被封装的磨损颗粒制造技术

将硬颗粒加入到形成构件的表面的母体内可显著地增加耐磨性。金刚石在工业应用中的实际使用因为碳结构在700℃以上的温度下在空气中分解成石墨而受到限制。在暴露于熔融铁时，金刚石表面也可化学地反应，并溶解到铁内。涂覆金刚石的金属化合物可提供一个或多个保护层，以限制金刚石表面与将使其结构退化的元素接触。涂层也可在处理期间提供用于熔融母体的可润湿表面，以改善颗粒在母体内的保持。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种具有嵌入磨损颗粒以增加硬度并限制表面磨蚀的部件磨损表面。
技术介绍
工业应用通常使得工具循环往复地接触移除工具表面的磨蚀材料。在工具的使用寿命期间，磨蚀材料磨掉并腐蚀暴露的工具表面，直到工具必须更换。用于工具的较硬表面通过减少操作期间的磨损速度来延长工具的使用寿命。磨损工具可以通过铸造、粉末冶金渗透或其他技术制造。用于调整工具材料硬度的方法包括合金化、表面硬化和热处理。在部件成型期间将耐磨颗粒或材料加入到工具主体内也可限制操作期间的腐蚀以提供增加的使用寿命。在铸造材料中引入并优选地放置硬磨损颗粒的材料准备和制造方法可为工具和暴露于磨蚀性磨损的其他部件提供改进的磨损和使用寿命。
技术实现思路
磨损工具和磨损构件的与其他材料滑动或冲击接触的表面受到磨蚀。例子包括提取采矿中使用的地面接合工具，其穿透地层和矿石以分离材料从而进行进一步处理。地面接合工具具有非常高的磨损率，并且必须频繁更换。例子还包括转动工具，诸如井下钻头，其通过破坏岩石而使钻孔推进。钻孔的材料围绕钻头的主体平齐，摩擦钻头的表面。其他例子包括磨损部件，土方材料经过磨损部件，诸如附接到滑槽、卡车底板等的那些磨损部件。虽然本专利技术非常适
应于接合地面的工具或部件，它可以使用在其他磨蚀环境中以提供更长的寿命。较硬材料比较软材料更耐磨蚀和腐蚀。硬化工具和工具表面的许多方法用来使其更耐磨蚀。材料选择、合金化和热处理为工具提供最宽的硬度性能。表面硬化可提供另外的硬度。耐磨的硬颗粒也可加入到工具的表面内或上以进一步限制磨蚀。加入到工具材料的硬颗粒可包括诸如碳化硼、碳化钒、氮化硼、碳化钨、碳化钛或其他化合物的一种或多种超硬磨料。最硬的散装材料是金刚石。金刚石在工业应用中的实际使用受到限制，因为金刚石结构会在700℃以上的温度下在空气中分解成石墨。在暴露于熔融铁时，金刚石表面也可化学反应并分解到铁内。涂覆金刚石的金属化合物可提供一个或多个保护层，限制金刚石表面与将使其结构退化的元素接触。常见做法与在铁基铸件内嵌入多涂覆金刚石背离，因为涂层不能保护金刚石不受到高铸造温度和强烈化学攻击影响。美国专利5224969描述涂覆金刚石颗粒以改善金刚石颗粒在包括树脂或苯酚甲醛的支承母体内的保持。铬作为第一层沉积在金刚石上以形成碳化物层，随后沉积不同金属的第二层，接着氮化。第三层沉积在氮化层上以便为母体提供粘接或加入层，从而抓持封装的金刚石。本专利技术涉及也称为磨损颗粒的硬颗粒，其涂覆有金属氮化物层或金属碳化物层和金属氮化物层，从而能够包含在或暴露于熔融金属，特别是基于铁的合金。本专利技术使得硬颗粒(例如金刚石颗粒)包含在铸造或通过涉及熔融金属的其他制造过程制造的部件内或上，而没有通常防止其使用的不当退化。这种硬颗粒的新型使用可以为所有暴露于磨蚀磨损的产品提供较长的使用寿命。在本专利技术的一种实施方式中，嵌入铁基母体的磨损颗粒是涂覆有金属碳化物的金刚石颗粒。为了保护金属碳化物层不化学退化，金属氮化物层沉积在碳化物层上。对于金属氮化物涂层相对于熔融铁基母体不具有充分润湿的合
