耐磨材料和形成耐磨材料的系統(tǒng)和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[0001]本申請(qǐng)是于2014年7月30日進(jìn)入中國(guó)國(guó)家階段的題為"耐磨材料和形成耐磨材料 的系統(tǒng)和方法"且中國(guó)申請(qǐng)?zhí)枮?01380007328.X的國(guó)際申請(qǐng)PCT/US2013/023541的分案申 請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明總體涉及用于形成耐磨材料的系統(tǒng)和方法，更具體地，涉及采用滲透技術(shù) 形成耐磨材料并通過(guò)銅焊將該材料連接到襯底的系統(tǒng)和方法以及該系統(tǒng)和方法的產(chǎn)品。
【背景技術(shù)】
[0003] 多種挖掘設(shè)備具有尖頭、邊緣、表面和受到重復(fù)沖擊和應(yīng)力的其他部件，會(huì)造成這 些部件磨損或斷裂。因此，具有高硬度和耐磨性以及良好剛度的材料希望用于這些應(yīng)用。具 有高硬度和耐磨性的材料也用于其他應(yīng)用，包括面臨類(lèi)似挑戰(zhàn)的應(yīng)用。
[0004] 用于制造耐磨部件的一種常用技術(shù)是通過(guò)圍繞放置在模具內(nèi)的硬耐磨材料注入 熔融金屬(例如鑄鐵）以便將耐磨材料附接到鑄造金屬部件并形成耐磨合成物來(lái)鑄造部件。 這種方法的主要缺陷在于通過(guò)這種方法附接有耐磨材料的襯底局限于適合鑄造的材料。另 外，耐磨材料通常局限于5-50%的體積分?jǐn)?shù)范圍，并局限于大于50μπι的顆粒，并且部件通常 局限于小于6.25mm(0.250英寸）的厚度。另外，這種方法需要使熔融合金過(guò)熱到大約200°C_ 400°C，這導(dǎo)致碳化物顆粒的顯著溶解，并由此使得到的合成物的性能降級(jí)。另外，由于這種 鑄造在空氣中進(jìn)行，存在硬顆粒和母體金屬都氧化的可能性，并且氧化物可變得截留在合 成物內(nèi)，并使磨損和機(jī)械性能降級(jí)。
[0005] 用于制造耐磨部件的另一常用技術(shù)是將鎳基合金、銅基合金和/或鑄鐵滲透到純 碳化鎢和硬質(zhì)合金顆粒的多孔質(zhì)量塊內(nèi)。但是，鎳基和銅基合金非常昂貴，并且鑄鐵不具有 對(duì)于所有應(yīng)用都滿(mǎn)意的剛度。球墨鑄鐵代表了更加經(jīng)濟(jì)的材料，其可以鑄造并具有良好的 斷裂剛度。但是，采用這些技術(shù)的條件不適用于球墨鑄鐵滲透。另外，這些技術(shù)所涉及的滲 透溫度很高，從而出現(xiàn)硬顆粒的顯著降級(jí)。在使用這些技術(shù)將鑄鐵滲透到球形鑄造碳化物 中的情況下，原始碳化物顆?？赏耆纸狻Ｓ捎谌廴诮Y(jié)合金屬與硬碳化物顆粒之間的冶金 相互作用，用于這種技術(shù)的顆粒尺寸必須通常保持在1.14mm(0.045英寸）以上，使得即使在 反應(yīng)之后，也留有大部分的硬顆粒來(lái)提供耐磨性。
[0006] 因此，雖然一些現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品和方法提供許多有利特征，但是它們具有一些局限 性。本發(fā)明尋求克服這些局限性的某些局限性和現(xiàn)有技術(shù)的其他缺陷，并提供一種之前沒(méi) 有得到的新特征。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 下面提供本發(fā)明的各方面的總體概述，以提供本發(fā)明的基本理解。此概述不是本 發(fā)明的延展性綜述。不意圖鑒別本發(fā)明的關(guān)鍵或重要元件，以限定本發(fā)明的范圍。以下概述 只以總體形式提供本發(fā)明的一些概念，以作為下面提供的更加詳細(xì)的描述的前奏。
