專利名稱：具有強(qiáng)化的耐磨性的、用于土地/巖石工序的磨損元件的制作方法
具有強(qiáng)化的耐磨性的、用于土地/巖石工序的磨損元件發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及磨損元件，該磨損元件例如為專門在適于挖土(earth-moving)、掘地 (ground-engaging)和/或破巖應(yīng)用的機(jī)械設(shè)備中使用的鑄鋼牙，本發(fā)明還涉及嵌入件，該嵌入件被包含在所述磨損元件內(nèi)以提高其耐磨性，并因此延長其使用壽命。發(fā)明的背景(現(xiàn)有技術(shù))為了提高適于挖土應(yīng)用的鑄鋼部分的耐磨性，將硬體插入鑄造在鑄鋼部分中的技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)有技術(shù)(例如US-5，081，774 (Kuwano))中早有描述。該文獻(xiàn)描述了一種可更換的合成挖掘牙，此挖掘牙包括耐磨的鉻系鑄鐵嵌入件，該鉻系鑄鐵嵌入件具有比牙本體更高的硬度，并且插入鑄造在牙本體中。通過在牙本體的中央部分處安置耐磨材料作為整體的嵌入件，挖掘牙的性能得以改善。該嵌入件從末端向牙的附接部分延伸并且止于適于牙的可能應(yīng)用的極限位置。一旦到達(dá)該極限位置，就需要更換牙。盡管鉻系鑄鐵為與鑄鋼類似的材料并因此看起來適合作為鑄鋼中的嵌入件，但是，為了提高鑄鋼部分的整體耐磨表現(xiàn)， 人們希望將嵌入件的硬度增至鉻系鑄鐵的硬度之上。在現(xiàn)有技術(shù)中使用了不同材料來構(gòu)造硬體或嵌入件，由于金屬陶瓷材料(硬質(zhì)粘結(jié)金屬陶瓷合成物)家族在硬度和韌度兩方面的出色性能，已經(jīng)對金屬陶瓷材料家族給予了特別的注意。這些性能已經(jīng)使得它們在需要耐磨和抗沖擊的磨損應(yīng)用中被廣泛使用。但是，通過澆鑄方法將金屬陶瓷加強(qiáng)本體插入在鐵基磨損元件中(其中，鐵基合金被澆注入包含金屬陶瓷的型腔)已經(jīng)被報(bào)道為有問題的。特別地，與基于碳化鎢(WC基)的金屬陶瓷的插入鑄造相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)被認(rèn)為通過鐵基合金澆鑄的作用導(dǎo)致WC基的金屬陶瓷(粉碎顆?；蚯度爰?完全熔解。在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)公開各種策略來減少嵌入件熔解的問題。一方面，防護(hù)間層已被引入澆注的熔融的鐵基合金和WC基金屬陶瓷顆?；蚯度爰g。這些間層由將在成品中保持至少部分完好的金屬合金構(gòu)成。這例如已在下述文獻(xiàn)中公開文獻(xiàn)US-4，764，255 (Fischer)——用于鑄鐵和鑄鋼形式的部件；文獻(xiàn) US-4, 584，020 (Waldenstrom)——用于鑄鐵部件；以及對于鑄鋼部件(“具有耐磨鑄鐵的加強(qiáng)鋼鑄件”，Liteinoe Proizvodstvo，第7號，第27頁，1986年，F(xiàn)urman等人)。除了選擇合適的高溫合金用于防護(hù)間層的構(gòu)造之外，現(xiàn)有技術(shù)教導(dǎo)使用足夠厚的間層(片材)，該間層厚度優(yōu)選在Imm至8mm之間，在文獻(xiàn)US-4，764，255和US-4，584，020中教導(dǎo)的現(xiàn)有技術(shù)中，并且間層的熔化溫度在澆注的金屬的熔化溫度之上大于50°C ；更加優(yōu)選地，在澆注的金屬的熔化溫度之上200°C。此外，Waldenstrom和Fischer公開了 間層應(yīng)當(dāng)足夠厚從而在鋼的澆注過程期間不會完全地熔解。在由Furman所教導(dǎo)的技術(shù)中，間層可包括低熔化溫度的合金，例如銅。在任何情況下，本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員容易認(rèn)識到的是，為WC基金屬陶瓷嵌入件提供防護(hù)涂層代表了額外的處理費(fèi)用和復(fù)雜性——而這些優(yōu)選是應(yīng)該避免的。