CN111511485A

CN111511485A - 耐磨层

Info

Publication number: CN111511485A
Application number: CN201880067533.8A
Authority: CN
Inventors: W.刘; Z.王; A.贝尔
Original assignee: Oerlikon Metco US Inc
Current assignee: Oerlikon Metco US Inc
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2018-10-31
Publication date: 2020-08-07
Also published as: CA3075600A1; WO2019087097A2; JP7429188B2; RU2020115867A; WO2019087097A3; US11819913B2; EP3703887A4; US20200346285A1; RU2020115867A3; JP2021501258A; EP3703887A2; MX2020004228A

Abstract

本文公开了用于在基底上形成耐磨层的混合物、在基底上的耐磨层以及在基底上形成耐磨层的方法。用于在基底上形成耐磨层的混合物包含第一耐磨颗粒类型的颗粒、第二耐磨颗粒类型的颗粒和耐磨层粘结剂，所述耐磨层粘结剂用于在形成耐磨层时将第一耐磨颗粒和第二耐磨颗粒粘结在该层中。同样，第一耐磨颗粒类型和第二耐磨颗粒类型的耐磨颗粒尺寸分布具有第一众数和第二众数。第一颗粒类型与第一众数相关，而第二颗粒类型与第二众数相关。此外，与第一众数相关的第一耐磨颗粒的数量大于与第二众数相关的第二耐磨颗粒的数量。此外，第二众数大于第一众数。

Description

耐磨层

技术领域

本文公开的发明一般但不排他地涉及用于在基底上形成耐磨层的粉末、在基底上的耐磨层和在基底上形成耐磨层的方法。

背景

工具表面的磨损可能需要工具更换，尤其是如果更换相对于工具的固有经济寿命过早。磨损可能是工具表面与结构的直接摩擦(两体磨耗)或工具表面与结构和工具表面之间的至少一种颗粒的摩擦(三体磨耗)的结果。工具表面也可能被流体携带的颗粒磨耗，例如在钻油和气井中使用的钻井流体。

可以在工具表面上沉积硬涂层(比如说，0.1 mm厚)或堆焊(比如说，＜5 mm厚)形式的耐磨层，以改善表面的磨损性质或修复表面。堆焊目前与工业工具、地面接合工具以及挖掘和钻井工具(包括例如钻头、钻柱和其它井下工具)有关使用。在纸、汽车、玻璃制造和其它工业中，工具也会经历磨损。

通常，长期一直需要能够相对容易地形成的更好、更硬和更一致的耐磨层。

概述

本文公开了用于在基底上形成耐磨层的混合物。该混合物包含第一耐磨颗粒类型的颗粒、第二耐磨颗粒类型的颗粒和耐磨层粘结剂，所述耐磨层粘结剂用于在形成耐磨层时将第一耐磨颗粒和第二耐磨颗粒粘结在该层中。同样，第一耐磨颗粒类型和第二耐磨颗粒类型的耐磨颗粒尺寸分布具有第一众数和第二众数。第一颗粒类型与第一众数相关，而第二颗粒类型与第二众数相关。此外，与第一众数相关的第一耐磨颗粒的数量N_S大于与第二众数相关的第二耐磨颗粒的数量N_L。此外，第二众数大于第一众数。

在本发明的上下文中，众数是颗粒尺寸的频率分布的峰。因此，这些众数可以被看作在颗粒分布中看到的最高峰。众数代表最通常在分布中发现的颗粒尺寸(或尺寸范围)。特别是如果在颗粒分布中存在多于一个峰，使用众数，并且颗粒分布中描述的不同众数有助于描述不同峰的中点。中值被定义为总体的一半位于该点之上，以及一半位于该点之下的值。对于颗粒尺寸分布，中值称为D50。通常，颗粒分布的峰可以是对称的或不对称的。如果相关众数的峰是对称的，则中值等于众数。如果相关众数的峰是不对称的，则中值和众数是(颗粒尺寸的)不同值。术语颗粒尺寸尤其可涉及体积、表面、直径和现有技术水平已知的描述颗粒尺寸的其它量值。关于颗粒尺寸的分析和颗粒尺寸分布的表示的其它信息尤其可从ISO 9276-1、ISO 9276-2、ISO 13320-1、ISO 13320-1、ISO 13322-2、ISO 11277和ISO13317获得。

本文公开的混合物公开了第一耐磨颗粒类型和第二耐磨颗粒类型。第一耐磨颗粒类型和第二耐磨颗粒类型的不同之处在于它们与不同的众数(相同颗粒分布的峰)相关，即存在与第一众数相关的第一耐磨颗粒(第一颗粒类型)和与第二众数相关的第二耐磨颗粒(第二颗粒类型)。由于第一颗粒和第二颗粒与不同的众数相关，它们在其尺寸上不同，但在其组成上不一定如此。根据本发明，在本方法中使用的耐磨层中，较小的颗粒类型具有较高的颗粒数量，而较大的颗粒类型具有较小的颗粒数量。

根据本发明，术语第一耐磨颗粒类型和第二耐磨颗粒类型涉及至少两种不同的颗粒类型。根据本发明，可以存在多种耐磨颗粒(相当于第一耐磨颗粒和第二耐磨颗粒)，其中多种耐磨颗粒的耐磨颗粒尺寸分布具有多个众数。关于多种颗粒类型，适用以下。颗粒类型越小(即，相应的众数越小)，在该方法中使用的混合物/耐磨层中的相应颗粒的数量应该越高。

用于在基底上形成耐磨层的混合物可以用于根据本发明的方法中以形成如本文所述的耐磨层。

在本发明的特定实施方案中，混合物可以呈粉末的形式。

在实施方案中，与第二众数相关的第二颗粒的数量N_L小于耐磨颗粒的总数量N_S +N_L的30%，尤其是5%至30%之间，优选15%至30%之间，特别是15%至25%之间。与第一众数相关的第一颗粒的数量N_S可以大于耐磨颗粒的总数量N_S + N_L的70%，尤其是70%至95%之间，优选70%至85%之间，特别是75%至85%之间。

