TWI567270B - 耐磨材料，以及生成耐磨材料之系統及方法 - Google Patents

Description

耐磨材料，以及生成耐磨材料之系統及方法 參考相關申請案

本申請案請求2012年1月31日提申之美國第61/593,091號臨時申請案之優先權及權利，該申請案係整體併入於此作為參考。

發明領域

本發明大體而言係關於用於生成一耐磨材料之系統及方法，更特定地，係關於利用滲透技術以形成該耐磨材料且藉由硬焊使該材料與一基材連接的系統和方法，以及該系統及方法的產物。

發明背景

各種類型的開鑿設備具有會遇到重覆撞擊和壓力的點、邊緣、表面和其它部件，該等重覆撞擊和壓力會導致此部件的磨損和斷裂。因此，具有高硬度和耐磨性且伴隨良好堅硬度的材料係此類應用所想要的。具有高硬度和耐磨性的材料在其它應用中也是有用的，包括會面臨相似挑戰的應用。

用於生成耐磨部件之一通用技術係藉由將一融熔金屬(例如：鑄鐵)倒至一放在該鑄模中之堅硬、耐磨材料的週圍以使該耐磨材料連接至該鑄造金屬部件而鑄造該部件且生成一耐磨複合物。此方法之一主要缺點係由此方法連接耐磨材料至其上的基材係被限制為適用於鑄造之材料。此外，該耐磨材料一般係被限制為體積分數範圍為5-50%且被限制為大於50μm之顆粒，且該部件一般係被限制為少於6.25mm(0.250吋)的厚度。再者，此方法需要將熔融合金過熱至約200℃至400℃，其導致碳化物顆粒明顯的分解而因此降解了所致之複合物的特性。更進一步，因為此鑄造係在空氣中進行，有可能使得該堅硬顆粒和該基質金屬二者產生氧化，且該氧化物可能陷入該複合物中且降解其磨擦和機械性能。

用於生成耐磨部件之另一通用技術係使以鎳為基礎之合金、以銅為基礎之合金、及/或鑄鐵滲透到由純碳化鎢和燒結碳化物顆粒二者所組成之多孔團塊中。然而，以鎳和銅為基礎之合金係昂貴的，且鑄鐵不具有滿足於所有應用之堅硬度。具延展性的鐵代表有非常多的可鑄造且具有良好斷裂堅硬度的經濟材料。然而，這些技術所採用的條件並不適用於具延展性鐵之滲透。此外，在這些技術中所涉及的滲透溫度係如此的高以致於會發生硬顆粒的明顯分解。在使用這些技術將鑄鐵滲透入球形鑄造碳化物的實例中，該等原始之碳化物顆粒可能會完全瓦解。如同在融熔黏結劑金屬和堅硬碳化物顆粒之間的冶金相互作用的 結果，用於此技術之顆粒尺寸典型地必須維持在1.14mm(0.045吋)之上，以致於即使在反應之後，仍有相對應明顯的堅硬顆粒部份存留以提供耐磨性。

因此，雖然某些既存之產物和方法提供數種優異的特色，他們仍然具有某些限制。本發明係尋找克服某些這些限制以及先前技術之其它缺點，以及提供直到此時還未得到的新特色。

發明概要

以下呈現本發明之各觀點的一般總結以提供對於本發明之一基本了解。此總結並非是本發明之廣泛綜述。其並非意於鑑定本發明之關鍵或是關鍵性的元件，或是意於界定本發明之範圍。以下總結僅是以一般形式來表示本發明之某些概念，如同以下所提供之詳細敘述的前奏一般。

本發明之觀點係關於一使用於形成一耐磨複合物塗層於一基材之上的方法。一模具係被定位近於該基材之一表面，以致於該表面係連繫於該模具之一孔穴，且該一多孔性耐磨材料係被放置於該孔穴之內，緊密靠近該表面。一金屬基質材料係接著被放置連接於該孔穴，且該模具和該基質材料係經加熱至基質材料之熔點以上的溫度。該溫度係被維持於熔點以上的溫度，在足以使該基質材料以熔融形式滲透入該耐磨材料的時間，且接觸該基材表面。之後，該模具以及該基質材料係經冷卻以使該基質材 料固化且形成一耐磨複合物塗層，該耐磨複合物塗層包括在該基材表面之埋入於該基質材料中之耐磨材料。在一實施態樣中，該基質材料係具延展性鐵，而該具延展性鐵具有包括(以重量百分比)近乎3.0-4.0%之碳、近乎1.8-2.8%之矽、近乎0.1-1.0%之錳、近乎0.01-0.03%之硫以及近乎0.01-0.1%之磷的組成物，伴隨剩餘部份為鐵和附帶的元素以及雜質。被了解的是，其它元素和添加物可被包括於該具延展性鐵，例如：鎳(最高至37重量%)、鉻(最高至5.5重量%)、及/或矽(最高至5.5重量%)。

根據一觀點，該耐磨材料包括一或多種擇自於由以下材料所構成之群組的材料：碳化物、氮化物、硼化物、矽化物、過渡金屬之金屬間化合物以及其等之組合。可使用之碳化物範例包括：WC、TiC、SiC、Cr₃C₂、VC、ZrC、NbC、TaC、(W,Ti)C、B₄C和Mo₂C以及其等之組合。可使用之氮化物範包括：TiN、BN、Si₃N₄、ZrN、VN、TaN、NbN、HfN、CrN、MoN和WN以及其等之組合。可使用之硼化物範例包括：硼化鈦、硼化鉻、硼化鎢、硼化鎳、硼化鋯、硼化鉿、硼化組、硼化鈮、硼化釩、硼化鉬、硼化矽、硼化鋁和過渡金屬之其它硼化物，以及其等之組合。可使用之矽化物範例包括：過渡金屬之矽化物。該耐磨材料係進一步具有濕潤相容塗層。

根據另一觀點，該複合物塗層可被形成於該基材之數個表面上，或是可被形成於僅有該基材之部份表面上。

根據進一步之觀點，該多孔性耐磨材料可以是疏 鬆的微粒材料形式或是為多孔性預成形物的形式，該多孔性預成形物係以黏結在一起之微粒材料所形成之多孔性預成形物。在該預成形物中之微粒材料可以數種不同的方式黏結在一起，例如：藉由燒結或是藉由一聚合物材料。如果使用聚合物材料以黏結，該材料可經選擇以使得該焊接溫度係足以在加熱期間由該微粒材料移除該聚合物。

根據仍有之另一觀點，該模具可以是或是包括一連接於該基材之片材金屬殼體以界定該孔穴。該殼體可具有一開口至該殼體之外部，且該多孔性耐磨材料可藉由插入經過該開口而被放置在該孔穴之內。此殼體可具有明顯少於該基材厚度之牆厚度，且可被焊接至該基材之外表面。

依據仍有之進一步的觀點，該加熱係於一火爐室中執行，且該室在溫度到達該基質材料之熔點之前可被抽真空的(例如，0.0001或是0.001托耳至0.010托耳，或甚至是更低的壓力)。在該基質材料已熔融之後，可導入一惰性氣體至該室中。可擇地，可在有一惰性氣體存在下執行熔融的過程，例如，在該基質材料已熔融之前，將氬氣導入該室中。在此實施態樣中，該模具具有一接觸於該多孔性耐磨材料之可穿透部份以允許殘餘的氣體在滲透期間由該可穿透部份漏出。

依據一額外的觀點，該基質材料可被定位至少部份橫向或是水平向於該耐磨材料，且該方法進一步包括放置一取代媒質(例如，如陶瓷珠之可流動媒質)相鄰於該基質材料且相對於該耐磨材料。該取代媒質支撐該經熔融之基 質材料且當該經熔融之基質材料滲透該耐磨材料時取代該經熔融之基質材料。可進一步放置一屏障於該取代媒質和該基質材料之間，以阻抗該經熔融之基質材料穿透至該取代媒質中。橫向滲透之一範例係當該基材係管狀構造，以致於該經熔融之基質材料向外橫向滲透以在該管狀構造之內側表面形成該複合物塗層。在此構形中，該取代媒質係被放置在該管狀構造之中間且當該經熔融之基質材料滲透該耐磨材料時向外取代。

本發明之額外的觀點係關於一使用於在一基材之表面上形成一耐磨複合物塗層的系統。該系統可包括一模具，該模具係經定位相鄰於該基材之表面，以使得該表面係連繫於該模具孔穴；在該孔穴內之一多孔性耐磨材料，緊密靠近該表面；以及一金屬基質材料係連接於該孔穴。該系統係可使用關聯於依據以上所述觀點之方法，例如：加熱該模具和該基質材料至基質材料之熔點以上的溫度且維持該溫度於足以使該基質材料以熔融形式滲透入該耐磨材料的時間，且接觸該基材表面，且接著冷卻該模具和該基質材料以使該基質材料固化且於該基材之表面上形成一耐磨複合物塗層。如上所述，該基質材料係具延展性鐵。

根據一觀點，該耐磨材料可包括一或多種擇自於由以下材料所構成之群組的材料：碳化物、氮化物、硼化物、矽化物、過渡金屬之金屬間化合物以及其等之組合，包括以上所述之材料。

