專利名稱：硬質表面結構、包括該硬質表面結構的本體及其制備方法
技術領域：
本發明一般涉及用于鋼質本體的硬質表面結構以及涉及包括硬質表面結構的本體及其制備方法。
背景技術：
包括鋼的某些組件在使用中可能會經受磨損。公開號W0/2010/029522的國際專利申請公開了一種耐磨部件或工具，其包括包含鐵族金屬或合金的本體；通過中間層冶金結合至主體表面的耐磨損層。德國專利號3618198公開了ー種使鋼鑿工具表面硬化的方法，該方法通過在工具頭部和模具之間放置包括碳化物和金屬顆粒的粉末，并將顆粒混合物電弧焊接到工具頭部。確有必要提供ー種包括鋼的耐磨部件及其制造方法，該部件顯示出增強的耐磨損性能。
發明內容
從本發明的第一方面來看，本發明提供ー種本體，其包括鋼質基體和熔融至該鋼質基體的硬質表面結構，其中該硬質表面結構包括至少約1%重量比的硅(Si)、至少約5%重量比的鉻(Cr)和至少約40%重量比的鎢(W)，硬質表面結構的剰余部分基本上由鐵族金屬M和碳C組成，M選自Fe，Co和Ni或其合金；硬質表面結構包括多個微結構、多個平均尺寸小于約200納米的納米顆粒，以及粘合劑材料；微結構包括多于約I %重量比的鉻和分子式為MxWyCz的相，其中，X的范圍為從約I至約7，y的范圍為從約I至約10，以及z的范圍為從約I至約4 ;納米顆粒包括多于約20%重量比的鎢、金屬M和碳C ;以及粘合劑材料包括多于約3%重量比的鎢、多于約2%重量比的鉻，多于約0. 5%重量比的硅、金屬M和碳C。從本發明的第二方面來看，本發明提供ー種本體，其包括鋼質基體和通過中間層熔融至該鋼質基體的硬質表面結構，所述中間層的厚度為最小約I微米且最大為約100微米；中間層已經通過下述エ藝形成，該エ藝包括熔融鄰近硬質表面的鋼質基體并與硬質表面結構材料相互混合；中間層包括分子式為MxWyCz的樹枝狀或片狀的微結構，其中，X的范圍為從約I至約7，y的范圍為從約I至約10，以及z的范圍為從約I至約4 ;微結構包括多于約1%重量比的鉻和多于約0.5%重量比的硅。中間層可通過下述方法形成，該方法包括在來自基體的鋼和硬質表面結構材料之間進行擴散和反應。可以設想所公開本體和硬質表面結構的特征的各種設置和組合。例如，微結構可以包括至少約0. 1%重量比的硅。例如，微 結構可以是延長的、板狀的、網狀的或樹枝狀的形式。在某些設置中，例如，微結構可以包括是板狀形式的區域，該區域具有兩個主要尺寸和一個次要尺寸，并且次要尺寸限定厚度，該厚度可為至少約0. 5微米或至少約I微米。在Murakhami試劑中刻蝕從3秒到6秒的時間段后，微結構可以具有黃色或棕色的顏色。例如，納米顆粒可以包括化合物，該化合物包括Si, W及Fe,以及可以包括至少約0. 1%重量比的硅。在特定例子中，所述納米顆粒包括硅化鎢和/或Si2W，和/或多于約0. 5%重量比的鉻。硬質表面結構的例子可具有至少約800HV10的維氏硬度或至少約900HV10的維氏硬度，和/或至少約20MPa. m1/2的帕爾姆克維斯特(Palmquist)斷裂韌性。從本發明的第三方面來看，本發明提供包括所公開本體的工具，該工具在鋪路和巖石分解中使用。工具示例可以包括尖端，該尖端包括多晶金剛石材料。該工具可包括鋼質固定器本體，設置在靠近鋼質固定器本體的末端的尖端，以及熔融至靠近末端的固定器本體的硬質表面結構。在一個實施例設置中，硬質表面結構可被設置為與通過尖端的縱向軸線大致同心配置，并完全或部分地圍繞靠近尖端的固定器本體的一部分。從本發明的第四方面來看，本發明提供一種制備所公開本體的方法，該方法包括使前驅體材料與鋼質基體接觸，前驅體材料包括至少約13%體積比的WC晶粒，范圍為從約
0.1%重量比至約10%重量比的娃，以及范圍為從約0. 1%重量比至約10%重量比的鉻，以及金屬M ;并且(前驅體材料)具有最高約為1280攝氏度的液相線溫度；加熱前驅體材料達到至少約1300攝氏度的溫度并保持一控制的時間段，從而允許所有的或者至少一足夠量的前驅體材料與鋼質基體熔融。前驅體材料與鋼質基體的熔融可以包括鋼和前驅體材料的擴散或相互間混合，以及可以涉及在鋼和前驅體材料之間的反應。在一些實例中，前驅體材料可以被包括在前驅體本體，前驅體糊劑或前驅體顆粒中，該前驅體材料可能包含金剛石或CBN顆粒。示例性方法可包括形成包括前驅體材料的前驅體本體，前驅體本體被配置為容納鋼質基體的非平面表面；設置前驅體本體抵靠所述表面并加熱前驅體本體從而使其熔融