在实施方案中，第二众数m_L大于第一众数m_S的两倍(m_L＞2 m_S)，尤其是大于第一众数m_S的三倍(m_L＞3 m_S)，特别是大于第一众数m_S的四倍(m_L＞2 m_S)。更大可能特别地涉及与众数相关的颗粒的体积或者涉及众数的颗粒的另一量值。

在实施方案中，与第一众数相关的耐磨颗粒的中值尺寸(D50) D50_S大于第二众数D50_L的两倍(D50_S＞2 D50_L)，尤其是大于第二众数的第二颗粒的中值尺寸的三倍(D50_S＞3D50_L)，特别是大于第二众数的第二颗粒的中值尺寸的四倍(D50_S＞4 D50_L)。

在实施方案中，多种耐磨颗粒类型的每种具有在10μm至1.2 mm范围的尺寸。

在实施方案中，多种耐磨颗粒类型的每种具有在10μm至420μm范围的尺寸。

在实施方案中，多种耐磨颗粒类型具有多峰颗粒尺寸分布。

在实施方案中，多种耐磨颗粒包含碳化钨、碳化二钨(W₂C)和碳化钨(WC)的共熔混合物、天然金刚石、包封的金刚石砂粒、压碎的多晶金刚石复合片、碳化物、氮化物、过渡金属的氧化物、球形铸造碳化物、有角铸造碳化物、烧结碳化钨小球、烧结碳化钨、铸造碳化钨和单碳化钨中的至少一种。

在实施方案中，耐磨层粘结剂包含金属粘结材料。

在实施方案中，金属粘结材料包含铜、锡、银、钴、镍、硼、镉、锰、锌、铁、铬、铋、硅或其合金中的至少一种。

一个实施方案包含30重量%至50重量%的耐磨层粘结剂、10重量%至30重量%的第一尺寸的铸造钨粉末、以及30重量%至50重量%的在第二尺寸内的碳化钨粉末。

在实施方案中，第一颗粒尺寸范围是-40/60 ASTM标准目，以及第二颗粒尺寸范围是-100/325 ASTM标准目。

颗粒的总数量N_S + N_L在本发明的含义内是多种耐磨颗粒的数量之和，特别是与第一众数相关的第一耐磨颗粒的数量N_S和与第二众数相关的第二耐磨颗粒的数量N_L之和。

假定多种耐磨颗粒，通常存在多峰颗粒尺寸分布。多峰颗粒尺寸分布是具有多个(即多于一个众数/至少第一和第二)众数的颗粒尺寸分布，并因此在颗粒分布中看到多个最高峰(或至少可识别的峰)。多峰颗粒分布可以是连续的和/或非连续的。当颗粒分布包含连接的峰时，多峰颗粒分布是连续的，当颗粒分布包含未连接的峰时，多峰颗粒分布是非连续的。通常，非连续颗粒分布的颗粒尺寸，更准确地说，不同众数的颗粒尺寸，与在连续颗粒尺寸分布中相比差别较大。

本文公开了在基底上的耐磨层。耐磨层包含通过耐磨层粘结剂粘结在一起的第一耐磨颗粒类型和第二耐磨颗粒类型。此外，第一耐磨颗粒类型和第二耐磨颗粒类型的耐磨颗粒尺寸分布分别具有第一众数和第二众数。因此，第一颗粒类型与第一众数相关，而第二颗粒类型与第二众数相关。此外，第一类型的耐磨颗粒的数量N_S大于第二类型的耐磨颗粒的数量N_L，第二众数大于第一众数。

耐磨层可以用如上所述的根据本发明的方法沉积在基底上。

在实施方案中，与第二众数相关的第二颗粒的数量N_L小于耐磨颗粒的总数量N_S +N_L的30%，尤其是5%至30%之间，优选15%至30%之间，特别是15%至25%之间。与第一众数相关的第一颗粒的数量N_S可以大于耐磨颗粒的总数量的70%，尤其是70%至95%之间，优选70%至85%之间，特别是75%至85%之间。

在实施方案中，第二众数大于第一众数的两倍，尤其是大于第一众数的三倍，特别是大于第一众数的四倍。

在实施方案中，多种耐磨颗粒的每种具有在10μm至1.2 mm范围的尺寸，或在10μm至1 mm范围的尺寸，或在10μm至420μm范围的尺寸，尤其是在10μm至350μm范围的尺寸，优选在10μm至200μm范围的尺寸，特别是在10μm至50μm范围的尺寸。多种耐磨颗粒可具有在10μm至420μm范围的尺寸。

在实施方案中，多种耐磨颗粒具有多峰颗粒尺寸分布。

在实施方案中，混合物包含35重量%至75重量%、尤其是50重量%至70重量%、优选35重量%至60重量%、特别是35重量%至50重量%的多种耐磨颗粒，以及25重量%至65重量%、尤其是30重量%至50重量%、优选40重量%至65重量%、特别是50重量%至65重量%的耐磨层粘结剂。

在实施方案中，混合物包含30重量%至50重量%的耐磨层粘结剂、10重量%至30重量%的第一尺寸的铸造钨粉末、以及30重量%至50重量%的第二尺寸范围的碳化钨粉末。

在实施方案中，第一尺寸范围是-40/60 ASTM标准目，以及第二颗粒尺寸范围是-100/325 ASTM标准目。

在实施方案中，耐磨层粘结剂包含金属粘结材料的整体基体。

本文公开了在基底上形成耐磨层的方法。该方法包括将混合物应用到基底，和加热第一和第二耐磨颗粒与耐磨层粘结剂的混合物以形成耐磨层的步骤。

该方法可包含将第一耐磨颗粒类型应用到基底，将第二耐磨颗粒类型应用到基底的步骤，其中第一耐磨颗粒类型和第二耐磨颗粒类型的耐磨颗粒尺寸分布分别具有第一众数和第二众数。因此，第一颗粒类型与第一众数相关，而第二颗粒类型与第二众数相关。另外，第一类型的耐磨颗粒的数量N_S大于第二类型的耐磨颗粒的数量N_L。此外，第二众数大于第一众数。该方法进一步包含将耐磨层粘结剂应用到基底的步骤。此外，该方法还包含加热第一和第二耐磨颗粒以及耐磨层粘结剂的步骤。