根據另一觀點，該耐磨材料可以是疏鬆的微粒材料形式或是為多孔性預成形物的形式，該多孔性預成形物係以黏結在一起之微粒材料所形成之多孔性預成形物，如上所述。

本發明進一步之觀點係關於一製造之物件，其係依據一依據以上所述之觀點的系統及/或方法，或是藉由其它系統及/或方法所製造。該物件包括一金屬基材，該金屬基材具有附有一黏結至該表面之耐磨複合物塗層的表面。該耐磨複合物塗層包括耐磨微粒材料，以及一金屬基質材料和該耐磨微粒材料黏結在一起。該塗層可以是一連續塗層。該基質材料係進一步黏結至該基材之表面以將該耐磨複合物塗層黏結至該基材。該金屬基質材料係具延展性鐵，其係具有如上所述之組成物。該方法可被使用於製造具有厚度為至少0.005吋之塗層，且典型地係大於0.040吋。在某些實施態樣中，該方法可完成滲透距離為高達6吋或更多，或是高達7.5吋或更多，且因而被使用於製造具有一比基材本身厚的塗層，例如：高達6吋或更多，高達7.5吋或更多，或在各種實施態樣中甚至是更大的厚度。

根據一觀點，該耐磨材料可包括一或多種擇自於由以下材料所構成之群組的材料：碳化物、氮化物、硼化物、矽化物、過渡金屬之金屬間化合物以及其等之組合，包括以上所述之範例。

根據另一觀點，該基材具有數個突出體連接至該表面且自該表面向外延伸。該等突出體包埋在該耐磨複合 物塗層內。如同一範例，該等突出體係數個相對稱分佈於該基材之外表面的凸條或是板構件。

根據進一步之觀點，該物件係一用於挖鑿、採礦或是其它推土設備之磨損構件，而該基材係可由該磨損構件之一工作部份而形成，例如：該複合物塗層覆蓋該工作部份。

本發明之其它特徵和優點將由以下敘述伴隨所附之圖式而變得更為清楚。

10‧‧‧基材

10’‧‧‧基材

11‧‧‧孔穴

12‧‧‧模具

13‧‧‧內表面

14‧‧‧外表面

14’‧‧‧外表面

15‧‧‧填充劑材料

16‧‧‧基質材料

17‧‧‧部件

17’‧‧‧部件

18‧‧‧複合物塗層

18’‧‧‧複合物材料層

19‧‧‧基質材料

20‧‧‧內表面

21‧‧‧板

22‧‧‧陶瓷珠

23‧‧‧構件

24‧‧‧屏障

30‧‧‧火爐

31‧‧‧腔

32‧‧‧Ar氣體或是另一非反應性氣體

33‧‧‧可穿透部份

100‧‧‧系統或裝配

200‧‧‧系統

300‧‧‧系統

312‧‧‧基材

314‧‧‧殼體

316‧‧‧二部件殼主體

317‧‧‧開口

320‧‧‧二部件保角嵌條

326‧‧‧前半部

328‧‧‧後半部

330‧‧‧前凸緣

332‧‧‧後凸緣

334‧‧‧主要主體

335‧‧‧黏接表面

336‧‧‧平坦區

344‧‧‧尖角邊緣

346‧‧‧圓形面

350‧‧‧孔穴

400‧‧‧系統

500‧‧‧系統

600‧‧‧系統

700‧‧‧系統

800‧‧‧系統

P‧‧‧點

為了使得更完整了解本發明，現將藉由範例，參考所附圖式敘述本發明，其中：圖1係一圖式說明顯示依據本發明之一實施態樣從上開始之垂直滲透以形成一耐磨複合物材料的範例；圖2係一圖式說明顯示依據本發明之一實施態樣從下開始之垂直滲透以形成一耐磨複合物材料的範例；圖3係一圖式說明顯示依據本發明之一實施態樣之橫向滲透以形成一耐磨複合物材料的範例；圖4係一圖式說明顯示依據本發明之觀點於一基材上使用垂直滲透形成耐磨複合物材料之系統和方法，在滲透之前，的實施態樣；圖5係一圖式說明顯示依據本發明之觀點，在滲透之後具有耐磨複合物材料成形於其上之基材，該耐磨複合物材料係利用如圖4所示之方法形成；圖6係一圖式說明顯示依據本發明之觀點於一基 材上使用向外滲透形成耐磨複合物材料之系統和方法，在滲透之前，的實施態樣；圖7係一圖式說明顯示圖6所示之系統的橫切面；圖8係一圖式說明顯示依據本發明之觀點於一基材上使用垂直和橫向滲透形成耐磨複合物材料之系統和方法，在滲透之前，的另一實施態樣；圖9係一圖式說明顯示依據本發明之觀點於一基材上使用垂直和橫向滲透形成耐磨複合物材料之系統和方法，在滲透之前，的另一實施態樣；圖10係說明使用依據本發明之方法所生成之在具延展性鐵基質中之球形鑄造碳化鎢顆粒之範例的顯微照片；圖11係說明在球形鑄造碳化鎢/具延展性鐵複合物之間的界面和使用依據本發明之方法滲透過程後過多之具延展性鐵剩餘的顯微照片；圖12係一圖式說明顯示依據本發明之觀點，一具有耐磨複合物材料形成於其上之基材的另一實施態樣，該耐磨複合物材料係使用一滲透方法而形成；圖13係一圖式說明顯示依據本發明之另一實施態樣，一用於以一焊料於一火爐中在真空條件下滲透一多孔性耐磨材料之系統和方法的範例；圖14係一圖式說明顯示依據本發明之另一實施態樣，在使一焊料熔融之前之一用於以一焊料於一火爐中在真空條件下滲透一多孔性耐磨材料之系統和方法的範 例；圖15係圖14之系統和方法的圖式說明，在該焊料熔融之後，附有部份被導入該火爐的Ar壓力；圖16係一圖式說明顯示依據本發明之另一實施態樣，在部份Ar壓力之下一用於以一焊料於一火爐中滲透一多孔性耐磨材料之系統和方法的範例；圖17係一經構形為依據本發明之觀點而利用之基材之另一實施態樣的透視圖，以用於挖鑿或採礦設備之點的形式；圖18係圖17之基材的橫切面圖，具有一耐磨複合物材料形成於其外部表面上；圖19一依據本發明之觀點經構形為使用於用以形成一耐磨複合物材料之模具的殼體實施態樣的透視圖；以及圖20係圖19之殼體連接至一基材之實施態樣的橫切面圖，以用於挖鑿或採礦設備之點的形式，依據本發明之觀點經構形為使用於形成一耐磨複合物材料。

詳細說明

雖然本發明係可容許於許多不同形式之實施態樣，其係顯示於圖式中，而將於此處詳細敘述本發明之較佳實施態樣，且將了解的是本揭露將被視為本發明之原理的例證且並非意於將本發明之廣泛觀點限制於所說明和所敘述的實施態樣。

一般地，本發明之觀點係關於形成一耐磨複合物材料之系統和方法，其包括放置一多孔性耐磨填充劑材料於一模具孔穴且藉由加熱至一足以熔融該基質材料之溫度以一基質材料滲透該填充劑材料，接著冷卻該組裝以形成一耐磨複合物材料。該所致之複合物材料包括混合有填充劑材料且黏合至該填充劑材料之基質材料，在該處基質材料將該複合物黏合至該基材而且也使填充劑材料黏合在一起。該系統及方法可被使用於在一基材之表面上形成耐磨複合物材料，例如：一用於採礦、挖鑿或是其它推土設備的部件或是其它的機械部件。被了解的是，如此處所述之一基材的「表面」可包括數個不同的表面，且並不暗示此些表面之任何特定面，除非明確地指明。該基材可以是任何具有適合於滲透過程之熔點的材料，例如：具有比基質材料來得高的熔點。此基材之範例包括鑄造、鍛燒以及粉末冶金法所生成之金屬材料，以及陶瓷和以陶瓷為基礎之材料，如：金屬化陶瓷。在一實施態樣中，該基材可以是碳鋼、合金鋼、不銹鋼或是工具鋼。該系統和方法可擇地可被使用於形成該耐磨複合物材料為單一件。

