小数点是隐含在表达式中头两位数之后。因此0500代表5.0。厚的浆料组成，亦即一种合金与PVA溶液高比值，可以作为一种可挤压的糊料涂布，或者可以轧制成一种用于粘合到金属表面上的带。对于这些操作手续，优选的是合金与PVA溶液的比值按重量计是在约8∶1-约15∶1范围内，并且PVA溶液的浓度按重量计为约2％-约15％PVA。在上述操作手续中，一些特殊的添加剂可以起分散剂，悬浮剂，和增塑剂等作用。
除了上述涂布涂层的方法之外，对于厚的涂层也可以用糊料法和胶粘带法。因此，当希望是厚涂层时，糊料和胶粘带的一种可靠而经济的可供选择的方案是一种多次涂装操作手续，上述多次涂装操作手续即使在大的表面上也产生均匀的厚浆料涂层。通过在交错干燥循环情况下重复喷涂，可以形成所希望的厚度。干燥可以在例如一个强制循环热空气干燥炉中于约80℃-约120℃下进行。一种0500/0250浆料尤其适用于这种方法，不过其它配方也可以用。
未熔合的涂装层厚度可以通过一个收缩系数调节，以便在冶金结合之后得到所希望的最终涂层厚度。例如，一个十分有代表性的收缩系数为约0.55±0.05。这个系数可以随涂布浆料所用的方法不同而改变。因此，涂层在熔合之前的厚度可以按照收缩系数调节，以便形成所希望的耐磨耐腐蚀涂层的最终厚度，比如，采用未熔合的涂层为最终厚度的1.67-2.0倍。
接合是在干涂层和基底金属部分之间形成一种冶金结合的步骤。例如，涂装有易熔硬质金属合金在聚乙烯醇基体中的涂层或者涂装有带易熔硬质合金层的聚乙烯水溶液的金属表面，可以在一种保护性气氛下加热到硬质金属合金的熔点，直至硬质金属合金熔合到基底金属构件的表面上时为止。加热是在一种受控制的气氛，亦即一种惰性或还原性气氛中进行，其中包括使合金氮化的氮。例如，在真空炉中约100-400微米的He或Ar分压形成一个稍正的压力，或者在一种皮带炉中几英寸正水压下的Ar、He或H2适合在熔合期间使用。随后，将熔融表面硬化的金属表面冷却到室温。
在接合法的一个例子中，将链轮或分段于约1110℃的温度下加热。加热是在一种皮带运输机炉中于稍高于大气压的氢压下进行，并且根据链轮的质量将轮或分段于约1065℃-约1075℃下保温大约2-10分钟，而然后冷却。
在熔合之后，耐磨耐腐蚀涂层可能光滑到足以在不进行进一步机加工的情况下使用，上述情况代表本发明的另一个优点。然而，可能理想的情况是在某些情况下进行随后的机加工。
在另一方面，在涂层冶金结合到基底金属部分上形成耐磨和耐腐蚀涂层之后，链轮或分段可以通过一种合适的技术硬化到一个所希望的深度。例如，链轮可以通过一种热处理硬化，上述热处理包括感应淬火。尽管许多技术都可以，但一种合适的技术包括感应加热后接着淬火和回火，因而在基底金属中产生所希望的硬度和粗糙度。
尽管本发明已对其一些优选实施例进行了说明，但该技术的技术人员应该理解，在不脱离如所附权利要求所述的本发明精神和范围情况下，可以进行各种未具体说明的增加、删节、修改，和替换。
权利要求
1.一种链轮，包括一个基底钢构件，所述基底钢构件包括一个外齿廓表面，上述外齿廓表面的其中至少一部分具有一种设置于其上的耐磨和耐腐蚀涂层；涂层包括一种合金，合金包括至少60wt％的铁、钴、镍、或它们的合金。
2.权利要求1所述的链轮，其中基底钢构件包括一种中等碳含量的钢。
3.如权利要求1所述的链轮，其中基底钢构件包括一个表面硬化区，所述表面硬化区从外齿廓表面向内延伸。
4.如权利要求3所述的链轮，其中表面硬化区是感应硬化的。