在实施方案中，第二众数m_L大于第一众数m_S的两倍(m_L＞2 m_S)，尤其是大于第一众数m_S的三倍(m_L＞3 m_S)，特别是大于第一众数m_S的四倍(m_L＞2 m_S)。一个众数大于另一个众数意味着在相应众数下的颗粒尺寸较大。

在实施方案中，多种耐磨颗粒类型的每种可以具有在10μm至1.2 mm范围的尺寸，或在10μm至1 mm范围的尺寸，或在10μm至420μm范围的尺寸，尤其是在10μm至350μm范围的尺寸，优选在10μm至200μm范围的尺寸，特别是在10μm至50μm范围的尺寸。

在实施方案中，多种耐磨颗粒的每种具有在10μm至420μm范围的尺寸。

在实施方案中，多种(即第一和/或第二类型)耐磨颗粒具有多峰颗粒尺寸分布。在本文的上下文中，“多峰分布”具有两个或更多个众数。

在实施方案中，多种耐磨颗粒包含碳化钨、碳化二钨(W₂C)和碳化钨(WC)的共熔混合物、天然金刚石、包封的金刚石砂粒、压碎的多晶金刚石复合片、碳化物、氮化物、过渡金属的氧化物、圆形铸造碳化物、有角铸造碳化物、烧结碳化钨小球、烧结碳化钨、铸造碳化钨和单碳化钨中的至少一种。

在实施方案中，耐磨层粘结剂包含金属粘结材料，并且金属粘结材料被熔化以形成金属粘结材料的整体基体。

在实施方案中，该方法包括将如此熔化的金属粘结材料渗透多种耐磨颗粒的步骤。通常，如果该方法进一步包括熔化金属粘结材料使得第一和/或第二耐磨颗粒被金属材料渗透的步骤，则第一和/或第二耐磨颗粒被金属材料渗透到例如第一和/或第二耐磨颗粒中的孔隙或空腔至少部分地被金属材料填充的程度。耐磨层粘结剂有助于韧性并将耐磨颗粒保持在一起，但可能容易磨损。虽然耐磨颗粒提供耐磨性，但它们本身太脆而不能经受冲击载荷。用耐磨层粘结剂渗透第一和/或第二颗粒可以抵消脆性。

