CN102223982B - 耐磨合成物 - Google Patents

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Abstract

一种能够以覆盖结合关系沉积到金属基底上的具有耐磨性能的表面覆盖合成物。表面覆盖合成物包括以不小于大约0.6的填充因子布置在金属母体内的金属碳化物颗粒。不小于大约40％重量百分比的金属碳化物颗粒的特征在于引入金属母体之前的有效直径在+14-32目数的范围内。不小于大约3％重量百分比的所述金属碳化物颗粒的特征在于引入金属母体之前的有效直径为+60目数。

Description

耐磨合成物
技术领域
本发明总体涉及一种表面硬化处理，并且更特别是，涉及用于对表面进行耐磨表面处理的合成物和方法。
背景技术
表面硬化指的是金属工件的表面通过可消耗电极受到焊接电弧或熔化，由此造成熔融材料池形成在该表面上的工艺。在表面层处于熔融状态的同时，耐磨材料的颗粒被传输到熔融材料池。耐磨颗粒和熔融材料混合，形成相对于下面的基底金属具有增加的耐磨性能的合成合金。
一种为例如挖掘机齿或类似物的金属工件提供增加的耐磨性的方法在授权给Jackson等人的美国专利3,882,594中提出，该专利具有1975年5月13目的授权日。此对比文件提出将烧结的金属碳化物的耐磨垫施加在金属母体内。烧结的碳化物的颗粒的特征在于具有大约6至大约30美国筛号(U.S.Sieve)的不同尺寸范围。碳化物颗粒被不规则地成形，并且该尺寸范围足够宽，从而碳化物颗粒的容积在大约70％-85％的范围。
发明内容
在一个方面，本发明描述一种具有耐磨性能的表面覆盖合成物，该合成物能够以覆盖结合的形式沉积到金属基底。表面覆盖合成物包括以不小于大约0.6的填充因子位于金属母体内的金属碳化物颗粒，填充因子是通过金属碳化物颗粒在表面覆盖合成物的样本的测量区域内的相对面积占有率来测量的。测量区域从金属基底延伸到金属基底以上大约3mm的位置。不小于大约40％重量百分比的金属碳化物颗粒的特征在于引入金属母体之前的有效直径在+14-32目数的范围内。不小于大约3％重量百分比的金属碳化物颗粒的特征在于引入金属母体之前的有效直径为+60目数。
在另一方面，本发明描述对金属工件进行表面硬化的方法。该方法包括以覆盖结合关系将表面覆盖合成物施加到工件的金属表面。表面覆盖合成物包括以不小于大约0.6的填充因子位于金属母体内的金属碳化物颗粒，填充因子是通过碳化物颗粒在表面覆盖合成物的样本的测量区域内的相对面积占有率来测量的。测量区域从工件的金属表面延伸到工件的金属表面以上大约3mm的位置。至少40％重量百分比的金属碳化物颗粒的特征在于引入金属母体之前的有效直径在+14-32目数的范围内。至少3％重量百分比的金属碳化物颗粒的特征在于引入金属母体之前的有效直径为+60目数。
所述碳化钨颗粒的至少一部分通过硼烧结。
所述金属碳化物颗粒的至少一部分包括通过硼烧结的碳化钨颗粒，并且所述金属母体是钢。
附图说明
图1是示例性机械的示意侧视图。
图2是表示用于将耐磨材料的覆盖层施加到工件表面的示例性表面硬化过程的示意图。
图3是表示对工件表面进行表面硬化处理的示例性式样的示意图。
图4是与覆盖在工件上的被施加耐磨表面被覆物的截面示意图。
图5是表示结合有其特征为第一尺寸分布的颗粒的被施加耐磨表面被覆物的截面图的显微图。
图6是表示增加放大倍数情况下的图5的截面图的一部分的显微图。
图7是表示与图5同样放大倍数情况下的结合有其特征为第二尺寸分布的颗粒的被施加耐磨表面被覆物的截面图的显微图。
图8是表示与图6同样放大倍数情况下的图7的截面图的一部分的显微图。
具体实施方式
