CN110944775A - 用于研磨应用的表面硬化的产品及其制作工艺 - Google Patents

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Abstract

一种表面硬化的产品包括基底和粘合至所述基底的硬质复合材料。所述复合材料包含基体合金和作为耐磨材料的碳化硼，所述基体合金包含铜、银、金、铂、或钯中的至少一个和锰。可以通过将熔化的基体合金施加至基底来制作所述表面硬化的产品，其中所述基体合金与耐磨材料结合。所述基体合金包含铜、银、金、铂、或钯中的至少一个和锰。所述耐磨材料包含碳化硼。

Description

用于研磨应用的表面硬化的产品及其制作工艺
技术领域
本发明一般地涉及耐磨产品及其制作工艺。
背景技术
工具和其他产品与磨料接触的表面易于磨损。例如，地面接合工具和矿物加工工具可能具有高磨损率和短使用寿命。
使用许多对金属表面进行硬化的方法可以使它们更加耐磨。材料选择、合金化和热处理为影响工具的硬度和磨损特性提供了最广泛的方法。表层硬化(渗碳、渗氮等)可以提供额外的硬度和耐磨性。利用了耐磨材料的表面硬化可以进一步延长使用寿命。
在大多数类型的表面硬化中，沉积物掺入了某种类型的抗磨损硬质颗粒。也可以通过各种方法进行表面硬化，比如在包含硬质颗粒的材料的层上钎焊，或将硬质颗粒放入模具中并将金属浇铸至或渗入颗粒中。
发明内容
将碳化硼与金属基体一起使用可提供具有成本效益的和/或低密度的表面，以使在研磨环境中易于磨损的产品抗侵蚀。
在一个实施例中，一种表面硬化的产品包括基底和粘合至所述基底的硬质复合材料。所述复合材料包括基体合金和作为耐磨材料的碳化硼，所述基体合金包括铜、银、金、铂、或钯中的至少一个和锰。作为一个示例，所述表面硬化的产品可以是用于土方工程设备的地面接合工具，比如用于挖掘齿的齿顶。
在另一实施例中，一种表面硬化的产品具有基底和硬质复合材料，所述硬质复合材料包括颗粒碳化硼和渗入所述碳化硼中的基体合金，其中所述基体合金包括铜、银、金、铂、或钯中的至少一个和锰。
在另一实施例中，表面硬化的产品具有基底、焊接或钎焊至基底的壳体、和位于基底和壳体之间且粘合至基底和壳体的硬质复合材料，其中，所述复合材料包括碳化硼和基体合金。基体合金包括铜、银、金、铂、或钯中的至少一个和锰。
在另一实施例中，表面硬化的磨损零件包括基底和粘合至所述基底的硬质复合材料。所述复合材料包括渗入有包含铜和锰的金属钎焊合金的碳化硼颗粒。基体合金可以包含15-95％的铜和5-85％的锰。
在另一实施例中，一种表面硬化的磨损零件包括基底和粘合至所述基底的至少一部分的复合材料。所述复合材料包括渗入有铜和锰的合金的碳化硼，其中所述合金的锰沉淀至所述碳化硼的表面。
在另一实施例中，地面接合工具具有基底，所述基底具有工作部分和安装部分，其中所述安装部分包括用于将所述工具安装至土方工程设备的向后方开口的腔室。复合表面硬化材料在所述基底的至少一部分上(例如所述工作部分上)形成涂层。所述复合表面硬化材料包括渗入有铜和锰的合金材料(其熔化温度低于所述工具基底)的碳化硼的硬质颗粒材料。所述金属复合材料被粘合至所述基底，以将所述复合表面硬化材料连接至所述基底，以形成耐磨工具。在一个示例中，在加工期间，壳体被固定至所述基底以包含所述复合材料和熔化基体。所述复合材料被粘合至限定了工具工作表面的最终形状的壳体。在所述基底的表面与所述壳体之间限定了腔室，并且复合表面硬化材料填充所述腔室。
在另一实施例中，表面硬化的磨损零件包括基底、附接至所述基底(例如通过焊接)以限定所述基底与壳体之间的空间的金属壳体、以及填充所述空间并在所述基底的至少一部分上形成涂层的复合材料。所述复合材料包括渗入有基于铜锰的钎焊材料的颗粒碳化硼材料。在一个示例中，所述渗入材料可以粘合至所述基底的表面并粘合至所述壳体。在另一示例中，所述钎焊材料可以是大约66wt.％的铜和34wt.％的锰。
在另一实施例中，一种将产品表面硬化的方法包括将熔化的基体合金施加至基底，其中所述基体合金与耐磨材料结合。所述基体合金包括铜、银、金、铂、或钯中的至少一个和锰。所述耐磨材料包括碳化硼。
在另一实施例中，一种通过渗入进行表面硬化的方法包括：将碳化硼颗粒放置在模具中，将包含铜和锰的基体材料与所述碳化硼相邻放置，以及熔化所述基体材料以渗入所述碳化硼。
在另一实施例中，一种通过渗入进行表面硬化的方法包括：将碳化硼颗粒放置在模具中，在所述碳化硼上方放置较高密度的材料，将铜和锰的基体材料与所述碳化硼相邻放置，以及加热所述模具以熔化所述基体材料并渗入所述碳化硼。所述较高密度的材料可以是实心或颗粒形式。
在另一实施例中，一种通过渗入进行表面硬化的方法包括：将碳化硼颗粒放置在模具中，将包含铜锰合金的基体材料与所述碳化硼相邻放置，熔化所述基体材料以渗入所述碳化硼。所述锰与所述碳化硼颗粒的外表面形成化合物，以促进与所述基体材料的润湿和粘合。