该方法的一个实施方案包括将包含多种耐磨颗粒和耐磨层粘结剂的混合物应用到基底。

一个实施方案包含将包含所述混合物的粉末应用到基底。

在实施方案中，加热多种耐磨颗粒和耐磨层粘结剂包括将混合物加热到高于基底粘合温度。

在实施方案中，加热多种耐磨颗粒和耐磨层粘结剂包括将耐磨层粘结剂加热到大于耐磨层粘结剂软化温度和耐磨层粘结剂熔化温度中的至少一个的温度。

在实施方案中，加热多种耐磨颗粒类型和耐磨层粘结剂的步骤包括加热应用到基底的多种耐磨颗粒和应用到基底的耐磨层粘结剂的步骤。

一个实施方案包含将多种耐磨颗粒引入指向基底的火焰中的步骤，该火焰加热多种耐磨颗粒。

一个实施方案包含将耐磨层粘结剂引入火焰中的步骤，该火焰加热耐磨层粘结剂。

一个实施方案包含将包含多种耐磨颗粒类型和耐磨层粘结剂的混合物引入指向基底的火焰中的步骤，该火焰加热该混合物。

在实施方案中，火焰将混合物加热到高于基底粘合温度。

在实施方案中，火焰将耐磨层粘结剂加热到大于耐磨层粘结剂软化温度和耐磨层粘结剂熔化温度中的至少一个的温度。

一个实施方案包含将多种耐磨颗粒类型和耐磨层粘结剂引入指向基底的等离子体流中的步骤，该等离子体流加热多种耐磨颗粒和耐磨层粘结剂。

一个实施方案包含将包含多种耐磨颗粒类型和耐磨层粘结剂的混合物引入等离子体流中的步骤。

在实施方案中，等离子体流将耐磨层粘结剂加热到大于耐磨层粘结剂软化温度和耐磨层粘结剂熔化温度中的至少一个的温度。

一个实施方案包含将多种耐磨颗粒类型和耐磨层粘结剂分别引入等离子体流中的步骤。

在实施方案中，在加热熔化部分的等离子体流外部，将多种耐磨颗粒类型和耐磨层粘结剂沉积到基底的熔化部分上，基底的熔化部分加热多种圆形颗粒和耐磨层粘结剂。

在实施方案中，基底的熔化部分将耐磨层粘结剂加热到大于耐磨层粘结剂软化温度和耐磨层粘结剂熔化温度中的至少一个的温度。

在实施方案中，多种耐磨颗粒类型和耐磨层粘结剂通过分离器与等离子体流分离。

在实施方案中，分离器包含分离结构。分离结构可包含分离壁。

一个实施方案包含使等离子体流移动越过基底表面和多种耐磨颗粒类型的源的步骤，并且耐磨层粘结剂的源在等离子体流之后。

一个实施方案包含在等离子体流周围输送保护气体的步骤。

在实施方案中，耐磨层粘结剂包含多种金属颗粒。

在实施方案中，多种金属颗粒包括钎焊金属。

上述公开内容中的每一个的各种特征中的任何以及下面描述的实施方案的各种特征中的任何可以根据合适和需要进行组合。

附图的简要描述

现在将参考附图仅通过实例的方式描述实施方案，在附图中：

图1-3显示了通过耐磨层的各个实施方案的截面。

图4-6显示了耐磨层的实施方案和用于形成耐磨层的粉末的实施方案的颗粒尺寸直方图。

图7显示了形成耐磨层的方法的实施方案的流程图。

图8显示了可用于应用形成耐磨层的实施方案的粉末的实施方案的氧气-燃料焊炬头部的实例。

图9和10显示了可用于形成耐磨层的实施方案的等离子体转移弧(PTA)焊炬的实例。

图11显示了HVOF焊炬的实例。

图12-17显示扫描电子显微照片。

图18-20显示了在使用期间通过焊炬的出口喷嘴的横截面视图。

实施方案的描述

图1显示了通过耐磨层的实施方案的截面，所述耐磨层为在基底上形成的堆焊形式，并且总体上由数字10表示。耐磨层10包含多种耐磨颗粒，即第一耐磨颗粒类型12和第二耐磨颗粒类型14。耐磨层10还包括耐磨层粘结剂13，用于在形成时将多种耐磨颗粒12、14粘结在耐磨层中。多种耐磨颗粒的耐磨颗粒尺寸分布具有多个众数，其中与多个众数中的第一众数相关的耐磨颗粒的数量大于与多个众数中的第二众数相关的耐磨颗粒的数量，第二众数大于第一众数。

在该实施方案中，第一耐磨颗粒12和第二耐磨颗粒14包含多种圆形耐磨颗粒(呈球形耐磨颗粒的形式)。图2和3显示了通过具有有角耐磨颗粒16、18的耐磨层20、22的可选实施方案的截面。

与第二众数相关的颗粒的数量N_L小于多种耐磨颗粒的30%。与第一众数相关的颗粒的数量N_S大于多种耐磨颗粒的70%，然而在具有多于2个众数的实施方案中，这可以更少。

第二众数大于第一众数。在该实施方案中，与第二众数相关的耐磨颗粒的中值尺寸(D50)大于第二众数的两倍。

多种耐磨颗粒12、14可以具有在10μm至1.2 mm范围的尺寸，并且在该实施方案中具有在10μm至420μm范围的尺寸。然而，其它实施方案可具有在这些范围之外的颗粒尺寸。可以选择颗粒尺寸，使得它们可以通过耐磨层施用器焊炬的喷嘴。

图4显示了在耐磨层和经应用以形成耐磨外层的粉末的另一个实施方案中多种耐磨颗粒的尺寸的直方图。多种耐磨颗粒具有多峰颗粒尺寸分布。在该实施方案中，直方图包含多个未连接的峰，即分布是非连续的。图5显示了耐磨层和粉末的其它实施方案的多个耐磨元件的尺寸的直方图，其中多峰分布是连续的。图6显示了耐磨层和粉末的又一实施方案的多种耐磨颗粒的多峰直方图。图6的直方图具有4个非重叠峰，其具有不同的平均颗粒尺寸a、b、c和d，以及耐磨颗粒尺寸范围a1-a2、b1-b2、c1-c2和d1-d2。可以有比图6中所示更多或更少的峰。尺寸大小具有以下关系：

上述关系中的值可以变化。多种耐磨颗粒包含碳化钨、碳化二钨(W₂C)和碳化钨(WC)的共熔混合物(“铸造碳化钨”)、天然金刚石、包封的金刚石砂粒、压碎的多晶金刚石复合片、碳化物例如碳化钨、钨、氧化铝、氮化物例如氮化硅、过渡金属的氧化物、球形铸造碳化物、有角铸造碳化物、烧结碳化钨小球、烧结碳化钨、铸造碳化钨和单碳化钨中的至少一种。多种耐磨颗粒的每种的硬度可以大于1000 HV_0.1。

层10包含35%至75%的多种耐磨颗粒和25重量%至65重量%的耐磨层粘结剂。层10包含40 wt.%的呈含镍钎焊颗粒形式的耐磨粘结剂和60 wt.%的圆形铸造碳化钨。耐磨层粘结剂有助于韧性并将耐磨颗粒保持在一起，但容易磨损。耐磨颗粒提供耐磨性，但单独的颗粒太脆而不能经受冲击载荷。

颗粒尺寸和颗粒尺寸分布可以使用例如筛分分析、显微镜计数、计算机显微照片分析或通常任何合适的方式来确定。颗粒尺寸的一种度量是指定颗粒穿过的目和颗粒不穿过的另一个目。颗粒尺寸可以使用例如ASTM国际(ASTM)适应筛，或通常具有不同目尺寸的任何合适的多种筛来确定。可以堆叠具有不同目尺寸的两个筛，并且将颗粒放置在顶部筛中，该顶部筛具有比底部筛更大的孔。在摇动该堆叠之后，已知由下层筛保留的颗粒具有在允许穿过第一筛而不穿过第二筛的范围的尺寸。保留用在目尺寸前添加“+”号来代表。穿过用在目尺寸前添加“-”符号来代表。例如，尺寸为-40/+60 ATSM目的颗粒穿过ASTM 40号筛，但不能穿过ASTM 60号筛。例如，可以使用堆叠的多于两个筛来确定颗粒尺寸分布。

用于形成耐磨层的实施方案的粉末的实施方案包含20 wt.% -40/60 ATSM标准目的铸造碳化钨形式的耐磨颗粒和40 wt.% -100/200 ASTM标准目的铸造碳化钨形式的耐磨颗粒，以及因此40 wt.%的层粘结剂，然而这些百分比可以变化。由该粉末形成的耐磨层具有相同的组成。可以使用其它碳化物。

用于形成耐磨层的实施方案的粉末的另一个实施方案包含30 wt.%的铁粘结剂和70 wt.%的耐磨颗粒。更具体地说，该粉末包含20 wt.% -16/20 ASTM标准目的超密烧结碳化钨小球、10 wt.% -30/50 ASTM标准目的超密烧结碳化钨小球和40 wt.% -100/200 ASTM标准目的圆形铸造碳化钨。由该粉末形成的耐磨层具有相同的组成。