现在将对附图进行参考，其中类似的元件尽可能在各个视图中通过类似的附图标记来表示。图1表示具有多个相互协作以实现任务的系统和部件的示例性构造的机械10。机械10可体现为固定或移动机械，包括轮式或履带式机械，该机械执行与例如采矿、建造、农业、运输的产业或本领域公知的任何其他产业相关联的某些类型操作。例如，机械10可以是例如推土机、挖掘机、装载机、反铲挖土机、机动平地机、自动倾卸卡车的运土机械或任何其他的运土机械。机械10还可以是基本上不动的，例如钻孔设备等。
在所示实施方式中，机械10可以包括具有能够在通过推动作用使材料运动时接合地面的切削刃12的推铲11。机械10还可以包括能够使例如松土机臂、铲斗、钻头的工作工具14或任何其他地面接合工具运动的执行系统13。图1所示的机械10包括履带16，履带16具有包括向外伸出的履带齿片20的履带板18的配置。履带板18能够在操作过程中接合地面。将理解到，包括(但不限于)切削刃12、工作工具14和履带齿片20的机械10的多种部件会在操作过程中受到很大的磨耗。当然，机械10内的多种其他部件也会受到磨耗。这种磨耗会造成过早磨损，并需要更换。这种磨损在由例如普通可机加工碳钢或类似物的韧性材料形成的工件中特别明显。
只通过例子(不限于)，图2表示根据需要在例如履带齿片20、切削刃12、工作工具14或任何其他金属结构的工件36的表面34上使用表面硬化处理施加耐磨表面被覆物32的一种示例性实施例。如所示，在示例性表面硬化处理过程中，被处理的表面34可以相对于焊头50大致相对定位，焊头50包括可消耗低碳钢丝或类似物的电极52。随着焊头50和相对表面34之间形成电弧，电极52被液化，并且在表面34上形成液池53。形成工件36的材料的一部分也熔化到相对浅的深度，由此为液池53提供另外的液体。液池可以通过相对于工件36的表面如方向箭头所示运动焊头50来逐渐形成。当然，如果希望，还可以考虑到焊头50可保持固定，而工件36进行相对运动。
虽然在许多使用环境下具有带可消耗性能电极52的焊头50的使用会是有利的，但可以想到实际上任何局部加热的技术可用来在待处理的表面34上形成液池53。只通过例子，使用电极52可以具有非消耗性能，使得液池53仅通过构成工件36的材料形成。同样，焊枪或其他加热装置可代替焊头50使用，可以具有或不具有可消耗构件。因此，液池53的形成决不依赖任何特殊设备或工艺的使用。
耐磨材料的颗粒56被传输到液池53以便在液池53重新固化时形成耐磨合成合金，从而形成耐磨表面被覆物32。只通过例子，一种用于颗粒56的适当材料是与钴结合在一起的烧结碳化钨。适当颗粒56的一种可能可用的来源是从加工操作过程中使用的钻地钻头回收的碎片等级的烧结碳化钨。但是如果希望同样可以使用其他材料。因此，可以考虑到颗粒56的至少一部分可以由其他材料形成，这些材料包括(不限于)铸造碳化钨、粗结晶碳化钨以及其他金属的碳化物，这些金属包括钼、铬、钒、钛、钽、铍、铌及其混合物，其特征在于相对于形成工件36的基底材料具有增加的耐磨性。在重新固化后，得到的耐磨表面被覆物32包括位于之前形成液池53的钢或其他基底金属的结合母体内的耐磨材料的颗粒56。
将理解到，在表面硬化处理过程中，液池53布置在相对局部的位置，并且在进行重新固化之前保持液体状态有限的时间段。因此，有利的是与液池形成相结合地传输颗粒56。只通过例子(不限于)，一种示例性颗粒传输实施例可以采用具有大致中空构造的滴管58，滴管沿着总体上位于焊头50之后的路径运动。颗粒56通常以大约0.1至大约0.3克/平方厘米处理区域的水平施加，但如果希望也可以使用更大或更小的水平。
通过焊头50和滴管58的一次行程提供的处理区域宽度60可以通过焊头50的运动式样来控制。通过例子，在希望相对窄的处理区域宽度60的情况下，焊头50可以大致直线运动，滴管58直接跟随其后。这种直线式样可通常用来形成大约15毫米或更小的处理区域宽度60。在希望较宽的处理区域的情况下，焊头可以图4的实线所示的大致Z形式样62运动，滴管58如图4虚线所示大致沿着Z形式样62的中间在大致直线路径63上跟随其后。Z形式样62提供了较宽的液池，以便接收可以沉积在所形成液池的中点处的颗粒56。在希望更广的处理区域的情况下，根据希望，焊头50可进行彼此相邻的多个行程，从而基本上覆盖表面34的任何部分。