另一方面，在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)認(rèn)識到限制澆鑄的合金的澆注溫度將導(dǎo)致WC基金屬陶瓷嵌入件在鋼鑄件中的成功引入。國際申請W02009/061274Al(Ederyd和Quarfordt) 公開了由碳化鎢金屬陶瓷構(gòu)成的本體，該碳化鎢金屬陶瓷由鈷基結(jié)合劑粘結(jié)，所述鈷基結(jié)合劑具有與鋼中的石墨形態(tài)鑄件(graphite formation cast)接近的碳含量，并且優(yōu)選地具有高于0. 5的碳當(dāng)量級，同時(shí)還具有足夠低的澆鑄溫度以形成粘結(jié)的碳和鋼之間的過渡區(qū)。Ederyd和Quarfordt指明了在金屬陶瓷和鋼之間的結(jié)合部位中存在一些空隙和/或裂縫——盡管這些缺陷被認(rèn)為不會對零部件的性能造成問題。但是，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，此種缺陷可能導(dǎo)致被加強(qiáng)的部分在高沖擊應(yīng)用下的不可靠性能。事實(shí)上，如果在澆注和隨后的固化期間鑄件的冷卻率過低，將鋼的澆注溫度限制為一些低值以限制過熱(如 W02009/061274A1中所述)的實(shí)踐不足以避免在結(jié)合區(qū)形成大的缺陷的，而這些，為本發(fā)明所解決。此外，Ederyd和Quarfordt的現(xiàn)有技術(shù)教導(dǎo)了 η相區(qū)在結(jié)合區(qū)中的存在和薄的η 相區(qū)的存在不會影響本體的脆度。但是，在鈷鎢硬質(zhì)合金金屬陶瓷的設(shè)計(jì)、制造和使用(例如在切割工具中應(yīng)用)的現(xiàn)有技術(shù)中公知的是，n相、鈷鎢硬質(zhì)合金(一般由化學(xué)式CoxWxC 定義，其中χ 3或χ = 6)極度地脆弱，原因在于使用中過早地失效，并由此在承受沖擊的任何金屬陶瓷加強(qiáng)鋼鑄件產(chǎn)品(例如接地鑄鋼牙)的情況下，極大地不符合需要。還已知的是結(jié)合鈷的高碳含量(接近石墨形式)抑制了 n相的形成。如在本發(fā)明中所描述的，防止高脆度相的形成與增強(qiáng)鑄件的冷卻強(qiáng)度有關(guān)，并因此避免了過長地處于允許特定擴(kuò)散過程發(fā)生(例如碳、鈷和鎢的擴(kuò)散而導(dǎo)致η相的形成) 的溫度中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及對強(qiáng)化耐磨零部件(例如為用于挖土、掘地和/或破巖機(jī)械的牙)的處理，所述牙在金屬陶瓷(即粘結(jié)的碳化鎢)嵌入件(硬度大于鋼)和鑄鋼元件(嵌入件位于其中)之間具有精心設(shè)計(jì)的高性能結(jié)合。本發(fā)明的目的在于提供一種強(qiáng)化的耐磨元件，所述耐磨元件由具有任何合適碳含量的重力鑄鋼構(gòu)成，所述重力鑄鋼環(huán)繞硬大塊的粘結(jié)的碳化鎢嵌入件并專門與之結(jié)合。本發(fā)明涉及具有突出硬度的嵌入件在堅(jiān)韌的抗沖擊的鑄鋼內(nèi)的創(chuàng)新性粘結(jié)。在金屬陶瓷嵌入件和鑄鋼之間所形成結(jié)合的質(zhì)量對于零部件的性能和避免突發(fā)故障是關(guān)鍵性的。如果避免了過多的肉眼孔隙和高度脆性區(qū)域就能夠獲得優(yōu)質(zhì)結(jié)合。在本發(fā)明中，優(yōu)質(zhì)結(jié)合是如下獲得地以足夠熱的液態(tài)鑄鋼滲透金屬陶瓷的粘結(jié)基體，熔解金屬陶瓷的滲透部位的外層中的碳化鎢顆粒，以在鎢中富集液態(tài)鋼，以及快速高強(qiáng)度地冷卻鑄件，以形成至少三個(gè)(有時(shí)是四個(gè))在化學(xué)上、結(jié)構(gòu)上不同的結(jié)合區(qū)，這些結(jié)合區(qū)限制和/ 或消除了肉眼孔隙并且避免了高脆性區(qū)域。通過如此所描述的適當(dāng)?shù)匦纬杀景l(fā)明的元件的特定結(jié)合，將無需現(xiàn)有技術(shù)中所公開的進(jìn)行金屬包覆(或使用金屬間層或其他的覆層)、嵌入件(或?qū)η度爰A(yù)鑄造或使用用于嵌入件的容置件)、或?qū)嵤┙饘偬沾苫蛱蓟镱w粒保護(hù)的任何相關(guān)的方法。本發(fā)明的用于澆鑄并因此制造加強(qiáng)的元件的方法也在此描述。