[0008] 本發(fā)明的各方面涉及一種用于形成襯底上的耐磨合成涂層的方法。模具鄰近襯底 的表面定位，使得表面與模具腔連通，并且多孔耐磨材料與表面鄰近地放置在腔內(nèi)。金屬母 體材料接著與腔連通地放置，并且模具和母體材料被加熱到母體材料的熔點(diǎn)以上的溫度。 該溫度被保持在熔點(diǎn)以上長(zhǎng)達(dá)母體材料足以滲透熔融形式的耐磨材料并接觸襯底的表面 的時(shí)間。隨后，模具和母體材料被冷卻以固化母體材料并形成包括嵌入襯底的表面上的母 體材料內(nèi)的耐磨材料的耐磨合成涂層。母體材料在一種實(shí)施方式中可以是球墨鑄鐵，并且 球墨鑄鐵可具有以重量百分比為單位的如下組分:大約3.0-4.0%碳、大約1.8-2.8%硅、大 約0.1-1.0 %錳、大約0.01-0.03 %硫和大約0.01-0.1 %磷，余量是鐵和偶有元素和雜質(zhì)。理 解到其他元素和添加物可包括在球墨鑄鐵中，例如鎳（多達(dá)37 %重量百分比）、鉻（多達(dá) 5.5%重量百分比）和/或娃(多達(dá)5.5%重量百分比）。
[0009] 根據(jù)一個(gè)方面，耐磨材料可包括選自包括如下物質(zhì)的組的一種或多種材料:碳化 物、氮化物、硼化物、硅化物和過(guò)渡金屬的金屬間化合物及其組合?？梢允褂玫奶蓟锏睦?子包括:1(：、1'扣、3比、03(：2、￥(：、2"、恥(：、了3(：、（1，11)(：、84(：和]\1〇 2(：及其組合?？梢允褂玫牡?化物的例子包括:T i N、BN、S i 3N4、ZrN、VN、TaN、NbN、Hf N、CrN、MoN和WN及其組合。可以使用的 硼化物的例子包括:硼化鈦、硼化鉻、硼化鎢、硼化鎳、硼化鋯、硼化鉿、硼化鉭、硼化鈮、硼化 釩、硼化鉬、硼化硅、硼化鋁，以及過(guò)渡金屬的其他硼化物，及其組合?？梢允褂玫墓杌锏?例子包括過(guò)渡金屬的硅化物。耐磨材料可進(jìn)一步具有潮濕相容涂層。
[0010] 根據(jù)另一方面，合成涂層可形成在襯底的多個(gè)表面上，或者可以只形成在襯底的 表面的一部分上。
[0011]根據(jù)又一方面，多孔耐磨材料可以是松散顆粒材料的形式或者是由結(jié)合在一起以 形成多孔預(yù)成型件的顆粒材料形成的多孔預(yù)成型件的形式。預(yù)成型件中的顆粒材料可以例 如通過(guò)燒結(jié)或通過(guò)聚合物材料的多種不同方式結(jié)合在一起。如果使用聚合物材料進(jìn)行結(jié) 合，該材料可以選擇成使得銅焊溫度在加熱過(guò)程中足以從顆粒材料移除聚合物材料。
[0012] 根據(jù)再一方面，模具可以是或包括連接到襯底的片金屬殼體，以限定腔。殼體可以 具有到殼體外部的開(kāi)口，并且多孔耐磨材料可以通過(guò)插入經(jīng)過(guò)開(kāi)口被放置在腔內(nèi)。這種殼 體可具有顯著小于襯底厚度的壁厚，并可以焊接到襯底的外表面。
[0013] 根據(jù)進(jìn)一步方面，加熱在爐室內(nèi)進(jìn)行，并且室在溫度達(dá)到母體材料的熔點(diǎn)之前可 以被排空(例如0.0001或0.001托-ο. 010托，或甚至更低壓力）。惰性氣體在母體材料已經(jīng)熔 化之后引入室。替代地，熔化可以在惰性氣體存在的情況下進(jìn)行，例如通過(guò)在母體材料已經(jīng) 熔化之前引入氬氣進(jìn)入室。在此實(shí)施方式中，模具具有接觸多孔耐磨材料的可滲透部分，以 允許殘留氣體在滲透過(guò)程中從可滲透部分逃逸。
