復合金屬產物的制作方法

復合金屬產物的制作方法
【專利摘要】離心鑄造的復合金屬產物具有旋轉對稱軸和至少5kg的質量，該離心鑄造的復合金屬產物包括基質金屬和遍及該金屬基質呈不均勻分布的耐火材料的不溶性固體耐火顆粒。所述顆粒的密度在該基質金屬在其鑄造溫度下的密度的30％之內。
【專利說明】
復合金屬產物
技術領域
[0001 ]本公開涉及復合金屬產物的離心鑄造方法，最終產物的質量通常在20到5000kg的 范圍內，其含有主金屬基質(host metal matrix)--通常為鐵基金屬基質，并且包括用來 增加耐磨性的硬質不溶性耐火顆粒的外表面層，該外表面層標稱厚度為1到20mm。
[0002] 本公開還涉及離心鑄造的復合金屬產物。
【背景技術】
[0003] 在本公開的上下文下，術語"耐火顆粒"被理解為包括分散于硬基質金屬中的下述 九種過渡金屬中一種或多于一種的高熔點碳化物和/或氮化物和/或硼化物的顆粒:鈦、鋯、 鉿、釩、鈮、鉭、鉻、鉬和鎢，所述基質金屬作為粘合相。這些耐火顆粒中的每個是耐火材料的 顆粒，且在本文中稱為"耐火材料"。通常，基質金屬是鐵基金屬合金。基質金屬還可以是鎳 基和鉆基的超合金。
[0004] 在本公開的上下文中，術語"不溶性的"應理解為意指，從每層意義上說，耐火材料 在鑄造溫度(對于鐵基基質金屬通常在1200到1600°C范圍內）下不溶于基質金屬。可能具有 有限的溶解性。然而，就鑄造方法階段和凝固產物中所存在的耐火材料顆粒中可忽略的元 素分離而言，耐火顆粒基本不同于基質金屬。

【發明內容】

[0005] 在第一方面，公開了離心鑄造的復合金屬產物的實施方式，該復合金屬產物具有 旋轉對稱軸且質量為至少5kg，通常至少10kg，和更通常為至少20kg，并且包括金屬基質和 遍及基質金屬呈不均勻分布的耐火材料的不溶性固體顆粒，其中所述顆粒的密度在所述金 屬基質在其鑄造溫度下的密度的30 %以內，通常在20 %以內。
[0006] 復合金屬產物在整個凝固材料內包括兩個不同的區域，即，耐火材料的不溶性固 體顆粒區域和至少基本不含耐火顆粒的基質金屬區域，其中就鑄造溫度下和凝固產物中所 存在的耐火材料顆粒中可忽略的元素分離而言，耐火顆粒基本不同于基質金屬。
[0007] 耐火材料的固體顆粒在鑄造溫度下和凝固后不溶于金屬基質這一發明特征使得 本發明區別于現有技術方案，諸如JPS632864,其將鐵合金(a)Fe-W、（b)Fe-Mo和(c)Fe-Cr添 加至基質鐵基合金，分別形成在常規鑄造溫度下不同程度地溶于基質金屬的（a)碳化鎢、 (b)碳化鉬和(c)碳化鉻。因此，在這些系統中，硬質不溶性耐火碳化物在微觀結構中的體積 百分比顯著減少，并且溶解的鎢和/或鉬和/或鉻可不利地且不定量地影響基質金屬在室溫 下的物理化學性質(例如，減少韌性和對熱處理的不同反應）。
[0008] 在一些實施方式中，耐熱顆粒可具有比基質金屬更高的密度，在這種情況下接近 復合的離心鑄造金屬產物的外表面會有更高濃度的耐火顆粒。
[0009] 在一些實施方式中，耐熱顆粒可具有比基質金屬更低的密度，在這種情況下接近 復合的離心鑄造金屬產物的內表面會有更高濃度的耐火顆粒。
[0010] 在一些實施方式中，耐火顆粒的不均勻分布可包括在該產物的外或內表面層中的 耐火顆粒的第一濃度，其高于該產物的另一層中的耐火顆粒的第二濃度。
[0011] 在一些實施方式中，產物外表面層中的耐火顆粒的第一濃度可比該產品中標定的 耐火材料體積百分比高至少50vol%，通常為至少60vol%，通常為至少70vol%，和更通常 為 50vol% 到 120vol%。
[0012] 在一些實施方式中，產物外表面層中的耐火顆粒的第一濃度可以是該外表面層總 體積的至少10%，通常至少20%，通常少于40%，和更通常在其10%到40%的范圍內。
[0013] 在一些實施方式中，產物另一層中的耐火顆粒的第二濃度可以是該另一層的總體 積的2 vo 1 %到4.5 vo 1 %的范圍內，通常在2 vo 1 %到3.5 vo 1 %范圍內。
[0014] 在一些實施方式中，產物外或內表面層可從該外或內表面延伸出該產物徑向厚度 的至少5%，通常至少20%，更通常至少25%。
[0015] 在一些實施方式中，產物外或內表面層可從該外或內表面延伸出該產物徑向厚度 的少于50%，通常至少40%，更通常少于30%，和更通常少于20%的半徑厚度。
[0016] 在一些實施方式中，產物外或內表面層可從外或內表面延伸出至少10mm，通常至 少20mm，通常少于50mm，通常1mm到50mm，和更通常5mm到20mm。
[0017] 在一些實施方式中，產物外表面層中的耐火顆粒的第一濃度可以在顆粒總體積的 至少5vol%，通常至少lOvol%，通常5vol%到90vol%，和更通常lOvol%到40vol%的范 圍。
[0018] 在一些實施方式中，產物中耐火顆粒的總濃度可以是產物總體積的至少5vol %， 通常至少lOvol%，和更通常在其5vol%到50vol%的范圍內。
[0019] 在一些實施方式中，產物中耐火顆粒的總濃度可在產物總體積的5 v 〇 1 %到 40vol%的范圍內。
[0020] 在一些實施方式中，產物中耐火顆粒的總濃度可在產物總體積的5 v 〇 1 %到 20vol%的范圍內。
[0021] 在一些實施方式中，耐火顆粒可為一種或多于一種的過渡金屬的碳化物和/或硼 化物和/或氮化物，其中與物理混合物相反，顆粒是過渡金屬碳化物和/或硼化物和/或氮化 物的化學混合物。換言之，就碳化物來說，耐火顆粒可具有描述為下述的類型或 (皿 1，2,3)(：類型，其中1"是過渡金屬。下文中進一步討論的一個實例是(他，11，￥)(：。
[0022] 基質金屬可為任何合適的基質金屬。基質金屬可為鐵基合金，諸如不銹鋼或奧氏 體錳鋼或鑄鐵。基質金屬可為非鐵基基質金屬，諸如鈦或鈦合金。
[0023] 在一些實施方式中，基質金屬可為包括以下合金中任何一種的合金：
[0024] (a)例如用于回轉破碎機罩的哈德菲爾高錳鋼；
[0025] (b)例如用于泥漿栗軸套管的420C不銹鋼；
[0026] (c)高鉻白鑄鐵。
[0027] 如在一些實施方式中所用，哈德菲爾高錳鋼可包括：
[0028] l.〇-1.4wt%C,
[0029] 〇.〇-l.〇wt%Si,
[0030] l〇-15wt%Mn,
[0031] 0.0-3.0wt%Mo,
[0032] 0.0-5.0wt%Cr,
[0033] 0.0-2.0wt%Ni,
[0034]剩余物為鐵和附帶的雜質。
[0035] 如一些實施方式中所用，420C不銹鋼可包括：
[0036] 0.3-0.5wt%C,
[0037] 〇.5-1.5wt%Si,
[0038] 0.5-3.0wt%Mn,
[0039] 〇.〇-〇.5wt%Mo,
[0040] l〇-14wt%Cr,
[0041 ] 0.0-1.0wt%Ni,