作為本發(fā)明的主題的加強(qiáng)的磨損元件特別適用于停工成本非常高的掘地工作中。 本發(fā)明的加強(qiáng)的磨損元件因此允許延長連續(xù)更換之間的有效工作時(shí)間。本發(fā)明的加強(qiáng)的磨損元件可取代通常專門由低合金鋼制造的常規(guī)的接地工具(或元件)。因此，本發(fā)明涉及用于加強(qiáng)鑄鋼磨損元件的不同實(shí)施例，其能夠在大范圍的應(yīng)用下使用。從主要承受磨損的應(yīng)用到穿入地面的應(yīng)用的應(yīng)用范圍在成功操作中起到了重要的作用。


本公開內(nèi)容包含了用于揭示本發(fā)明的以下附圖圖1示出了在嵌入件的芯體(C)和澆鑄金屬(5)之間的實(shí)現(xiàn)質(zhì)量保證所需的三個(gè)結(jié)合區(qū)(替代結(jié)合區(qū)(1)、沉淀結(jié)合區(qū)O)、以及無碳化鎢結(jié)合區(qū)(3))的示意圖。圖2示出了四個(gè)結(jié)合區(qū)(能夠以優(yōu)質(zhì)結(jié)合形成)的顯微照片，所述四個(gè)結(jié)合區(qū)為替代結(jié)合區(qū)(1)、沉淀結(jié)合區(qū)O)、無碳化鎢結(jié)合區(qū)(3)、以及漢字(Chinese-writing)結(jié)合區(qū)⑷。圖3(a)示出了結(jié)合區(qū)域的一般外觀的截面圖，其中，在本發(fā)明的元件中僅僅形成三個(gè)結(jié)合區(qū)替代結(jié)合區(qū)(1)、沉淀結(jié)合區(qū)O)、以及無碳化鎢結(jié)合區(qū)(3)。圖3(b)示出了結(jié)合區(qū)域的一般外觀的截面圖，其中，在本發(fā)明的元件中形成全部四個(gè)結(jié)合區(qū)替代結(jié)合區(qū)(1)、沉淀結(jié)合區(qū)O)、無碳化鎢結(jié)合區(qū)(3)、以及漢字結(jié)合區(qū)0)。圖4示出了本發(fā)明的元件的局部的SEM(掃描電子顯微鏡)圖片，該圖片的視野顯示了替代結(jié)合區(qū)(1)的區(qū)域。圖5顯示了本發(fā)明的元件的局部的SEM圖片，其中，該圖片的視野顯示了沉淀結(jié)合區(qū)O)的區(qū)域。圖6(a)和6(b)顯示了本發(fā)明的元件的局部的SEM圖片，其中，每張圖片中的視野是一樣的，顯示了無碳化鎢結(jié)合區(qū)(3)的區(qū)域、漢字結(jié)合區(qū)的區(qū)域、以及未受影響鑄鋼 (5)的區(qū)域。圖6(a)是標(biāo)準(zhǔn)的SEM圖片，而圖6(b)是反散射電子SEM圖片。優(yōu)選的實(shí)施例和方法的具體描述本發(fā)明的目的在于提高磨損元件的耐磨性，其中，該磨損元件由重力鑄造鋼構(gòu)成， 該重力鑄造鋼包含至少一個(gè)加強(qiáng)硬大塊嵌入件，即粘結(jié)的碳化鎢嵌入件，其特征在于，所述嵌入件的材料和鑄鋼之間的結(jié)合保證了磨損元件或加強(qiáng)零部件在使用時(shí)的安全工作，因此防止了與所述結(jié)合中的缺陷相關(guān)的元件破損。為了確保磨損元件中的金屬陶瓷和鋼之間的所需良好結(jié)合，液態(tài)鋼的澆注溫度必須足夠高從而熔化、移位并因此滲透金屬陶瓷的粘結(jié)基體金屬，并且熔解被滲透的部分的外層中的金屬陶瓷的碳化鎢(WC)，從而在鎢和碳中富集該層中的液態(tài)鋼，并因此導(dǎo)致這種包含鎢、鐵、和碳的液態(tài)合金的部位的形成。通過獲得鋼滲入金屬陶瓷的超過1. 5mm的滲入深度(由對磨損元件隨后的檢查而確定)能夠揭示或反映澆注溫度是足夠的。此外，磨損元件(即鑄件)在鋼澆注的過程期間和之后所承受的冷卻強(qiáng)度必須足以產(chǎn)生下述的磨損元件磨損元件的特征表現(xiàn)在鋼和金屬陶瓷之間具有創(chuàng)造性的結(jié)合，并因此防止和/或避免現(xiàn)有技術(shù)的問題。這要求冷卻強(qiáng)度足夠高以限制導(dǎo)致極度脆弱區(qū)域的形成的鎢和碳的擴(kuò)散。