在一實施態樣中，該方法利用具延展性鐵為該基質材料且生成一具有優異耐磨和硬度之稠密、堅硬且牢固之複合物。此外，具延展性鐵具有一足夠低之熔點而能夠在不需要過多的加熱之下熔融。依據本發明，所有類型/等級之具延展性鐵可被使用，包括任何在ASTM標準A536-84(經再審核的，2004)所界定之範圍內的具延展性 鐵，ASTM標準A536-84係併入於此作為參考。在一實施態樣中，一具延展性鐵基質材料係具有一組成(以重量百分比)為近乎3.0-4.0%的碳、近乎1.8-2.8%矽、近乎0.1-1.0%錳、近乎0.01-0.03%硫、以及近乎0.01-0.1%磷，包括剩餘部份為鐵和附帶的元素及雜質。如此處所使用的，該用詞「近乎」指定一+/-10%所列名義上數值的變化量(例如：該組成範圍的邊界點)。在另一實施態樣中，該組成係不包括此變化量。在又一實施態樣中，上述組成係進一步包括合金添加物，例如：添加鎳、鉻及/或矽，以改善該基質材料之抗腐蝕性、耐磨性、及/或高溫特性。例如：在各種實施態樣中，鎳可被添加為高達37重量%的量，鉻可被添加為高達5.5重量%的量，及/或矽可被添加為高達5.5重量%的量。在其它實施態樣中，具延展性鐵合金仍可進一步包括合金添加物，包括可增加性能之合金添加物。具有此類合金添加物之具延展性鐵合金係已知為高合金具延展性鐵且一般係落入ASTM A439和A571之範圍內，其等係也併入於此作為參考。依據此處所述之系統和方法的實施態樣，也可利用此類合金。在其它實施態樣中，可利用該合金添加物以達成不同的特性及/或微結構，只要其等不會過度地反向性影響特性或微結構，例如：明顯地增加滲透溫度及/或降解該基質或是該所致之耐磨材料的特性。在一另擇之實施態樣中，該方法可被利用於製成一具有除了具延展性鐵之外的金屬基質材料的複合物。

該基質材料可被提供為各種形式。例如，在一實 施態樣中，該基質材料係被提供為單石之形式，例如：一或多個塊體、錠塊等等。在另一實施態樣中，該基質材料可被提供為微粒形式，例如：粉末、纖維、鬚晶等等。在又一實施態樣中，該基質材料可被提供為多孔性形鋨。在另外的實施態樣中，該基質材料可被提供為此等形式的組合。

關於不同的實施態樣，各種堅硬和耐磨材料可被使用為該填充劑材料，包括各種碳化物、氮化物、硼化物以及矽化物，以及其它堅硬和耐磨材料以及此等材料的混合物，包括其它類型的陶瓷材料。此等材料可被提供為原始形式及/或具有提供濕潤相容性之適當塗層。例如，當該耐磨材料顆粒並不濕潤相容於該基質材料時，該耐磨材料顆粒在其被使用於藉由滲透硬焊形成該複合物材料之前係經塗覆有濕潤相容塗層。可被使用為填充劑材料之碳化物包括碳化鎢(WC)、TiC、SiC、Cr₃C₂、VC、ZrC、NbC、TaC、(W,Ti)C、B₄C和Mo₂C，以及其它碳化物。在一實施態樣中，球形鑄造WC、壓碎之鑄造WC，及/或經膠合之WC係被使用為填充劑材料。可被使用為填充劑材料之氮化物包括TiN、BN、Si₃N₄、ZrN、VN、TaN、NbN、HfN、CrN、MoN、WN以及其它氮化物。可被使用為填充劑材料之硼化物包括過渡金屬之硼化物，例如：硼化鈦、硼化鉻、硼化鎢、硼化鎳、硼化鋯、硼化鉿、硼化鉭、硼化鈮、硼化釩、硼化鉬、硼化矽、硼化鋁以及其它硼化物。可被使用為填充劑材料之矽化物包括過渡金屬之矽化物。其它可被使用為填 充劑材料之材料包括過渡金屬之金屬間化合物。在一實施態樣中，基於該材料在經熔融之硬焊材料中具有受限之溶解性而選擇該填充劑材料，以限制或預防該填充劑材料在硬焊材料中溶解。如此處所使用的，該用詞「基質材料」和「填充劑材料」不應被認為是暗示該基質材料或是該填充劑材料形成該複合物材料之任何特定部份。例如，該基質材料不必要形成該複合物材料的大部份或大多數，且在某些實施態樣中，該填充劑材料可能形成該複合物材料的大部份或大多數。

該多孔性填充劑材料可被提供為一種或多種不同的形式。在一實施態樣中，該多孔性填充劑材料可以是疏鬆的微粒材料形式，例如：粉末、纖維、鬚晶等等。該方法在各種實施態樣中可利用廣大範圍的顆粒尺寸，包括小於50μm之顆粒尺寸或是小於1mm的顆粒尺寸。在一實施態樣中，該微粒填充劑材料可具有大於0.1μm之顆粒尺寸。在另一實施態樣中，該微粒填充劑材料可具有大於0.1μm且高達5mm之顆粒尺寸。在又一實施態樣中，該微粒填充劑材料可具有近乎500μm之平均顆粒尺寸。在一實施態樣中，該填充劑材料可被提供為多種顆粒尺寸，例如：粗和細顆粒之組合，該組合可被使用於達成該填充劑材料較佳之密度及/或體積分數。在任何特定之填充劑材料的體積分數之下，此類使用細顆粒一般係導致較細之孔尺寸且可以增加填充這些孔之基質材料的屈服強度，藉此增加該材料之整體耐磨性。當該微粒材料被放置在一模具孔穴中，在 該等顆粒之間的空間形成一多孔性結構，其係可被該該基質材料所滲透。在另一實施態樣中，該多孔性填充劑材料可以是一多孔性預成形物之形式。在一實施態樣中，該多孔性預成形物的多孔性可在自5%至95%的範圍內。例如，該多孔性預成形物係包括由一黏結劑材料(例如：聚合物黏結劑)黏附在一起的微粒材料。一預成形物係被附接至該基材材料，例如藉由一在滲透過程期間將會揮發之膠黏劑。在滲透時，該經熔融之基質材料具有足夠之溫度以移除該黏結劑材料(例如，藉由熔融、揮發等等)，因此在黏結劑移除之後所剩之基質材料可填充該等除了顆粒間之孔以外的孔。如同另一範例，該多孔性預成形物可包括一藉由燒結而黏結在一起因此孔存在於顆粒之間的微粒材料。在一實施態樣中，一經過預燒結之預成形物係具有在顆粒尺寸之等級的孔尺寸，因為該部件係經稍微地燒結以達成顆粒間的頸部成長且提供某些機械操作強度。也可使用其它多孔性材料，例如編織纖維層或是織物。在又一實施態樣中，該多孔性填充劑材料係提供為不同形式的組合。例如，在一實施態樣中，該填充劑材料係包括一或多種形成部份該填充劑材料之預成形物，而其它部份係由微粒材料所形成(例如：疏鬆的粉末、纖維、鬚晶等等)及/或編織纖維層或是織物。

藉由以基質材料滲透填充劑材料之硬焊操作一般係藉由加熱該基質材料至其熔點以上而完成，只要其係接觸或是以其它方式連繫於該填充劑材料，以使得該經熔 融之基質材料接觸該填充劑材料且滲透該多孔性填充劑材料。該填充劑材料在滲透期間一般係放置接觸或是以其它方式連繫於該基材，為了使該基質材料在滲透期間接觸該基材以將該所致之複合物材料連接至該基材。可利用各種模具於滲透，如下所述。圖1-3說明依據各種實施態樣之各種滲透構形，各圖係綱要性地說明一經熔融之基質材料16滲透在模具12之孔穴11中之填充劑材料15。圖1說明向下垂直滲透，其中重力協助該滲透。然而，因為滲透主要係藉由毛細作用而驅動，橫向滲透、向上垂滲透、向外/放射狀滲透以及其它滲透構形係不利用重力或違反重力而運作。圖2係說明向上垂直滲透之範例，而圖3係說明橫向滲透的範例。圖6-7，以下詳細的討論，係說明向外或放射狀滲透的範例，其係被認為是橫向滲透之另一範例。在任何非向下滲透之實施態樣中，係利用一技術以取代已滲透該填充劑材料15之經熔融的基質材料16，為了使該經熔融之基質材料16保持接觸於該填充劑材料15直到滲透完成。例如，在滲透期間該模具12係經移動的以保持該基質材料16、該填充劑材料15、以及該基材處於適當的接觸/連繫。如同另一範例，可使用一打摏機或是其它加壓機械以確保該基質材料15在滲透期間係總是接觸於該填充劑材料。在又一之範例中，一取代材料，如陶瓷珠，可被使用以取代該經滲透之基質材料，如下所述以及圖6-9中所示。

在一實施態樣中，該基質或是硬焊材料係經過熱至比該熔點多25℃至75℃°，該溫度係明顯低於典型用於鑄 造所需之過熱。在一範例實施態樣中，使用具延展性鐵材料作為該基質材料，滲透可於2150℉至2275℉之溫度範圍內實施，或是在另一實施態樣中為2175℉。在一實施態樣中，用於滲透之保溫時間期間可以自1至60分鐘，具有較大的滲透長度一般係利用較長之滲透時間。在一實施態樣中，滲透可於一惰性氛圍中實施，例如：氬(Ar)氛圍，其係可避免在高於熔點之溫度下因揮發所引起之經熔融金屬潑濺。在一實施態樣中，在滲透期間之氬壓力係近乎6.5 x10^-5atm至4 x 10^-4atm。可被使用於滲透之各種氛圍係於下文詳細敘述且說明於圖13-16中。在滲透之後，該部件係經冷卻，例如：在一實施態樣中，冷卻至1700℉約20-30分鐘的期間，且接著更緩慢地冷卻至室溫。依據所涉及之材料的本質，特別是基材材料，可執行例如機械加工及/或熱處理的後製處理。例如，依據該基材之特性，可執行如正常化、回火後之硬化或是回火後之麻氏回火法之熱處理，依據已知的技術。了解的是，某些基材並不會由某些(或是任何)的熱處理得到好處。基於該所致之部件之預期的應用，機械加工可能是或可能不是所欲的。