[0042]剩余物為鐵和附帶的雜質。
[0043] 如一些實施方式中所用，高鉻白鑄鐵可包括：
[0044] 1.5-4.0wt%C,
[0045] 〇.〇-1.5wt%Si,
[0046] 0.5-7.0wt%Mn,
[0047] 0. 〇-1.0wt%Mo,
[0048] 15-35wt%Cr,
[0049] 〇.〇-l.〇wt%Ni,
[0050]剩余物為鐵和附帶的雜質。
[0051]復合金屬產物可為任何適合于離心鑄造且需要高耐磨損性和高韌性性能的產物。 該產物的實例包括一級、二級或三級破碎機的回轉破碎機罩、泥漿栗軸套管、破碎機中使用 的滾筒(包括直徑在lm量級且徑向壁厚在300到400mm范圍內的大直徑滾筒），和破碎機與栗 的其他組件。
[0052]在第二方面，公開了其中第一方面的復合金屬產物可為一級、二級或三級破碎機 的回轉破碎機罩的實施方式。
[0053]在第三方面，公開了其中第一方面的復合金屬產物可為泥漿栗軸套管的實施方 式。
[0054] 在第四方面，公開了離心鑄造復合金屬產物的方法的實施方式，該產物具有旋轉 對稱軸且質量為至少5kg，通常至少10kg，和更通常為至少20kg，并且包括基質金屬和耐火 材料的不溶性固體耐火顆粒的不均勻分散體，該方法包括：
[0055] (a)形成包括分散在液態基質金屬中的固體耐火顆粒的漿料，其中耐火顆粒占所 述衆料總體積的5_50vol%，通常5vol%到40vol%，其中耐火顆粒在鑄造溫度下不溶，以及 其中耐火顆粒的密度在所述金屬基質在其鑄造溫度下的密度的30%以內，通常在20%以 內；和
[0056] (b)將所述漿料傾倒入該金屬產物用模具中，并在所述模具中離心鑄造產物，得到 不溶性固體顆粒遍及所述基質金屬的不均勻分布。
[0057]在一些實施方式中，步驟(a)可包括在熔融基質金屬中原位形成耐火顆粒和將顆 粒分散于基質金屬熔融形式中。
[0058] 在一些實施方式中，步驟(a)可包括將耐火顆粒添加至金屬基質的熔融形式中。
[0059] 在一些實施方式中，步驟(a)和(b)可在惰性環境中執行，諸如在惰性氣氛中。
[0060] 在一些實施方式中，步驟(b)可包括通過在模具內形成惰性環境來制備模具。
[0061] 在一些實施方式中，步驟(b)可包括將所述漿料傾倒入模具中之后或者期間使該 模具繞軸旋轉，以使產物外表面處或附近或者產物內表面處或附近的耐火顆粒的濃度高于 產物中其他位置的顆粒濃度。
[0062] 在一些實施方式中，步驟（b)可包括以10-120G因子旋轉模具，其中G因子（G-factor)是施加在旋轉體上的離心力除以重力。
[0063]在一些實施方式中，步驟(b)可包括以2.5-25m/s的圓周速度旋轉模具。
[0064] 在一些實施方式中，步驟(b)可包括使模具旋轉足夠的時間以實現固體顆粒遍及 基質金屬的不均勻分布。
[0065] 在一些實施方式中，步驟(b)可包括旋轉模具直到金屬基質凝固。
[0066] 在一些實施方式中，步驟(b)可包括在1200-2000°C范圍內，通常在1350-1650°C的 范圍內的鑄造溫度下，將漿料傾倒入模具中。
[0067] 在一些實施方式中，該方法可包括選擇生產參數來形成步驟(a)的漿料，該漿料具 有用于在步驟(b)中的處理所需的流動性。
[0068] 生產參數可包括耐火材料的顆粒尺寸、反應性、密度和溶度中的任何一種或多種， 如本
【申請人】之名提交的國際專利申請PCT/AU2011/000092(W02011/094800)中所描述。該國 際申請中的公開內容通過交叉引用包含在本文中。耐火材料的密度和溶度在以下討論。
[0069] 顆粒耐火材料的密度，相比于液態的基質金屬的密度，在本公開的方法中是控制 耐火顆粒在熱基質金屬中分散的一個考慮參數。
[0070] 基質鐵基液態金屬基質在1400°C的標稱密度為6.9g/cc。當25°C下密度為15.7g/ cc的碳化鎢(WC)顆粒形式的耐火顆粒被添加到基質鐵基金屬中而形成漿時，WC顆粒將下沉 到漿的底部。當1400°C下密度為4.8g/cc的碳化鈦(TiC)顆粒形式的耐火顆粒被添加到同樣 的基質鐵基金屬中而形成漿時，TiC顆粒將懸浮在漿的頂部。碳化鈮形式的耐火顆粒在1400 °C下的密度為7.7g/cc，相當接近基質鐵基液態金屬的密度6.9g/cc，并且與TiC或WC相比較 不易于在該液體基質鐵基金屬中發生上述的分離。
[0071] TiC在25°C下密度為4.9g/cc，完全溶于25°C下密度為7.8g/cc的NbC。因此，25°C下 密度在4.9-7.8g/cc范圍內的耐火顆粒可通過選擇具有所需的鈮和鈦含量的(Nb，Ti )C顆粒 得到。
[0072] 碳化鎢(WC)在25°C下的密度為15.7g/cc，大部分溶于NbC、TiC和(Nb，Ti)C中。因 此，25 °C下密度在4.8-15.7g/cc范圍內的耐火顆粒可通過選擇具有所需的鈮、鈦和鎢含量 的(Nb，Ti，W)C顆粒得到。
[0073]以式(Nb，Ti，W)C描述的所有耐火顆粒在1200-1600°C范圍內的鑄造溫度都不溶于 液態鐵基基質金屬。
[0074]碳化鈮和碳化鈦具有相似的晶體結構且為同晶型的。
[0075]由以上明顯可見，選擇(Nb，Ti)C化合物中所需的Nb: Ti比率或(Nb，Ti，W)C化合物 中所需的Nb: Ti :W比率可得到所需密度在鐵基基質金屬密度20%以內的耐火材料。
[0076]基于所有意圖和目的，添加不溶性（即在基質液態金屬中具有最小限度的固體溶 解)耐火顆粒，以便依照本公開的方法來生產復合金屬產物的離心鑄造鑄件，制得顯示出與 基質金屬非常相似的物理化學性質且具有顯著改進的耐磨性的產物，這是由于在基質金屬 的微觀結構中存在著受控分散的高體積百分比的硬質耐火材料顆粒。
[0077]例如，在升高的溫度下，（Nb，Ti，W)C形式的耐火材料在以下形式的液態基質金屬 中的溶度是可以忽略的（〈〇. 3wt % ): (a)液態哈德菲爾高錳鋼，（b)液態420C不銹鋼，和（C) 液態高鉻白鑄鐵。將具有所需密度的(Nb，Ti，W)C添加到這三種基質金屬合金中，接著離心 鑄造復合金屬產物并對每種金屬基質進行標準熱處理工藝，從而在產物中產生微觀結構， 該微觀結構包括主要的鈮-鈦-鎢碳化物在基質金屬中的分散體，該基質金屬基本不含鈮、 鈦和鎢，即，分離到液態基質金屬的耐火材料漿料顆粒中的過渡金屬是可忽略的。
[0078]因此，微粒狀耐火材料對基質金屬的物理性質（例如，熔點）和化學性質（例如，對 熱處理的反應)的影響是可忽略的。
[0079] 此外，
【申請人】尤其發現提供具有包括分散于基質金屬基體中的碳化鈮顆粒和/或 碳化鈮、碳化鈦和碳化鎢的兩種或多種的化學(與物理相反)混合物的微觀結構的復合金屬 產物，極大地改善了硬質金屬材料的抗磨損性，而不會不利地影響其他合金元素對復合金 屬產物的其他特性所具有的貢獻。
[0080] 此外和如以上說述，