通過獲得結(jié)合區(qū)，冷卻強(qiáng)度的足夠性被揭示或反映， 該結(jié)合區(qū)后來被限定為無碳化鎢結(jié)合區(qū)(3)，該無碳化鎢結(jié)合區(qū)(3)不含碳化鎢并且包括富鐵金屬相，該富鐵金屬相按重量計(jì)算大部分為鐵和鎢，該鐵和鎢具有大于20微米的厚度并且厚度優(yōu)選在20微米至150微米的范圍之內(nèi)，這由隨后的磨損元件的檢查來確定。圖1和圖2示出了結(jié)合區(qū)的概貌和構(gòu)成所要求保護(hù)元件的結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)導(dǎo)致液態(tài)鋼滲入金屬陶瓷的足夠鋼澆注溫度的條件，以及根據(jù)在鋼的澆注和隨后的固化期間鑄件的足夠強(qiáng)的冷卻以限制擴(kuò)散的條件，這種在本發(fā)明的磨損元件的優(yōu)選實(shí)施例中形成的結(jié)合包括至少三個(gè)結(jié)合區(qū)，如在圖3(a)中的制造的磨損元件中所示，即，替代結(jié)合區(qū)(1)、沉淀結(jié)合區(qū)O)、以及無碳化鎢區(qū)(3)。這些結(jié)合區(qū)在不受影響的澆鑄鋼 (5)和嵌入件(C)的芯體之間顯現(xiàn)。由圖3(a)和圖3(b)中箭頭(D)所指的方向表示遠(yuǎn)離金屬陶瓷嵌入件的表面且朝著嵌入件(C)的內(nèi)部或芯體的方向。在下文中，每個(gè)結(jié)合區(qū)的構(gòu)成相內(nèi)的鎢和鐵的化學(xué)成分通過由掃描電子顯微鏡 (SEM)執(zhí)行的電子色散分光法(EDQ來確定，而忽略碳含量。參照圖4，替代結(jié)合區(qū)(1)的特征在于磨損元件內(nèi)出現(xiàn)下述部位，在該部位內(nèi)鑄鋼已經(jīng)替代了金屬陶瓷的金屬粘結(jié)基體，從而顯示包括碳化鎢粒(11)的相的結(jié)合區(qū)，該碳化鎢粒(11)的相由與鑄鋼(12)基本成分相同的鋼相環(huán)繞。圖4中的切面的淺色的粒(11)由碳化鎢構(gòu)成。在圖4中位于碳化鎢粒(11)之間的深色部位(12)大部分由鑄鋼構(gòu)成。在該區(qū)(1)中的碳化物粒(11)與原始金屬陶瓷中的粒和/或芯體中的碳化物?；蚪饘偬沾汕度爰?C)的的任何未滲透鋼的部分中的碳化物粒具有基本相同的尺寸、形態(tài)和成分。該結(jié)合區(qū)(1)或結(jié)合層在厚度方面能夠不同，但是要確保在金屬陶瓷和鋼之間的結(jié)合的優(yōu)良， 該區(qū)應(yīng)當(dāng)具有滲入金屬陶瓷的最小的深度，其中，該區(qū)的厚度在1.5mm或者更大的范圍之內(nèi)。參照圖5，沉淀結(jié)合區(qū)O)的特征在于磨損元件內(nèi)出現(xiàn)的下述部位，在該部位中， 包含鐵的富鎢相0 部分地或完全地環(huán)繞碳化鎢粒。圖5中的切面的淺色的粒由碳化鎢構(gòu)成，并且顯得比環(huán)繞的富鎢相0 亮。這些粒中的一些展示了粗化或重新沉淀(與替代結(jié)合區(qū)(1)中的碳化物粒(11)或與在芯體中的?；蛟谟山饘偬沾汕度爰?(C)的未由鋼滲透的任何部分中的粒相比)。富鎢相0 具有鎢含量，該鎢含量按重量計(jì)一般在68%到75%的范圍之內(nèi)，但是取決于冷卻強(qiáng)度可低至60%。富鐵金屬相03)的薄的貧鎢區(qū)顯現(xiàn)為深色部位，如圖5中所示，該深色區(qū)域直接與碳化鎢粒鄰接。沉淀結(jié)合區(qū)⑵的富鐵相03)并非總是明顯的。無碳化鎢區(qū)(3)的特征在于磨損元件內(nèi)出現(xiàn)的下述部位，該部位包括重量大部分為鐵-鎢的富鐵金屬相或固溶體，其中，所述富鐵金屬相的鎢含量按重量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在5%到 15%之間，并且更一般地按重量計(jì)低于20%。這種結(jié)合區(qū)(3)可薄至20um，但是取決于磨損元件在固化期間的冷卻強(qiáng)度可增至150um。如圖3(a)中所示，無碳化鎢結(jié)合區(qū)(3) —般與沉淀結(jié)合區(qū)( 鄰接。沉淀結(jié)合區(qū)( 可表現(xiàn)為被無碳化鎢區(qū)C3)環(huán)繞或部分環(huán)繞的小集群的形式。第四結(jié)合區(qū)(4)的存在、厚度和長度受冷卻強(qiáng)度的影響。這些額外的結(jié)合區(qū)具有漢字的顯微結(jié)構(gòu)外觀，其包括富鐵相0 (其中，鎢含量按重量計(jì)一般在5%到15%之間) 和富鎢相Gl)(其中，鎢含量按重量計(jì)一般在68%到75%之間)。