JP2012509409A - 耐摩耗性複合材 - Google Patents
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Abstract
金属基材の上に結合した関係で配置するのに適した、耐摩耗性の表面被覆複合材。表面被覆複合材は、金属マトリクス内に約０．６以上の充填率の金属炭化物粒子を含む。金属炭化物粒子のうちの約４０重量％以上は、金属マトリクスに投入する前に有効径が＋１４〜３２メッシュの範囲にあることを特徴とする。金属炭化物粒子のうちの約３重量％以上は、金属マトリクスに投入する前に有効径が＋６０メッシュであることを特徴とする。
Description
本開示は、概略的には硬化肉盛り処理に関し、より詳細には、表面に耐摩耗性表面処理を施すための複合材および方法に関する。
硬化肉盛りとは、金属加工物の表面を溶融させる、すなわち、消耗電極を用いて金属加工物の表面を溶接アークに当て、それによって、溶融した材料溜まりを表面に形成する加工を指す。表面層が溶融状態にある間、耐摩耗性材料からなる粒子が溶融材料溜まりに供給される。耐摩耗性粒子および溶融材料は混合されて、下にある基材金属と比べて耐摩耗性が高い複合合金を形成する。
掘削歯などの金属加工物の耐摩耗性を高める１つの手法が、１９７５年５月１３日にＪａｃｋｓｏｎらに付与された（特許文献１）に記載されている。この参考文献は、金属マトリクス内に超硬合金の摩耗パッドを加えることを提唱している。超硬合金粒子は、約６〜約３０米国篩単位（Ｕ．Ｓ． Ｓｉｅｖｅ）の広い粒径範囲を特徴とする。炭化物粒子は不揃いに成形され、粒径範囲は十分に広く、炭化物粒子は約７０体積％〜８５体積％の範囲で存在する。
一態様では、本開示は、金属基材の上に結合した関係で配置するのに適した、耐摩耗性の表面被覆複合材について記載する。表面被覆複合材は、表面被覆複合材の試料の測定領域において、炭化物粒子の相対面積占有率として測定した充填率が約０．６以上の金属炭化物粒子を金属マトリクス内に含む。測定領域は、金属基材から、金属基材の上約３ｍｍの位置まで延びる。金属炭化物粒子のうちの約４０重量％以上は、金属マトリクスに投入する前に有効径が＋１４〜３２メッシュの範囲にあることを特徴とする。金属炭化物粒子のうちの約３重量％以上は、金属マトリクスに投入する前に有効径が＋６０メッシュであることを特徴とする。
別の態様では、本開示は、金属加工物を硬化肉盛りする方法について記載する。その方法は、表面被覆複合材を加工物の金属表面の上に結合した関係で加えることを含む。表面被覆複合材は、表面被覆複合材の試料の測定領域において、炭化物粒子の相対面積占有率として測定した充填率が約０．６以上の金属炭化物粒子を金属マトリクス内に含む。測定領域は、加工物の金属表面から、加工物の金属表面の上約３ｍｍの位置まで延びる。金属炭化物粒子のうちの少なくとも４０重量％は、金属マトリクスに投入する前に有効径が＋１４〜３２メッシュの範囲にあることを特徴とし、炭化タングステン粒子のうちの少なくとも３重量％は、金属マトリクスに投入する前に有効径が＋６０メッシュであることを特徴とする。表面被覆複合材は、金属表面と比較して耐摩耗性が高いことを特徴とする。
ここで図面を参照すると、様々な図を通して、可能な限り同じ要素は同じ参照数字で表される。図１は、協同して作業を行う複数のシステムおよび構成要素を有する例示的な構造の機械１０を示している。機械１０には、鉱業、建設業、農業、運送業、または当技術分野で公知の他の任意の産業などの産業に関連するある種の作業を行うホイール式または無限軌道式機械を含む固定機械または可動機械を含めることができる。例えば、機械１０は、ブルドーザ、掘削機、ローダ、バックホー、モータグレーダ、ダンプカー、または他の任意の土木機械などの土木機械とすることができる。機械１０はまた、掘削装置などの実質的に静止したものであってもよい。