5.如权利要求1所述的链轮，其中涂层具有厚度为1-2mm。
6.如权利要求1所述的链轮，其中涂层冶金结合到基底钢构件上。
7.如权利要求1所述的链轮，其中基底金属构件包括一个单件环。
8.如权利要求1所述的链轮，其中基底金属构件包括一个弧形段。
9.如权利要求1所述的链轮，其中基底金属构件包括多个弧形段。
10.一种履带式拖拉机的行走部分组件，所述组件包括权利要求1中所述的链轮。
11.一种生产耐磨和耐腐蚀链轮的方法，包括(i)将一种基底钢构件机加工，以便在其上形成一个外齿廓表面；(ii)将一个涂层涂布到表面的至少一部分上；及(iii)将涂层熔合到基底钢构件上。
12.如权利要求11所述的方法，其中步骤(i)包括铣削、研磨和抛光的至少其中之一。
13.如权利要求11所述的方法，其中步骤(i)包括这样机加工基底钢构件，以使外表面具有一个尺寸，所述尺寸小于成品经过涂装的链轮所希望的最终外部尺寸一个量，所述量相应于所希望的熔合涂层的厚度。
14.如权利要求11所述的方法，其中基底钢构件包括一个单件环。
15.如权利要求11所述的方法，其中基底钢构件包括一个弧形段。
16.如权利要求11所述的方法，其中涂层以一种浆料的形式涂布，所述浆料包括合金，上述合金包括至少60wt％的铁，钴，镍或它们的合金。
17.如权利要求16所述的方法，其中步骤(ii)包括将浆料喷涂到表面的其中至少一部分上。
18.如权利要求16所述的方法，其中步骤(ii)包括将基底金属构件浸渍到浆料中。
19.如权利要求11所述的方法，还包括在步骤(ii)之前加热基底金属构件的步骤。
20.如权利要求19所述的方法，其中基底金属构件加热到约300°F。
21.如权利要求16所述的方法，其中步骤(ii)包括多次涂布浆料涂层。
22.如权利要求21所述的方法，其中链轮在涂布浆料涂层之间加热。
23.如权利要求11所述的方法，其中方法包括在步骤(iii)之前将涂层机加工以便除去过量的材料。
24.如权利要求11所述的方法，其中步骤(iii)包括在一种带式炉中加热基底金属构件。
25.如权利要求24所述的方法，其中步骤(iii)还包括在一种含氢气氛中加热基底金属构件。
26.如权利要求11所述的方法，其中步骤(iii)包括在一个真空式炉中加热基底金属构件。
27.如权利要求26所述的方法，其中步骤(iii)还包括在一种含氩环境中加热基底金属构件。
28.如权利要求11所述的方法，其中在链轮投入使用之前不再进行涂层的机加工。
29.如权利要求11所述的方法，还包括在步骤(iii)之后热处理链轮。
30.如权利要求29所述的方法，其中随后的热处理包括感应硬化。
31.如权利要求30所述的方法，其中随后的热处理还包括淬火和回火。
全文摘要
一种链轮具有一个基底钢构件，所述基底钢构件包括一个外齿廓表面，外齿廓表面的其中至少一部分具有一种设置于其上的耐磨和耐腐蚀涂层；涂层包括一种合金，合金包括至少60wt％的铁，钴，镍，或它们的合金。一种生产耐磨和耐腐蚀链轮的方法包括(i)将一种基底钢构件进行机加工，以便在其上形成一个外齿廓表面；(ii)将一个涂层涂布到表面的其中至少一部分上；及(iii)将涂层熔合到基底钢构件上。
文档编号F16H55/30GK1609477SQ20041008596
公开日2005年4月27日 申请日期2004年10月25日 优先权日2003年10月23日
发明者G·S·雷文卡, T·D·沃德里奇, T·B·尼曼 申请人:迪尔公司