該結(jié)合區(qū)(4)的漢字的外觀能夠在圖6(a)和圖6(b)中可見，其展現(xiàn)了液體在固化期間的包晶分解(peritectic decomposition)的一般式樣，包含兩個(gè)固相(41、4幻聯(lián)合生長，所述兩個(gè)固相中的一個(gè)相 (41)顯示圓形或球形特征且和另一個(gè)相0 的背景上的層交替。圖6(a)和圖6(b)每個(gè)都顯示相同視野的圖像，所述圖像包含無碳化鎢結(jié)合區(qū)(3) 的部位、漢字結(jié)合區(qū)⑷的部位和未受影響的鑄鋼(5)的部位。標(biāo)準(zhǔn)的SEM圖片(圖6(a)) 僅提供了具有不同鎢含量的相之間的小的對比，而反向散射SEM圖片(圖6(b))提高了包含鎢的相的亮度。通過對比圖6(a)和圖6(b)，能夠看出漢字結(jié)合區(qū)(4)包括兩個(gè)不同的相，其中一個(gè)相Gl)比另一個(gè)相0 更亮(即，含鎢量更高)，而無碳化鎢區(qū)( 僅僅包括一個(gè)不同的相——該相具有與漢字結(jié)合區(qū)中的不怎么亮的相G2)相似的亮度。圖 6(b)中的最暗的部位為未受影響的鑄鋼(5)的部位，該部位暗是因?yàn)槠浞浅５?接近于0) 的鎢含量。在漢字結(jié)合區(qū)中，富鎢相Gl)形成了外觀上輕且亮的結(jié)構(gòu)，并且該結(jié)構(gòu)看起來像漢字，而較暗的背景是富鐵相G2)。漢字結(jié)合區(qū)由那部分高富鎢的液態(tài)金屬的固化來形成，而不存在任何剩余的碳化鎢粒，因?yàn)檫@些粒完全地被結(jié)合區(qū)出現(xiàn)的任何部位的液態(tài)鋼所熔解。該液態(tài)金屬為元件中的最后固化的液態(tài)金屬，并因此肉眼孔隙(與固化收縮公知地趨于在最后的固化部位中集中相關(guān))趨于出現(xiàn)在漢字區(qū)(4)的部位內(nèi)或由漢字區(qū)(4)的部位部分地環(huán)繞。需要將漢字區(qū)的延伸最小化和/或差不多消除，并因此限制磨損元件內(nèi)的任何肉眼孔隙的大小。增加冷卻強(qiáng)度限制了金屬陶瓷的WC粒的熔解時(shí)間，還有利于漢字區(qū)(4)的總的鎢含量沿澆注鋼的方向(即，沿與圖3(b)中的箭頭D相反的方向)的強(qiáng)力衰減，并由此帶來漢字的部分體積或區(qū)域Gl)的減少。因此，漢字區(qū)(4)的延伸和出現(xiàn)能夠通過增加磨損元件在鋼的澆鑄和固化期間受到的冷卻強(qiáng)度而被最小化或完全防止。用于優(yōu)選實(shí)施例的嵌入件的優(yōu)選的金屬陶瓷包括碳化鎢粒，這些碳化鎢粒通過鈷或鈷鎳基體粘結(jié)。在這種情況下，結(jié)合的上述優(yōu)化通過以下策略的組合而執(zhí)行。一種策略是控制到達(dá)嵌入件的表面的熔化的鋼的溫度，使得該溫度基本超過粘結(jié)金屬的熔點(diǎn)或液態(tài)溫度。另一種策略是提供包含該嵌入件的非預(yù)加熱模鑄系統(tǒng)，所述模鑄系統(tǒng)適于提供足夠強(qiáng)的冷卻以限制漢字結(jié)合區(qū)的延伸和發(fā)生，同時(shí)增加無碳化鎢結(jié)合區(qū)(3)的長度和厚度。根據(jù)以上提到的第一種策略，鋼的澆注溫度應(yīng)當(dāng)通過已知的鋼澆鑄工藝的方法被調(diào)節(jié)和控制，直到液態(tài)鋼滲入大塊的嵌入件的表面的深度大于1. 5mm，這由獲得厚度方面大于1.5mm的替代結(jié)合區(qū)(1)表明。根據(jù)以上提到的另一種策略，模鑄系統(tǒng)的冷卻強(qiáng)度能夠根據(jù)已知的鋼澆鑄工藝的方法被調(diào)節(jié)，例如，在模制中結(jié)合冷卻、設(shè)計(jì)所述元件和嵌入件以控制澆注的熱鋼的量與冷的(非預(yù)加熱的)嵌入件的量的比率、使用模鑄材料(例如帶有合適的熱導(dǎo)率和熱容量的砂)、以及結(jié)合元件設(shè)計(jì)中的核心和模鑄系統(tǒng)，目的是為了提供足夠強(qiáng)的冷卻從而防止金屬陶瓷嵌入件過度的滲入和熔解，以及限制漢字區(qū)的延伸至基本小于3mm，以控制肉眼孔隙，從而確保磨損元件在最終使用時(shí)的性能。