已经发现较大的颗粒与大重量百分比的相对小颗粒相结合可以促进这种颗粒在最终耐磨表面被覆物32中具有增加的填充因子，并且可增强性能。在此方面，应该理解到术语“填充因子”指的是在限定区域内固化状态的施加颗粒所占据的合成合金的容积相对于该限定区域内耐磨表面被覆物32的容积的比例。因此，耐磨表面被覆物32的在固化状态下被施加的颗粒占据总容积的50％的区域将具有0.5的填充因子。
根据可用来评价填充因子的一个实施例，一个或多个截面图可经过耐磨表面被覆物32和下面的工件36切取，如图4示意所示。如所示，该截面图包括工件36的一部分，其上覆盖有耐磨表面被覆物32。颗粒56集中在从工件36延伸的带内。在形成时，具有非常少颗粒的外部区域65可以布置在极外部表面处。此外部区域65基本上由熔化电极52形成的母体材料形成。将理解到，在经历磨耗环境时，外部区域65会趋于出现最初的快速磨损，直到颗粒56的集中区域变得暴露为止。随后，磨损显著减小。图5-8提供了被施加的耐磨表面被覆物的显微图，表示了基本上与图4相对应的代表性方向。图5和7的方框大致从下面的工件延伸到外部区域的下边缘，由此表示颗粒在该区域内的集中。
该截面可以被蚀刻和抛光，以便显示母体内的颗粒56。接着在蚀刻和抛光的表面内限定测量区域66。颗粒56在测量区域66内所占据的表面面积与测量区域66的总面积的比例限定可以用作填充因子的测量的面积占有率。只通过例子，评价颗粒56在从工件36的表面延伸到工件36的表面以上大约3毫米的位置的标准测量区域内所占据的表面面积可用来评价耐磨表面被覆物32的靠近工件36的具有高浓度颗粒56的部分内的填充因子。虽然使用了单个样本，可以通过评价多个样本并平均这些样本内的面积占有率来实现增加的精度。
根据一种示例性实施例，耐磨材料的颗粒56的特征在于其有效直径在大约+14-120目数的范围内。即，颗粒将足够小从而能够经过美国标准14筛网(1410微米)，并被挡住而不能经过美国标准120筛网(125微米)。在此宽泛的范围内，会希望大量百分比的颗粒占据子区域，从而提供颗粒尺寸的多样分布。这种多样的颗粒尺寸分布使得较小颗粒相互协作地填充较大颗粒之间的空间，从而增加总体的填充因子。只通过例子，被施加颗粒56的一种示例性的尺寸分布在下面的表I中给出。
表I
采用这种颗粒尺寸分布会形成大约0.6-大约0.7的最终填充因子。对于某些应用，希望的是至少3％且更希望的是大约5％至大约10％具有+80目数的有效直径，使得那些颗粒经过80筛网。
如果希望，考虑到颗粒尺寸分布可以调节到基本上减小或消除+14-22目数范围的颗粒，由此将该分布朝着与更高目数相对应的更小有效直径转化。但是，通常，对于许多应用，希望的是至少40％重量百分比的颗粒具有足够大的有效直径，从而被32筛网挡住。这种较大颗粒的存在可以在高度磨耗的环境中(在例如工件36接合火成岩、石英、矿渣或其他类似介质时出现的情况下)提供另外的稳定性。如果需要，还考虑到可以施加具有大于14目数或小于120目数的有效直径的较小百分比的颗粒。但是，希望的是大约95％或更大重量百分比的颗粒在+14-120目数范围内。
只通过例子，对于一些应用来说特别希望的被施加耐磨材料颗粒的尺寸分布在下面的表II内给出。
表II
采用这种颗粒尺寸分布形成大约0.7的最终填充因子。