【申請人】尤其發現能夠在足夠的程度上相對于形成復合金屬產 物基體的基質金屬的密度調節碳化鈮、碳化鈦和碳化鎢中兩種或多于兩種的化學混合物顆 粒的密度。這種密度控制的機會是關于硬質金屬材料的離心鑄造鑄件的重要發現。
[0081] 特別地，憑借該發現，能夠生產具有受控的不均勻分布的復合金屬產物的離心鑄 造鑄件，即，顆粒偏析于鑄件的各部分中。在期望在硬質金屬材料鑄件的表面附近具有高耐 磨顆粒濃度的情況中，這對于鑄件的最終應用是的很重要。
[0082] 此外，
【申請人】發現形成如下述的復合金屬產物的鑄件對于基質金屬中鐵基材料的 抗腐蝕性和韌性沒有明顯的不良影響:該復合金屬產物的鑄件包括分散于形成該復合金屬 產物的基體的基質金屬中的基于復合金屬產物的總體積在5-50vol%、通常在5-40vol%、 更通常在5-20vol%范圍中的碳化鈮顆粒和/或碳化鈮、碳化鈦和碳化鎢中兩種或兩種以上 的化學混合物顆粒。因此，本公開使得實現復合金屬產物的抗磨損性同時不失去其他期望 的材料特性成為可能。
[0083] 因此，在第五方面，提供了離心鑄造復合金屬產物的方法，該產物具有旋轉對稱軸 且質量為至少5kg，并且包括基質金屬和不均勻分布的耐火材料的不溶性固體耐火顆粒，該 方法包括：以下述形式添加(a)鈮或(b)鈮、鈦和鎢的兩種或兩種以上到包含基質金屬的熔 體中：產生在鑄造溫度下不溶的碳化鈮的固體耐火顆粒，和/或在鑄造溫度下不溶的碳化 鈮、碳化鈦和碳化鎢的兩種或兩種以上的化學混合物的固體耐火顆粒，其中固體耐火顆粒 在產物總體積的5-50vol%，通常在5-40%，更通常在5-20vol%的范圍內；以及在模具中離 心鑄造產物和獲得不溶性固體顆粒遍及所述基質金屬的不均勻分布。
[0084] 術語"碳化鈮和碳化鈦的化學混合物"和"碳化鈮/鈦"在下文中被理解為是相似 的。此外，術語"化學混合物"在本文上下文中被理解為意指碳化鈮和碳化鈦不是以單一金 屬碳化物顆粒存在于混合物中，而是以碳化鈮/鈦的顆粒存在，（Nb，Ti )C。
[0085] 術語"碳化鈮和碳化鈦和碳化鎢的化學混合物"和"碳化鈮/鈦/鎢"在下文中被理 解為是相似的。此外，術語"化學混合物"在本文上下文中被理解為意指碳化鈮和碳化鈦和 碳化鎢不是以單一金屬碳化物顆粒存在于混合物中，而是以碳化鈮/鈦/鎢的顆粒存在， (Nb,Ti,ff)C〇
[0086]碳化鈮、碳化鈦和碳化鎢各自具有的Vickers硬度為約25Gpa，其比碳化鉻的硬度 (標稱15GPa)高出約lOGPa。因此，具有包含5-50vol%、通常5-40vol%、更通常5-20vol%的 碳化鈮和/或碳化鈮/鈦和/或碳化鈮/鈦/鎢的微觀結構的復合金屬產物具有優良的抗磨損 特性。
【申請人】認識到碳化鈮、碳化鈦和碳化鎢以及碳化鈮/鈦和碳化鈮/鈦/鎢對于復合金屬 產物中的其他成分基本上是化學惰性的，這樣這些組分將為產物提供針對其選定的特性。 例如，將鉻添加至鑄鐵合金仍產生碳化鉻且提供抗腐蝕性。
[0087]鈮、鈦和鎢可被添加至基質金屬的熔體中，形成任何合適形式的漿料，記住在復合 金屬產物中形成碳化鈮和/或碳化鈮/鈦和/或碳化鈮/鈦/鎢的不溶性固體顆粒的需要。
[0088] 例如，所述方法可包括將鐵-鈮的形式的鈮添加至熔體中，例如鐵-鈮顆粒。在這種 情況下，鐵-鈮溶解在熔體中，并且所產生的自由鈮和碳化學結合，在熔體中形成不溶性固 體碳化鈮。
[0089] 該方法還可包括將鈮以元素鈮添加至熔體中。
[0090] 該方法還可包括將鈮和鈦以鐵-鈮-鈦添加至熔體中。
[0091 ]該方法還可包括將鈮、鈦和鈦以鐵-鈮-鈦添加至熔體中。
[0092] 該方法還可包括將碳化鈮顆粒形式的鈮添加至熔體中。
[0093] 該方法還可包括將不溶性固體碳化鈮/鈦顆粒形式的鈮和鈦添加至熔體中。
[0094] 該方法還可包括將不溶性固體碳化鈮/鈦/鎢顆粒形式的鈮和鈦和鎢添加至熔體 中。
[0095] 在這些情況的每一種中，凝固的金屬合金可由懸浮在熔體中的碳化鈮和/或碳化 鈮/鈦/鎢顆粒的漿形成。如果這些碳化物在熔體漿中的重量分數太高，則漿的流體特性可 受到不利影響，以致于可能產生熔體的不良鑄件。
[0096]不溶性碳化鈮/鈦固體顆粒可為通式(Nbx，Tiy)C的任何合適的化學混合物。
[0097]不溶性碳化鈮/鈦/鎢固體顆粒可為通式(Nbx，Tiy，Wz)C的任何合適的化學混合物。 舉例來說，碳化鈮/鈦/鎢可為(Nbo. 25，Ti 〇. 5Q，Wo. 25) C。
[0098] 鈮和/或鈦和/或鎢可被添加至熔體中，產生碳化鈮或碳化鈮/鈦或碳化鈮/鈦/鎢 在鑄造產物總重的12_33wt%的范圍內的不溶性碳化鈮和/或碳化鈮/鈦和/或碳化鈮/鈦/ 鎢固體顆粒。
[0099] 鈮和/或鈦和/或鎢可被添加至熔體中，產生碳化鈮和碳化鈮/鈦和碳化鈮/鈦/鎢 在鑄造產物總重的12_25wt%的范圍內的不溶性碳化鈮和/或碳化鈮/鈦和/或碳化鈮/鈦/ 鎢固體顆粒。
[0100] 凝固的硬質金屬材料的微觀結構中的碳化鈮和/或碳化鈮/鈦和/或碳化鈮/鈦/鎢 顆粒的量可取決于系統。
[0101]
【申請人】尤其關注下述固體硬質復合金屬產物，其包括鐵基合金形式的基質金屬， 諸如描述為尚絡白鑄鐵、不鎊鋼和奧氏體尚猛鋼(諸如哈德非爾鋼）的鐵基合金。對于鐵基 合金而言，在最終復合金屬產物中，碳化鈮和/或碳化鈮/鈦和/或碳化鈮/鈦/鎢形式的耐火 材料的不溶性固體顆粒的量可以在鑄造復合金屬產物總體積的5-50VO1 %，通常5-40vol%，更通常5-20vol%的范圍內。
[0102] 碳化鈮和/或碳化鈮/鈦和/或碳化鈮/鈦/鎢的顆粒尺寸可在直徑1-150M1的范圍。
[0103] 所述方法可包括用惰性氣體或磁感應或任何其他合適的方式攪拌漿料以將碳化 鈮和/或碳化鈮/鈦和/或碳化鈮/鈦/鎢分散的顆粒分散于在漿料中。
[0104] 所述方法可包括將碳化鈮顆粒和/或碳化鈮/鈦/鎢顆粒在惰性條件下(諸如氬覆 蓋)添加至基質鐵基金屬的熔體中，以減少在添加至熔體時碳化鈮和/或碳化鈮/鈦/鎢的氧 化程度。
[0105] 所述方法還可包括將鐵-鈮和/或鐵-鈦和/或鐵-鎢和/或鐵-鈮-鈦-鎢在惰性條件 下(諸如氬覆蓋)添加至熔體中，以減少在添加至熔體時鈮和/或鈦和/或鎢的氧化程度。
[0106] 在鑄造復合金屬產物需要碳化鈮/鈦/鎢顆粒的情況下，所述方法還包括在惰性條 件下預熔化鐵_鈮和鐵_鈦和鐵-鎢和/或鐵-鈮-鈦-鎢，形成作為鐵、鈮、鈦和鎢的均勻化學 混合物的液相，以及使該化學混合物凝固。然后可按需要處理該化學混合物，例如通過壓碎 到所需的顆粒尺寸，然后將其在惰性條件下添加至熔體(包含碳）中。鐵、鈮、鈦和鎢溶解在 熔體中并與碳化學結合，在熔體中形成碳化鈮/鈦/鎢。
[0107]通過以下詳細描述并結合附圖，其他方面、特性和優勢將更明顯，附圖是本公開的 一部分且以舉例的方式闡明了所公開的發明原理。
【附圖說明】
[0108] 雖然任何其他形式可落入如
【發明內容】