図示した実施形態では、機械１０は、材料が押し動作によって移動されるときに、地面と係合するように構成された刃先１２を有する押しブレード１１を含むことができる。機械１０は、リッパアーム、バケット、ドリル、または他の任意の地面係合具などの作業用具１４を動かすように構成された用具システム１３を含むこともできる。図１に示す機械１０は、外側に突出したグラウザ２０を有する、整列した無限軌道シュー１８を備える無限軌道１６を含む。無限軌道シュー１８は、動作時に地面と係合するように構成されている。よく知られているように、限定するものではないが、刃先１２、作業用具１４、およびグラウザ２０を含む機械１０の様々な構成要素は、動作時にかなり摩耗することがある。当然ながら、機械１０内のいくつもの他の構成要素もまた、摩耗することがある。そのような摩耗により早期に摩損して、交換が必要になることがある。そのような摩耗は、普通に機械加工可能な炭素鋼などの延性材料から形成された物品において、特に深刻なものとなることがある。
限定することのない単なる例として、図２は、硬化肉盛り処理を使用して、グラウザバー２０、刃先１２、作業用具１４、または他の任意の金属構造体などの加工物３６の表面３４上に、所望通りに耐摩耗性表面被覆３２を加える１つの例示的な手法を示している。示すように、例示的な硬化肉盛り処理時に、処理される表面３４は、消耗性軟鋼ワイヤなどの電極５２を含む溶接ヘッド５０に対して、概ね対向する関係で配置することができる。アークが、溶接ヘッド５０と、対向する表面３４との間に発生すると、電極５２は溶解し、表面３４上に液体溜まり５３を形成する。加工物３６を形成する材料の一部もまた、比較的浅い深さまで溶融することがあり、それによって、液体溜まり５３にさらなる液体を供給する。液体溜まりは、方向矢印によって示すように、加工物３６の表面に対して溶接ヘッド５０を移動させることにより、漸次拡張することができる。当然ながら、必要に応じて、溶接ヘッド５０は静止したままにして、加工物３６を相対移動させてもよいと考えられる。
消耗性電極５２を有する溶接ヘッド５０を使用することは、多くの使用環境で有益であり得るが、実質的に任意の局所加熱技術を使用して、処理される表面３４上に液体溜まり５３を形成することができると考えられる。単なる例として、使用される電極５２は、液体溜まり５３が、加工物３６を構成する材料のみで形成されるように非消耗性とすることができる。同様に、消耗部材の有無にかかわらず、トーチまたは他の加熱装置を溶接ヘッド５０の所定の位置に使用することができる。したがって、液体溜まり５３の形成が、特定の装置またはプロセスの使用に依存することは全くない。
耐摩耗性材料からなる粒子５６が液体溜まり５３に供給されて、液体溜まり５３の再固化時に、耐摩耗性表面被覆３２を形成する耐摩耗性複合合金が出現する。単なる例として、粒子５６に適した１つの材料は、コバルトで互いに結合された焼結炭化タングステンである。適切な粒子５６の有用と見込まれる１つの資源は、機械作業で使用されるグランドドリルビットから再生される、フラクタル次元数の超硬合金である。ただし、必要に応じて、他の材料を同様に利用することができる。したがって、粒子５６の少なくとも一部は、限定するものではないが、鋳造炭化タングステン、マクロ結晶炭化タングステンを含む他の材料から形成することができ、さらには、加工物３６を形成する基材と比べて耐摩耗性が高いことを特徴とする、モリブデン、クロム、バナジウム、チタン、タンタル、ベリリウム、コロンビウム、およびそれらの混合物を含む他の金属の炭化物を含む他の材料から形成することができると考えられる。再固化時に結果として生じる耐摩耗性表面被覆３２は、前もって液体溜まり５３を形成していた鋼または他の母材金属の結合マトリクス内に耐摩耗性材料の粒子５６を含む。