在另一实施例中，一种通过渗入进行表面硬化的方法包括：将基底放置在模具中，将碳化硼颗粒放置在由所述模具和基底限定的腔室中，将铜和锰的基体材料与所述碳化硼相邻放置，熔化所述基体材料，利用熔化的基体合金渗入所述碳化硼材料，以及将所述基体材料粘合至所述基底。所述方法可以包括由于与熔化的基体材料中的锰发生反应而在碳化硼表面上形成锰化合物。所述方法可以包括在铜锰合金的原始熔化温度之上的温度下对基底退火，其中从熔化的基体材料消耗锰使基体材料的熔化温度上升。所述方法可以包括将锰颗粒或锰合金颗粒放置在具有碳化硼颗粒的腔室中，以补充熔化的基体材料中的锰。所述方法可以包括将涂敷了锰的碳化硼颗粒放置在腔室中。
根据本发明的接受表面硬化的产品可以包括例如适配器、镐、按钮、块体、耐磨板、尖端、护罩、滚筒筛、卡车车体等。
在考虑附图和优选实施例的详细描述之后，将更容易理解本公开的优点。
附图说明
图1是示出根据本发明一个实施例的从上方竖直渗入以形成耐磨复合材料的示例的示意图。
图2是示出根据本发明一个实施例的从下方竖直渗入以形成耐磨复合材料的示例的示意图。
图3是示出根据本发明一个实施例的水平渗入以形成耐磨复合材料的示例的示意图。
图4是示出类似于图1从上方竖直渗入的示例的示意图，其具有在渗入期间压缩硬质颗粒的材料层。
图5是示出在渗入之前的使用竖直渗入在基底上形成耐磨复合材料的系统和方法的一个实施例的示意图。
图6是示出在渗入之后的使用如图5所示的实施例在其上形成了耐磨复合材料的基底的示意图。
图7是在零件上形成耐磨复合材料的一个示例中被配置为用作模具的壳体的一个实施例的透视图。
图8是图7的壳体的截面图，该壳体以用于挖掘或采矿设备的尖端的形式与基底的一个实施例连接，被配置为用于形成耐磨复合材料。
图9是通过使用渗入法在其上形成有耐磨复合材料的磨损构件、以及将由磨损构件接收的唇状物的基部的分解截面图。
图10A是在模具中混合有硬质颗粒的基体颗粒的示意性表示。
图10B是在基体颗粒熔化之后图10A的基体颗粒和硬质颗粒的示意性表示。
图11A是模具中位于硬质颗粒上方的基体颗粒的示意性表示。
图11B是在基体颗粒熔化之后图11A的基体颗粒和硬质颗粒的示意性表示。
图12是用于在基底上制作复合材料的替代方法的示意性表示。
具体实施方式
在诸如采矿的研磨环境中使用的工具易于很快磨损，这限制了其操作性使用寿命。更换磨损零件的停机时间增加了采矿作业的成本。应用于磨损零件表面的表面硬化可以延长使用寿命并降低成本。碳化钨或其他高成本和/或沉重的硬质材料通常用于表面硬化中以提供期望的耐磨性。
在本发明的一个实施例中，一种表面硬化的产品包括基底和粘合到该基底上的硬质复合材料。复合材料包括作为耐磨材料的碳化硼和包含铜、银、金、铂或钯中的至少一种以及锰的基体合金。可以通过已知的工艺(比如渗入表面硬化、等离子转移弧焊、激光焊接、HIP熔覆、将基体合金浇铸在硬质材料上等)来应用这种表面硬化。
在一个示例中，通过渗入工艺进行的表面硬化涉及将多孔耐磨材料放置在模腔中与基底相邻，与耐磨材料相邻地放置基体材料，加热基体材料使其熔化以利用液体基体材料渗入多孔材料并将其粘合到基底上，并随后冷却该组件以形成耐磨复合材料。所得的复合材料包括混杂并粘合到耐磨材料的基体材料。基体材料与耐磨材料粘合在一起并将复合材料粘合到基底上。可以使用渗入来在基底(比如用于采矿、挖掘或其他土方工程设备的零件、或处于研磨条件下的其他产品)上形成耐磨复合表面。该工艺可以可选地在惰性或还原性气氛中进行以预防氧化(该氧化会干扰渗入材料对硬质材料的润湿)，但是也可以使用大气条件。
碳化钨由于其高硬度和润湿特性而通常用于这种耐磨材料中。然而，碳化钨具有高密度并且通常相对昂贵。高密度增加了部件的重量，而高成本增加了成品的成本。碳化硼通常具有比碳化钨和其他常用的表面硬化材料低的密度、高的硬度以及通常低的成本。相比于表面硬化中常用的耐磨材料而言，掺入碳化硼(B4C)的硬质表面可以生产出较低成本的具有优异耐磨性并且对产品增加更少重量的复合物。
在一个实施例中，仅作为示例给出，复合涂层可以包括碳化硼(B4C)的耐磨颗粒和具有大约66wt.％的铜和大约34wt.％的锰的共晶组成的粘合基体材料。该组成提供低的熔化温度，并且可以提供合适的结果，以用于在例如在采矿和其他环境中使用的地面接合工具上进行表面硬化。然而，该组成中的变化是可能的。