所述的方法和所產生的復合金屬產物的范 疇，所述方法和所產生的復合金屬產物的【具體實施方式】現在將以舉例方式和參照附圖來描 述，其中：
[0109] 圖1為圖解通常離心鑄造方法的示圖；
[0110] 圖2在與發明相關的實驗操作中產生的來自離心鑄造測試圓筒"37863"（A05基質 金屬+5vo 1 % NbC顆粒)的樣品之一的一部分SEM圖像；
[0111] 圖3包括來自與發明相關的實驗操作中產生的離心鑄造測試圓筒"37628"、 "37629"和"37630"（A05基質金屬+5vol %NbC顆粒)的樣品的光學圖像的截面圖；
[0112] 圖4為硬度相對于關于圖3所述的樣品的外表面到內表面的距離的示意圖；
[0113]圖5包括來自與發明相關的實驗操作中產生的離心鑄造測試圓筒"37631"、 "37632"和"37636"（A05基質金屬+12vol %NbC顆粒)的樣品截面的光學圖像；
[0114] 圖6為硬度相對于關于圖5所述的樣品的外表面到內表面的距離的示意圖；
[0115] 圖7包括來自與發明相關的實驗操作中產生的離心鑄造測試圓筒"37634"和 "37635"（A05基質金屬+17vol%NbC顆粒)的樣品的截面的光學圖像；
[0116] 圖8為硬度相對于關于圖7所述的樣品的外表面到內表面的距離的示意圖；
[0117] 圖9包括來自與發明相關的實驗操作中產生的離心鑄造測試圓筒A352(C21基質金 屬+10vol%NbC顆粒)的樣品的截面的光學圖像；
[0118] 圖10為在圖9所示樣品在樣品刻蝕后的截面的外層截面的光學圖像；
[0119] 圖11為離心鑄造測試圓筒A323圓筒(A49基質金屬+15vol%NbC顆粒）的樣品的截 面的光學圖像;和
[0120] 圖12為硬度相對于關于圖11所述的樣品剖面的外表面到內表面的距離的示意圖； [0121]圖13為NbC顆粒富集外層厚度相對于A05基質金屬+NbC顆粒的離心鑄造圓筒的總 組成中的NbC標稱vol %的不意圖；和
[0122]圖14為NbC顆粒富集外層中NbC的vol %相對于A05基質金屬+NbC顆粒的離心鑄造 圓筒的總組成中的NbC標稱vol %的示意圖。
【具體實施方式】 [0123] 詳述
[0124] 圖1來源于互聯網且以圖表形式說明了離心鑄造方法中的基本步驟。
[0125] 這些離心鑄造步驟包括形成熔融熔體和將該熔體傾倒入合適的模具并以所需旋 轉速率繞垂直軸旋轉模具(在該圖所示布置的情況下），以形成鑄造產物。
[0126] 在另外的布置下，諸如實施以下描述的實驗操作所使用的布置，鑄造模具水平放 置且模具繞水平軸旋轉。
[0127] 在本公開的的上下文下，通常熔融熔體包括在基質金屬中的硬質不溶性固體耐火 顆粒，并且鑄造產物為復合金屬產物，通常地其質量在5kg到5000kg的范圍內，具有鐵基金 屬基體(基質金屬)并包括在該鐵基金屬基體中不均勻分布的硬質不溶性固體耐火顆粒，具 體地，標稱厚度為l_20mm的硬質不溶性固體耐火顆粒的外表面層，該耐火顆粒在表面層的 提供抗磨損性。
[0128] 實際的離心鑄造條件可基于待鑄造實際產物的所需特點在任何給定的情況中選 擇。鑄造條件包括(舉例說明）模具的旋轉速率和旋轉時間、冷卻條件，以及進行鑄造的條 件，例如在惰性氣氛中。
[0129] ?耐火顆粒性能要求可包括：
[0130] ?密度大于或小于基質鐵基金屬。
[0131] ?硬度超過 15GPa。
[0132] ?直徑小于500微米，優選地小于50微米。
[0133] ? 10_80vol%耐火顆粒存在于硬表面層。
[0134] ?在復合金屬產物中的耐火顆粒為5_50vol%，通常地5_40vol%，更通常地5-40vol% 〇
[0135] 由本發明的離心鑄造方法產生的復合金屬產物只包括以下產物(舉例說明）：
[0136] 1.漿料栗軸套管
[0137] ?不銹鋼圓筒
[0138] #尺寸:直徑在25-400mm范圍內，壁厚在10-50mm范圍內和長度為2000mm。
[0139] ?外表面層，l-10mm厚，包括高濃度的不溶性硬質不溶性耐火顆粒。
[0140] 現有技術包括硬面焊接不銹鋼圓筒來獲得近似1mm厚的碳化鎢表面層。然后硬面 層需要研磨/加工來達到平滑飾面。
[0141] 依照本發明離心鑄造漿料栗軸套管允許在一次鑄造操作中制造長度近似2000mm 并具有所需的光滑硬質表面層的圓筒。另外，長圓筒可被切開，以產生大量的長度在60到 300mm范圍內的軸套管。
[0142] 2.回轉破碎機罩的外表面
[0143] 回轉破碎機罩的標準組成為奧氏體高錳鋼(哈德菲爾鋼）。哈德菲爾鋼的初始硬度 近似200布氏硬度(HB)，鋼制品的表面層在使用時硬化至近似550HB，而內部保持較低的硬 度和極高的韌性。硬度為200HB的哈德菲爾鋼的屈服強度約為拉伸強度的1/3。在制品硬化 到550HB發生之前，嚴重的塑性變形可在使用中發生。結果是，破碎機罩迅速磨損且在操作 的早期階段經歷過多的塑性變形。所有之前以改善哈德菲爾鋼的初始硬度和屈服強度為目 的嘗試總是導致不可接受的韌性損失和使用中災難性分裂的高風險。
[0144] 依照本公開離心鑄造哈德菲爾鋼破碎機罩并在鑄件中形成不溶性固體耐火碳化 物外表面層，同時在鑄件坯體中保持原始哈德菲爾鋼組成，提供了最小韌性損失的更抗磨 損材料。
[0145] 3.白鑄鐵
[0146]尚心鑄造含有耐火顆粒的尚絡白鑄鐵廣生具有表面層含有尚濃度的用以改善抗 磨損性的耐火顆粒的復合金屬產物。
[0147] 4.磨碎棒、錘頭頂端、地面作業工具(ground engaging tools)
[0148] 由含有耐火顆粒的高鉻白鑄鐵離心鑄造磨碎棒、錘頭頂端、地面作業工具產生了 含有高濃度的用以改善抗磨損性的耐火顆粒的表面層。
[0149] 實驗工作
[0150] 為了研究發明，
【申請人】實施了大量關于特定耐火材料顆粒，即NbC顆粒在不同的鐵 基基質金屬中的實驗工作。
[0151] 具體地，實驗工作研究了NbC顆粒vol%、壁厚和離心力對離心鑄造產物中NbC富集 區的影響。
[0152] 在實驗工作中，在水平放置的離心鑄造裝置中離心鑄造了十四個圓筒。
[0153] 十四個圓筒形軸套管具有有不同的NbC顆粒濃度和基于鐵的基質金屬，如以下簡 述，經離心鑄造、機械加工，然后進行測試。
[0154] ?四個A301圓筒(A05基質金屬+基于總體積5vol%的NbC顆粒）。
[0155] ?四個A303圓筒(A05基質金屬+基于總體積12vol%的NbC顆粒）。
[0156] ?四個A304圓筒(A05基質金屬+基于總體積17vol%的NbC顆粒）。
[0157] ?-個A352圓筒(C21基質金屬+基于總體積lOvol%的NbC顆粒）。
[0158] ?一個A323圓筒(A49基質金屬+基于總體積15vol%的NbC顆粒）。
[0159] A05是低共熔高Cr鑄鐵，C21是420C不銹鋼，和A49是亞共晶高Cr鑄鐵。A05、C21和 A49鐵基合金的標稱組成如下，各元素的量以wt%給出：
