[发明专利]耐磨材料和形成耐磨材料的系统和方法

说明书

本申请是于2014年7月30日进入中国国家阶段的题为“耐磨材料和形成耐磨材料的系统和方法”且中国申请号为201380007328.X的国际申请PCT/US2013/023541的分案申请。

技术领域

本发明总体涉及用于形成耐磨材料的系统和方法，更具体地，涉及采用渗透技术形成耐磨材料并通过铜焊将该材料连接到衬底的系统和方法以及该系统和方法的产品。

背景技术

多种挖掘设备具有尖头、边缘、表面和受到重复冲击和应力的其他部件，会造成这些部件磨损或断裂。因此，具有高硬度和耐磨性以及良好刚度的材料希望用于这些应用。具有高硬度和耐磨性的材料也用于其他应用，包括面临类似挑战的应用。

用于制造耐磨部件的一种常用技术是通过围绕放置在模具内的硬耐磨材料注入熔融金属(例如铸铁)以便将耐磨材料附接到铸造金属部件并形成耐磨合成物来铸造部件。这种方法的主要缺陷在于通过这种方法附接有耐磨材料的衬底局限于适合铸造的材料。另外，耐磨材料通常局限于5-50％的体积分数范围，并局限于大于50μm的颗粒，并且部件通常局限于小于6.25mm(0.250英寸)的厚度。另外，这种方法需要使熔融合金过热到大约200℃-400℃，这导致碳化物颗粒的显著溶解，并由此使得到的合成物的性能降级。另外，由于这种铸造在空气中进行，存在硬颗粒和母体金属都氧化的可能性，并且氧化物可变得截留在合成物内，并使磨损和机械性能降级。

用于制造耐磨部件的另一常用技术是将镍基合金、铜基合金和/或铸铁渗透到纯碳化钨和硬质合金颗粒的多孔质量块内。但是，镍基和铜基合金非常昂贵，并且铸铁不具有对于所有应用都满意的刚度。球墨铸铁代表了更加经济的材料，其可以铸造并具有良好的断裂刚度。但是，采用这些技术的条件不适用于球墨铸铁渗透。另外，这些技术所涉及的渗透温度很高，从而出现硬颗粒的显著降级。在使用这些技术将铸铁渗透到球形铸造碳化物中的情况下，原始碳化物颗粒可完全分解。由于熔融结合金属与硬碳化物颗粒之间的冶金相互作用，用于这种技术的颗粒尺寸必须通常保持在1.14mm(0.045英寸)以上，使得即使在反应之后，也留有大部分的硬颗粒来提供耐磨性。

因此，虽然一些现有技术产品和方法提供许多有利特征，但是它们具有一些局限性。本发明寻求克服这些局限性的某些局限性和现有技术的其他缺陷，并提供一种之前没有得到的新特征。

发明内容

下面提供本发明的各方面的总体概述，以提供本发明的基本理解。此概述不是本发明的延展性综述。不意图鉴别本发明的关键或重要元件，以限定本发明的范围。以下概述只以总体形式提供本发明的一些概念，以作为下面提供的更加详细的描述的前奏。

本发明的各方面涉及一种用于形成衬底上的耐磨合成涂层的方法。模具邻近衬底的表面定位，使得表面与模具腔连通，并且多孔耐磨材料与表面邻近地放置在腔内。金属母体材料接着与腔连通地放置，并且模具和母体材料被加热到母体材料的熔点以上的温度。该温度被保持在熔点以上长达母体材料足以渗透熔融形式的耐磨材料并接触衬底的表面的时间。随后，模具和母体材料被冷却以固化母体材料并形成包括嵌入衬底的表面上的母体材料内的耐磨材料的耐磨合成涂层。母体材料在一种实施方式中可以是球墨铸铁，并且球墨铸铁可具有以重量百分比为单位的如下组分：大约3.0-4.0％碳、大约1.8-2.8％硅、大约0.1-1.0％锰、大约0.01-0.03％硫和大约0.01-0.1％磷，余量是铁和偶有元素和杂质。理解到其他元素和添加物可包括在球墨铸铁中，例如镍(多达37％重量百分比)、铬(多达5.5％重量百分比)和/或硅(多达5.5％重量百分比)。

根据一个方面，耐磨材料可包括选自包括如下物质的组的一种或多种材料：碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和过渡金属的金属间化合物及其组合。可以使用的碳化物的例子包括：WC、TiC、SiC、Cr₃C₂、VC、ZrC、NbC、TaC、(W,Ti)C、B₄C和Mo₂C及其组合。可以使用的氮化物的例子包括：TiN、BN、Si₃N₄、ZrN、VN、TaN、NbN、HfN、CrN、MoN和WN及其组合。可以使用的硼化物的例子包括：硼化钛、硼化铬、硼化钨、硼化镍、硼化锆、硼化铪、硼化钽、硼化铌、硼化钒、硼化钼、硼化硅、硼化铝，以及过渡金属的其他硼化物，及其组合。可以使用的硅化物的例子包括过渡金属的硅化物。耐磨材料可进一步具有潮湿相容涂层。