例如，无论如何施加硬质复合材料，基体合金均可包括从约1wt.％至约50wt.％的锰，其余部分通常可以为铜。对于某些应用，更高水平的锰也是可能的。其他材料可以包括在基体材料中。例如，可以包括银、金、铂和/或钯、以及铜，或者可以使用一种或多种代替铜。此外，可以将锰与碳化硼预混合和/或预反应，使得锰在基体合金中可以省略或减少百分比。可以使用各种形式的碳化硼，比如球形铸件B4C、压碎铸件B4C和/或胶结B4C。B4C可以包括其他耐磨颗粒，包括例如各种碳化物、氮化物、硼化物、硅化物等，只要它们能够被渗入材料润湿并粘合即可。B4C可以是耐磨材料中的大部分或少部分。这样的材料可以以原始形式提供，和/或提供有诸如金属碳化物和/或金属氮化物之类的促进润湿相容性和/或抵抗硬质颗粒的降解的合适涂层。耐磨材料可以以诸如块体、预成型件等其他形式提供。
基体合金可具有少量的附加元素，比如硅、铝、硫、磷和/或附带元素和杂质。合金添加物可用于实现不同的特性和/或微观结构，前提是它们不会以过度的方式对特性和/或微观结构产生不利影响，比如过度增加渗入温度，和/或将基体和/或所得的耐磨材料的特性过度降低到无法再实际使用该工艺和/或产品的程度。该方法还可以用于产生诸如青铜、黄铜或其他铜合金之类的具有金属基体材料的复合物。在某些实施例中，附加元素的浓度可以为大约0.01％-10％。替代地，附加元素的浓度可以为大约0.01％-2％。如本文所使用的，术语“大约”表示所列出的标称值(例如，组成范围的端点)的+/-10％的变化幅度。在其他实施例中，组成可以不包括这样的变化幅度。
可以以多种形式提供基体材料。例如，在一个实施例中，可以以整体形式提供基体材料，比如一个或多个块体、坯料、锭等。在另一实施例中，可以以颗粒形式提供基体材料，比如粉末、纤维、晶须等。在另外的实施例中，可以以这样的形式的组合提供基体材料。在一些实施例中，硬质颗粒在铸件基体材料中彼此隔开。硬质颗粒的平均中心间距可以大于颗粒的尺寸或直径。替代地，将颗粒堆积并与相邻颗粒接触。
B4C材料可以具有疏松颗粒材料的形式，比如粉末、纤维、晶须等。在各种实施例中，该方法可以利用宽范围的粒径，包括小于50μm的粒径或小于1mm的粒径。在一个实施例中，颗粒可以具有大于0.1μm的粒径。在另一实施例中，颗粒多孔硬质材料可以具有大于0.1μm且最大为5mm的粒径。在另一实施例中，颗粒硬质材料可以具有大约500μm的平均粒径。在一个实施例中，可以以多种粒径来提供硬质材料，比如粗颗粒和细颗粒的组合，该组合可以用于实现硬质材料的较大的密度和/或体积分数。在硬质材料的任何给定体积分数下，这种细颗粒的使用通常导致更细的孔径，并且可以提高填充这些孔的基体材料的屈服强度，从而提高材料的整体耐磨性。当将颗粒材料放置在模腔中时，颗粒之间的空间形成可被基体材料渗入的多孔结构。
替代地，硬质材料可以是多孔或无孔预成型件的形式。在一个实施例中，多孔预成型件的孔隙度可以在从5％至95％的范围内。作为一个示例，多孔预成型件可以包括通过诸如聚合物粘合剂之类的粘合剂材料粘合在一起的颗粒材料。可以比如通过在渗入工艺期间将挥发的粘合剂将预成型件附接到基底材料。当在渗入循环中加热材料时，粘合剂和粘合材料将挥发，并且除颗粒之间的孔隙之外，基体材料还可以填充由于去除粘合剂而留下的孔隙。在另一示例中，多孔预成型件可以包括通过烧结而粘合在一起的颗粒材料，使得在颗粒之间存在孔隙。
预烧结的预成型件可以具有粒径数量级的孔径，这是因为该零件可以被轻微地烧结以实现颗粒之间的颈部成长并且提供一些机械操纵强度。还可以使用其他硬质材料形式，比如编织纤维垫或织物。在另一实施例中，可以以不同形式的组合来提供硬质材料。例如，在一个实施例中，硬质材料可以包括形成硬质材料的一部分的一个或多个预成型件，其他部分由颗粒材料(例如散粉、纤维、晶须等)和/或编织纤维垫或织物形成。
在一些实施例中，在硬质颗粒的孔隙度大于60％时，渗入将受到限制。在一些实施例中，在粒度大于1000微米时，渗入将受到限制。
渗入工艺采用了允许毛细作用力胜过重力的颗粒之间的间隔。在使用较大的颗粒或者各颗粒或各部分间距更大时，在加工期间的毛细作用受到限制。在这种情况下，将颗粒铸造到位而不渗入。可以通过在渗入前将较大的硬质颗粒与较小的颗粒组合来获得一些优势。将金属浇铸在大颗粒上与渗入截然不同，但也可以使用。
渗入是优选的，因为与预混合基体和硬质颗粒或将熔化金属浇铸在颗粒上相比，它提供了更准确和可重复的成品。如图10A和图10B中所示的预混合复合成分可能会由于基体材料加热至熔化温度而导致硬质颗粒的移位。涂层的组成可能与某些区域中硬质颗粒的浓度不一致，和与其他区域中硬质颗粒的消耗不一致。表面纹理也可能不一致。
在渗入工艺中，如图11A所示，在模具12中基体材料层16与分离的硬质颗粒15相邻。硬质颗粒开始彼此接触，并且在引入液体浸渍剂材料之后，颗粒保持在基本上相同的位置。因此，如图11B所示，复合物尺寸倾向于与渗入之前的多孔硬质颗粒层的尺寸相似。