[0161] 1.結果和討論
[0162] 具有不同標稱組成的十二個基于A05鋼的圓筒在不同的旋轉速度(RPM)下離心鑄 造。
[0163] 1.1.四個A301圓筒(A05基質金屬+基于總體積5vol%的NbC顆粒)的離心鑄造
[0164] 在不同的旋轉速度或離心力下離心鑄造四個在低共熔高Cr鑄鐵基質金屬中含有 5vol%NbC顆粒的圓筒。鑄造溫度在1400-1500°C范圍內。NbC顆粒和基質金屬在鑄造溫度下 的密度差為近似12%。圓筒尺寸和鑄造條件列在表1中。
[0165] 表1包含5vol%NbC顆粒的圓筒尺寸和鑄造條件

[0167] 每個400mm的圓筒被分割成三個長度大約為280mm、20mm和100mm的環。20mm厚的環 用于檢查和冶金分析。
[0168] 1.1.1?冶金檢查
[0169] 樣品是由每個20mm厚的環，通過在距離大概15mm的兩個位置切割穿過厚度并形成 環的截面制備而成。每次切割垂直于環的外圓周和內圓周進行。因此樣品的寬度從外表面 到內表面減少。樣品按照標準的冶金程序安裝、磨平和拋光，然后用酸化氯化鐵(AFC)刻蝕 以進行冶金檢查。樣品的微觀結構通過掃描電子顯微鏡檢查。并且，光學立體顯微鏡用于樣 品的宏觀檢查。
[0170]分析來自圓筒的樣品證實，在每中情況中鑄件微觀結構包含A05低共熔高Cr鑄鐵 基質金屬和遍及該基質金屬不均勻分布的固體NbC顆粒。圖2是樣品之一的截面的SEM圖像。 圖2顯示NbC顆粒在基質金屬中的不均勻分布。該圖表明在基質金屬中NbC是檢測不到的。更 具體而言，發現NbC顆粒在鑄造溫度下和鑄造圓筒狀中是不溶于基質金屬的。
[0171] 圖3是來自圓筒"37628"、"37629"、"37630"和"37655"的樣品截面的光學圖像。
[0172] 圖3a示出了來自圓筒"37628"的樣品具有厚度約2mm的NbC顆粒富集外層。在外層 的內部，在圖中有三個編號為2-4的層。層之間存在分界線。每層約3-5mm厚。層2-4形成了 NbC顆粒濃度低于外層的內部區域。
[0173]圖3b示出了來自圓筒"37629"的樣品具有相似分層(如帶狀的）結構，但是具有相 比于圖3a更多的層。高NbC顆粒濃度的外層(在圖中以數字1表示）約2mm厚，且NbC顆粒遍及 樣品均勻分布。外層1和最內層(在圖中以數字6表示)是最不同的，而其之間的層（即圖中的 層2-5)在外觀上是彼此非常相似的，但仍然是由邊界分開的不同層。發現層1和6的微觀結 構彼此以及與層2-5的微觀結構差別很大。發現層2-5的微觀結構彼此非常相似。每個層1-6 的厚度約為3_4mm。
[0174]圓筒"37630"是在最高的旋轉速度下鑄造的。圖3c顯示樣品具有三層。相比于其他 三個圓筒的樣品，該鑄件在內層具有最低的NbC顆粒濃度。高旋轉速度使更多的NbC顆粒到 達外層，導致所有鑄件的高濃度NbC顆粒層最厚。
[0175] 鑄件"37655"在與圓筒"37628"相同的旋轉速度下鑄造，但鑄造有5mm更厚的壁厚。 圖3d顯示來自圓筒"37655"的樣品中NbC顆粒富集層厚度約為3.5mm，大于來自圓筒"37628" 的樣品中的厚度。這說明即使旋轉速度相同，更厚的壁致使NbC顆粒富集區更厚。
[0176] (a)NbC顆粒富集外層和(b)低NbC顆粒濃度內層中的NbC顆粒體積分數是自層中不 同區域的SEM圖像在100放大倍數下計算得到的。表2中示出的值為多個測量的平均值。
[0177]表2.在外層和內層的NbC顆粒
[0178]
[0179] 根據表2,很明顯鑄造過程中旋轉速度對鑄造圓筒的NbC顆粒富集外層具有影響。 來自圓筒"37630"的樣品，在最高的速度下鑄造，具有最高的層厚度和最高的NbC顆粒體積 分數。來自圓筒"37629"的樣品，在第二高的速度下鑄造，具有接近的NbC體積分數，但是厚 度幾乎為樣品"37630"層厚度的一半。比較來自圓筒"37628"和"37655"的樣品，說明盡管采 用相同的旋轉速度，如果鑄件壁厚更大（即，更多材料），則NbC顆粒富集外層及其體積分數 也更大。
[0180] 此外，所有四個鑄件在非富集NbC顆粒內層中存在NbC顆粒具有相似的水平，集體 描述為每個樣品的內部區間。在該內部區間觀察到的大多數NbC顆粒為典型的"中文手跡" 形態。還觀察到了少量球形的和樹枝狀的NbC顆粒。
[0181] 1.1.2.硬度和鐵素體測量
[0182] 在每個樣品的拋光表面上進行負載10kg的Vickers硬度橫貫測試（hardness traverse test)。測量開始于每個樣品的外徑(0D)，然后以1mm的間隔穿過樣品厚度，結束 于樣品的內徑(ID)。
[0183] 表3示出兩個區域中的每個區域的平均硬度和鐵素體讀數。橫貫硬度分布圖顯示 在圖4中。
[0184] 表3.硬度和鐵素體測量
[0186]根據表3和圖4很明顯，每樣品的NbC顆粒富集外層相比該樣品的內層區域顯著更 硬，且最高硬度值通常在各樣品的外層表面處，而且硬度自外表面均勻地減少到約8mm，然 后遍及樣品的剩余部分保持大體上恒定。此外，四個鑄件的鐵素體測量結果顯示NbC顆粒富 集外層的大體趨勢，即相比形成內部區域的層具有更高的鐵素體測量值。鐵素體含量上的 差別較小，其中NbC顆粒富集外層在從13到16%的范圍內，而內部區域在9到10 %的范圍。
[0187] 1.1.3?總結
[0188] ?所有四個A301離心鑄件(A05基質金屬+5vol%NbC顆粒)呈現出NbC偏析，致使每 個樣品的外層具有高NbC顆粒濃度。
[0189] ?所有四個鑄件呈現出在NbC顆粒富集外層之下的層在邊界上彼此不同。每個鑄 件具有不同的層數。
[0190] ?NbC顆粒富集層的厚度和硬度以及NbC顆粒在離心鑄造的圓筒外層中的體積分 數取決于不同的鑄造參數，包括鑄造旋轉速率和壁厚。
[0191] ?來自圓筒"37628"和"37655"的樣品在相同的旋轉速度下鑄的但是具有不同的 材料質量，從而導致不同的尺寸。樣品"37655"具更有稍微厚的NbC顆粒富集外層，并且其包 含穿過樣品厚度的更多數目的不同帶狀層。
[0192] ?圓筒"37629"的樣品與圓筒"37628"的樣品相似，盡管其在更高的旋轉速率下鑄 造。更快的旋轉速率沒有影響NbC顆粒富集外層的厚度，但是其的確輕微影響了外層中NbC 顆粒的體積分數。
[0193] ?圓筒"37630"的樣品在最快的旋轉速度下鑄造，且這在若干特征上直接反映出 來。樣品具有最厚的NbC顆粒富集層和外層中最高的NbC顆粒體積分數。因此，外層的硬度在 這組圓筒中是最高的記錄。
[0194] ?四個鑄件的鐵素體測量顯示出NbC顆粒富集外層的大體趨勢，即比形成內部區 域的層具有更高的鐵素體測量值。在鐵素體含量上的差異較小，其中NbC顆粒富集外層的鐵 素體在13到16%的范圍，而內部區域在9到10%的范圍。