よく知られているように、硬化肉盛り処理時に、液体溜まり５３は比較的局部的な位置に配置され、再固化が起こるまでに、限定された期間の間液体状態のままである。したがって、液体溜まりの形成に合わせて粒子５６を供給するのが有利である。限定するものではない単なる例として、１つの例示的な粒子供給手法では、溶接ヘッド５０の概ね後ろの経路に沿って移動する、実質的に中空構造の落下管５８を利用することができる。粒子５６は通常、処理領域において約０．１〜約０．３ｇ／ｃｍ2のレベルで加えられるが、必要に応じて、より高いレベルか、またはより低いレベルを使用してもよい。
溶接ヘッド５０および落下管５８の通過によって付与される処理領域幅６０は、溶接ヘッド５０の移動パターンによって調整することができる。例として、比較的幅狭い処理領域幅６０が望ましい場合、溶接ヘッド５０は、ほぼ直線の進路を移動することができ、落下管５８は真後ろをたどる。通常では、そのような直線の進路パターンを使用して、処理領域幅６０を約１５ｍｍ以下にすることができる。より幅広い処理領域幅が望ましい場合、溶接ヘッドは、図４に実線で示すような、ほぼジグザグパターン６２で移動することができ、落下管５８は、図４に点線で示すように、ジグザグパターン６２の中心にほぼ沿った実質的に直線の経路６３で追従する。ジグザグパターン６２により、形成された溜まりの中心に堆積することができる粒子５６を受け入れる、より幅広い液体溜まりがもたらされる。さらに広い処理領域幅が望ましい場合、溶接ヘッド５０は、互いに隣接する関係で複数回通過して、所望通りに、実質的に表面３４の任意の部分を範囲に含めることができる。
かなりの重量％の比較的小さい粒子をより大きい粒子と組み合わせて包含することにより、最終的な耐摩耗性表面被覆３２内のかかる粒子の充填率をいっそう高めることができ、性能を向上させ得ることが判明した。この点について、「充填率」という用語が、特定の領域内の耐摩耗性表面被覆３２の体積に対する、特定の領域内の、固化した状態にある添加粒子が占める複合合金の体積の比率を指すのは当然のことである。したがって、添加粒子が、固化した状態で全体積の５０％を占める耐摩耗性表面被覆３２の領域は、充填率が０．５である。
充填率を評価するのに使用できる１つの手法によれば、図４に概略的に示すように、耐摩耗性表面被覆３２および下にある加工物３６を貫通する１つまたは複数の断面を切り出すことができる。示すように、その断面は、上にある耐摩耗性表面被覆３２を有する加工物３６の一部を含む。粒子５６は、加工物３６から離れる方向に延びる帯域に集中している。形成時、ほんのわずかな粒子しかない外側領域６５を最外面に配置することができる。この外側領域６５は、溶融電極５２によってもたらされたマトリクス材料から実質的に形成されている。よく知られているように、摩擦環境に置かれた場合に、外側領域６５は、粒子５６の集中領域が露出するまで、初期的に急激に摩耗する傾向がある。その後、摩耗は大幅に減少する。図５〜８は、図４にほぼ対応する代表的な配置を見せる、加えた耐摩耗性表面被覆の顕微鏡写真を示している。図５および図７のボックスは、概ね、下にある加工物から外側領域の下側端部まで延び、それにより、その領域における粒子の集中を示している。
断面をエッチングおよび研磨して、マトリクス内の粒子５６を見えるようにすることができる。次いで、エッチングおよび研磨した面内に測定領域６６を特定することができる。測定領域６６の全面積に対する、測定領域６６内で粒子５６が占める表面積の比率は、充填率の測定値として使用できる面積占有率を規定する。単なる例として、加工物３６の表面から、加工物３６の表面の上約３ｍｍの位置まで延びる標準化された測定領域において、粒子５６が占める表面積を評価することは、粒子５６の濃度が高い、耐摩耗性表面被覆３２の加工物３６に近接する部分における充填率を評価するのに有用であり得る。単一の試料を使用してもよいが、複数の試料を評価し、これらの試料の面積占有率を平均することにより、精度を高めることができる。