如上所述之填充劑材料的滲透主要係由毛細作用而驅動，也就是，毛細壓力作用於滲透前端。在滲透前端之壓力差依據許多因素，包括經熔融之基質材料的表面張力、經熔融之基質材料相對於填充劑材料的接觸角度、該填充劑材料的幾何特性(例如：多孔性、彎曲性、孔尺寸和形狀的變化以及其對於該經熔融材料之表面接觸角度的 作用)以及在該填充劑材料內任何剩餘氣體的壓力。控制許多這些因素的自由度在特定基質/填充劑系統中係受限的。剩餘氣體壓力可以至少部份經控制的，且使在該填充劑材料內之剩餘氣體壓力最低化可最大化該壓力差和用於毛細作用的驅動力。接著，此可最大化該基質材料可滲透該填充劑材料之潛在距離。在至少某些構形中，相較於其它形式之填充劑材料，使用填充劑材料為一預成形物之形式可最大化該滲透距離。

圖13-16說明用於形成一耐磨複合物材料之系統和裝配，其中在硬焊操作期間使用不同的氛圍以控制及/或最小化在該填充劑材料15中剩餘的氣體壓力。在這些實施態樣中，滲透係於一具有室31之火爐30中執行，該室31持有該模具12、基質材料16以及填充劑材料15，在該室31中之氛圍可以經控制的。了解的是，該裝配可進一步包括一連繫於該模具12之基材(未顯示)，如下所述。在該硬焊操作內之氛圍可經控制的以有助於達成足以驅動基質材料滲透穿過該填充劑材料之較大/較長距離之毛細壓力梯度，例如：約5-7吋之距離或更大。在以下所述且顯示於圖13-16中之實施態樣的各者中，該室31在熔融該基質材料16之前係實質為真空的。在一實施態樣中，較佳的是至少在滲透過程開始時抽真空，以避免填充劑材料氧化。然而，在其它實施態樣中可使用不同的步驟，例如：不排空或是排空至比以上所討論的較低的等級。

圖13說明一用於滲透之系統500之實施態樣，該 滲透係於真空條件下執行。在此實施態樣中，整個室31係在熔融該基質材料16之前排空且在滲透過程從頭到尾中係維持在真空狀態下。在一實施態樣中，在排空之後該氣體壓力係自0.001至0.010托耳，或是在另一實施態樣中，低至0.0001托耳(例如：0.0001至0.010托耳)，或是在進一步之實施態樣中，低於0.0001托耳。在一實施態樣中，滲透係於近乎2180-2225℉下執行約30-60分鐘。在熔融該基質材料16之前排空減少或是除去在填充劑材料15中之剩餘氣體壓力，其有助於驅動憑藉毛細作用之滲透。知道的是，當使用某些合金時，在基質材料已熔融之後維持該系統於真空下可能遇到的結果是在該基質材料中基於化學品揮發之潑濺，特別是具有明顯錳含量之合金。此類潑濺不只會損壞火爐30中之設備，也會減少可用於硬焊之基質材料16的量。此類潑濺可藉由維持該合金之錳含量為足夠地低而被減輕，雖然如此做可能是花錢的。此類潑濺也可藉由在基質材料16已被熔融之後存在Ar或是另一非反應性氣體於該室31中而被避免。

圖14-15說明一用於滲透之系統600之另一實施態樣，其在基質材料16被熔融之後導入Ar氣體於該室31中。如圖14所示，該室31係如上所述般在硬焊過程之前被排空，相似於關於圖13之上述。如上所述，在一實施態樣中，滲透係於近乎2180-2225℉下執行約30-60分鐘。在基質材料16已被熔融之後，將Ar氣體32(或是另一非反應性氣體)導入於該室31中。在一實施態樣中，該Ar氣體32係被饋入 該室31中直至該Ar分壓到達約0.050-0.100托耳。在熔融該基質材料16之前排空該室31係減少或是除去在填充劑材料15中之剩餘氣體壓力，其有助於如上述之驅動滲透，而稍後導入Ar氣體32則有助於減少由揮發物質所導致之潑濺。在一使用如圖14-15所示之系統的範例中，當基質材料16被熔融之後，將Ar氛圍導入，發現在2180℉之下滲透期間該基質材料16係滲透有至少7.5吋。然而，當Ar氛圍在熔融之前被導入，發現該基質材料16滲透最多只有6.5吋，不管該系統被保持在該滲透溫度下多久的時間。此表示在該填充劑材料15內之剩餘氣體會限制經由毛細作用而達成之滲透長度。

圖16說明一用於滲透之系統700之另一實施態樣，其在熔融基質材料16之前導入Ar氣體32於該室31中。相似於關於圖4之以上敘述，在此實施態樣中之室31係如上所述般在加熱過程期間被排空直到該系統幾乎達到基質材料16的熔點溫度(例如：對於具延展性鐵，直到溫度到達約2150℉)。在該點，Ar氣體32或是其它非反應性氣體係在熔融基質材料16之前被導入該室31。如上所述，在一實施態樣中，該氣體32係被導入直至達到約0.050-0.100托耳之Ar分壓。如上所述，在一實施態樣中，滲透係於近乎2180-2225℉下執行約30-60分鐘。為了避免在填充劑材料15中剩餘的氣體壓力限制滲透，該模具12係備有一可穿透部份33接觸於該填充劑材料15。可穿透部份33可以是多孔性或以其它方式是氣體可穿透的，以允許剩餘氣體在滲透期 間可由填充劑材料15漏出，因此不會限制基質材料16的滲透。該可穿透部份33一般可被配置相對於該基質材料16以避免基質材料16覆蓋或是封住該可穿透部份33而阻止剩餘氣體在滲透完成之前漏出。如上所述，存在Ar氣抑制了已熔融基質材料16的潑濺。在一使用如圖16所示之系統的範例中，具有包括可穿透部份33的模具12，當在熔融基質材料16之前導入Ar氛圍，於2225℉下發現該基質材料16在滲透期間滲透了至少7.5吋之填充劑材料15。然而，當該模具12係密封的且該滲透前端在熔融該基質材料16之後並非連繫於在室31內之氛圍時，發現滲透延伸最多只有6.5吋。此指出的是，保持滲透前端連繫於在室31內之氛圍可減少在填充劑材料15內剩餘氣體可具有在毛細作用驅動力上的限制作用。

圖4-5說明一用於形成耐磨複合物材料之系統或裝配100，以及一利用該系統或裝配100之方法的範例實施態樣。在此實施態樣中，該基材10(例如：一挖鑿工具之點)係被定位於一模具12之孔穴11，以致於該模具12陷入在該模具12之內表面13和該基材10之外表面14之間的孔穴11內之容積，如圖4所示。該基材10係預先被準備的，例如：藉由清潔和乾燥以移除油或油污物質及/或使用石榴石磨料的噴砂處理以移除氧化物銹皮且使得該表面具顆粒感，所以該基質材料會良好黏結於該基材10。該模具12可由任何適用之材料所製造，例如：高熔點金屬材料、陶瓷材料、或是石墨。若可能的話，該模具12可經焊接、硬焊或是以 別的方式連接於該基材10之外表面14，例如在點P處藉由焊接。在一實施態樣中，該模具12係一焊接至該基材之鋼殼體以創造孔穴11，且在焊接之前可經磨料的噴砂處理以避免污染該模具孔穴11。此實施態樣係於下詳細敘述且顯示於圖19-20。該填充劑材料15被插入該模具孔穴11接觸或是以其它方式連繫該基材10之外表面14，例如：以微粒材料或是一預成形物之形式，如圖4所示。該基質材料16係經放置連繫於該填充劑材料15以及該基材之外表面14。該基質材料16係被定位於該模具孔穴11內，例如：藉由簡單地以固體形式放置該基質材料16於該填充劑材料15之頂部，如圖4所示。在一實施態樣中，該基質材料16係為塊體錠塊的形式。在另一實施態樣中，該基質材料16係經定位於一進料口或是注射結構。該100接著準備於進行滲透，如上所述，例如：藉由將該系統100放入一火爐內以加熱，該火爐可包括一惰性氛圍(例如：氬氣)。一托盤或是相似的器皿可被使用於該火爐中支撐該系統100，例如：一不銹鋼托盤。在滲透期間，該基質材料16熔融且向下滲透過所有的填充劑材料15，最終接觸該基材10之外表面14。