金来说，氮化物层可形成为亚化学计量金属氮化物，或具有内部，其中金属与氮原子的化学计量比例过渡到表面处的金属氮化物的外部亚化学计量层。亚化学计量金属氮化物可以与熔融母体更好地相互作用，使得颗粒更好地保持在固体母体内。在另一实施方式中，磨损颗粒涂覆有金属氮化物。金属氮化物限制金刚石通过暴露于熔融金属元素的退化。在金属氮化物涂层相对于熔融铁基母体不具有充分润湿的情况下，磨损颗粒可包括亚化学计量金属氮化物涂层或沉积在氮化物涂层上的金属氮化物的亚化学计量层。在另一实施方式中，封装的磨损颗粒在注入熔融金属之前通过产物母体或其他措施沿着模具的铸造表面定位。在将熔融金属引入模具时，母体材料被消耗并且封装的磨损颗粒分散在铸造部件的熔融材料内。在另一实施方式中，耐磨表面使用焊接杆通过电弧焊接过程沉积在金属衬底上。焊接杆具有金属母体、芯或周边，其加入粘合剂、焊剂和/或封装的硬颗粒(例如金刚石颗粒)。封装的颗粒包括封装的主封装层和次封装层，以限制颗粒在处理期间的退化。在焊接期间，颗粒从焊接杆上的粘合剂到焊接池，并在固化时加入到表面内或上。在另一实施方式中，在磨损构件铸造期间加入金刚石的方法包括将保护涂层沉积在金刚石的表面上，并且在保护涂层上沉积涂层。附图说明图1是磨损表面的横截面，其中金刚石封装在两层内，并且示出金刚石在表面上暴露并嵌入表面。图2是金属注入之前的模具的竖直横截面，模具具有浸没有二次封装金刚石的母体。图3是金属注入之前的模具的竖直横截面，模具具有位于内部模具表面上的浸没有封装金刚石的网格层。图4是磨损表面的横截面，磨损表面具有封装在一个层内的金刚石，并且示出金刚石在表面上暴露并嵌入表面。具体实施方式许多工业操作涉及经历磨蚀材料的工具和其他部件。例如，采矿和钻井操作中的工具通过材料接触而快速磨损。在工业操作期间用于更换磨损工具和部件的停机时间会显著增加操作成本。通过增加表面硬度控制磨蚀来增加磨损构件的使用寿命可限制停机时间，并增加操作效率。在形成构件表面的母体内加入硬颗粒可以显著增加耐磨性。作为碳的极硬形式的金刚石通常用作研磨和切削操作中的研磨剂。将金刚石颗粒(或其他硬颗粒)分散在铁基(或其他金属)铸造磨损构件内可以为工具或其他部件提供有利的磨损性能，但是过去由于金刚石在高热和/或化学反应下退化而不可行。表面磨损使另外的金刚石表面暴露以便在金刚石颗粒沿着磨损部件的表面经过至少一些深度分散时在工具的使用寿命中提供保护。虽然这里就金刚石作为硬耐磨颗粒来描述本专利技术，该方法可适应于母体中限制磨蚀环境中磨损的其他硬颗粒。金刚石颗粒在铁基基合金中的使用是本专利技术的一种优选的实施方式，因为金刚石颗粒是高度耐磨的，并且这些合金由于其经济性、强度和耐用性而使用在许多磨蚀环境中。不过，本专利技术适应于在非铁基合金中使用金刚石，这些合金在制造过程中铸造或熔化时类似地使金刚石或其他硬颗粒退化。在本申请中，本专利技术就只作为例子的地面接合工具(诸如挖掘齿)中使用的封装金刚石来描述，即出于说明的目的，并不应该作为限制。可以在本专利技术中使用的硬或磨损颗粒还包括例如陶瓷、陶瓷纤维、陶瓷片或金属化合物，诸如碳化钛或立方氮化硼。在表面母体中嵌入金刚石包括在形成工具或对工具表面处理时将金刚石颗粒加入到熔融金属中。这使金刚石暴露于化学反应和/或热量的极端条件下。在通过铸造制造的部件中，金刚石可以在它在
模具中固化之前加入到熔融材料内。对于渗透部件，金刚石可以包封到模具中，并且熔融的母体金属将金刚石和任何其他硬颗粒加入就位。金刚石也可通过焊接加入到表面。金刚石会通过在处理期间接触诸如铁、铜和镍以及其他元素的熔融金属而退化。暴露于氧的金刚石在700℃以上的处理温度下退化，其中金刚石结构转换成石墨，石墨较软并不太耐磨。在真空或惰性还原环境中，退化可开始于1500℃以上。为了保持金刚石的结构整体性和材料性能，每个金刚石颗粒可以包括一个或多个保护层。金刚石表面上的层提供保护，而不使金刚石在高温下退化，并不受到母体成分的化学攻击。保护层也可提供金刚石表面的润湿性能，允许熔融材料粘接到涂覆的金刚石表面，在金刚石的一部分暴露并接触冲击材料时本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包含在铁基母体内的磨损颗粒，包括：金刚石颗粒；位于金刚石表面上的内层；以及与铁基母体加入的外层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.10 US 61/926,0801.