可以如下所述利用各种渗入方法。图1-图3示出了根据各种实施例的各种渗入配置，每个示意性地示出了在模具12的腔室11中熔化基体材料16渗入多孔硬质材料15。图1示出了向下竖直渗入，其中重力帮助了渗入。然而，由于渗入主要由毛细作用驱动，因此可以使用水平渗入、向上竖直渗入、向外/径向渗入、以及其他可能不利用重力或可能克服重力作用的渗入配置。图2示出了向上竖直渗入的示例，图3示出了水平渗入的示例。可以利用其他渗入技术。可以通过使用B4C在表面硬化涂层中作为耐磨材料来实践和/或制作其他技术和产品，比如美国公开20130196169和美国专利No.9,561,562中所教导的，其全部内容通过引用并入本文。
当渗入碳化硼时，要渗入的硬质颗粒的密度低于铜基熔化基体材料的密度。低密度的颗粒会漂浮在液体基体中，并且熔池底部的颗粒密度会低于熔池顶部的密度。为了确保整个成品中硬质颗粒的体积分数恒定，可以可选地在较轻的颗粒上方布置一层较重的材料。如图4所示，可以在碳化硼颗粒15上方放置一层重颗粒19(例如，碳化钨)。可以在重颗粒19上方和/或邻近颗粒放置一层基体材料16。会漂浮在液体基体中的较轻颗粒被较重的颗粒压低，从而确保在基体材料固化时整个复合材料的密度更加均匀。当组件被加热并且基体材料渗入颗粒时，重颗粒和轻颗粒通常将保持分层而不混合。
B4C的密度低于许多适合渗入的基体金属。碳化硼的密度为2.5克/立方厘米。例如，34Mn-66Cu的密度为7.7克/立方厘米，液态时密度稍低。实心钢的密度约为7.8克/立方厘米，碳化钨的密度为15.6克/立方厘米。
在一个示例中，较轻的颗粒15可以是碳化硼，而较重的颗粒19可以是碳化钨。渗入的碳化钨颗粒具有与碳化硼颗粒相似的研磨性和硬度特性，并且在成品中的作用类似。较重的颗粒可以包括其他材料，比如钨金属或钢。较轻颗粒上方的钢层可以在基体合金渗入期间压低或压缩较轻颗粒。钢材通常是多孔的，以允许基体材料流过。一旦渗入，如果需要精加工表面或配合表面，则可以在加工后对基体材料中的钢进行机加工。不需要去除较重的材料。替代地，重颗粒19可以位于基体材料16上方，而不是直接位于硬质颗粒上方。可以使用其他颗粒组合。
在一个实施例中，基体材料比其熔化温度过热25℃至75℃。渗入的保持时间段可以例如是从1至60分钟，其中较大渗入距离通常利用较长渗入时间。在一个实施例中，渗入可以可选地在诸如氩气(Ar)的惰性气氛中进行，这可以避免加热的材料氧化。在另一实施例中，渗入可以可选地在真空中进行。在这种情况下，加热优选从真空度1.3×10-5至1.3×10-7kPa(10-4至10-6Torr)开始，但是随着接近渗入材料的熔化温度，可以可选地引入小分压的氩气(例如1Torr)以抑制渗入材料成分的蒸发以及在熔化状态下的沸腾和飞溅。下文将更详细地讨论可用于渗入的各种气氛。在渗入之后，可以将零件冷却至室温。替代地，初始可以将基体材料加热至较高或较低的温度。替代地，可以将材料加热到环境大气中的温度。
在一个示例中，使用铜锰合金作为基体材料。在渗入期间，熔化合金与碳化硼颗粒接触，以在颗粒表面上形成锰化合物。在使用60-70wt.％铜的合金作为基体材料时，大部分锰会与碳化硼颗粒的表面发生反应。
碳化硼抵抗许多熔化金属的润湿。不论应用形式如何，锰都会与碳化硼反应并形成可以粘合至硬质颗粒和富铜基体材料两者的中间层。如上所述，铜可以结合或代替银、金、铂和/或钯。
在锰通过基体材料促进硬质颗粒的润湿时，基体中锰的消耗会限制渗入深度。基体材料中过量的锰会增加基体材料的渗透和润湿深度。替代地或另外地，在加工之前利用锰、锰化合物或其他合适的材料涂覆硬质颗粒可以促进通过基体材料进行的润湿和渗透，并减少渗入材料中锰的百分比或需要。除了或代替在基体中，还可将锰颗粒(或以另一形式)提供有(例如混合)碳化硼颗粒。这可能导致前面所述的颗粒沉降问题。
替代地，可以通过蒸发或其他方法在碳化硼颗粒上沉积锰或锰化合物，以促进通过基体材料进行的润湿和渗入。
在锰沉淀之后，碳化硼颗粒之间的基体材料可以为大约90-100％的铜。铜合金的熔点通常低于构成元素的熔点。共晶铜锰合金的熔点为871℃，渗入的加工温度可以为大约900℃。非合金铜的熔化温度为1085℃。随着熔点降低剂(锰)从熔体中沉淀出来，铜的浓度和基体材料的熔化温度升高到加工温度以上。然后基体材料固化。
在基体合金溶液中补充锰可以增加渗透深度。锰颗粒或锰合金形式的锰可以与硬质颗粒混合。随着熔化基体材料前进消耗基体中的锰，分布有硬质颗粒的锰溶解在熔化基体中，从而补充了锰。如上所述，当基体材料熔化时，将基体材料与硬质颗粒混合会使硬质颗粒移位，从而影响成品的尺寸。使用可以占据硬质颗粒之间空隙的较细的锰或锰合金颗粒可以限制尺寸不稳定性。替代地或附加地，碳化硼颗粒可以在渗入之前包括锰涂层。
取决于所涉及材料的特性，特别是基底材料的特性，可能需要后加工热处理。根据基底材料的不同，可以根据已知技术进行对基底的热处理，比如退火、正火、硬化然后回火、或马氏体分级淬火然后回火，而不改变复合涂层材料。通常不期望在基体材料的熔化温度以上进行这些热处理。因此，上述基体熔化温度的增加会是有利的。