如上述，在滲透已被執行且該系統100已被冷卻之後，形成一具有複合物塗層18於外表面14上之部件17，如圖5所示。該部件17係由該模具12被移除，其可能需要切割或是破壞該模具12，若經焊接至該基材10及/或黏結至該塗層18。該複合物塗層18含有黏結在一起的填充劑材料15且藉由基質材料16連接至該基材10。在一實施態樣中，該 填充劑材料16在該複合物材料18中係具有5-95%的體積分數。在另一實施態樣中，該填充劑材料16係具有30-80%的體積分數。在某些實施態樣中，該部件17係具有過量的基質材料19於至少部份之該複合物塗層18外側。過量的材料19係有意圖地創造且留在部件17上，例如：作為一用於焊接或是附接另一零件的基底。該過量的材料19，若存在的話，係改為移除，例如：藉由機械加工。該複合物塗層18係被形成為具有寬廣範圍之厚度，依據所欲之應用狀態。在一實施態樣中，該部件17係經形成為具有約0.5”厚之複合物塗層18，其係可被使用於多樣化的應用。該部件17係承受重覆撞擊和壓力之設備之一零件的點、邊緣或是其它部份，且該複合物塗層18之優異耐磨性和堅硬度提高在此類應用中的性能。挖鑿/採礦設備代表一依據此處所述之系統和方法所生成之部件17的應用範例。圖12說明一依據此處所述之系統和方法之一實施態樣所生成之部件17’的另一額外的實施態樣，，為一用於推士設備(例如，一鋼採礦點)之磨損構件的形式，其具有一形成該基材10’之工作部份，該基材10’係以一耐磨複合物材料層18’覆蓋於其外表面14’，如上所述。在一實施態樣中，該複合物材料層18’係由球形鑄造碳化鎢顆粒或是其它具延展性鐵之基質材料所構成。

圖17-18說明一基材(例如：一挖鑿或採礦工具的點)之另一實施態樣，該基材可被使用關連於圖4-5中所示之系統或裝配100，或是相似的系統/裝配，用以生成一耐磨 複合物塗層18。依據基材10、填充劑材料15及/或基質材料16之材料的特性和本質，該基材10和塗層18之熱膨脹係數(coefficients of thermal expansion；CTE)係不相配。例如，當使用一鋼基材10時，該鋼典型地具有比塗層18較高之CTE。此類CTE差距之範例係約2x10^-6/℃，依據所使用之材料。接著，此可造成基材10和塗層18之間脫膠，特別是當塗層18係形成於該基材10之外表面時(例如：如圖4-5所示)。在圖17-18之實施態樣中，該基材10係經配置有以凸條之形式於該外表面14的突出體28。當硬焊之後該基材10和該塗層18冷卻時，該突出體28藉由因應於所施加之壓力的可塑性形變可有助於減輕由基材10和塗層18之間CTE差異所造成之問題。在一實施態樣中，該突出體28可由具有相對低屈服強度和高延展性之材料所形成，為了容易有可塑性形變。在選擇用於突出體28材料時之其它考量係其用於連接至該基材10(例如：藉由焊接或是其它技術)以及用於黏結至該塗層18之合適性。適合使用為黏結至一鋼基材10之突出體的材料之範例係軟鋼(例如，AISI 1008)。適用之材料的其它範例包括304不銹鋼、AISI 1018、以及AISI 1010諸如此類。該突出體28也提供額外用於黏結塗層18之表面，且可因此進一步增加塗層18和基材10之間的黏結。如圖18中所見，該塗層18形成於該突出體28之周圍，以致於該突出體28係被包埋在該塗層18中且在完成之部件中黏結至該塗層18。然而在其它實施態樣中，該突出體28可至少延伸至該塗層18之外表面且係實質上和該塗層18之外表面 齊平。

在圖17-18之實施態樣中之突出體28係自該基材10之外表面14向外延伸且係具有明顯大於其等厚度之長度和高度的凸條或是板構件的形式。在一範例中，該突出體28係具有約1-2吋之長度(平行於該基材10之表面)、約0.25吋之高度(平行於該塗層18之厚度方向)、以及約0.125吋之厚度。此外，在此實施態樣中之該突出體28係大致上軸向之方式定向且係相當平均及對稱地分佈於該基材10之外表面14的所有面上。在一實施態樣中，該突出體28係具有經選擇的厚度、長度以及寬度，該等厚度、長度以及寬度係以使得某些或所有之由熱膨脹不對稱所致之應變可藉由突出體28之形變而調結的方式來選擇。此外，在一實施態樣中，各突出體的長度係比其高度來得大，高度再來又比其厚度來得大(也就是，長度>寬度>厚度)。當由突出體28所增加之潛在黏結區域大於被突出體28所覆蓋之基材10的潛在黏結區域時，使用此尺寸關係之突出體28增加對於塗層18之潛在黏結區域。該突出體28之尺寸係可依據該塗層之厚度和該基材之尺寸而修改。在一實施態樣中，在突出體28之間的距離也係依該基材10之位置和幾何形狀而定，而可變化自1至3。在其它實施態樣中，該突出體28係具有不同的外形，例如：桿體、錐體、楔子等等，且係以不同的方式分佈及/或定向。如圖17中所示之突出體28係經焊接至該基材10之外表面14。在焊接之後，該基材10係經磨料噴砂處理。用於連接突出體28至基材10的其它技術係被使用 於其它實施態樣。了解的是，該突出體28係由和該基材10相同之材料所形成，且在一實施態樣中，係和該基材10為一體成型的。也被了解的是，具有突出體28之基材10在焊接之後及/或硬焊之後需要一熱處理或是傳統熱處理之經改良版本，視所使用之材料和結構而定。此外，如圖17-18中所示之完成的部件17係一磨損構件，例如：用於推土設備之點，且該基材10係藉由該磨損構件的工作部份而形成，以致該突出體28係連接至該工作部份。了解的是，其它類型的突出體28也可被利用於此類磨損構件，也了解的是，如圖17-18中所示之突出體28係可被利用於其它類型之製造物件。

圖6-9說明依據本發明之觀點用於生成耐磨複合物之其它系統和方法。圖6-7說明一用於在一基材10之內表面20上經由向外或放射狀滲透形成一複合物材料之系統200。在此實施態樣中，該基材10係管狀形式，且該基材10係配合一模具12和一板21而在該基材10之內側上創造一模具孔穴11。該板21係可由任何適用之材料形成，包括任何以上所提及用於模具構建的材料(例如：石墨、金屬或陶瓷)。如果板21、模具12、及/或基材10係由可焊接材料所製成，這些零件之任一者可藉由焊接而連接，然而焊接並不是必然的。該多孔性填充劑材料15係被放置於該基材10之內表面20適當的位置以形成該複合物，而該基質材料16係被放置接觸或以其它方式係連繫於該填充劑材料15。陶瓷珠22或是另一取代材料也被放置於該模具孔穴11，於適當 的位置以在滲透期間取代該基質材料16。了解的是，基質材料16的取代係被作為為了在滲透期間支撐該基質材料16為和填充劑材料15固定接觸，而且基質材料16的滲透主要係由其它力所驅動(例如，毛細作用)，而非由陶瓷珠22所行使的力。可擇地，可使用另一取代技術。在圖6-7的實施態樣中，該基質材料16可被放置於該模具孔穴11中為管狀形式(見圖7)，接觸於該填充劑材料15，且向外滲透至該填充劑材料15內。在另一實施態樣中，該基質材料16係替代地被提供為數個經排列為在該填充劑材料15週圍之環形結構的錠塊。在此構形中，該等陶瓷珠22係被放置於該管狀基質材料16之內徑的內側，且該等珠22向外移動以取代該經滲透之基質材料16。可擇地，可使用另一取代技術。該系統200可被放置於一火爐中且如上所述般加工以完成滲透。所致之部件具有陶瓷材料於其該基材之內表面21，且可包括過量的基質材料，如上所述。

圖8說明一用於在一基材10之外表面14上經由橫向和向下垂直滲透二者形成一複合物材料之系統300。在此實施態樣中，部份基材10係被放置於該模具孔穴11內部，且使用一板21和該模具12以圈圍住該模具孔穴11。該板21係可由任何適用之材料形成，包括任何以上所提及用於模具構建的材料(例如：石墨、金屬或陶瓷)。如果板21、模具12、及/或基材10係由可焊接材料所製成，這些零件之任一者可藉由焊接而連接，然而焊接並不是必然的。可使用一額外的構件23用於密封的目的及/或用於終止滲透，且可被 定位相鄰於該板21。可使用石墨薄片或是陶瓷棉作為該額外的構件23以完成這些功能，因為該基質材料15並不濕化或是穿過這些材料。該多孔性填充劑材料15係被定位於該基材10之外表面14適當的位置以形成該複合物，而該基質材料16係被放置接觸或以其它方式係連繫於該填充劑材料15。如圖8所示，該基質材料16係被放置於該填充劑材料15之上以向下滲透且在該填充劑材料15旁邊以橫向滲透。在滲透期間，陶瓷珠22或是其它取代材料也被放置於該模具孔穴11中適當的位置以放置該基質材料16。可擇地，可使用另一取代技術。在圖8的實施態樣中，該基質材料16係被放置於在填充劑材料15週圍之該模具孔穴11中，且橫向和垂直滲透至該填充劑材料15內。在此構形中，該等陶瓷珠22係被橫向放置在基質材料16之週圍，且該等珠22向內移動以取代該經橫向滲透之基質材料16。一屏障24，例如：可撓性陶瓷纖維層或是一編織織物，係被放置於該陶瓷珠22和該基質材料16之間。該屏障24一般係該經熔融基質材料16所不能穿透的，且也係具可撓性的且可將來自陶瓷珠22的壓力傳遞至該基質材料15上。沒有經垂直滲透之基質材料16的取代是必然的。該系統300可被放置於一火爐中且如上所述般加工以完成滲透。所致之部件具有陶瓷材料於其該基材之外表面14，且可包括過量的基質材料，如上所述。