将理解到，在表面硬化过程中，表面张力特性造成熔化的材料在工件36的表面34上形成总体上凸形的升高的焊珠。颗粒56的引入会趋于增加这种升高的焊珠的容积。这种升高的焊珠结构在合成合金的重新固化时基本被保持。只通过例子，由于基底材料的熔化，最终固化的合成合金会相对于处理中的表面34的平面升高大约4毫米，并且延伸到处理中的表面34的平面以下大约2毫米的深度。但是，这种高度可根据需要增加或减小。
通过参考以下的非限定例子，可容易理解与本发明相一致的特征。
例子1
图5和6是耐磨表面被覆物的截面显微图，其中，钢母体内的碳化钨颗粒采用具有+14-120目数的烧结碳化钨颗粒。被施加的大约64％重量百分比的颗粒物质在+14-22目数的尺寸范围内。被施加的大约16％重量百分比的颗粒物质在+22-33目数的尺寸范围内。被施加的大约16％重量百分比的颗粒物质在+33-60目数的尺寸范围内。被施加的大约4％重量百分比的颗粒物质在+60-120目数的尺寸范围内。颗粒在表面硬化过程中使用焊头以250克/分钟的滴速施加，其中丝速为350英寸/分钟、行进速度为10.8英寸/分钟并且电压为29伏。根据相对面积占有率，碳化钨颗粒的填充因子在0.6-0.7的范围内。
例子2(比较例)
图7和8是耐磨表面被覆物的截面显微图，其中，钢母体内的碳化钨颗粒采用具有+14-24目数的烧结碳化钨颗粒。除了耐磨材料采用尺寸范围为+14-24目数的烧结碳化钨颗粒之外，例子1所述的测试过程在所有方面进行重复。根据相对表面占有率，碳化钨颗粒的填充因子在0.4-0.5的范围内。
工业实用性
包括根据本发明的耐磨表面被覆物的工件实际上可以在其中金属工件容易受到磨损的任何应用环境下应用。这种环境可包括采矿、建造、农业、碳氢化合物提取、运输或本领域公知的任何其他产业。只通过例子，这种耐磨表面被覆物可以结合关系施加到移动或固定机械的切削刃或工作工具的表面上。
根据一种示例性应用，根据本发明的耐磨表面被覆物可在履带式车辆的履带板上的履带齿片的一个或多个表面上施加。这种履带式车辆可包括履带式推土机、碎土机、铺管机、装载机、挖掘机和类似物。履带板在履带的外部限定地面接合表面。耐磨表面被覆物提供了增加的耐磨性，由此延长了使用寿命以及增加的机械生产率。

Claims (10)

1.一种能够以覆盖结合关系沉积到金属基底上的表面覆盖合成物，所述表面覆盖合成物包括以不小于大约0.6的填充因子布置在金属母体内的多个金属碳化物颗粒(56)，填充因子是通过所述金属碳化物颗粒(56)在表面覆盖合成物的限定测量区域(66)内的面积占有率来测量的，所述限定测量区域(66)从所述金属基底延伸到所述金属基底以上大约3mm的位置，至少40％重量百分比的所述金属碳化物颗粒(56)的特征在于引入所述金属母体之前的有效直径在+14-32目数的范围内，即至少40％重量百分比的所述金属碳化物颗粒(56)能够经过14筛网但是不能经过32筛网，至少10％重量百分比的所述金属碳化物颗粒(56)的特征在于引入所述金属母体之前的有效直径在+32-60目数的范围内，即至少10％重量百分比的所述金属碳化物颗粒(56)能够经过32筛网但是不能经过60筛网，并且至少3％重量百分比的所述金属碳化物颗粒(56)的特征在于引入所述金属母体之前的有效直径为+80目数，即至少3％重量百分比的所述金属碳化物颗粒(56)能够经过80筛网。
2.根据权利要求1所述的表面覆盖合成物，其中所述金属碳化物颗粒(56)的至少一部分包括碳化钨颗粒。
3.根据权利要求2所述的表面覆盖合成物，其中所述碳化钨颗粒的至少一部分通过钴烧结。