１つの例示的な手法によれば、耐摩耗性材料からなる粒子５６は、有効径が約＋１４〜１２０メッシュの範囲にあることを特徴とすることができる。すなわち、粒子は、米国標準１４メッシュスクリーン（１４１０ミクロン）を通過するのに十分小さく、米国標準１２０メッシュスクリーン（１２５ミクロン）を通過することはできない。この広い範囲内で、多様な粒径群を提供するために、大部分の粒子が副範囲をとることが望ましい。そのような多様な粒径分布により、小さい方の粒子が大きい方の粒子間の空間を協同的に埋めて、全体的な充填率を高めることが可能になる。単なる例として、添加粒子５６の１つの例示的な粒径分布が下記の表Ｉに示されている。
そのような粒径分布を利用することで、最終的な充填率を約０．６〜約０．７にすることができる。用途によっては、少なくとも３％、より望ましくは約５％〜約１０％は、これらの粒子が８０メッシュスクリーンを通過するように＋８０メッシュの有効径を有することが望ましい。
必要に応じて、＋１４〜２２メッシュの範囲の粒子を大幅に低減するか、またはなくすように粒径分布を調整し、それにより、高い方のメッシュ番号に対応する小さい方の有効径に向かって分布をシフトさせることができると考えられる。しかし、通常では、粒子のうちの少なくとも４０重量％が、３２メッシュスクリーンによってブロックされるのに十分な大きさの有効径を有することが多くの用途にとって望ましい。そのようなより大きな粒子が存在することで、加工物３６が、火成岩、石英、火山岩滓、または他の同様の媒体と係合する場合にあり得るような非常に摩耗しやすい環境での安定性を高めることができる。必要に応じて、１４メッシュを超える有効径または１２０メッシュ未満の有効径を有する少数の粒子を添加することもできると考えられる。一方、粒子のうちの約９５重量％以上が＋１４〜１２０メッシュの範囲内にあることが望ましい。
単なる例として、ある種の用途にとって特に望ましい、耐摩耗性材料からなる添加粒子の粒径分布が下記の表ＩＩに示されている。
そのような粒径分布を利用することで、最終的な充填率が約０．７になる。
よく知られているように、硬化肉盛り施工時に、表面張力特性により、溶融した材料が、加工物３６の表面３４上に概ね凸形状の隆起したビードを形成する。粒子５６の投入は、この隆起したビードの体積を増加させる傾向がある。この隆起したビード構造は通常、複合合金の再固化時に保持される。単なる例として、最終的に固化した複合合金は、処理される表面３４の平面に対して約４ｍｍ隆起することができ、基材が溶融するために、処理される表面３４の平面の下約２ｍｍの深さまで延びることができる。ただし、これらのレベルは、所望するように増やすことも、または減らすこともできる。
下記の非限定的実施例を参照することで、本開示と一貫性がある特徴を容易に理解することができる。
実施例１
図５および図６は、鋼マトリクス内に炭化タングステン粒子を有し、粒径範囲が＋１４〜１２０メッシュの超硬合金粒子を利用する耐摩耗性表面被覆の断面の顕微鏡写真である。添加した粒子量のうちの約６４重量％が、＋１４〜２２メッシュの粒径範囲内であった。添加した粒子量のうちの約１６重量％が、＋２２〜３３メッシュの粒径範囲内であった。添加した粒子量のうちの約１６重量％が、＋３３〜６０メッシュの粒径範囲内であった。添加した粒子量のうちの約４重量％が、＋６０〜１２０メッシュの粒径範囲内であった。硬化肉盛り施工時に、ワイヤ速度３５０インチ／分、進行速度１０．８インチ／分、および電圧２９ボルトで溶接ヘッドを使用して、落下量２５０グラム／分で粒子を添加した。相対面積占有率に基づくと、炭化タングステン粒子の充填率は０．６〜０．７の範囲内であった。