[0014] 根據(jù)附加的方面，母體材料可以相對(duì)于耐磨材料至少部分橫向或水平定位，并且 該方法還可包括鄰近母體材料并與耐磨材料相對(duì)地放置位移介質(zhì)(例如像陶瓷珠的可流動(dòng) 介質(zhì)）。位移介質(zhì)支承熔融母體材料并隨著熔融母體材料滲透耐磨材料而使熔融母體材料 位移。屏障可進(jìn)一步放置在位移介質(zhì)和母體材料之間，以防止熔融母體材料滲透到位移介 質(zhì)內(nèi)。橫向滲透的一個(gè)例子是在襯底是管狀結(jié)構(gòu)時(shí)，使得熔融母體材料向外橫向滲透以形 成管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面上的合成涂層。在此構(gòu)型中，位移介質(zhì)放置在管狀結(jié)構(gòu)的中心處，并且 隨著熔融母體材料滲透耐磨材料而向外位移。
[0015] 本發(fā)明的另外方面涉及用于形成襯底表面上的耐磨合成涂層的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可包 括鄰近襯底的表面定位的模具，使得該表面與模具腔連通，位于腔內(nèi)的鄰近該表面的多孔 耐磨材料以及與腔連通的金屬母體材料。該系統(tǒng)可與根據(jù)以上描述的方面的方法結(jié)合使 用，例如將模具和母體材料加熱到母體材料的熔點(diǎn)以上的溫度，并保持該溫度足以使母體 材料滲透熔融形式的耐磨材料并接觸襯底的表面的時(shí)間，接著冷卻模具和母體材料以固化 母體材料并形成襯底表面上的耐磨合成涂層。如上所述，母體材料可以是球墨鑄鐵。
[0016]根據(jù)一個(gè)方面，耐磨材料可包括選自包括如下物質(zhì)的組的一種或多種材料:碳化 物、氮化物、硼化物、硅化物和過(guò)渡金屬的金屬間化合物及其組合，包括以上描述的材料。 [0017]根據(jù)另一方面，多孔耐磨材料可以是松散顆粒材料的形式或如上所述由結(jié)合在一 起以形成多孔預(yù)成型件的顆粒材料形成的多孔預(yù)成型件的形式。
[0018] 本發(fā)明的進(jìn)一步方面涉及一種制造物品，其根據(jù)以上描述的系統(tǒng)和/或方法或通 過(guò)其他系統(tǒng)和/或方法制造。該物品包括金屬襯底，其具有表面，表面具有結(jié)合到表面的耐 磨合成涂層。耐磨合成涂層包括耐磨顆粒材料以及與耐磨顆粒材料結(jié)合在一起的金屬母體 材料。涂層可以是連續(xù)涂層。母體材料進(jìn)一步結(jié)合到襯底表面，以便將耐磨合成涂層結(jié)合到 襯底。金屬母體材料可以是球墨鑄鐵，其可具有如上所述的組分。該方法可用來(lái)制造具有至 少0.005英寸并通常大于0.040英寸厚度的涂層。在一些實(shí)施方式中，該方法可實(shí)現(xiàn)多達(dá)6英 寸或更多或7.5英寸或更多的滲透距離，并且可因此用來(lái)制造具有大于襯底本身的厚度的 涂層，在多種實(shí)施方式中，例如多達(dá)6英寸或更多，多達(dá)7.5英寸或更多，或甚至更大厚度。
[0019] 根據(jù)一個(gè)方面，耐磨材料可包括選自包括如下物質(zhì)的組的一種或多種材料:碳化 物、氮化物、硼化物、硅化物和過(guò)渡金屬的金屬間化合物及其組合，包括以上描述的例子。
[0020] 根據(jù)另一方面，襯底具有連接到表面并從表面向外延伸的多個(gè)突出部。突出部嵌 入耐磨合成涂層。作為一個(gè)例子，突出部可以是對(duì)稱(chēng)分布在襯底的外表面上的多個(gè)肋部或 板構(gòu)件。
[0021] 根據(jù)進(jìn)一步方面，物品可以是用于挖掘、采礦或其他土方設(shè)備的磨損構(gòu)件，并且襯 底可以通過(guò)磨損構(gòu)件的作業(yè)部分形成，使得合成涂層覆蓋作業(yè)部分。