圖9說明一用於在一基材10之外表面14上經由橫向和向下垂直滲透二者形成一複合物材料之系統400。在此 實施態樣中，部份基材10係被放置於該模具孔穴11內部，且使用一板21和該模具12以圈圍住該模具孔穴11。該板21係可由任何適用之材料形成，包括任何以上所提及用於模具構建的材料(例如：石墨、金屬或陶瓷)。如果板21、模具12、及/或基材10係由可焊接材料所製成，這些零件之任一者可藉由焊接而連接，然而焊接並不是必然的。可使用一額外的構件23用於密封的目的及/或用於終止滲透，且可被定位相鄰於該板21。可使用石墨薄片或是陶瓷棉作為該額外的構件23以完成這些功能，因為該基質材料15並不濕化或是穿過這些材料。該多孔性填充劑材料15係被定位於該基材10之外表面14適當的位置以形成該複合物，而該基質材料16係被放置接觸或以其它方式係連繫於該填充劑材料15。如圖9所示，該基質材料16係被放置於該填充劑材料15之上以向下滲透且在該填充劑材料15旁邊以橫向滲透。在滲透期間，陶瓷珠22或是另一取代材料也被放置於該模具孔穴11中適當的位置以放置該基質材料16。可擇地，可使用另一取代技術。在圖9的實施態樣中，該基質材料16係被放置於在填充劑材料15週圍之該模具孔穴11中，且橫向和垂直滲透至該填充劑材料15內。在此構形中，該等陶瓷珠22係被橫向及垂直放置在基質材料16之週圍，且該等珠22向內及向下移動以取代該經滲透之基質材料16。該系統400可被放置於一火爐中且如上所述般加工以完成滲透。所致之部件具有陶瓷材料於其該基材之外表面14，且可包括過量的基質材料，如上所述。

圖19-20說明一用於在一基材10之外表面14上主要經由向下垂直滲透形成一複合物材料之系統800的另一範例。圖19-20之該系統800係利用一由片材材料所製成之為殼體314形式的模具，顯示其係被使用關連於一為一挖鑿/採礦點形式的基材312，相似於圖4-5和圖12中所示之基材10、10’。在圖19-20中所示之殼體314，以及其它此類殼體，係於2011年4月6日提申之美國第61/472,470號臨時申請案、2012年4月5日提申之美國第13/440,273號申請案中詳細敘述以及2012年10月11日公開為第2012/0258273號美國專利申請公開案，其等申請案係於此整體併入作為參考且作為此之部份。該殼體314係被利用於形成一複合物塗層18，類似於圖4-5中所示之上述。在一實施態樣中，該填充劑材料15係經由該開口317被倒入該殼體314中，且該基質材料16之後係被放置於該填充劑材料15之上，相似於圖4中所示。該開口317係具有一類似漏斗的構形以有助於插入該填充劑材料15及/或該基質材料16。在其它實施態樣中，該開口317係位於殼體314上之別處，比如若是該殼體314在硬焊期間被定位為不同的方向。

該殼體314之片材金屬係由任何能夠形成或製成特定所欲之外型且能夠抵抗由該滲透材料或是在滲透加工期間一般所需用於滲透硬焊之溫度而來的溶解、熔融或是不當的變弱的材料所製成。在一範例中，該殼體314係由低碳軟鋼所製成。例如，殼體314係具有平均殼體厚度為近乎0.105吋。在一實施態樣中，該殼體314係由在16 Ga(0.060 吋厚)至10 Ga(0.135吋厚)之範圍內的片材金屬所製成，其係可用於廣泛範圍的應用。相對地，圖20中之基材312在被該殼體覆蓋住之區域內係且具有自1.000至3.450吋之範圍內之厚度。在其它實施態樣中，該殼體314係具有任何其它適用的厚度。例如，在進一步的實施態樣中，該殼體314係由具有厚度為近乎0.25吋之鋼或是其它金屬板所製成，或是澆鑄件、由條料經機械製作的，或是以不同方式所形成。了解的是，該殼體314的不同部份係具有不同的厚度。

當相較於該基材312時該殼體314相對為薄表示該殼體314係簡單形成，相對不昂貴的。對於一殼體之簡易外形，藉由切割片材金屬之部份，且將這些部份焊接或是硬焊在一起，可達到一相對低成本的殼體314。藉由以特定構形彎曲片材金屬之部份，且接著將這些經彎典之片材金屬部份焊接在一起，可得到稍微較複雜之外形。可藉由片材金屬成形方法得到複雜之外形，例如：深引伸、由Guerin方法(橡膠墊成形)所成形、液壓成形及/或爆炸成形。也可使用精確(「脫蠟」)鑄造，雖然脫蠟方法的成本通常是不經濟的。對於特別複雜的外形，可以藉由這些方法之一者或多者形成該殼體的部份，且接著萻由焊接或是硬焊接合在一起。

如圖19-20中所示，該殼體314係由二部件所形成，具有一個二部件保角嵌條320。殼體314之二部件殼主體316初始係由一前半部326以及一後半部328所形成，分別具有一前凸緣330或是一後凸緣332。前凸緣330係由該前半 部326之背邊橫切地延伸而後凸緣332係由該後半部328之前邊橫切地延伸。前凸緣330係藉由一具有比該擬用於滲透之材料較高熔融溫度之礎焊材料進行焊接或硬焊接合至該後凸緣332。該殼體314具有一保角嵌條320經構形為被放置和該圍繞該殼體314之整個週圍的基材312之部份表面為表面對表面接觸，以致該殼體314係藉由焊接或硬焊至少在保角嵌條320處以連接至該基材312，如下所述。在其它實施態樣中，該殼體314係由一單一部份(其中凸緣330、332沒被表示出來)或是一較多數目之部份所形成。在特定構形中，該二部件殼體314係比相對的一部件殼體更容易形成。在某些構形中，該二部件殼體314也係較容易接合至該相對應之基材，當相較於以一相對之一部件殼體作接合時。

於圖20中，該殼體314係經顯示為以一點的形式接合至部份之相對應基材312。對於一基材312之外部幾何形狀係包括一界定用於焊接或是硬焊至該保角嵌條320之黏接表面335的主要主體334。該基材312係備有至少某些凹處或是其它凸紋用以黏接硬材料，例如：平坦區336以及附近的表面。該基材312之遠端係經塑形為界定一尖角邊緣344，及/或一圓形面346。在另一實施態樣中，該基材312係不備有任何用於該硬材料之凹處或是其它凸紋。如圖20中所見，該殼體314自該保角嵌條320平滑地延伸出去，在基材312和殼體314之間界定一孔穴350。該孔穴350界定一所致之塗層厚度(未顯示)黏結至基材312，且該殼體314之內部幾何形狀係界定一完成部件之最終外幾何形狀。

如圖19-20所示之輕片材金屬殼體314係可輕易地移動以在一基材上準確地調準，且接著經焊接至該基材，不管該基材之最大的定位。該薄金屬殼體係易於藉由焊接或高溫硬焊確實地附接至下層基材，不需要夾合或固定裝置，且該所製成之接合係不漏流體的即使在所需用於滲透硬焊之高溫下。在任何形式之需要模具的滲透耐磨堆焊中，該經熔融之金屬硬焊材料必須維持在該模具內。以本揭露之薄金屬殼體，達成確實的附接至一基材而不需要額外的夾合或固定裝置。該所致之裝配係因此更易於放置於火爐中以滲透硬焊，提供實質非常簡易的滲透耐磨堆焊大的品項。

了解的是，該等上述和圖式中所示之系統100、200、300、400、500、600、700、800的特徵，以及其等之變化，係可被在本發明之範圍內互組和互換的。同樣地，上述方法之任何技術或是其等之變化係可被利用相連於上述系統100、200、300、400、500、600、700、800中之任一者。

圖10-11說明使用一相似於圖4之系統100的系統以及使用如上述之方法所形成之複合物材料18的顯微照片。圖10-11說明由一具延展性鐵基質材料16所圍繞的球形鑄造WC填充劑材料15。該基質材料16包括石墨結節25，其特徵係在於具延展性鐵。如圖10-11所見，大部份WC顆粒15的球形外形已被保留，指出該填充劑材料15和該經熔融之基質材料16最小的反應或是溶解。圖11說明在該複合物 材料18和該過多基質材料19之間的界面。