用于形成耐磨层的实施方案的粉末的实施方案包含30重量%至50重量%的耐磨层粘结剂、10重量%至30重量%的第一尺寸的铸造钨粉末和30重量%至50重量%的第二尺寸的碳化钨粉末。在该实施方案中，第一颗粒尺寸为-40/60 ASTM标准目，以及在该实施方案中，第二颗粒尺寸为-100/325 ASTM标准目。由该粉末形成的耐磨层具有相同的组成。

耐磨层粘结剂包含钎焊金属形式的金属粘结材料，并且金属粘结材料被熔化以形成金属粘结材料的整体基体。金属粘结材料包含多种金属颗粒，所述金属颗粒可例如包括任何合适的钎焊金属，其实例包括铜、锡、银、钴、镍、硼、镉、锰、锌、铁、铬、铋、硅或其合金。金属颗粒还可包含铬，其使在熔化粉末固化时形成的合金硬化。耐磨层粘结剂也可含有硅和/或硼粉末以有助于助熔和沉积特性。在本实施方案中，多种金属颗粒包含镍、铬、硼和硅。镍可占88重量%至95重量%，铬可占0%至12%，硼可占0%至1%，以及硅可占0%至1%。耐磨层的硬度可以小于800 HV_0.1。

为了形成混合物，可以将多种耐磨颗粒类型、耐磨层粘结剂和所使用的其它颗粒在工业叶片式混合器中混合，在转鼓混合器中转鼓，或通常使用任何合适的混合方法混合。混合物可以是干燥的(即粉末)或湿的(即糊状物)。

图7显示了包括多个步骤的在基底50上形成耐磨层60的方法30的实施方案的流程图，现在描述。步骤1 (参照32)包括将多种耐磨颗粒12、14、16、18应用到基底60。多种耐磨颗粒的耐磨颗粒尺寸分布具有多个众数，其中与多个众数中的第一众数相关的耐磨颗粒的数量N_S大于与多个众数中的第二众数相关的耐磨颗粒的数量N_L，第二众数大于所述第一众数。步骤2 (参照34)包括将耐磨层粘结剂应用到基底。步骤3 (参照36)包括加热应用到基底50的多种耐磨颗粒12、14、16、18和应用到基底的耐磨层粘结剂13。

图8显示了根据方法30的实施方案可用于将包含多种耐磨颗粒12、14、16、18和耐磨层粘结剂13的粉末应用到基底50的氧气-燃料焊炬52的头部的实例。可选地，通过应用研磨机来清洁基底50的表面66。或者，可使用化学清洁剂或通常任何合适的清洁方法。基底50可以是钢或通常适合方法30的实施方案的任何基底。在该实例中，气体燃料是乙炔。被引入氧乙炔焊炬52的口54的乙炔可沿导管51向下移动，并在气体导管开口53处离开焊炬头部52，在此其与被引入口64的氧气燃烧，以形成氧-乙炔火焰62形式的火焰。通常，可以使用任何合适的燃料，其实例包括丙烷、氢和甲烷。在可选实施方案中，氧气可经由口54引入，而乙炔可通过口64引入。然后，火焰62可以可选地应用到基底50以对其预热。然后可将粉末经由粉末进料口56和58中的任一个引入到导管51中的乙炔气流内。或者，可通过口56引入多种耐磨颗粒，并可经由口58引入耐磨层粘结剂。这可以克服粉末内的偏析的任何潜在或实际问题，其可能降低耐磨层质量。该粉末由乙炔沿导管51携带进入指向基底50的火焰62中，火焰62将多种耐磨颗粒12、14、16、18和耐磨层粘结剂加热到高于基底粘合临界温度，使得多种耐磨颗粒12、14、16、17和耐磨层粘结剂13在应用到基底时粘合到基底50，以形成未成熟层，或者在一些可选实施方案中，形成耐磨层60。基底粘合临界温度通常可根据粉末组成而变化。基底粘合温度可以大于例如500℃、600℃、700℃、800℃、900℃和1000℃中的至少一个。然后可以停止粉末的流动。然后将火焰62与乙炔流中的进一步的粉末一起应用到未成熟层(在该实施方案中但不必在所有实施方案中)以将其加热到耐磨层粘结剂熔化温度以上的温度。因此，耐磨层粘结剂熔化形成粉末熔体形式的流体。流体和其中的颗粒在基底50的表面上流动。然后从基底50去除火焰。流体在冷却时固化以形成耐磨层60，该耐磨层60包括分布在耐磨层粘结剂13中并由其粘结的多种耐磨颗粒12、14、16、18。通过扩散，耐磨层60原子地结合到基底50的表面66。在可选实施方案中，耐磨层60可以以不同方式结合，例如化学结合。

耐磨层60可以使用该方法的其它实施方案在基底上形成。例如，可以使用等离子体转移弧(PTA)表面处理方法。图9中显示了可用于形成耐磨层102的PTA焊炬68的实例。气体(“等离子体气体”)经由等离子体气体入口90注入PTA焊炬68的喷嘴76内的电极室88中。在电极室88中设置钨电极形式的电极78。等离子体气体流过电极78的尖端92，在那里电流流过等离子体气体以形成等离子体流70，等离子体流70经由喷嘴出口94排出。在这个实例中但不必是所有的实例中，等离子体流70具有15,000到25,000摄氏度之间的温度。等离子体流70指向基底72的表面74。通过向基底72和电极78应用电势差75来产生电流。附加地或可选择地，可以在电极78和喷嘴76之间应用另一电势差73。电势差73、75由电源产生。可以不应用电势差73、75中的一个。例如，电势差75可用于形成引导弧79，在一些实施方案中但不必是所有实施方案中，该引导弧可在建立收缩的等离子体流70之后熄灭。可以将以包含多种耐磨颗粒和耐磨层粘结剂的混合物形式的粉末71进料到指向基底72的等离子体流70中。通常，可以使用本文公开的任何合适的粉末。粉末71与例如以氩气形式的粉末载气流一起通过粉末进料器82引入或进料到喷嘴76的口84中，并沿通道连通到邻近喷嘴出口94的粉末出口114。粉末出口114设置成用于在这样形成时将粉末71引入等离子体流70。这样引入到等离子体流70中的粉末71被加热并通过等离子体流70输送到基底72的表面74以形成耐磨层102。喷嘴76还具有任选的保护气体入口98和保护气体出口100，其被布置成任选地在等离子体流70形成时将保护气体输送到其周围。保护气体可防止工作区暴露于可氧化表面74、耐磨层102或焊炬73的氧气。