[0022] 本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將結(jié)合附圖從以下說(shuō)明中明白。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 為了使得本發(fā)明得到更完全的理解，現(xiàn)在將參考附圖通過(guò)例子描述本發(fā)明，附圖 中：
[0024] 圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式從上方豎直滲透以形成耐磨合成材料的例 子的不意圖；
[0025] 圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式從下方豎直滲透以形成耐磨合成材料的例 子的不意圖；
[0026] 圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式水平滲透以形成耐磨合成材料的示意圖；
[0027] 圖4是示出根據(jù)本發(fā)明的方面在滲透之前使用豎直滲透在襯底上形成耐磨合成材 料的系統(tǒng)和方法的一種實(shí)施方式的示意圖；
[0028] 圖5是示出根據(jù)本發(fā)明的方面在滲透之后具有使用圖4所示的方法形成其上的耐 磨合成材料的襯底的示意圖；
[0029] 圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的方面在滲透之前使用向外滲透在襯底上形成耐磨合成材 料的系統(tǒng)和方法的另一實(shí)施方式的示意圖；
[0030] 圖7是示出圖6所示的系統(tǒng)的橫截面的示意圖；
[0031] 圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的方面在滲透之前使用豎直和水平滲透在襯底上形成耐磨 合成材料的系統(tǒng)和方法的另一實(shí)施方式的示意圖；
[0032] 圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的方面在滲透之前使用豎直和水平滲透在襯底上形成耐磨 合成材料的系統(tǒng)和方法的另一實(shí)施方式的示意圖；
[0033]圖10是示出使用根據(jù)本發(fā)明的方法制造的球墨鑄鐵母體中的球形鑄造碳化鎢顆 粒的例子的顯微照片；
[0034]圖11是示出使用根據(jù)本發(fā)明的方法在滲透過(guò)程之后保留的球形鑄造碳化鎢/球墨 鑄鐵合成物和過(guò)量球墨鑄鐵之間的界面的顯微照片；
[0035] 圖12是示出根據(jù)本發(fā)明的方面具有使用滲透方法在其上形成的耐磨合成材料的 襯底的另一實(shí)施方式的示意圖；
[0036] 圖13是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式在真空條件下在爐內(nèi)通過(guò)銅焊材料滲透 多孔耐磨材料的系統(tǒng)和方法的例子的示意圖；
[0037] 圖14是示出根據(jù)本發(fā)明的一種實(shí)施方式在銅焊材料熔化之前在真空條件下在爐 內(nèi)通過(guò)銅焊材料滲透多孔耐磨材料的系統(tǒng)和方法的例子的示意圖；
[0038]圖15是圖14的系統(tǒng)和方法的示意圖，其中局部Ar壓力在銅焊材料熔化之后引入 爐；
[0039]圖16是示出根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式在局部Ar壓力下在爐中通過(guò)銅焊材料滲 透多孔耐磨材料的系統(tǒng)和方法的例子的示意圖；
[0040] 圖17是根據(jù)本發(fā)明的方面被構(gòu)造成以用于挖掘或采礦設(shè)備的尖頭形式使用的襯 底的另一實(shí)施方式的透視圖；
[0041] 圖18是圖17的襯底的橫截面圖，具有形成其外表面上的耐磨合成材料；