在處理期間(其中，通過該處理，澆鑄液態(tài)鋼滲透金屬陶瓷嵌入件的外部分)，金屬陶瓷的粘結(jié)基體的金屬材料的大部分被移位并且被推入嵌入件(C)的內(nèi)部芯體。這不僅在鋼滲透發(fā)生的嵌入件的外部分方面，而且在未被鋼滲入的嵌入件(C)的內(nèi)部部位方面改變了嵌入件的構(gòu)造，從而嵌入件(C)的芯體的一部分與插入之前的初始嵌入件相比包含更多的基體金屬。因此，鑄鋼對金屬陶瓷的適當(dāng)滲透也通過在澆鑄鋼環(huán)繞的金屬陶瓷的內(nèi)部部位(C)的一些部分中的粘結(jié)金屬含量的增加(相對于澆鑄之前初始嵌入件的粘結(jié)金屬含量，或相對于嵌入件(C)的中央核心的未受影響的部分)揭示。這種處理軟化但也堅(jiān)韌了嵌入件的粘結(jié)基體增加的部分。鈷或鈷鎳的鈷基合金為優(yōu)選的粘結(jié)金屬，并且在這種情況下，可以發(fā)現(xiàn)在朝嵌入件(C)的內(nèi)部芯體的一些部位處鈷含量能夠?qū)崿F(xiàn)至少80%的增長。如前所公開的，優(yōu)選的金屬陶瓷嵌入件由在鈷或鈷基金屬基體中的硬陶瓷碳化鎢粒構(gòu)成。鈷或鈷基基體的優(yōu)選的比例按重量計(jì)為5%到20%之間。金屬基體含量增加到這些界限之上提高了嵌入件的芯體(C)在強(qiáng)烈地減少了其硬度的澆鑄后的韌度，并因此對
8于本申請來說是不希望的。由于鈷含量按重量計(jì)低于5%，熔滲變得越來越困難。此外，由于在澆鑄之后在嵌入件的芯體(C)中得到的鈷中的基體的增加對于如此低的初始基體金屬含量而言相對小，所以在該部位中的韌度增強(qiáng)變得微不足道。通過在已被常規(guī)熱處理的鋼部件中使用以上所述的金屬陶瓷，可以認(rèn)識到對于在澆鑄之前初始硬度為12. 5GPa的 WC-Co金屬陶瓷，盡管澆鑄后在基體增加的部位中維氏硬度下降至8-llGPa的范圍，但是這個(gè)特征被韌度方面的相關(guān)增加所抵消。該優(yōu)選的嵌入件優(yōu)選地超過80 %的其橫截面區(qū)域由平均等效直徑為4微米(通過良好拋光的表面的圖片分析測量)的WC顆粒組成。盡管由于鋼的作用在這些顆粒的表面中發(fā)生了一些熔解，所導(dǎo)致的微觀結(jié)構(gòu)的改變?nèi)匀辉试S實(shí)現(xiàn)以上維氏硬度。通過本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的以下具體的描述，將明白本發(fā)明的性質(zhì)和目的。這個(gè)實(shí)施例的客體是磨損元件(S卩，鑄鋼牙)，尤其用于硬巖挖掘應(yīng)用中的磨損元件。磨損元件的主要目的是深入港口、江河、隧道或類似物的硬巖床。本示例的挖掘牙利用WC基的金屬陶瓷嵌入件加強(qiáng)以改善其耐磨性，并因此延長其使用壽命。通過獲得加強(qiáng)金屬陶瓷嵌入件和構(gòu)成牙的鑄鋼之間的優(yōu)質(zhì)結(jié)合來確保加強(qiáng)后的牙的可靠性。在得到的結(jié)合中，通過對漢字結(jié)合區(qū)的延伸進(jìn)行控制和/或使之最小化已限制了肉眼孔隙的存在。本實(shí)施例的嵌入件為燒結(jié)的WC基金屬陶瓷桿，其具有IOOmm的長度和20mm的直徑。金屬陶瓷的金屬(粘結(jié))基體包括大部分的Co并按重量計(jì)占整個(gè)嵌入件的11%。嵌入件的按重量計(jì)的其他90%由具有4微米的平均晶粒度的WC顆粒構(gòu)成。磨損元件已經(jīng)利用非自硬性樹脂膠合硅基砂模制成，通常稱作ISO⑶RE處理。該模具沒有被預(yù)加熱，并且具有2. 5kg的砂和Ikg的鑄鋼的砂鋼比。沒有特別的芯體用于減少磨損元件的絕大部分內(nèi)的圍繞金屬陶瓷嵌入件的鋼的量。澆注在模具中以構(gòu)成磨損元件并且有效地環(huán)繞金屬陶瓷嵌入件的鋼的重量為 17.6kg。鋼澆注溫度在1550°C-1650°C的范圍之內(nèi)被實(shí)施。這些溫度表現(xiàn)為在用于構(gòu)造磨損元件的低合金鑄鋼的熔化溫度之上過熱50°C至150°C。在鋼澆注后的四小時(shí)，該示例的磨損元件被抖出(即，從砂中移除)。僅僅通過控制接觸嵌入件的鋼澆注溫度或適當(dāng)?shù)叵拗茲h字結(jié)合區(qū)的延伸，并不能完全地避免裂縫和大的肉眼孔隙。顯微檢查示出的孔隙在厚度上有5mm那么厚，并且漢字區(qū)有15mm那么厚。