[0195] 1.2.四個A303圓筒(A05基質金屬+12vol%NbC顆粒)的離心鑄造
[0196] 四個圓筒在與以上部分1.1描述的四個圓筒相同的條件下鑄造，基質金屬(A05)相 同，但是總NbC體積分數更高12%。圓筒的尺寸和旋轉速度列在表4中。
[0197] 表4.含12vol%NbC的圓筒的任務編號和尺寸
[0199] 每個400mm的圓筒被分割成三個長度大約為280mm、20mm和100mm的環。20mm厚的環 被用來檢查和冶金分析。樣品使用以上部分1.1中描述的相同方法制備和測試。
[0200] 圖5是來自圓筒"37631"、"37632"、"37633"和"37636"的樣品的光學圖像。
[0201]由圖5明顯可見，如以上部分1.1中描述的含有低NbC顆粒體積分數的圓筒的情況 般，NbC顆粒跨越鑄件厚度在基質金屬中形成不均勻分布，且樣品的外層具有較高的NbC顆 粒濃度。
[0202]相似地，如以上部分1.1中描述的含有低NbC顆粒體積分數的圓筒的情況般，SEM分 析證實NbC在基質金屬中是無法檢測的。更具體地，發現NbC顆粒在鑄造溫度下和鑄造圓筒 中是不溶于基質金屬的。
[0203] NbC顆粒富集外層中NbC顆粒體積分數和外層厚度是自層中不同區域的SEM圖像在 100放大倍數下計算得到的。表5中顯示的值為多個測量的平均值。
[0204] 表5.外層厚度和NbC顆粒的平均vol%
[0206] 在每個樣品的拋光表面上進行負載10kg的Vickers硬度橫貫測試。測量開始于每 個樣品的外徑(0D)，然后以1_的間隔穿過樣品厚度，結束于樣品的內徑(ID)。
[0207] 表6示出兩個區域中的每個區域的平均硬度和鐵素體讀數。橫貫硬度分布圖顯示 在圖6中。
[0208]表6.硬度和鐵素體測量
[0210]由表5和6以及圖5和6明顯可見，與以上部分1.1中描述的圓筒A301般，圓筒A303的 較高體積百分比得到了相同的基礎結果。
[0211] 1.3?四個A304圓筒(A05基質金屬+17vol%NbC顆粒）的離心鑄件
[0212]四個A304圓筒采用了分別與上述部分1.1和1.2描述的圓筒A301和A303相同的條 件來離心鑄造，具有相同的基質金屬A05,但是具有較高的NbC顆粒體積分數。樣品如以上部 分1.1和1.2描述般制備和測試。僅檢測三個圓筒（圓筒"37634"，在920rpm下鑄造，圓筒 "37635"，在llOOrpm下鑄造，圓筒"37636"，在 1280rpm下鑄造）。
[0213] 圖7包括來自圓筒"37634"和"37635"的樣品的截面的光學圖像。
[0214] 由圖7明顯可見，如以上部分1.1和1.2中描述的低NbC顆粒體積分數的圓筒的情況 般，NbC顆粒跨越鑄件厚度在基質金屬中形成不均勻分布，且樣品的外層具有較高的NbC顆 粒濃度。截面顯示出NbC顆粒富集的外層(或區域)和低NbC顆粒含量的內部區域(其可包括 由邊界分開的多個層）。
[0215]另外，如以上部分1.1和1.2中描述的低NbC顆粒體積分數的圓筒的情況般，SEM分 析證實NbC在基質金屬中是無法檢測的。更具體地，發現NbC顆粒在鑄造溫度下和鑄造圓筒 中是不溶于基質金屬的。
[0216] 測試工作表明，圓筒"37634"、"37635"和"37636"的樣品中NbC顆粒富集外層的厚 度分別為12mm、13mm和15mm。
[0217] 這些樣品外層中的NbC顆粒體積濃度為圓筒"37634" 28%，圓筒"37635" 25%，以及 圓筒 "37636" 29 %。
[0218]表7示出了來自圓筒"37634"和"37635"的樣品的各內部和外部區域的平均硬度和 鐵素體讀數。橫貫硬度分布圖顯示在圖8中。
[0219]表7.硬度和鐵素體讀數
[0221] 由表7和圖7-8明顯可見，如以上部分1.1和1.2中描述的圓筒A301和A303般，圓筒 A304的高體積百分比得到了相同的基礎結果。
[0222] 1.4.A352圓筒(C21基質金屬+10vol%NbC顆粒)的離心鑄件
[0223] 一個A352圓筒由基質金屬C21和lOvol%的NbC顆粒離心鑄造。
[0224] 樣品如上所述制備和測試。
[0225] 圖9包括圓筒A352樣品的截面的光學圖像。
[0226] 由圖9明顯可見，如上述的其他測試圓筒的情況般，NbC顆粒穿過鑄件厚度在基質 金屬中形成不均勻分布，且樣品的外層具有較高的NbC顆粒濃度。
[0227] 另外，如上述的其他測試圓筒的情況般，SEM分析證實NbC在基質金屬中是無法檢 測的。更具體地，發現NbC顆粒在鑄造溫度下和鑄造圓筒中是不溶于基質金屬的。
[0228]如圖9所不，尚bC富集層厚為20mm，為樣品總徑向厚度的50%。發現了樣品包含約 25vol% 的NbC 顆粒。
[0229] 在刻蝕后，三個20mm厚的NbC顆粒富集外層的亞層被標記，且顯示在圖10中。圖10 顯示在離心鑄造過程中，跨越該亞層時發生定向性凝固。發現了圓柱結構對于鑄件的抗磨 損性具有重要的貢獻。
[0230] 1.5.六323圓筒以49基質金屬+15￥〇1%他(：顆粒)的離心鑄造。
[0231] 一個A323圓筒由基質金屬A49和15vol%的NbC顆粒離心鑄造。樣品如上所述制備 和測試。
[0232] 1.5.1.冶金檢查
[0233] 圖11包括A323圓筒樣品截面的光學圖像。由圖11明顯可見，如上述其他測試圓筒 的情況般，NbC顆粒貫穿鑄件厚度在基質金屬中形成不均勻分布，且樣品的外層具有較高的 NbC顆粒濃度。
[0234] 此外，如上述其他測試圓筒的情況般，SEM分析證實NbC在基質金屬中是無法檢測 的。更具體地，發現NbC顆粒在鑄造溫度下和鑄造圓筒中是不溶于基質金屬的。
[0235] 由圖11明顯可見，NbC顆粒富集外層沿著圓的整個外邊緣是非常不同的帶。這在宏 觀和微觀水平都是可見的。
[0236]已發現NbC顆粒富集外層的深度沿著圓周是一致的，在約7-8mm處，即，樣品徑向厚 度的約25-30%。還發現該外層的NbC體積分數在檢查區域一致，約為外層總體積的28-31%〇
[0237] 除了NbC濃度，發現外層和內層的微觀結構具有其他顯著的不同。在NbC顆粒富集 外層中的NbC顆粒大多數為圓的，沒有任何尖銳的邊緣，然而內層的那些顆粒具有各種各樣 的形狀，包括從圓形到非常尖的樹枝形狀。NbC顆粒富集外層和其他層的基體結構可主要由 在基體的奧氏體枝狀晶體中存在/缺少"中文手跡"類型的NbC顆粒結構來區分。該NbC結構 類型被發現廣泛地存在于內層，但其幾乎不存在于NbC顆粒富集的外層。這導致NbC顆粒富 集外層和內層的熱特性不同。
[0238] 在NbC顆粒富集外層和內層的邊界處發現了非常獨特的微觀結構。該微觀結構的 特征在于NbC顆粒主要為交叉形狀的（樹枝狀的）。該區域的一些顆粒類似于圓形和樹枝狀 的混合形狀。
[0239] 1.5.2.硬度&鐵素體