至基體。 制備所公開本體的示例方法可以包括下面中的至少ー些 制備前驅體粉末，例如通過混合或研磨的方法，該粉末包括至少13%體積比的WC晶粒，以元素或化合物形式的Si (例如，以碳化硅形式或含碳的前驅體材料)，Si的范圍為從0. 1%重量比至10%重量比，以及以金屬或碳化鉻形式的Cr, Cr的范圍為從0. 1%重量比至10%重量比，以及金屬M ；(前驅體材料)具有最高約為1280攝氏度的液相線溫度； 處理前驅體粉末從而形成包括前驅體粉末的多個顆粒，顆粒的平均晶粒尺寸為最小約20微米并且最大約500微米； 在至少約700攝氏度的溫度下熱處理顆粒達到至少范圍為從5至15分鐘的時間段(在一實施例中，顆粒可以在最高約1100攝氏度的溫度下退火至多5小時的時間段)； 在實施例的一特定變形中，方法可以進一歩包括在熱處理后研磨顆粒； 使粉末、糊劑或顆粒形式的前驅體粉末接觸鋼質基體，并加熱(同時在ー個變體中)前驅體粉末達到最低約1150攝氏度的溫度(例如，在保護氣體流中，通過集中熱源的方式，例如等離子體噴槍，激光束噴槍或火焰噴槍) 在一特定變形中，所述方法可以進一歩包括加熱具有硬質表面結構的鋼質本體達到最低約1300攝氏度的溫度并保持一控制的時間段從而允許所有的前驅體材料與鋼反應和熔融。 在一特定變形中，該方法可包括熱處理涂敷的鋼質本體從而得到鋼質基體所需要的硬度。本發明公開的示例性方法可以具有產生緊密地焊接到本體上的非常有效的硬質表面結構的方面，和所公開的本體在使用中具有改進的延遲磨損行為。
現在參考附圖來描述非限制性的示例設置，其中圖1示出了用于路面分解的示例挖取工具的示意性透視圖，并且圖2示出了圖1中所示的示例挖取工具的擴展部分的示意性局部橫截面圖；圖3示出了具有熔融至鋼質本體的硬質表面結構的示例挖取工具的示意性局部剖開的側視圖；圖4和圖5示出了示例硬質表面結構的微結構的示意圖；圖6示出了具有一對前驅體環的示例挖取工具的示意性透視圖,所述ー對前驅體環用于產生熔融至挖取工具上的硬質表面結構；以及圖7和圖8示出了示例挖取工具的側視照片。
具體實施例方式參照圖1，用于挖取工具的示例挖取工具10包括鋼質基體12和熔融至該鋼質基體12的硬質表面結構20。該挖取工具10可進ー步包括尖端14，該尖端14接合至ー燒結硬質合金基底16，該燒結硬質合金基底16連接至鋼質基體12。硬質表面結構20圍繞硬質合金基底16設置從而保護鋼質基體12在使用中免于磨損，其可能涉及使用工具10的尖端14擊打路面，例如，擊碎路面。在這種使用中，路面材料可以磨損鋼質基體12并導致挖取エ具10的過早失效。尖端14可包括硬質合金和/或金剛石材料，例如多晶金剛石(PCD)材料或結合碳化硅的金剛石材料。圖2示出了圖1中的區域20E的放大截面圖，所述區域20E通過硬質表面結構20以及硬質表面結構20熔融至其上的鋼質基體12。
參照圖3，用于路面分解裝置的示例挖取工具10包括設置有鉆孔的鋼質固定器本體12 (鋼質基體12)以及接合至硬質合金基底16的尖端14，該硬質合金基底16與鉆孔收縮配合或壓入配合。尖端14靠近鋼質固定器本體12前端暴露并且硬質表面結構20在一端部熔融至鋼質固定器本體12，該硬質表面結構20圍繞孔鉆設置從而保護鋼質固定器本體12在使用中免于磨損。尖端14可包括接合至燒結硬質合金基底16的P⑶結構。參考圖4和圖5，示例硬質表面結構可包括多個樹枝狀的微結構34，多個納米顆粒36和粘合劑材料32。參考圖6，示例硬質表面結構通過一方法制備，該方法包括熔融兩個前驅體環40a和40b至用于路面分解的挖取工具的大致呈圓錐形的鋼質部分12。