[发明专利]硬质表面结构、包括该硬质表面结构的本体及其制备方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及用于钢质本体的硬质表面结构以及涉及包括硬质表面结构的本体及其制备方法。

背景技术

包括钢的某些组件在使用中可能会经受磨损。公开号WO/2010/029522的国际专利申请公开了一种耐磨部件或工具，其包括：包含铁族金属或合金的本体；通过中间层冶金结合至主体表面的耐磨损层。

德国专利号3618198公开了一种使钢凿工具表面硬化的方法，该方法通过在工具头部和模具之间放置包括碳化物和金属颗粒的粉末，并将颗粒混合物电弧焊接到工具头部。

确有必要提供一种包括钢的耐磨部件及其制造方法，该部件显示出增强的耐磨损性能。

发明内容

从本发明的第一方面来看，本发明提供一种本体，其包括钢质基体和熔融至该钢质基体的硬质表面结构，其中该硬质表面结构包括至少约1%重量比的硅(Si)、至少约5％重量比的铬(Cr)和至少约40％重量比的钨(W)，硬质表面结构的剩余部分基本上由铁族金属M和碳C组成，M选自Fe，Co和Ni或其合金；硬质表面结构包括多个微结构、多个平均尺寸小于约200纳米的纳米颗粒，以及粘合剂材料；微结构包括多于约1％重量比的铬和分子式为M_xW_yC_z的相，其中，x的范围为从约1至约7，y的范围为从约1至约10，以及z的范围为从约1至约4；纳米颗粒包括多于约20%重量比的钨、金属M和碳C；以及粘合剂材料包括多于约3%重量比的钨、多于约2％重量比的铬，多于约0.5％重量比的硅、金属M和碳C。

从本发明的第二方面来看，本发明提供一种本体，其包括钢质基体和通过中间层熔融至该钢质基体的硬质表面结构，所述中间层的厚度为最小约1微米且最大为约100微米；中间层已经通过下述工艺形成，该工艺包括熔融邻近硬质表面的钢质基体并与硬质表面结构材料相互混合；中间层包括分子式为M_xW_yC_z的树枝状或片状的微结构，其中，x的范围为从约1至约7，y的范围为从约1至约10，以及z的范围为从约1至约4；微结构包括多于约1％重量比的铬和多于约0.5％重量比的硅。中间层可通过下述方法形成，该方法包括在来自基体的钢和硬质表面结构材料之间进行扩散和反应。

可以设想所公开本体和硬质表面结构的特征的各种设置和组合。例如，微结构可以包括至少约0.1％重量比的硅。例如，微结构可以是延长的、板状的、网状的或树枝状的形式。在某些设置中，例如，微结构可以包括是板状形式的区域，该区域具有两个主要尺寸和一个次要尺寸，并且次要尺寸限定厚度，该厚度可为至少约0.5微米或至少约1微米。在Murakhami试剂中刻蚀从3秒到6秒的时间段后，微结构可以具有黄色或棕色的颜色。例如，纳米颗粒可以包括化合物，该化合物包括Si，W及Fe，以及可以包括至少约0.1％重量比的硅。在特定例子中，所述纳米颗粒包括硅化钨和/或Si₂W，和/或多于约0.5％重量比的铬。硬质表面结构的例子可具有至少约800HV10的维氏硬度或至少约900HV10的维氏硬度，和/或至少约20MPa.m^1/2的帕尔姆克维斯特(Palmquist)断裂韧性。

从本发明的第三方面来看，本发明提供包括所公开本体的工具，该工具在铺路和岩石分解中使用。工具示例可以包括尖端，该尖端包括多晶金刚石材料。该工具可包括钢质固定器本体，设置在靠近钢质固定器本体的末端的尖端，以及熔融至靠近末端的固定器本体的硬质表面结构。在一个实施例设置中，硬质表面结构可被设置为与通过尖端的纵向轴线大致同心配置，并完全或部分地围绕靠近尖端的固定器本体的一部分。

从本发明的第四方面来看，本发明提供一种制备所公开本体的方法，该方法包括使前驱体材料与钢质基体接触，前驱体材料包括至少约13％体积比的WC晶粒，范围为从约0.1%重量比至约10%重量比的硅，以及范围为从约0.1%重量比至约10%重量比的铬，以及金属M；并且（前驱体材料）具有最高约为1280摄氏度的液相线温度；加热前驱体材料达到至少约1300摄氏度的温度并保持一控制的时间段，从而允许所有的或者至少一足够量的前驱体材料与钢质基体熔融。前驱体材料与钢质基体的熔融可以包括钢和前驱体材料的扩散或相互间混合，以及可以涉及在钢和前驱体材料之间的反应。在一些实例中，前驱体材料可以被包括在前驱体本体，前驱体糊剂或前驱体颗粒中，该前驱体材料可能包含金刚石或CBN颗粒。