以下操作中的多于一個(gè)的操作能夠結(jié)合起來以增加冷卻強(qiáng)度從而用于限制/消除肉眼孔隙，并將漢字結(jié)合區(qū)的延伸限制為在金屬陶瓷和鋼之間的絕大部分結(jié)合表面的厚度遠(yuǎn)小于3mm。i)重新設(shè)計(jì)磨損元件的幾何形狀以允許砂芯體在鑄模中的引入，從而減少位于磨損元件的最大塊部分內(nèi)的環(huán)繞金屬陶瓷嵌入件的鋼的量，并由此增加冷卻強(qiáng)度。ii)基于鉻鐵礦基和/或鋯石基砂的高熱導(dǎo)率和熱容量，將之前實(shí)施的硅基砂替代為鉻鐵礦基和/或鋯石基砂，因此增加冷卻強(qiáng)度。iii)減少鑄件的抖出時(shí)間，并因此增加冷卻強(qiáng)度。iv)在金屬陶瓷嵌入件的附近引入鋼嵌入件或在金屬陶瓷嵌入件附近的鑄模中引入鑄制冷卻，從而使得澆注的鋼對鋼嵌入件的熔化或澆注鋼的冷卻增加結(jié)合部位中的冷卻強(qiáng)度。根據(jù)以上所述的操作，磨損元件被制造。磨損元件的重新設(shè)計(jì)允許在牙的大部分中的鋼的量減少并且允許在嵌入件的附近引入鉻鐵礦芯體，從而有效地增加冷卻強(qiáng)度。由于引入了鉻鐵礦芯體，對于金屬陶瓷嵌入件的絕大部分，在嵌入件和鑄模的砂和/或芯體之間的間隙范圍在8到25mm之間。在1600°C下澆注鋼，并且在澆注一小時(shí)內(nèi)抖出鑄件導(dǎo)致獲得如圖2中所示的嵌入件和鋼的優(yōu)質(zhì)結(jié)合。替代結(jié)合區(qū)(1)具有1. 5mm到3mm之間的范圍的厚度。在沉淀結(jié)合區(qū)O)內(nèi)的富鎢相02)按重量計(jì)具有65%到70%的范圍的鎢含量。無碳化鎢結(jié)合區(qū)(3)具有30um的最小厚度，并且按重量計(jì)鎢含量在10%到14%之間的范圍。漢字結(jié)合區(qū)(4)在大部分形成的優(yōu)質(zhì)結(jié)合中不會出現(xiàn)，而是僅在鑄件的最大整塊部分(其厚度在Omm到2. 5mm之間不等)的附近出現(xiàn)。漢字區(qū)⑷的富鎢相的鎢含量按重量計(jì)在68%到75%的范圍之間，而富鐵相02)的鎢含量按重量計(jì)在10%到14%的范圍之間。在整個(gè)結(jié)合區(qū)不存在肉眼孔隙。該實(shí)施例的磨損元件的現(xiàn)場試驗(yàn)在磨損壽命方面示出了使用中的性能改進(jìn)，其相對于傳統(tǒng)的未加強(qiáng)的磨損元件而言，壽命延長了 100%。
權(quán)利要求
1.用于土/巖挖/掘機(jī)械的磨損元件，包括重力鑄鋼，所述重力鑄鋼環(huán)繞并結(jié)合至粘結(jié)的碳化鎢金屬陶瓷的至少一個(gè)大塊嵌入件，所述嵌入件基本包括具有金屬粘結(jié)基體的碳化鎢粒，其特征在于，所述元件至少具有以下的三個(gè)結(jié)合區(qū)替代結(jié)合區(qū)(1)，其中，鋼替代所述嵌入件的粘結(jié)基體金屬，從而包括下述區(qū)域，在所述區(qū)域中碳化鎢粒(11)被鋼(1 包圍；沉淀結(jié)合區(qū)O)，包括主要為鎢和鐵的富鎢相(22)、以及粗大化和/或沉淀的碳化鎢粒 (21)；無碳化鎢結(jié)合區(qū)(3)，包括主要為鐵和鎢的富鐵金屬相。
2.如權(quán)利要求1所述的磨損元件，其特征在于，進(jìn)一步包括鄰近所述無碳化鎢結(jié)合區(qū) (3)和/或所述沉淀結(jié)合區(qū)O)的第四結(jié)合區(qū)G)，所述第四結(jié)合區(qū)(4)形成為具有漢字外形的微結(jié)構(gòu)，并且包括富鐵相G2)和富鎢相01)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的磨損元件，其特征在于，所述嵌入件的所述金屬粘合基體主要包括鈷或諸如鈷鎳的鈷基合金。
4.如權(quán)利要求3所述的磨損元件，其特征在于，所述嵌入件內(nèi)形成有基體增加部位，與澆鑄前的初始嵌入件的鈷含量相比或與所述嵌入件(C)的芯體的未受影響的部分相比，所述基體增加部位的鈷含量增加至少80%。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的磨損元件，其特征在于，所述替代結(jié)合區(qū)(2)具有大于1. 5mm的厚度。