図５および図６は、鋼マトリクス内に炭化タングステン粒子を有し、粒径範囲が＋１４〜１２０メッシュの超硬合金粒子を利用する耐摩耗性表面被覆の断面の顕微鏡写真である。添加した粒子量のうちの約６４重量％が、＋１４〜２２メッシュの粒径範囲内であった。添加した粒子量のうちの約１６重量％が、＋２２〜３３メッシュの粒径範囲内であった。添加した粒子量のうちの約１６重量％が、＋３３〜６０メッシュの粒径範囲内であった。添加した粒子量のうちの約４重量％が、＋６０〜１２０メッシュの粒径範囲内であった。硬化肉盛り施工時に、ワイヤ速度３５０インチ／分、進行速度１０．８インチ／分、および電圧２９ボルトで溶接ヘッドを使用して、落下量２５０グラム／分で粒子を添加した。相対面積占有率に基づくと、炭化タングステン粒子の充填率は０．６〜０．７の範囲内であった。
実施例２（比較例）
図７および図８は、鋼マトリクス内に炭化タングステン粒子を有し、粒径範囲が＋１４〜２４メッシュの超硬合金粒子を利用する耐摩耗性表面被覆の断面の顕微鏡写真である。耐摩耗性材料が、＋１４〜２４メッシュの粒径範囲を有する超硬合金粒子を利用することを除いて、実施例１で概説した試験手順をすべての点で再現した。相対面積占有率に基づくと、炭化タングステン粒子の充填率は０．４〜０．５の範囲内であった。
図７および図８は、鋼マトリクス内に炭化タングステン粒子を有し、粒径範囲が＋１４〜２４メッシュの超硬合金粒子を利用する耐摩耗性表面被覆の断面の顕微鏡写真である。耐摩耗性材料が、＋１４〜２４メッシュの粒径範囲を有する超硬合金粒子を利用することを除いて、実施例１で概説した試験手順をすべての点で再現した。相対面積占有率に基づくと、炭化タングステン粒子の充填率は０．４〜０．５の範囲内であった。
本開示と一貫性のある耐摩耗性表面被覆を含む加工物は、金属物品が摩損を受ける実質的に任意の使用環境で適用することができる。そのような環境として、鉱業、建設業、農業、炭化水素抽出業、輸送業、または当技術分野で公知の他の任意の産業を挙げることができる。単なる例として、そのような耐摩耗性表面被覆は、可動または固定機械の刃先または作業用具の表面に結合した関係で加えることができる。
１つの例示的な使用法によれば、本開示と一貫性のある耐摩耗性表面被覆は、無限軌道式車両用の無限軌道シュー上にあるグラウザバーの１つまたは複数の表面上に加えることができる。そのような無限軌道式車両として、クローラ式ブルドーザ、リッパ、パイプ敷設車、ローダ、掘削機などを挙げることができる。無限軌道シューは、無限軌道の外側で地面係合面を画定する。耐摩耗性表面被覆は耐摩耗性を向上させ、それによって、実用寿命を延ばし、機械生産性を高める。
Claims (15)
- 金属基材の上に結合した関係で配置するのに適した表面被覆複合材であって、特定の測定領域（６６）内において、その面積占有率で測定した場合に約０．６以上である充填率で金属マトリクス内に配置された複数の金属炭化物粒子（５６）を含み、前記特定の測定領域（６６）は、前記金属基材から、前記金属基材の上約３ｍｍの位置まで延び、前記金属炭化物粒子（５６）のうちの少なくとも４０重量％は、前記金属マトリクスに投入する前に有効径が＋１４〜３２メッシュの範囲にあることを特徴とし、前記金属炭化物粒子（５６）のうちの少なくとも３重量％は、前記金属マトリクス投入する前に有効径が＋６０メッシュであることを特徴とする、表面被覆複合材。
- 前記金属炭化物粒子（５６）の少なくとも一部には、炭化タングステン粒子が含まれる、請求項１に記載の表面被覆複合材。
- 前記炭化タングステン粒子の少なくとも一部はホウ素で結合される、請求項２に記載の表面被覆複合材。
- 前記金属炭化物粒子（５６）の少なくとも一部には、ホウ素で結合される炭化タングステン粒子が含まれ、前記金属マトリクスは鋼である、請求項１に記載の表面被覆複合材。
- 前記金属炭化物粒子（５６）のうちの少なくとも１０重量％は、前記金属マトリクスに投入する前に有効径が＋３２〜６０メッシュの範囲にあることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の表面被覆複合材。
- 前記金属炭化物粒子（５６）のうちの少なくとも５重量％は、前記金属マトリクスに投入する前に有効径が＋６０メッシュであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の表面被覆複合材。