4.根据权利要求1所述的表面覆盖合成物，其中所述金属碳化物颗粒(56)的至少一部分包括通过钴烧结的碳化钨颗粒，并且所述金属母体是钢。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的表面覆盖合成物，其中至少5％重量百分比的所述金属碳化物颗粒(56)的特征在于引入所述金属母体之前的有效直径为+60目数，即至少5％重量百分比的所述金属碳化物颗粒(56)能够经过60筛网。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的表面覆盖合成物，其中至少50％重量百分比的所述金属碳化物颗粒(56)的特征在于引入所述金属母体之前的有效直径在+14-32目数的范围内，即至少50％重量百分比的所述金属碳化物颗粒(56)能够经过14筛网但是不能经过32筛网。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的表面覆盖合成物，其中至少70％重量百分比的所述金属碳化物颗粒(56)的特征在于引入所述金属母体之前的有效直径在+14-32目数的范围内，即至少70％重量百分比的所述金属碳化物颗粒(56)能够经过14筛网但是不能经过32筛网。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的表面覆盖合成物，其中至少95％重量百分比的所述碳化钨颗粒(56)的特征在于引入所述金属母体之前的有效直径在+14-120目数的范围内，即至少95％重量百分比的所述碳化钨颗粒(56)能够经过14筛网但是不能经过120筛网，至少40％重量百分比的所述碳化钨颗粒(56)的特征在于引入所述金属母体之前的有效直径在+14-32目数的范围内，即至少40％重量百分比的所述碳化钨颗粒(56)能够经过14筛网但是不能经过32筛网，至少10％重量百分比的所述碳化钨颗粒(56)的特征在于引入所述金属母体之前的有效直径在+32-60目数的范围内，即至少10％重量百分比的所述碳化钨颗粒(56)能够经过32筛网但是不能经过60筛网，并且至少3％重量百分比的所述碳化钨颗粒(56)的特征在于引入所述金属母体之前的有效直径为+80目数，即至少3％重量百分比的所述碳化钨颗粒(56)能够经过80筛网。
9.根据权利要求8所述的表面覆盖合成物，其中至少5％重量百分比的所述碳化钨颗粒(56)的特征在于引入所述金属母体之前的有效直径为+80目数，即至少5％重量百分比的所述碳化钨颗粒(56)能够经过80筛网，并且其中至少70％重量百分比的所述碳化钨颗粒(56)的特征在于引入所述金属母体之前的有效直径在+14-32目数的范围内，即至少70％重量百分比的所述碳化钨颗粒(56)能够经过14筛网但是不能经过32筛网。
10.一种对金属工件进行表面硬化的方法，所述方法包括：以覆盖结合关系将表面覆盖合成物施加到工件(36)的金属表面(34)，所述表面覆盖合成物包括以不小于大约0.6的填充因子布置在金属母体内的多个金属碳化物颗粒(56)，所述填充因子是通过所述金属碳化物颗粒(56)在所述表面覆盖合成物的限定测量区域(66)内的平均面积占有率来测量的，所述限定测量区域(66)从所述工件(36)的金属表面(34)延伸到所述工件(36)的金属表面(34)以上大约3mm的位置，至少40％重量百分比的所述金属碳化物颗粒(56)的特征在于引入所述金属母体之前的有效直径在+14-32目数的范围内，即至少40％重量百分比的所述金属碳化物颗粒(56)能够经过14筛网但是不能经过32筛网，至少10％重量百分比的所述金属碳化物颗粒(56)的特征在于引入所述金属母体之前的有效直径在+32-60目数的范围内，即至少10％重量百分比的所述金属碳化物颗粒(56)能够经过32筛网但是不能经过60筛网，并且至少3％重量百分比的所述金属碳化物颗粒(56)的特征在于引入所述金属母体之前的有效直径为+80目数，即至少3％重量百分比的所述金属碳化物颗粒(56)能够经过80筛网，其中所述表面覆盖合成物的特征在于相对于所述金属表面(34)具有增加的耐磨性。
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