[0240] 在兩個樣品的拋光表面上進行負載10kg的Vickers硬度橫貫測試。測量開始于樣 品的最外邊緣，然后以1_的間隔穿過鑄件的厚度，結束于樣品的最內邊緣。表8示出每個樣 品的NbC顆粒富集外層和內層的平均硬度和鐵素體讀數。每個樣品的NbC顆粒富集外層在表 中被描述為"外部區域"，而每個樣品的內層在表中被描述為"內部區域"。橫貫硬度分布圖 顯示在圖12中。
[0241] 表8.硬度和鐵素體測量
[0243]對于每個樣品而言，NbC顆粒富集外層(外部區域）中較高的NbC顆粒濃度自然導致 比內部區域更高的硬度。硬度結果與體積分數結果相關，其中樣品4719CC-B中的較高的NbC 體積分數使其硬度結果高于樣品4719CC-A。每個樣品的兩個區域之間的鐵素體含量無顯著 差別。
[0244] 參照圖12,硬度橫貫測試顯示對于兩種樣品而言，在樣品最外邊緣(如兩個測試中 的第一測試點)處的硬度最高，而在兩個區域邊界處的硬度約為425Vicke rS。內部(體相）區 域在遍及其大多數厚度維持一致的硬度。
[0245] 2 ?總結
[0246] 2.4.功能性分級材料
[0247] 在以上概述的測試工作中，離心鑄造含一系列NbC顆粒體積百分的基質金屬(A05、 A49和C21)并檢查。結果被總結和顯示在表9中。
[0248] 表9.離心鑄造 A300族合金總結
[0250]鑄件的NbC顆粒富集外層中的耐火顆粒的體積分數高達外層體積的31 %。此外，高 旋轉速度增加了 NbC的vol%，但效果通常非常小。在每個鑄件的內部區域，NbC顆粒的體積 百分比在2-6%的范圍變化。
[0251]分析NbC顆粒富集外層的厚度和產物組成中NbC的總vol %之間的關系，以及NbC顆 粒富集外層中NbC的vol%和產物組成中NbC的總vol%之間的關系，并將結果分別呈現在圖 13和14中。
[0252] 由圖可見：
[0253] (a)已發現每個離心鑄造圓筒的NbC富集外層的厚度直接取決于產物組成中標稱 體相NbC含量(見圖13);和
[0254] (b)已發現每個離心鑄造圓筒的NbC顆粒富集外層中的最終NbC含量取決于產物組 成中標稱體相NbC含量，對于具體的A05基質金屬，外層中NbC含量趨于穩定在約28-30%的 最高含量，并比圖14所覆蓋的跨越標稱NbC vo 1 %范圍的整個產物中的耐火材料的標稱體 積百分比高出5CK120vol % 〇
[0255] 還發現在每個離心鑄造圓筒中NbC顆粒富集外層的厚度和NbC顆粒濃度與在50-102范圍的鑄造 G-因子無關。
[0256] 在上述的優選實施方式的描述中，為清楚起見采取了特定的術語。然而，本發明并 非意圖受限于所選擇的特定術語，并且應理解每個特定術語包括所有以相似的方式操作來 達到相似的技術目的的技術等同物。術語諸如"前"和"后"、"內"和"外"、"上"、"下"、"上部" 和"下部"及類似術語作為方便詞匯用來提供參考點，并非被解釋為限制性術語。
[0257]在本說明書中提及的任何現有出版物(或源于其的信息）或任何已知物質并非而 且不應被作為承認或認可或以任何形式暗示現有出版物（或源于其的信息）或已知物質構 成本說明書相關領域的公知常識。
[0258]在本說明書中，詞語"包括（comprising)"被理解為是"開放式"的，即，"包括 (including)"的意思，并因此不限于"封閉式"涵義，即"僅由......組成（consisting only of)"的意思。相應的含義適用于相應的詞語同時出現的"包括（comprise )" "包括的 (comprised)"和"包括（comprise)s"。
[0259] 此外，在前只描述了發明的一些實施例，和在不偏離公布實施例范圍和精神的前 提下對其做出的變化，改進，增加和/或改變，實施例是說明性的和不是限制的。
[0260] 而且，發明是連同目前被認為最實用和優選的實施方式來描述的，應理解本發明 不被限制在公開的實施方式中，但相反地，意圖覆蓋在本發明精神和范圍內的多種改進和 等價設置。同樣，上述各種實施方式可與其他實施方式協同實施，如一個實施方式的方面可 結合另一個實施方式的方面來實現其他的實施方式。此外，每個獨立特征或任何給定集合 的組分可組成另外的實施方式。
[0261] 舉例說明，盡管上述本發明實施方式包括包括不同種類的鋼(諸如不銹鋼或奧氏 體錳鋼)作為基質金屬，但本發明不限制于這種類型的基質金屬并延伸到任何合適的基質 金屬。舉例說明，基質金屬可包含過渡金屬元素1';1、0、21'、批、￥、他和13中任一種或多種。 [0262]再舉例說明，盡管上述本發明實施方式集中在NbC作為耐火材料的不溶固體顆粒 材料，但本發明還延伸到其他耐火材料。
[0263]再舉例說明，盡管上述本發明實施方式中集中在NbC顆粒，其密度高于基質金屬的 密度，從而朝向復合金屬產物的外表面具有更高濃度的耐火顆粒，但本發明還延伸到具有 比基質金屬密度低的耐火顆粒實施方式，從而朝向復合金屬產物的內表面具有更高的耐火 顆粒濃度。
[0264]再舉例說明，盡管上述實驗操作在離心鑄造圓筒上執行，但可容易地理解本發明 不限于該特定形狀鑄體并延伸到可被離心鑄造的任何形狀產物。
【主權項】
1. 離心鑄造的復合金屬產物，其具有旋轉對稱軸和至少20kg的質量，并且包括金屬基 質和遍及所述基質金屬呈不均勻分布的耐火材料的不溶性固體顆粒，其中所述顆粒的密度 在所述金屬基質在其鑄造溫度下的密度的20%之內。2. 根據權利要求1所述的復合金屬產物，其中耐火顆粒的不均勻分布包括在所述產物 的外或內表面層中的第一顆粒濃度高于該產物另一層中的第二顆粒濃度。3. 根據權利要求2所述的復合金屬產物，其中在產物外表面層中的耐火顆粒的第一濃 度在外表面層總體積的10-40vol %的范圍內。4. 根據權利要求2或3所述的復合金屬產物，其中在產物的另一層中的耐火顆粒的第二 濃度在該另一層總體積的2-4.5vo 1 %的范圍內。5. 根據權利要求2-4中任一項所述的復合金屬產物，其中在產物外表面層中的耐火顆 粒第一濃度相比產物中耐火材料的標稱體積百分比高出50-120vol %。6. 根據權利要求2-5中任一項所述的復合金屬產物，其中產物的外或內表面層從產物 的外或內表面延伸出少于50 %的產物徑向厚度。7. 根據權利要求2-6中任一項所述的復合金屬產物，其中產物的外或內表面層從產物 的外或內表面延伸出l_50mm。8. 根據權利要求2-7中任一項所述的復合金屬產物，其中產物外表面層中的耐火顆粒 第一濃度在所述顆粒總體積的5-90%的范圍內。9. 根據前述權利要求中任一項所述的復合金屬產物，其中產物中耐火顆粒的總濃度在 產物總體積的5-50vol %的范圍內，通常在5-40vol %的范圍內。10. 根據前述權利要求中任一項所述的復合金屬產物，其質量為至少50kg。11. 根據前述權利要求中任一項所述的復合金屬產物，其質量為至少75kg。12. 根據前述權利要求中任一項所述的復合金屬產物，其中耐火顆粒的密度為金屬基 質在其鑄造溫度下的密度的15%之內。