喷嘴76通常但不必被以水(或者可选地空气或任何通常合适的液体)形式的流体冷却，该流体流过在喷嘴76中形成的液体室80。

图10显示了可用于形成耐磨层102的PTA焊炬110的另一实例。PTA焊炬110在形式和功能上类似于图9的PTA焊炬68，并且类似或相同形式和/或功能的部件被类似地编号。然而，图10的PTA焊炬110被布置成使得粉末71不被引入到如此形成的等离子体流70中。粉末71与例如以氩气形式的粉末载气流一起通过粉末进料器82引入或进料到喷嘴76的口112中，并沿通道连通到粉末出口114，该粉末出口设置成用于在这样形成时将粉末71沉积在表面74上和等离子体流70的外部。粉末出口114是粉末源。在其它实施方案中，可由与焊炬110分开的另一源或通常由任何合适的源应用该粉末。该单独的源可以被捆绑或以其它方式固定到PTA焊炬110，但这不是必须的。在该实施方案中，但不必在所有实施方案中，粉末出口114通过分离结构形式的分离器与等离子体流喷嘴出口94分离，在该实施方案中，分离结构为分离壁116。在使用中，PTA焊炬110在表面上移动，使得粉末出口114在喷嘴出口94后。因此，粉末71沉积在表面74的等离子体熔化部分上以形成耐磨层。这可以降低粉末所暴露的温度，这可以允许使用否则可能被来自等离子体流的热降解的粉末。可以存在用于多种耐磨颗粒和耐磨层粘结剂的单独的出口。

等离子体流70将耐磨层粘结剂和多种耐磨颗粒12、14、16、18加热到大于耐磨层粘结剂软化温度和耐磨层粘结剂熔化温度中的至少一个的温度。耐磨层粘结剂冷却并硬化以粘结多种耐磨颗粒12、14。

在通过上述PTA表面处理方法之一应用粉末71之前，基底72的表面74可以任选地通过应用研磨机来清洁。或者，可使用化学清洁剂或通常任何合适的清洁方法。基底72可以是钢或通常方法30适用的任何基底。在PTA表面处理方法之前，表面可以由电阻式或感应式加热器预热到90-650摄氏度。例如，碳和/或空气淬火的钢可以在PTA表面处理方法之后缓慢冷却。

在另一个实施方案中，多种耐磨颗粒12、14、16、18和耐磨层粘结剂可以分别进料到指向基底72的等离子体流中。例如，耐磨层粘结剂可以引入口84中，而多种耐磨颗粒引入口99中。

耐磨层可以使用例如高速氧燃料沉积(HVOF)形成。图11中显示了HVOF焊炬(也称为HVOF枪) 210的实例。焊炬210具有主体212，该主体具有混合室214和与混合室连通的燃烧室216。焊炬210具有多个混合室口220、222和224。焊炬210具有通向燃烧室216的高速射流通道218。氧气、氧乙炔形式的燃料(或者可选择地氢气、甲烷、丙烷、丙烯、天然气、煤油、通常任何合适的燃料或这些的混合物)和粉末经由口220、222和224引入混合室以形成混合物。粉末进入燃烧室216，在其中氧气和燃料燃烧形成高速火焰形式的高速气体射流，其沿高速射流通道218携带粉末。如在该实施方案中，高速火焰可具有大于1000 m/s的速度。在高速射流通道的远端是出口，高速气体射流和其中的粉末通过该出口离开焊炬210。高速气体射流指向在其上应用粉末以形成耐磨层的基底。

激光熔覆是沉积耐磨层的另一种方式。激光熔覆使用高能激光束作为热源。在处理期间，粉末被进料到激光束的焦点，部分或完全熔化，然后固化成与基底具有冶金学结合的耐磨层。所述材料可包含粉末、冷线和热线。粉末可以在处理之前预先放置在基底上。粉末可以通过附接到激光器头部的粉末进料线供给，其沿着激光束的轴线进料。同轴粉末进料可有助于沉积的尺寸精度，并可产生高质量的耐磨层。

粉末可以通过通常任何合适的技术沉积，包括火焰喷涂、等离子体转移弧(PTA)、复合棒、管棒和绳。耐磨层粘结剂包含金属粘结材料，并且金属粘结材料被熔化以形成金属粘结材料的整体基体。

实施例

耐磨层的实例包含具有多峰耐磨颗粒尺寸分布的多种耐磨颗粒，其中小尺寸耐磨颗粒为基于耐磨颗粒12、14、16、18的总重量的大于50重量%。

表1详细列出了三个耐磨层样品的组成。相同地制备三个耐磨层的前体并使用火焰喷涂将其应用。组成A中的多种耐磨颗粒的颗粒尺寸直方图是单峰的，所有都在单一范围。图12显示具有组成A的耐磨层的全景扫描电子显微镜图像。组成B是大尺寸耐磨颗粒占多数，以及小尺寸耐磨颗粒占少数。图13显示具有组成B的耐磨层的全景扫描电子显微镜图像。组成C具有占多数的小尺寸耐磨颗粒和占少数的大尺寸耐磨颗粒。样品C中的多种耐磨颗粒的尺寸分布在表2中详细列出。大尺寸颗粒的中值(D50)至少是小尺寸颗粒的中值的两倍。表2的分布是双峰的，并且较大的颗粒占少数。图14显示具有组成C的耐磨层的全景扫描电子显微镜图像。通过处理耐磨层的SEM图像的图像处理软件确定耐磨颗粒的体积分数。