图5和图6示出了用于形成耐磨复合材料的系统或组件100。在该实施例中，将基底10(例如，挖掘工具的尖端)置于模具12的腔室11内，使得模具12在腔室11中在模具12的内表面13与基底10的外表面14之间留出一定体积，如图5所示。可以预先制备基底10，比如，通过清洁和干燥以除去油或油腻物质和/或使用金属砂粒进行喷砂以除去氧化皮并使表面呈颗粒状，从而基体材料很好地粘合到基底10上。模具12可以由任何合适的材料制成，比如未涂覆或涂覆了的高熔点金属材料，以防止与渗入材料、陶瓷材料或石墨发生反应。当使用金属模具时，模具12可以比如通过在点P处焊接而被焊接、钎焊或以其他方式连接到基底10的外表面14。在一个实施例中，模具12是被焊接到基底以产生腔室11的钢壳；为了避免对模腔11的污染，可以在焊接之前对该壳体进行喷砂。在该实施例中，壳体可以形成成品的一部分。
多孔硬质材料15被插入到模腔11中以与基底10的外表面14接触或以其他方式(比如以颗粒材料或预成型件的形式)连通，如图5所示。基体材料16被放置成与多孔硬质材料15和基底的外表面14连通。如图5所示，可以例如通过简单地将基体材料16放置在固体形式的多孔硬质材料15的顶部上而将基体材料16置于模腔11内。在一个实施例中，基体材料16可以是块体或坯料形式。在另一实施例中，基体材料16可以置于进料器或注射结构中。在另一实施例中，基体材料可以通过诸如致密颗粒19之类的中间材料与多孔硬质材料间隔开。然后如上所述，可以比如通过将系统100放置在可以包含惰性气氛(例如氩气或氮气)或真空的用于加热的熔炉中来对系统100进行渗入准备。托盘、夹具或类似的容器可以用于在熔炉中支撑系统100，比如不锈钢或石墨托盘。在渗入期间，基体材料16熔化并向下渗入通过多孔硬质材料15，最终接触基底10的外表面14。
在进行渗入并冷却系统100之后，如图6所示，在外表面14上形成具有复合涂层18的零件17。该零件17可以从模具12移除，如果被焊接到基底10和/或粘合到涂层18，则可能需要将模具12切开或折断。然而，在一些实施例中，模具可以保持附接在基底和涂层上，作为在使用过程中快速消耗掉的可消耗性表面。复合涂层18包含通过基体材料16与基底10结合到一起并连接的硬质材料15。在一个实施例中，硬质材料15在复合材料18中可以具有5-95％的体积分数。在另一实施例中，硬质材料15可以具有30-85％的体积分数。
根据所期望的应用，复合涂层18可以形成为具有宽范围的厚度。在一个实施例中，零件17可以形成有大约1.2cm(0.5英寸)厚的复合涂层18，其可以在各种各样的应用中使用。零件17可以是尖端、护罩、刀刃或一件设备的承受反复冲击和应力的其他部分，并且复合涂层18的耐磨性和韧性提高了此类应用的性能。挖掘/采矿设备代表了根据本文所述的系统和方法生产的零件的应用的一个示例。替代地，涂层可以高达19cm(7.5英寸)厚或更厚。基底优选比所施加的硬质复合材料厚。
图7和图8示出了用于主要通过向下竖直渗入在基底10的外表面14上形成复合材料的系统200的另一示例。图7和图8的系统200利用具有由片材制成的壳体114形式的模具，其被示为结合具有与图5、图6和图9所示的基底10、10’类似的挖掘/采掘尖端形式的基底112来使用。壳体114可以用于形成复合涂层18，如上面类似地描述和在图5和图6中所示。在一个实施例中，可以将多孔硬质材料15通过壳体114中的开口117浇铸，然后可以将基体材料16放置在多孔硬质材料15的顶部，如类似图5所示。开口117可以具有漏斗状配置，以帮助插入多孔硬质材料15和/或基体材料16。在其他实施例中，比如，如果壳体114在钎焊期间被置于不同定向上，则开口117可以位于壳体114上的其他位置。在替代实施例中，可以将比多孔硬质材料更致密的材料层19置于多孔硬质材料15上或基体材料16上，以确保穿过成品的颗粒的密度更加恒定。
图9示出了具有土方工程设备(例如钢采矿尖端)的磨损构件形式的复合涂层的工具20，其具有形成基底10’的工作部分，该基底10’在其外表面14’上覆盖有如上所述的耐磨复合材料层18’。该工具包括用于接合土料的前部工作部分和用于对安装在挖掘设备的唇缘24上的基部22进行接收的后部开口腔室26。在一个实施例中，复合材料层18’由碳化硼本身或结合铜锰合金基体材料中的其他耐磨材料组成。可以使用锁(未示出)将工具20固定到基部22。
壳体114可以由能够形成或制造成期望形状、并且能够承受在渗入工艺中由渗入材料或通常由渗入钎焊所需的温度引起的溶解、熔化或过度削弱的任何材料制成。在一个示例中，壳体114可以由低碳的“软”钢形成。例如，壳体114可以例如具有大约0.25cm(0.105英寸)的平均壳体厚度。在一个实施例中，壳体114可以由在16Ga(0.15厘米厚)至10Ga(0.34厘米厚)范围内的钣金件制成，这可以适用于宽范围的应用。相反，图8中的基底112在被壳体覆盖的区域中例如可以具有从2.54cm至8.8cm(1.000至3.450英寸)范围内的厚度。在其他实施例中，壳体114可以具有任何其他合适的厚度。壳体114可以被铸造、由棒料机加工、或以不同的方式形成。壳体114的不同部分可以具有不同的厚度。