13. 根據前述權利要求中任一項所述的復合金屬產物，其中耐火顆粒為一種或多于一 種過渡金屬的碳化物和/或硼化物和/或氮化物，其中與物理混合物相反，所述顆粒為所述 過渡金屬的碳化物和/或硼化物和/或氮化物的化學混合物。14. 根據前述權利要求中任一項所述的復合金屬產物，其中基質金屬為鐵基合金，諸如 不銹鋼或奧氏體錳鋼或鑄鐵。15. 根據權利要求14所述的復合金屬產物，其中所述基質金屬為包括下列合金中任何 一種的合金： (a) 例如用于回轉破碎機罩的哈德菲爾高錳鋼； (b) 例如用于泥漿栗軸套管的420C不銹鋼； (C)尚絡白鑄鐵。16. 根據權利要求14所述的復合金屬產物，其中所述基質金屬為包括下列的哈德菲爾 尚猛鋼： 1.0-1.4wt%C, 0.0-1.0wt%Si, l〇-15wt%Mn, 0.0-3. Owt %Mo, 0.0-5.0wt%Cr, 0.0-2.0wt%Ni, 剩余物為鐵和附帶的雜質。17. 根據權利要求14所述的復合金屬產物，其中所述基質金屬為包括下列的420C不銹 鋼： 0.3-0.5wt%C, 0.5-1.5wt%Si, 0.5-3. Owt %Mn,0.〇-〇. 5wt%Mo, 10-14wt%Cr, 0.0-1. Owt %Ni, 剩余的為鐵和附帶的雜質。18. 根據權利要求14所述的復合金屬產物，其中所述基質金屬為包括下列的高鉻白鑄 鐵： 1.5-4.0wt%C, 0.0-1.5wt%Si, 0.5-7. Owt %Mn, 0.0-1. Owt %Mo, 15-35wt%Cr, 0.0-1. Owt %Ni, 剩余物為鐵和附帶的雜質。19. 根據權利要求1-14中任一項所述的復合金屬產物，其中所述基質金屬為非鐵基金 屬。20. 根據前述權利要求中任一項所述的復合金屬產物，其包括一級、二級或三級破碎機 的回轉磨碎機罩。21. 根據權利要求1-19中任一項所述的復合金屬產物，其包括泥漿栗軸套管。22. 離心鑄造的復合金屬產物，其具有旋轉對稱軸和至少20kg的質量，并且包括金屬基 質和遍及基質金屬呈不均勻分布的耐火材料的不溶性固體顆粒，其中所述顆粒的密度在金 屬基質在其鑄造溫度下的密度的30%之內。23. 離心鑄造的復合金屬產物，其具有旋轉對稱軸和至少5kg的質量，并且包括金屬基 質和遍及基質金屬呈不均勻分布的耐火材料的不溶性固體顆粒，其中所述顆粒的密度在所 述金屬基質在其鑄造溫度下的密度的20%之內。24. 離心鑄造復合金屬產物的方法，所述復合金屬產物具有旋轉對稱軸和至少20kg的 質量，并且包括基質金屬和耐火材料的不溶性固體耐火顆粒的不均勻分散體，所述方法包 括： (a) 形成包括分散在液態基質金屬中的固體耐火顆粒的漿料，其中耐火顆粒占所述漿 料總體積的5-50vol %，耐火顆粒在鑄造溫度下不溶，以及耐火顆粒的密度在金屬基質在其 鑄造溫度下的密度的20%以內；和 (b) 將所述漿料傾倒入產物用模具中，并在所述模具中離心鑄造產物，得到不溶性固體 顆粒遍及所述基質金屬的不均勾分布。25. 根據權利要求24所述的離心鑄造復合金屬產物的方法，其中步驟(a)和(b)在惰性 環境中進行。26. 根據權利要求24或25所述的離心鑄造復合金屬產物的方法，包括通過在模具中形 成惰性環境來制備模具。27. 根據權利要求24到26中任一項所述的離心鑄造復合金屬產物的方法，其中步驟(b) 包括將所述漿料傾倒入模具中之后和/或期間使該模具繞軸旋轉，以使產物外表面處或附 近或者產物內表面處或附近的耐火顆粒的濃度高于產物中其他位置的顆粒濃度。28. 根據權利要求24到27中任一項所述的離心鑄造復合金屬產物的方法，其中步驟(b) 包括以10-120G因子旋轉模具。29. 根據權利要求24到28中任一項所述的離心鑄造復合金屬產物的方法，其中步驟(b) 包括以2.5-25米/秒的圓周速度旋轉模具。30. 根據權利要求24到29中任一項所述的離心鑄造復合金屬產物的方法，其中步驟(b) 包括旋轉模具直到基質金屬凝固。31. 根據權利要求24到30中任一項所述的離心鑄造復合金屬產物的方法，其中步驟(b) 包括使模具旋轉足夠的時間以實現固體顆粒遍及基質金屬的不均勻分布。32. 根據權利要求24到31中任一項所述的離心鑄造復合金屬產物的方法，其中步驟(b) 包括在1200-1650°C范圍，通常在1350-1550°C范圍內的鑄造溫度下將所述漿料傾倒入模具 中。33. 根據權利要求24到32中任一項所述的離心鑄造復合金屬產物的方法，其中復合金 屬產物的質量為至少50kg。34. 根據權利要求24到33中任一項所述的離心鑄造復合金屬產物的方法，其中復合金 屬產物的質量為至少75kg。35. 根據權利要求24到34中任一項所述的離心鑄造復合金屬產物的方法，其中耐火顆 粒的密度在所述金屬基質在其鑄造溫度下的密度的15%以內。36. 離心鑄造復合金屬產物的方法，所述復合金屬產物具有旋轉對稱軸和至少20kg的 質量，并且包括基質金屬和耐火材料的不溶性固體耐火顆粒的不均勻分散體，所述方法包 括： (a) 形成包括分散在液態基質金屬中的固體耐火顆粒的漿料，其中耐火顆粒占所述漿 料總體積的5-50vol %，耐火顆粒在鑄造溫度下不溶，以及耐火顆粒的密度在金屬基質在其 鑄造溫度下的密度的20%以內；和 (b) 將所述漿料傾倒入產物用模具中，并在所述模具中離心鑄造產物，得到不溶性固體 顆粒遍及所述基質金屬的不均勾分布。37. 離心鑄造復合金屬產物的方法，所述復合金屬產物具有旋轉對稱軸和至少5kg的質 量，并且包括基質金屬和耐火材料的不溶性固體耐火顆粒的不均勻分散體，所述方法包括： (a) 形成包括分散在液態基質金屬中的固體耐火顆粒的漿料，其中耐火顆粒占所述漿 料總體積的5-50vol %，耐火顆粒在鑄造溫度下不溶，以及耐火顆粒的密度在金屬基質在其 鑄造溫度下的密度的20%以內；和 (b) 將所述漿料傾倒入產物用模具中并在所述模具中離心鑄造產物，得到不溶性固體 顆粒遍及所述基質金屬的不均勾分布。38.離心鑄造復合金屬產物的方法，所述復合金屬產物具有旋轉對稱軸和至少5kg的質 量，并且包括基質金屬和不均勻分布的耐火材料的不溶固體顆粒，所述方法包括:將(a)鈮 或(b)鈮、鈦和鎢中的兩種或多于兩種以下述形式添加到包含基質金屬的熔體中：產生在鑄 造溫度下不溶的碳化鈮的固體耐火顆粒和/或在鑄造溫度下不溶的碳化鈮、碳化鈦和碳化 鎢的兩種或多于兩種的化學混合物的固體耐火顆粒，其中所述固體耐火顆粒在所述產物的 總體積的5-50vol %的范圍內；和在所述模具中離心鑄造產物，并得到遍及所述基質金屬的 不均勻分布。
【文檔編號】C22C37/00GK105899311SQ201480071708
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2014年12月30日
【發明人】湯心虎, K.F.多爾曼
【申請人】偉爾礦物澳大利亞私人有限公司