一种包含在铁基母体内的磨损颗粒，包括：金刚石颗粒；位于金刚石表面上的内层；以及与铁基母体加入的外层。2.根据权利要求1所述的磨损颗粒，其中，内层和外层分别包括金属化合物。3.根据前述权利要求中任一项所述的磨损颗粒，其中，内层是金属碳化物。4.根据前述权利要求中任一项所述的磨损颗粒，其中，外层是金属氮化物。5.根据前述权利要求中任一项所述的磨损颗粒，其中，外层的成分促进磨损颗粒由熔融母体进行的润湿。6.根据前述权利要求中任一项所述的磨损颗粒，还包括位于内层和外层之间的第三层。7.根据前述权利要求中任一项所述的磨损颗粒，其中，外层是亚化学计量的氮化物以促进润湿。8.根据前述权利要求中任一项所述的磨损颗粒，其中，每层包括金属化合物，金属化合物包括硅、钨、钛、镍、硼、铌、钽、锆、铪、钼和铝中的一种或多种。9.根据前述权利要求中任一项所述的磨损颗粒，其中，内层是金属化合物，并且外层是含有不同于内层的金属的金属化合物。10.一种含有金刚石颗粒的铸造磨损构件，金刚石颗粒包括：位于金刚石表面上的主层；以及与铸造磨损构件的金属加入的第三层。11.根据权利要求10所述的铸造磨损构件，其中，磨损构件是黑色金属材料。12.根据权利要求10所述的铸造磨损构件，其中，主层是碳化物。13.根据权利要求10-12任一项所述的铸造磨损构件，其中，第三层是氮化物。14.根据权利要求10-13中任一项所述的铸造磨损构件，其中，第三层促进磨损颗粒由磨损构件熔融母体进行的润湿。15.根据权利要求10-14中任一项所述的铸造磨损构件，其中，第三层是亚化学计量的氮化物以促进润湿。16.根据权利要求10-15中任一项所述的铸造磨损构件，其中，每层包括金属化合物，该金属化合物包括硅、钨、钛、镍、硼、铌、钽、锆、铪、钼和铝中的一种或多种。17.根据权利要求10-16中任一项所述的铸造磨损构件，其中，所述构件具有作业部分和安装部分，并且金刚石优先地分布在作业部分中。18.根据权利要求17所述的铸造磨损构件，其中，安装部分基本上没有金刚石。19.一种在磨损构件铸造期间加入金刚石的方法，包括：将保护涂层沉积在金刚石表面上；将涂层沉积在保护涂层上。20.根据权利要求19所述的加入金刚石的方法，其中，沉积涂层包括化学气相沉积。21.根据权利要求19-20中任一项所述的加入金刚石的方法，其中，沉积涂层包括物理气相沉积。22.根据权利要求19-21中任一项所述的加入金刚石的方法，其中，涂层包括金属化合物，该金属化合物包括硅、钨、钛、镍、硼、铌、钽、锆、铪、钼和铝中的一种或多种。23.根据权利要求19-21中任一项所述的加入金刚石的方法，其中，保护涂层是金属碳化物。24.根据权利要求19-23中任一项所述的加入金刚石的方法，其中，保护涂层抵抗金刚石的通过与铁基母体接触而发生的退化。25.根据权利要求19-24中任一项所述的加入金刚石的方法，其
\t中，保护涂层上的涂层是金属氮化物。26.根据权利要求19-24中任一项所述的加入金刚石的方法，其中，保护涂层上的涂层是金属碳氮化物。27.根据权利要求19-26中任一项所述的加入金刚石的方法，还包括沉积作为亚化学计量的金属氮化物的第三涂层，以便促进涂覆的金刚石通过熔融金属进行的的润湿。28.根据权利要求19-26中任一项所述的加入金刚石的方法，还包括沉积作为亚化学计量的金属碳氮化物的第三涂层，以便促进涂覆的金刚石通过熔融金属进行的润湿。29.根据权利要求19-28中任一项所述的加入金刚石的方法，其中，保护涂层的金属和保护涂层上的涂层的金属是不同的金属。30.根据权利要求19-29在任一项所述的加入金刚石的方法，其中，在铸造金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·S·蒙特罗斯，
申请(专利权)人：埃斯科公司，
类型：发明
国别省市：美国;US