横截面SEM图像显示于图15 (组成A)、图16 (组成B)和图17 (组成C)中。

组成C具有最低的磨损损失和侵蚀体积损失，这表示它可能优于B和C中的任何一个。样品A和B具有较少的每单位体积的耐磨颗粒(分别为30 vol. %和18 vol. %)和较少的平均自由程。

表1 样品堆焊的组成。

平均自由程是碳化物颗粒之间的耐磨层粘结剂的平均厚度的量度。平均自由程λ由以下等式给出，λ=(1-f)/NL，其中f是碳化物颗粒的体积分数，其通过SEM软件计算，以及NL是在随机线上相交的每单位长度的碳化物颗粒的数量，其可以由SEM照片计算。

如果平均自由程小于腐蚀剂或磨耗剂颗粒，则耐磨层粘结剂得到最大保护，并且优先去除耐磨层粘结剂不是主要的磨损机理。因此，具有较小的平均自由程可能是所希望的。较大颗粒在耐磨层粘结剂中具有较长的保留时间，并保护较小颗粒不受磨损。因此，希望两者协调。

表2 样品C中多种耐磨颗粒的分布。

为了测试样品堆焊的耐磨耗性，按照ASTM G65程序A的参数和设置(130N @ 6000转)进行磨损测试。

使用磨料水射流(AWJ)确定沉积物的耐泥浆侵蚀性。将平均尺寸为108 μm的Barton石榴石HPX #220颗粒流引入小直径的水射流中，使得水射流的动量部分地转移到磨料颗粒上。石榴石颗粒被加速到高速，然后被导向工件以进行侵蚀测试。在小的冲击角度(＜30度)下，腐蚀的样品的材料去除主要是由于切削或犁削，软金属合金的优先去除留下暴露于表面的主要耐磨颗粒。在大的冲击角度下，冲击力主导材料去除并导致许多耐磨颗粒的破裂。

图18、19和20显示了火焰喷涂焊炬出口喷嘴的横截面，其中有三种不同的粉末。包括小颗粒和大颗粒的组合的粉末比仅包括大颗粒的粉末更不可能堵塞喷嘴。因此，组合的粉末可以导致更均匀的流动，并且可以导致耐磨层中更大的堆积密度。

应用

基底通常可以是任何合适的基底，其实例包括但不限于采矿或其他工业使用的钻头、其他井下设备、挖掘机的铲斗的齿、凿子和叶片。

粉末可用于在任何合适的基底上形成耐磨层。现在进一步描述一些建议的应用，然而，应理解存在耐磨层的许多应用。

稳定器用于油和气的勘探和生产。它们的功能是为钻头提供稳定性并保持孔的尺寸控制。稳定器的大部分与孔或钢套管的壁直接接触。通过钻柱的旋转和渐进式钻探，保护性颗粒和堆焊易于磨损，这可最终导致修理、寿命终止或尺寸上不可接受的直径。具有本文所述的耐磨层应用到其上的稳定器可减少或消除这些问题。

制造旋转式双圆锥和三圆锥钻头，其具有由母体钢加工而成的突起或“齿”。具有本文所述的耐磨层应用到其上的钻头可具有增加的寿命并表现出降低的“齿”磨损，这可提高钻井性能和生产力。

在机械挖掘和去除岩石期间，在挖掘机齿和铲斗上可以看到显著的磨损。具有本文所述的耐磨层应用到其上的挖掘机齿和铲斗可具有延长的寿命，并因此可降低更换成本。

多晶金刚石钻头的外径经受滑动磨损。具有本文所述的耐磨层应用到其上的多晶钻头可以具有增加的使用寿命。

在多晶金刚石钻头的寿命期间，支撑切削结构的钻头的主体和叶片可能遭受限制寿命的磨损。具有本文所述的耐磨层应用到其上的主体和叶片可以减少侵蚀性磨损，这可以增加工具寿命并降低成本。

截齿在岩石的机械挖掘和路面的表面修整期间使用。截齿通常被制造成两件；主体和插入件。主体通常是钢，而插入件通常是硬质合金。在一些情况下，使用含金刚石的插入件。主体寿命通常受到过度磨损或“洗刷”的限制。具有如本文所述的耐磨层并且紧邻插入件的主体可以具有延长的寿命，并且减少更换磨损的截齿所需的停机时间。

破碎机齿可用于各种应用，包括从含油的沙中机械提取油。破碎机齿可以围绕旋转滚筒定位并且与岩石、沙和油机械地相互作用。磨损可能很大。具有如本文所述的耐磨层应用到其上的破碎机齿可具有延长的寿命。

在钻探气和油的情况下，泥浆动力马达驱动钻头旋转和扭矩。马达可以包含与相对的轴承或滚动颗粒滑动接触的径向和轴向轴承两者。具有如本文所述的耐磨层应用到其上的轴承可显著增加轴承寿命，减少轴承长度，并提供用于更多组轴承的能力，这在钻探油和气时促进更高的钻压和更好的生产力。

现在已经描述了实施方案，将理解一些实施方案具有以下优点中的一些：

·与在其中碳化物具有单峰颗粒尺寸分布的常规组成相比，实施方案具有耐磨层中耐磨颗粒的改进的堆积密度和体积分数，其接着减少平均自由程，增加耐磨耗性和耐侵蚀性，而不牺牲耐开裂性；

·耐磨层组成可以获得比具有较小质量密度的硬颗粒的现有技术耐磨涂层更好的性能，并且可以具有更好的耐开裂性。

在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对所描述的实施方案进行变化和/或修改。圆形耐磨元件可以是球形耐磨元件。例如，虽然上面公开的基底是钢，但是将理解的是，实施方案可以用在其它基底材料上，例如另一种金属(诸如铝)、硬质合金或通常任何合适的基底材料。粉末可以倾倒或以其它方式应用到基底上。可以通过在炉中加热基底和其上的粉末来熔化粉末。耐磨层可以是涂层或堆焊。所述耐磨层是耐磨外层，然而它们可以不是外层，且可以具有在其上另外的层。因此，本实施方案在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。对本文公开的特征的引用并不意味着所有实施方案必须包括该特征。