壳体114与基底112相比时相对较薄，表明壳体114可以容易且相对便宜地形成。对于简单形状的壳体，可以通过切割各片钣金件并将这些片焊接或钎焊在一起来制成相对低成本的壳体114。可以通过弯曲特定配置的各片钣金件，然后将弯曲的钣金件片焊接在一起来制作稍微更复杂的形状。壳体可以粘合到复合材料并且可以是磨损构件的一部分。作为比下方表面更柔软的材料，壳体可能是可消耗性的并在挖掘操作期间迅速磨损。壳体可以为磨损零件提供光滑的表面光洁度。
如图7和图8所示，在一个示例中，壳体114可以由具有两部分式保形带120的两个部分形成，尽管其他配置也是可能的。壳体114的两部分式壳体主体116可以首先由分别具有前凸缘130或后凸缘132的前半件126和后半件128形成。前凸缘130从前半件126的后边缘横向延伸，并且后凸缘132从后半件128的前边缘横向延伸。可以利用比用于渗入的材料具有更高熔化温度的钎焊材料通过焊接或钎焊将前凸缘130与后凸缘132连结。壳体114可以具有这样的保形带120，该保形带120被配置成围绕壳体114的整个外围与基底112的一部分表面进行表面接触，使得至少在保形带120处通过焊接或钎焊将壳体114连接至基底112，如下文所述。在其他实施例中，壳体114可以由单件形成(其中可以不存在凸缘130、132)，或者可以由更多数量的件形成。
替代地，复合材料可以作为预成型件与基底分开地形成，并通过钎焊或其他附接方法施加到基底上。替代地，可以在诸如板子的基底上形成复合材料以形成贴片。然后可以将具有复合材料的板子焊接到表面上。可以将一组具有复合材料的贴片或板子焊接或以其他方式附接到诸如铲斗或卡车车体的表面，以限制表面的腐蚀。
替代地，硬质颗粒15可以被沉积在诸如织物或带子(比如纸、尼龙、PTFE或其他材料)之类的传输材料30上，如图12所示。类似地，基体颗粒16可以被沉积在单独的织物或带子30上。硬质材料和基体材料可以通过允许以有限的粘合材料分散性来处置带子的粘合剂而被固结和保留。可以将具有硬质颗粒的带子放置在基底上以接收复合材料。将具有基体材料的带子放在硬质材料上方。带子可以具有允许带子被放置并相对于基底和彼此保持其位置的粘合表面。然后将具有堆叠的带子的基底在烤箱中加热，以使用上述方法熔化基体材料。带子和粘合剂在熔炉中加热时被消耗掉。达到熔化温度时的基体材料将渗入下方硬质颗粒，将它们粘合在一起，并在冷却时粘合到基底以形成复合材料。
如上所述的多孔硬质材料的渗入主要由毛细作用驱动，即，作用在渗入前沿的毛细压力。在渗入前沿处的压差可取决于许多因素，包括例如熔化基体材料的表面张力、熔化基体材料相对于多孔硬质材料的接触角、多孔硬质材料的几何特性(例如孔隙度、曲折度、孔径和形状的变化、及其对熔化材料表观接触角的影响)、以及多孔硬质材料内的任何残留气体的压力。在特定的基体/填充系统内，用于控制许多这些因素的自由可能受到限制。残余气体压力可以被至少部分地控制，并且多孔硬质材料内的残余气体压力的最小化可以使压差和毛细作用的驱动力最大化。反过来，这可以使基体材料可渗入多孔硬质材料的潜在距离最大化。在至少一些配置中，与其他形式的多孔硬质材料相比，使用一种或多种预成型件形式的多孔硬质材料可以使渗入距离最大化。
在用于形成耐磨复合材料的一些实施例中，在渗入操作期间使用不同的气氛以控制和/或最小化多孔硬质材料中的残留气体压力。在这些实施例中，渗入在具有保持模具、基体材料和多孔硬质材料的腔室的熔炉中执行，其中可以控制腔室内的气氛。应当理解，组件还可以包括与模具连通的基底，如下所述。
可以控制操作中的气氛，以帮助实现足以驱动基体材料通过多孔硬质材料在较大/较长的距离上渗入的毛细压力梯度。在该实施例中，在熔化基体材料之前将腔室基本上排空。在一个实施例中，优选至少在渗入工艺的开始排空，以避免或最小化组件的部件的氧化。在其他实施例中可以使用不同的程序，比如不排空或排空到比上面讨论的程度小的程度。
在一个实施例中，整个腔室在熔化基体材料之前被排空，并在整个渗入工艺中保持在真空条件下。在另一实施例中，排空之后的气体压力可以从0.0001至0.0010kPa或可以低至1×10-5kPa。在另一实施例中，腔室压力可以为0.00001至0.0010kPa。在熔化基体材料之前将腔室排空可以减少或消除多孔硬质材料中的残留气体压力，这有助于通过毛细作用驱动渗入。多孔硬质材料中的残留气体可能会限制可通过毛细作用实现的渗入长度。