依據此處所述之系統和方法所生成之複合物塗層呈現優異的耐磨性和硬度。在一範例中，使用一相似於圖4之系統100及使用上述之方法，使用球形鑄造WC、經壓碎之鑄造WC、及具有具延展性鐵基質之經燒結WC來製備樣品。製備藉由在2050℉真空滲透以鎳為基礎之合金和銅加強的鑄造樣品和經燒結WC作為比較。也使用D2鋼作為比較。在這些樣品上執行乾砂橡膠輪(DSRW)磨損測試(ASTM G65)，依據ASTM G65的程序A。該測試條件係如下：

●總迴轉：6000

●樣品上之負載：30磅

●砂流率：300-400g/分鐘

在相同之損傷區域上進行二連續DSRW測試且在第二次測試期間之質量流失係被記錄為該材料之研磨磨損流失的代表。如以下表1中可見，球形鑄造碳化鎢/具延展性鐵和其後之經壓碎鑄造碳化鎢/具延展性鐵相較於其它材料顯示出優異的耐磨損性。該等樣品係經製備為塗層，且該基材係藉由機械加工和拋光以曝露出靠近於該基材之用於測試的表面。

由以上表1中之結果可見，使用具延展性鐵合併球形鑄造WC和經壓碎鑄造WC相較於其它組合導致較低之質量和體積流失。此外，WC和具延展性鐵的合併具有比得上其它組合的硬度。進一步，具延展性鐵係比其它受測之基質合金為相當便宜的，特別是鎳及銅合金。因此，此測試結果說明使用由具延展性鐵基質材料和WC填充劑材料使用依據本發明之實施態樣所製之複合物的優點。

此處所述之系統、方法及產物的各種實施態樣係提供超過既存技術的好處和優點。例如，所致之複合物產物呈現優異的耐磨性和硬度，且可被經濟性地生成。如另 一範例，該系統和方法可被使用於應用一耐磨材料至較大變化性之不同基材、包括精細的、鑄造的、以及粉末冶金之金屬基材，以及非金屬基材，如：陶瓷或以陶瓷為基礎之複合物，只要該材料之熔點係適於該滲透加工。如同另一範例，使用硬焊技術使得材料製造和黏接至該基材可於一單一步驟中完成。此外，該硬焊技術典型地係利用一較長之時間於滲透，相較於鑄造和其它技術，其轉而容許有較長的滲透長度(在某些實施態樣中，高達8-10”或是更長)。因此，相較於既存之技術(包括：鑄造)以及其它硬面銲方法(例如：轉移式電漿電弧被覆、熱被覆等等)也可生成較厚的塗層。如另一範例，該系統和方法比其它方法(例如：鑄造)係利用較低之過熱，其導致該填充劑材料和該基質材料間較少的反應，且完好的微結構呈現高耐磨性和堅硬度。此外，較低程度的反應允許較小之顆粒尺寸或是多重顆粒尺寸被使用於填充劑材料，藉此可達到硬填充劑材料較高之密度。如上所述，也可達到基質材料較佳之屈服強度以及該複合物材料較佳之整體耐磨性。如另一範例，在該系統和方法中使用惰性氣體係最小化或避免該等構件的氧化且可控制來自基質材料之揮發性元素的蒸發，減少潑濺。其它仍有之優點和好處係由該技術領域中具有通常知識者所辨識的。

數種可擇之實施態樣和範例已於此敘述和說明。該技術領域中具有通常知識者將了解個別實施態樣之特徵以及這些構件之可能組合和變化。該技術領域中具有 通常知識者將進一步了解到該實施態樣之任一者可被提供為和此處所揭露之其它實施態樣做任何的合併。了解的是，本發明可以其它特定之形式來實施而不偏離本發明之概念和核心特徵。因此，該等範例和實施態樣在所有的觀點中係被認為是用於說明而非限制性的，且本發明並非被限制於此處所給予之細節。如此處所使用之相對性的用詞，例如：「頂部」「底部」等等，係只是用於說明的目的而無論如何並不是限制該實施態樣。在此說明書中沒有任何東西可被解讀為需要一結構之特定的三維定位以落入本發明之範圍，除非申請專利範圍內有特別指明。再者，建議讀者所附之圖式並非必定按比例繪製。此外，如此處所使用之用詞「數個」係指明多於一之任何數目，不論是分離的或是連合的，如同所需，可高達一無限的數目。此外，如此處所使用之「提供」一物件或裝置係廣泛地意指製造該物件，而該物件係可用於或可得到於擬被執行於該物件之進一步作用，而並非意味著提供該物件之一方已製造、生成或是供應該物件或是提供該物件之一方具有該物件之所有權或控制權。因此，雖然已說明或敘述特定之實施態樣，已想到數個修改而不明顯偏離本發明之概念且該保護之範圍係僅受限於所附申請專利範圍之範圍。

11‧‧‧孔穴

12‧‧‧模具

15‧‧‧填充劑材料

16‧‧‧基質材料

Claims (65)