如果有的话，本文描述的现有技术不应被认为是承认现有技术在任何权限下形成公知常识的一部分。

在所附权利要求和本发明的前述描述中，除了由于表达语言或必要的暗示导致上下文另外需要，否则词语“包含(comprise)”或变体诸如“包含(comprises)”或“包含(comprising)”以包括性意义使用，即明确说明存在所述特征，但不排除在本发明的各种实施方案中存在或添加进一步的特征。

Claims

1.用于在基底(13)上形成耐磨层(10、20、22、60、102)的混合物，所述混合物包含第一耐磨颗粒类型(12)的颗粒和第二耐磨颗粒类型(14)的颗粒，和用于在形成时将所述第一耐磨颗粒和所述第二耐磨颗粒粘结在所述耐磨层(10、20、22、60、102)中的耐磨层粘结剂(13)，其中所述第一(12)和第二(14)耐磨颗粒类型的耐磨颗粒尺寸分布分别具有第一众数、第二众数，所述第一颗粒类型(12)与所述第一众数相关，并且所述第二颗粒类型(14)与所述第二众数相关，其中与所述第一众数相关的第一耐磨颗粒的数量N_S大于与所述第二众数相关的第二耐磨颗粒的数量N_L，并且其中所述第二众数大于所述第一众数。

2.权利要求1定义的混合物，其中所述混合物呈粉末(71)的形式。

3. 前述权利要求中任一项定义的混合物，其中与所述第二众数相关的所述第二颗粒的数量N_L小于耐磨颗粒的总数量N_S + N_L的30%，尤其是5%至30%之间，优选15%至30%之间，特别是15%至25%之间，其中与所述第一众数相关的第一颗粒的数量N_S大于耐磨颗粒的总数量N_S + N_L的70%，尤其是70%至95%之间，优选70%至85%之间，特别是75%至85%之间。

4.前述权利要求中任一项定义的混合物，其中所述第二众数大于所述第一众数的两倍，尤其是大于所述第一众数的三倍，特别是大于所述第一众数的四倍。

5. 前述权利要求中任一项定义的混合物，其中所述第一耐磨颗粒的中值尺寸(D50)D50_S大于所述第二耐磨颗粒的中值尺寸D50_L的两倍，尤其是大于所述第二众数的所述第二颗粒的中值尺寸的三倍，特别是大于所述第二众数的所述第二颗粒的中值尺寸的四倍。

6. 前述权利要求中任一项定义的混合物，其中所述第一耐磨颗粒和所述第二耐磨颗粒具有在10μm至1.2 mm范围的尺寸，或在10μm至1 mm范围的尺寸，或在10μm至420μm范围的尺寸，尤其是在10μm至350μm范围的尺寸，优选在10μm至200μm范围的尺寸，特别是在10μm至50μm范围的尺寸。

7.前述权利要求中任一项定义的混合物，其中所述第一耐磨颗粒和/或所述第二耐磨颗粒包含碳化钨、碳化二钨(W₂C)和碳化钨(WC)的共熔混合物、天然金刚石、包封的金刚石砂粒、压碎的多晶金刚石复合片、碳化物、氮化物、过渡金属的氧化物、圆形铸造碳化物、有角铸造碳化物、烧结碳化钨小球、烧结碳化钨、铸造碳化钨和单碳化钨中的至少一种。

8.前述权利要求中任一项定义的混合物，其中所述耐磨层粘结剂(13)包含金属粘结材料。

9.权利要求8定义的混合物，其中所述金属粘结材料包含铜、锡、银、钴、镍、硼、镉、锰、锌、铁、铬、铋、硅或其合金中的至少一种。

10.前述权利要求中任一项定义的混合物，其中所述混合物包含35重量%至75重量%、尤其是50重量%至70重量%、优选35重量%至60重量%、特别是35重量%至50重量%的所述第一耐磨颗粒和所述第二耐磨颗粒，以及25重量%至65重量%、尤其是30重量%至50重量%、优选40重量%至65重量%、特别是50重量%至65重量%的所述耐磨层粘结剂。

11.前述权利要求中任一项定义的混合物，其中所述混合物包含30重量%至50重量%的耐磨层粘结剂(13)、10重量%至30重量%的在第一尺寸范围内的铸造钨粉末、以及30重量%至50重量%的在第二尺寸范围内的碳化钨粉末。

12.在基底上的耐磨层，所述耐磨层(10、20、22、60、102)包含：

通过耐磨层粘结剂(13)粘结在一起的第一(12)和第二(14)耐磨颗粒类型，其中所述第一(12)和第二(14)耐磨颗粒类型的耐磨颗粒尺寸分布分别具有第一众数、第二众数，所述第一颗粒类型(12)与所述第一众数相关，以及所述第二颗粒类型(14)与所述第二众数相关，其中所述第一类型(12)的耐磨颗粒的数量N_S大于所述第二类型(14)的耐磨颗粒的数量N_L，并且其中所述第二众数大于所述第一众数。

13.根据权利要求12所述的耐磨层，其中所述耐磨层(10、20、22、60、102)用权利要求1-11所述的混合物生产。

14. 用权利要求1-11所述的混合物在基底(50、72)上形成耐磨层(10、20、22、60、102)的方法，所述方法包括以下步骤：

将所述混合物应用到基底(50、72)；以及

加热所述第一和第二耐磨颗粒与所述耐磨层粘结剂(13)的混合物以形成所述耐磨层。

15.权利要求14定义的方法，其中所述耐磨层粘结剂(13)包含金属粘结材料，所述方法包括熔化所述金属粘结材料以形成金属粘结材料的整体基体，并且所述方法进一步包括熔化所述金属材料，使得所述第一耐磨颗粒和/或所述第二耐磨颗粒被所述金属材料渗透。

16.权利要求14或15中任一项定义的方法，其中所述方法进一步包括加热所述混合物，因此加热所述第一和第二耐磨颗粒以及所述耐磨层粘结剂(13)，尤其包括将所述混合物加热到高于基底粘合温度。