在一个实施例中，在渗入工艺之前，如上所述将腔室排空。在基体材料已被熔化之后，将氩气(或另一非反应性气体，比如氮气)的分压引入腔室。可以将Ar气体进料到腔室中，直到Ar分压达到约0.07-0.01kPa。在熔化基体材料以减小或消除多孔硬质材料中的残留气体压力之前将腔室排空，可以如上所述帮助驱动渗入。之后引入Ar气体可以帮助减少浸渍剂材料或其成分的蒸发和飞溅。
在耐磨材料颗粒与基体材料不润湿相容的另一实施例中，在将耐磨材料颗粒用于通过渗入钎焊形成复合材料之前，可将耐磨材料颗粒涂覆润湿相容的涂层。
如本文所用，术语“基体材料”和“硬质材料”不应被认为暗示该基体材料或硬质材料形成任何特定比例的复合材料。例如，在一些实施例中，基体材料不需要形成复合材料中的大多数或大部分，而硬质材料可以形成复合材料中的大多数或大部分。
应当理解，本文所述的基底的“表面”可以包括多个不同的表面或侧面，并且除非明确指出，否则并不暗示这个(这些)表面具有任何特定的轮廓。基底可以是具有适合于表面硬化应用的熔点的任何材料；例如，在渗入工艺中，基底优选具有高于基体材料的熔点。这种基底的示例包括铸造、锻造和粉末冶金生产的金属材料，以及陶瓷和基于陶瓷的材料，比如金属化陶瓷。在一个实施例中，基底可以是碳钢、合金钢、不锈钢或工具钢。该系统和方法可以替代地用于形成作为整件的耐磨复合材料。
本文已经描述和示出了若干替代实施例和示例。本领域普通技术人员将理解各个实施例的特征以及部件的可能组合和变化。本领域普通技术人员将进一步理解，可以与本文公开的其他实施例以任何组合来提供任何实施例。应当理解，在不脱离本发明的精神或主要特征的情况下，本发明可以以其他特定形式实施。因此，本示例和实施例在所有方面都应被认为是说明性的而不是限制性的，并且本发明不限于本文给出的细节。本文中所使用的相对术语(比如“顶部”、“底部”等)仅用于说明性目的，而不以任何方式限制实施例。
除非在权利要求书中特别指出，否则本说明书中的任何内容均不应解释为要求结构的特定三维定向以落入本发明的范围内。另外，要告知读者的是附图不一定按比例绘制。另外，如本文所使用的，术语“多个”表示根据需要分别地或连带地直至无限数字的大于1的任何数字。此外，本文所使用的“提供”一种物品或设备广义上是指使该物品可得或可用于将来会对该物品执行的动作，并不意味着提供该物品的一方已经制造、生产或供应了该物品，或提供该物品的一方对该物品拥有所有权或控制权。因此，尽管已经示出和描述了特定的实施例，但是在不明显脱离本发明精神的情况下可以想到许多修改，并且保护范围仅由所附权利要求的范围来限制。

Claims (48)

1.一种表面硬化的产品，包括基底和粘合至所述基底的硬质复合材料，其中所述复合材料包含基体合金和作为耐磨材料的碳化硼，所述基体合金包含铜、银、金、铂、或钯中的至少一个和锰。
2.根据权利要求1所述的表面硬化的产品，其中，所述基体合金包含铜。
3.根据权利要求1或2所述的表面硬化的产品，其中，所述基体合金包含重量百分比占1-50％的锰。
4.根据权利要求3所述的表面硬化的产品，其中，基体合金通常包含铜作为其余部分。
5.根据前述权利要求中任一项所述的表面硬化的产品，其中，所述基体合金包含重量百分比占至少60％的铜。
6.根据前述权利要求中任一项所述的表面硬化的产品，其中，所述基体合金包含重量百分比占大约35％的锰和重量百分比占大约65％的铜。
7.根据前述权利要求中任一项所述的表面硬化的产品，其中，所述碳化硼颗粒占所述复合材料的体积百分比的30-80％。
8.根据前述权利要求中任一项所述的表面硬化的产品，其中，所述复合材料包括碳化硼作为所述基体合金中的颗粒。
9.根据权利要求8所述的表面硬化的产品，其中，所述碳化硼颗粒在0.1μm与5mm之间。
10.根据权利要求8所述的表面硬化的产品，其中，所述碳化硼颗粒平均为500μm。
11.根据前述权利要求中任一项所述的表面硬化的产品，其中，所述基底在施加了所述复合材料的位置比所述复合材料厚。
12.根据前述权利要求中任一项所述的表面硬化的产品，其中，所述基底具有能用于土方工程设备上的地面接合产品的形式。
13.根据前述权利要求中任一项所述的表面硬化的产品，其中，所述基底具有尖端的形式，所述尖端包括用于将所述尖端安装在土方工程设备上的向后方开口的腔室和在所述腔室前部的工作部分。
14.根据前述权利要求中任一项所述的表面硬化的产品，其中，所述复合材料被粘合至所述工作部分。
15.根据前述权利要求中任一项所述的表面硬化的产品，其中，所述碳化硼被所述基体材料渗入。
16.根据前述权利要求中任一项所述的表面硬化的产品，包括金属壳体，所述金属壳体被焊接或钎焊至所述基底，以将所述复合材料夹在所述基底与所述壳体之间。
17.根据前述权利要求中任一项所述的表面硬化的产品，其中，所述基底为钢。
18.一种地面接合工具，包括：