- 前記金属炭化物粒子（５６）のうちの少なくとも５０重量％は、前記金属マトリクスに投入する前に有効径が＋１４〜３２メッシュの範囲にあることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の表面被覆複合材。
- 前記金属炭化物粒子（５６）のうちの少なくとも１０重量％は、前記金属マトリクスに投入する前に有効径が＋３２〜６０メッシュの範囲にあることを特徴とする、請求項６または請求項７に記載の表面被覆複合材。
- 前記金属炭化物粒子（５６）のうちの少なくとも５重量％は、前記金属マトリクスに投入する前に有効径が＋６０メッシュであることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか一項に記載の表面被覆複合材。
- 前記金属炭化物粒子（５６）のうちの少なくとも７０重量％は、前記金属マトリクスに投入する前に有効径が＋１４〜３２メッシュの範囲にあることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の表面被覆複合材。
- 前記金属炭化物粒子（５６）のうちの少なくとも１０重量％は、前記金属マトリクスに投入する前に有効径が＋３２〜６０メッシュの範囲にあることを特徴とする、請求項１０に記載の表面被覆複合材。
- 前記金属炭化物粒子（５６）のうちの少なくとも５重量％は、前記金属マトリクスに投入する前に有効径が＋６０メッシュであることを特徴とする、請求項１０または請求項１１に記載の表面被覆複合材。
- 前記炭化タングステン粒子（５６）のうちの少なくとも９５重量％は、前記鋼マトリクスに投入する前に有効径が＋１４〜１２０メッシュの範囲にあることを特徴とし、前記炭化タングステン粒子（５６）のうちの少なくとも４０重量％は、前記鋼マトリクスに投入する前に有効径が＋１４〜３２メッシュの範囲にあることを特徴とし、前記炭化タングステン粒子（５６）の少なくとも１０重量％は、前記鋼マトリクスに投入する前に有効径が＋３２〜６０メッシュの範囲にあることを特徴とし、前記炭化タングステン粒子（５６）の少なくとも３重量％は、前記鋼マトリクスに投入する前に有効径が＋８０メッシュであることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の表面被覆複合材。
- 前記炭化タングステン粒子（５６）のうちの少なくとも５重量％は、前記鋼マトリクスに投入する前に有効径が＋８０メッシュであることを特徴とし、前記炭化タングステン粒子のうちの少なくとも７０重量％は、前記鋼マトリクスに投入する前に有効径が＋１４〜３２メッシュの範囲にあることを特徴とする、請求項１３に記載の表面被覆複合材。
- 金属加工物を硬化肉盛りする方法であって、
表面被覆複合材を前記加工物（３６）の金属表面（３４）の上に結合した関係で加えることを含み、前記表面被覆複合材は、前記表面被覆複合材内の特定の測定領域（６６）内において、その平均面積占有率で測定した場合に約０．６以上である充填率で金属マトリクス内に配置された複数の金属炭化物粒子（５６）を含み、前記特定の測定領域（６６）は、前記加工物（３６）の前記金属表面（３４）から、前記加工物（３６）の前記金属表面（３４）の上約３ｍｍの位置まで延び、前記金属炭化物粒子（５６）のうちの少なくとも４０重量％は、前記金属マトリクスに投入する前に有効径が＋１４〜３２メッシュの範囲にあることを特徴とし、前記炭化タングステン粒子（５６）のうちの少なくとも３重量％は、前記金属マトリクス投入する前に有効径が＋６０メッシュであることを特徴とし、前記表面被覆複合材は、前記金属表面（３４）に比べて耐摩耗性が高いことを特徴とする、方法。
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