6.如權(quán)利要求2所述的磨損元件，其特征在于，所述漢字結(jié)合區(qū)(4)具有小于3mm的厚度，從而限制或阻止肉眼孔隙的形成。
7.如權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的磨損元件，其特征在于，所述無碳化鎢結(jié)合區(qū)(3) 的總厚度大于0. 02mm。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的磨損元件，其特征在于，所述沉淀結(jié)合區(qū)(2)中的所述富鎢相0 的鎢含量按重量計(jì)高于60%。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的磨損元件，其特征在于，所述沉淀結(jié)合區(qū)(2)中的所述富鎢相0 的鎢含量按重量計(jì)在68%到75%之間。
10.如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述磨損元件，其特征在于，所述無碳化鎢結(jié)合區(qū)(3) 中的所述富鐵金屬相的鎢含量按重量計(jì)大于5 %且小于20 %。
11.如權(quán)利要求2至10中任一項(xiàng)所述的磨損元件，其特征在于，所述漢字結(jié)合區(qū)(4)中的所述富鎢相Gl)的鎢含量按重量計(jì)在68%到75%之間。
12.如權(quán)利要求2至11中任一項(xiàng)所述磨損元件，其特征在于，所述漢字結(jié)合區(qū)(4)中的所述富鐵金屬相0 的鎢含量按重量計(jì)在5%到20%之間。
13.如權(quán)利要求2-12中任一項(xiàng)所述的磨損元件，其特征在于，所述第四結(jié)合區(qū)(4)的長度和/或厚度通過在澆鑄鋼的澆注和固化期間增加冷卻強(qiáng)度而最小化。
14.用于土/巖挖/掘機(jī)械的磨損元件的制造方法，其中，該磨損元件包括重力鑄鋼，所述重力鑄鋼環(huán)繞并結(jié)合至粘結(jié)的碳化鎢金屬陶瓷的至少一個(gè)大塊嵌入件，所述嵌入件基本包括具有金屬粘結(jié)基體的碳化鎢粒，其特征在于，所述方法包括以下步驟在足夠高的溫度下圍繞所述嵌入件澆注液態(tài)鋼，從而熔化、取代并因此滲透所述金屬陶瓷的基體金屬、并且熔解被滲透部位的外層中的金屬陶瓷的碳化鎢，獲得替代結(jié)合區(qū)O)，所述替代結(jié)合區(qū)(2)在鋼的滲入方面具有滲入金屬陶瓷內(nèi)大于1. 5mm的深度；以足夠高的強(qiáng)度冷卻所述元件，以限制鎢和碳的擴(kuò)散，獲得無碳化鎢結(jié)合區(qū)(3)，所述無碳化鎢結(jié)合區(qū)(3)具有厚度大于20微米的富鐵金屬相。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，通過將所述磨損元件的幾何形狀重新設(shè)計(jì)來允許在模制中引入砂芯來增加冷卻強(qiáng)度，從而減少所述磨損元件的大部分內(nèi)的環(huán)繞所述金屬陶瓷嵌入件的鋼的量。
16.如權(quán)利要求14或15所述的方法，其特征在于，通過使用用于模制的鉻鐵礦基和/ 或鋯石基砂來增加冷卻強(qiáng)度。
17.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，通過在金屬陶瓷大塊嵌入件的附近引入鋼嵌入件和/或冷卻而在結(jié)合部位中增加冷卻強(qiáng)度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有強(qiáng)化的耐磨性的磨損元件，該磨損元件例如為專門在適于挖土、掘地和/或破巖應(yīng)用的機(jī)械設(shè)備中使用的鑄鋼牙，本發(fā)明還涉及嵌入件，該嵌入件被包含在所述磨損元件內(nèi)以提高其耐磨性，并因此延長其使用壽命。
文檔編號B22D19/06GK102439233SQ201080021963
公開日2012年5月2日 申請日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月29日
發(fā)明者何塞·桑舍茲, 何塞·洛佩茲阿爾芒德羅斯, 約爾迪·布魯法蓋諾瓦爾特, 豪爾赫·特里格納博伊謝達(dá), 豪爾赫·阿爾卡拉 申請人:麥塔洛吉尼亞股份有限公司