基底，其包括安装部分，所述安装部分具有用于将所述工具安装至土方工程设备的向后方开口的腔室和在所述腔室前部的工作部分；以及
粘合至所述基底的所述工作部分的复合表面硬化材料，所述复合表面硬化材料包含碳化硼以及锰与铜、银、金、铂、或钯中至少一个的合金。
19.根据权利要求18所述的地面接合工具，其中，壳体被固定至所述基底，以将所述碳化硼和所述合金夹在所述壳体与所述基底之间。
20.根据权利要求19所述的地面接合工具，其中，所述复合表面硬化材料被粘合至所述壳体和所述基底。
21.一种将产品表面硬化的方法，包括：
将熔化的基体合金施加至基底，其中所述基体合金与耐磨材料结合，所述基体合金包含铜、银、金、铂、或钯中的至少一个和锰，并且所述耐磨材料包含碳化硼；以及
冷却所述产品，使得所述基体合金被粘合至所述耐磨材料和所述基底。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述基体合金包含铜。
23.根据权利要求21或22所述的方法，其中，所述基体合金包含重量百分比占1-50％的锰。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，基体合金通常包含铜作为其余部分。
25.根据权利要求21-24中任一项所述的方法，其中，所述基体合金包含重量百分比占至少60％的铜。
26.根据权利要求21-25中任一项所述的方法，其中，所述基体合金包含重量百分比占大约35％的锰和重量百分比占大约65％的铜。
27.根据权利要求21-26中任一项所述的方法，其中，所述碳化硼占所施加的表面硬化的体积百分比的30-80％。
28.根据权利要求21-27中任一项所述的方法，其中，耐磨材料包含颗粒形式的碳化硼。
29.根据权利要求21-28中任一项所述的方法，其中，所述基底具有能用于土方工程设备上的地面接合产品的形式。
30.根据权利要求21-29中任一项所述的方法，其中，所述基底具有尖端的形式，所述尖端具有用于安装在土方工程设备上的向后方开口的腔室和在所述腔室前部的工作部分。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，在所述工作部分上施加表面硬化。
32.根据权利要求21-31中任一项所述的方法，包括相对所述基底放置模具，以在结合所述熔化的基体合金之前容纳所述耐磨材料。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述模具是被焊接或钎焊至所述基底的金属壳体。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，使所述熔化的基体合金渗入所述耐磨材料中。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述耐磨材料具有颗粒形式。
36.根据权利要求21-31中任一项所述的方法，其中，通过等离子转移弧焊将所述熔化的金属基体和所述耐磨材料施加至所述基底。
37.根据权利要求21-31中任一项所述的方法，其中，通过激光焊接将所述熔化的金属基体和所述耐磨材料施加至所述基底。
38.根据权利要求21-31中任一项所述的方法，其中，通过HIP熔覆将所述熔化的金属基体和所述耐磨材料施加至所述基底。
39.一种对产品表面硬化的方法，包括：
将碳化硼颗粒放置在模具中并与基底接触；
将包含铜和锰的基体材料与所述碳化硼相邻放置；
加热所述基体材料，以使其熔化并渗入所述碳化硼；以及
冷却所述基体材料，以使得所述基体材料粘合至所述基底和所述碳化硼。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，通过焊接或钎焊将所述模具固定至所述基底。
41.根据权利要求39或40所述的方法，其中，熔化所述基体材料并渗入所述碳化硼是在真空下完成的。
42.根据权利要求39或40所述的方法，包括在惰性气氛中完成熔化所述基体材料并渗入所述碳化硼。
43.根据权利要求39-42中任一项所述的方法，包括在所述基体材料的渗入之前将较高密度的材料放置在所述碳化硼上方。
44.根据权利要求43所述的方法，其中，所述较高密度的材料包含颗粒。
45.根据权利要求43或44所述的方法，其中，所述较高密度的材料包含碳化钨。
46.根据权利要求39-45中任一项所述的方法，其中，锰颗粒与硼颗粒混合并与所述硼颗粒放置在所述模具中。
47.根据权利要求39-45中任一项所述的方法，其中，在所述基体材料的渗入之前对所述碳化硼颗粒涂敷锰。
48.根据权利要求39-45中任一项所述的方法，其中，在所述基体材料的渗入之前在所述碳化硼的表面上沉淀锰。
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