1. 一種用於在基材上形成一耐磨複合物塗層的方法，其包含：定位一模具靠近於一基材之一表面，以致於該表面係連繫於該模具之一孔穴；放置一多孔性耐磨材料於該孔穴之內，緊密靠近該表面；放置一金屬基質材料連繫於該孔穴，其中該基質材料主要係具延展性鐵；加熱該模具和該基質材料至該基質材料之熔點以上的溫度且維持該溫度於熔點以上的溫度，在足以使該基質材料以熔融形式滲透入該耐磨材料，且接觸該基材之表面的時間；冷卻該模具以及該基質材料，以固化該基質材料將石墨結節包括於鐵中且形成一耐磨複合物塗層，該耐磨複合物塗層包含在該基材表面上之埋入於該基質材料中之耐磨材料。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該基質材料之具延展性鐵以重量百分比計具有包含近乎3.0-4.0%之碳、近乎1.8-2.8%之矽、近乎0.1-1.0%之錳、近乎0.01-0.03%之硫以及近乎0.01-0.1%之磷，伴隨剩餘部份為鐵和附帶的元素以及雜質的組成物。
3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該耐磨材料包含一 或多種擇自於由以下材料所構成之群組的材料：碳化物、氮化物、硼化物、矽化物、過渡金屬之金屬間化合物以及其等之組合。
4. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該耐磨材料包含一或多種擇自於由以下材料所構成之群組的碳化物：WC、TiC、SiC、Cr₃C₂、VC、ZrC、NbC、TaC、(W,Ti)C、B₄C和Mo₂C以及其等之組合。
5. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該耐磨材料包含一或多種擇自於由以下材料所構成之群組的氮化物：TiN、BN、Si₃N₄、ZrN、VN、TaN、NbN、HfN、CrN、MoN和WN以及其等之組合。
6. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該耐磨材料包含一或多種擇自於由以下材料所構成之群組的硼化物：硼化鈦、硼化鉻、硼化鎢、硼化鎳、硼化鋯、硼化鉿、硼化鉭、硼化鈮、硼化釩、硼化鉬、硼化矽、硼化鋁和過渡金屬之其它硼化物，以及其等之組合。
7. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該耐磨材料包含一或多種過渡金屬之矽化物。
8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該耐磨材料係具有濕潤相容塗層。
9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該複合物塗層係被形成於該基材之數個表面上。
10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該複合物塗層係被形成於該基材之部份表面上。
11. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該多孔性耐磨材料是為多孔性預成形物的形式，該多孔性預成形物係由黏結在一起之微粒材料所形成之多孔性預成形物。
12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該微粒材料係藉由燒結而黏結在一起。
13. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該微粒材料係藉由一聚合物材料而黏結在一起，其中該溫度係足以在加熱期間自該微粒材料移除該聚合物。
14. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該模具包含一連接於該基材之片材金屬殼體以界定該孔穴，其中該殼體具有一開口至該殼體之外部，且其中該多孔性耐磨材料係藉由插入經過該開口而被放置在該孔穴之內。
15. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該多孔性耐磨材料係疏鬆的微粒材料形式。
16. 如申請專利範圍第1項之方法，其中加熱係於一火爐室中執行，該方法進一步包含：在溫度到達該基質材料熔點之前，抽空該室。
17. 如申請專利範圍第16項之方法，其進一步包含：在該基質材料已熔融之後，導入一惰性氣體至該室中。
18. 如申請專利範圍第16項之方法，其中該模具具有一接觸於該多孔性耐磨材料之可穿透部份，該方法進一步包含：在該基質材料熔融之前，導入一惰性氣體至該室 中。
19. 一種磨損構件，其包含：一基材，其具有一表面；一模具，該模具係經定位相鄰於該基材之該表面，以使得該表面係連繫於該模具之一孔穴；一多孔性耐磨材料於該孔穴之內，緊密靠近該表面；以及一金屬基質材料連繫於該孔穴，其中該基質材料主要係具延展性鐵；其中該磨損構件係經構形為：加熱該模具和該基質材料至基質材料熔點以上的溫度，並維持該溫度於足以使該基質材料以熔融形式滲透入該耐磨材料，且接觸該基材之表面的時間；及冷卻該模具和該基質材料，以固化該基質材料將石墨結節包括於鐵中且於該基材之表面上形成一耐磨複合物塗層。
20. 如申請專利範圍第19項之磨損構件，其中該基質材料之具延展性鐵以重量百分比計具有包含近乎3.0-4.0%之碳、近乎1.8-2.8%之矽、近乎0.1-1.0%之錳、近乎0.01-0.03%之硫以及近乎0.01-0.1%之磷，伴隨剩餘部份為鐵和附帶的元素以及雜質的組成物。
21. 如申請專利範圍第19項之磨損構件，其中該耐磨材料包含一或多種擇自於由以下材料所構成之群組的材料：碳化物、氮化物、硼化物、矽化物、過渡金屬之金屬間化 合物以及其等之組合。
22. 如申請專利範圍第21項之磨損構件，其中該耐磨材料包含一或多種擇自於由以下材料所構成之群組的碳化物：WC、TiC、SiC、Cr₃C₂、VC、ZrC、NbC、TaC、(W,Ti)C、B₄C和Mo₂C以及其等之組合。
23. 如申請專利範圍第21項之磨損構件，其中該耐磨材料包含一或多種擇自於由以下材料所構成之群組的氮化物：TiN、BN、Si₃N₄、ZrN、VN、TaN、NbN、HfN、CrN、MoN和WN以及其等之組合。
24. 如申請專利範圍第21項之磨損構件，其中該耐磨材料包含一或多種擇自於由以下材料所構成之群組的硼化物：硼化鈦、硼化鉻、硼化鎢、硼化鎳、硼化鋯、硼化鉿、硼化鉭、硼化鈮、硼化釩、硼化鉬、硼化矽、硼化鋁和過渡金屬之其它硼化物，以及其等之組合。
25. 如申請專利範圍第21項之磨損構件，其中該耐磨材料包含一或多種過渡金屬之矽化物。
26. 如申請專利範圍第19項之磨損構件，其中該多孔性耐磨材料是為多孔性預成形物的形式，該多孔性預成形物係由黏結在一起之微粒材料所形成之多孔性預成形物。
27. 如申請專利範圍第19項之磨損構件，其中該多孔性耐磨材料係疏鬆的微粒材料形式。
28. 一種要被安裝到挖鑿機的地面接合工具，該地面接合工具包含：一金屬基材，該金屬基材具有一表面作為該工具的 工作部分，該表面附有一耐磨複合物塗層黏結至該表面，其中該耐磨複合物塗層包含：一多孔性耐磨材料；一金屬基質材料和該耐磨材料混合在一起，該基質材料係進一步黏結至該基材之表面以將該耐磨複合物塗層黏結至該基材，其中該金屬基質材料主要係具延展性鐵。
29. 如申請專利範圍第28項之地面接合工具，其中該金屬基質材料之具延展性鐵以重量百分比計具有包含近乎3.0-4.0%之碳、近乎1.8-2.8%之矽、近乎0.1-1.0%之錳、近乎0.01-0.03%之硫以及近乎0.01-0.1%之磷，伴隨剩餘部份為鐵和附帶的元素以及雜質的組成物。
30. 如申請專利範圍第29項之地面接合工具，其中該金屬基質材料更包含最高至37重量%之鎳。
31. 如申請專利範圍第29項之地面接合工具，其中該金屬基質材料更包含最高至5.5重量%之鉻。
32. 如申請專利範圍第29項之地面接合工具，其中該金屬基質材料更包含最高至5.5重量%之矽。
33. 如申請專利範圍第28項之地面接合工具，其中該塗層具有至少7.5吋之厚度。
34. 如申請專利範圍第28項之地面接合工具，其中該塗層具有比基材之厚度大的厚度。
35. 如申請專利範圍第28項之地面接合工具，其中該地面接合工具係用於推土設備的點。
36. 如申請專利範圍第28項之地面接合工具，其中該耐磨材料係一微粒材料，且該金屬基質材料將該耐磨材料黏結在一起。
37. 如申請專利範圍第28項之地面接合工具，其中該耐磨材料包含一或多種擇自於由以下材料所構成之群組的材料：碳化物、氮化物、硼化物、矽化物、過渡金屬之金屬間化合物以及其等之組合。
38. 如申請專利範圍第37項之地面接合工具，其中該耐磨材料包含一或多種擇自於由以下材料所構成之群組的碳化物：WC、TiC、SiC、Cr₃C₂、VC、ZrC、NbC、TaC、(W,Ti)C、B₄C和Mo₂C以及其等之組合。
39. 如申請專利範圍第37項之地面接合工具，其中該耐磨材料包含一或多種擇自於由以下材料所構成之群組的氮化物：TiN、BN、Si₃N₄、ZrN、VN、TaN、NbN、HfN、CrN、MoN和WN以及其等之組合。
40. 如申請專利範圍第37項之地面接合工具，其中該耐磨材料包含一或多種擇自於由以下材料所構成之群組的硼化物：硼化鈦、硼化鉻、硼化鎢、硼化鎳、硼化鋯、硼化鉿、硼化鉭、硼化鈮、硼化釩、硼化鉬、硼化矽、硼化鋁和過渡金屬之其它硼化物，以及其等之組合。
41. 如申請專利範圍第37項之地面接合工具，其中該耐磨材料包含一或多種過渡金屬之矽化物。
42. 如申請專利範圍第28項之地面接合工具，其中該基材具有數個突出體連接至該表面且自該表面向外延伸，且其 中該等突出體係被包埋在該耐磨複合物塗層內。
43. 如申請專利範圍第42項之地面接合工具，其中該等突出體包含數個相對稱分佈於該基材之外表面上的凸條構件。
44. 一種用於推土設備之磨損構件，其包含一工作部份以在該推土設備的操作期間連接地面，一套筒開口位於後端以容納該推土設備的一支撐機頭，以及一複合物塗層覆蓋住該工作部份，該塗層包含一多孔性耐磨材料以及主要係具延展性鐵之一具延展性鐵基質材料混合於該耐磨材料，其中該基質材料將該塗層黏結至該工作部份。
45. 如申請專利範圍第44項之磨損構件，其中該具延展性鐵以重量百分比計具有包含近乎3.0-4.0%之碳、近乎1.8-2.8%之矽、近乎0.1-1.0%之錳、近乎0.01-0.03%之硫以及近乎0.01-0.1%之磷，伴隨剩餘部份為鐵和附帶的元素以及雜質的組成物。
46. 如申請專利範圍第45項之磨損構件，其中該具延展性鐵之組成物更包含最高至37重量%之鎳。
47. 如申請專利範圍第45項之磨損構件，其中該具延展性鐵之組成物更包含最高至5.5重量%之鉻。
48. 如申請專利範圍第45項之磨損構件，其中該具延展性鐵之組成物更包含最高至5.5重量%之矽。
49. 如申請專利範圍第44項之磨損構件，其中該耐磨材料係一微粒材料，且該基質材料將該耐磨材料黏結在一起。
50. 如申請專利範圍第44項之磨損構件，其中該耐磨材料包 含一或多種擇自於由以下材料所構成之群組的材料：碳化物、氮化物、硼化物、矽化物、過渡金屬之金屬間化合物以及其等之組合。
51. 如申請專利範圍第44項之磨損構件，其中該基材具有數個突出體連接至該工作部份且自該工作部份向外延伸，且其中該等突出體係被包埋在該複合物塗層內。
52. 如申請專利範圍第51項之磨損構件，其中該等突出體包含數個相對稱分佈於該工作部份上的凸條構件。
53. 如申請專利範圍第44項之磨損構件，其中該塗層具有比基材之厚度大的厚度。
54. 如申請專利範圍第44項之磨損構件，其中該塗層具有至少7.5吋之厚度。
55. 如申請專利範圍第44項之磨損構件，其中該構件是一地面接合工具要被安裝在一鏟斗的一凸緣。
56. 如申請專利範圍第44項之磨損構件，其中該構件是一鋸齒用於安裝至一挖鑿機。
57. 如申請專利範圍第44項之磨損構件，其中該構件是一遮板(shroud)要被安裝至一挖鑿機。
58. 如申請專利範圍第44項之磨損構件，其中該複合物塗層的表面是由一片材金屬殼體所界定，其中該基質材料黏結該塗層至該殼體。
59. 如申請專利範圍第58項之磨損構件，其中該殼體具有一保角嵌條與該構件的工作部份接觸。
60. 如申請專利範圍第59項之磨損構件，其中該殼體是藉由 至少焊接或硬焊接合該保角嵌條與該構件的工作部份之間以連接該構件。
61. 如申請專利範圍第28項之地面接合工具，其中該基材是一地面接合工具要被安裝在一鏟斗的一凸緣且該表面是一工具的工作部份。
62. 如申請專利範圍第28項之地面接合工具，其包括一殼體界定該耐磨複合物塗層的形狀。
63. 如申請專利範圍第62項之地面接合工具，該基質材料更黏接至殼體的表面。
64. 如申請專利範圍第19項之磨損構件，其中該模具是一片材金屬殼體界定該殼體及該基材之間的該孔穴。
65. 如申請專利範圍第19項之磨損構件，其中該殼體具有一保角嵌條與該基材接觸。