在一特定示例中，前驅體環可包括用于如W0/2010/029518和W0/2010/029522中所描述的硬質金屬的前驅體材料。挖取工具進ー步包括接合至硬質合金基底16的多晶金剛石的尖端14。前驅體環40a和40b具有不同的直徑，用于在相鄰的縱向位置處環繞鋼質固定器12 (基體)的錐形部分安裝。前驅體環是未燒結的坯體，其包括至少約13%體積比的WC晶粒、范圍為從約0. 1%重量比至約10%重量比的娃，以及范圍為從約0. 1%重量比至約10%重量比的鉻。前驅體環的液相線溫度至多約1280攝氏度。兩個前驅體環42a和42b圍繞圓錐形鋼質部分12緊密地放置并彼此抵靠，以及然后加熱到至少約1300攝氏度，使它們熔化并與鋼質工具本體的相鄰部分12中的鋼反應和熔融。進行足夠長時間的加熱從而允許前驅體環的外圍區域與鋼反應并熔融從而避免前驅體主體的核心區域與鋼的完全反應。圖7示出了用于煤炭切割的挖取工具的示例，其包括設置在鋼質固定器本體12的一端的硬質合金挖取尖端14。該鋼質固定器本體12涂覆有如下面的示例3中更詳細地描述的表面硬化材料層20。圖8示出了被用于分解包括煤和沙巖的巖層之后的煤炭切割挖取工具IOL和IOR的兩個示例。挖取工具IOL包括如示例3中所描述的硬質表面層20，并且參考挖取工具IOR不包括硬質表面層。在測試過程中，從參考挖取工具IOR中磨損了大量鋼質材料。下面將更加詳細地描述非限制性的示例設置。實施例1I千克批次的粉末，包括62. 7%重量比的平均直徑約2. 5微米的WC粉、25%重量比的Fe粉末、10%重量比的Cr3C2粉末以及2. 3%重量比的硅粉末，該I千克批次的粉末在磨碎機中在己燒媒介中使用6千克的硬質金屬球研磨約I個小時。研磨后，干燥所得的衆料并篩選粉末從而消除團塊。將所得的粉末與12%重量比的有機粘合劑混合，并且所得的糊劑進而被應用到鋼至基體(碳鋼，ST50)的表面。在真空爐的真空中在1350攝氏度的溫度下熱處理具有糊劑層的基體約I小時從而在鋼質基體上形成大約2毫米厚的連續涂層。通過使用用于熱處理鋼的傳統エ藝熱處理被涂覆的鋼基體。涂層的HVlO硬度為1050并且其帕爾姆克維斯特(Palmquist)斷裂韌性是21. 4MPa. m1/2。硬質表面結構的微結構表現出eta-相(Fe3W3C)的樹枝狀晶體、納米片狀、納米棒狀或納米球形式的納米顆粒以及基于鐵的粘合剤。通過EDX測定的樹狀晶體的組分如下58%重量比的鎢、0. 2%重量比的硅、1. 4%重量比的鉻，余量基本上由Fe和C組成。通過EDX測定的粘合劑的組分如下4. 8%重量比的鎢、2. 5%重量比的鉻、1. 0%重量比的硅、余量基本上由Fe和C組成。在Murakhami溶液中刻蝕冶金截面4秒后，樹突狀晶體為黃色。
通過使用ASTM G65-04試驗測試被涂敷的鋼質基體從而測量耐磨性。未被涂敷的鋼質基體被用作參照物。由于參照物磨損導致的質量損失為約820毫克并且被涂敷的鋼質基體的質量損失為約80毫克。未被涂敷的鋼的體積損失是105. 2立方毫米，并且被涂敷的鋼的體積損失是11.1立方毫米，這表明被涂敷的鋼的試樣耐磨性高于鋼質基體的耐磨性能近10倍。實施例2制造硬質表面層的粉末如實施例1所描述的那樣制備，與14%重量比的有機粘合劑KD2837/6 (Szchimmer & Scharz )混合并應用至包括碳鋼ST50的鋼質基體。在100攝氏度下干燥被涂敷的鋼質基體2小時并且胚體(即未燒結的)狀態的涂層在Ar氣流中以等離子噴槍熔融。由此得到的涂層具有接近2毫米的厚度，類似于示例I的硬質表面涂層的微結構，以及接近1020的HVlO維氏硬度。通過使用ASTMG65-04試驗測試被涂敷的鋼質基體。涂層的質量損失是10.1立方毫米，這表明了涂層的耐磨性高于鋼質基體的耐磨性大于10倍。實施例3如實施例1中所描述的制備硬質表面層的粉末，不同的是用Ni粉末替代Fe粉末并加入2%重量比的石蠟。通過在75攝氏度的溫度下在滾筒中滾壓的方式，所得的粉末被顆粒化從而得到約100微米至200微米的顆粒，并且在真空中在1100攝氏度下熱處理2小吋。將由此得到的多個顆粒，通過大氣激光噴涂的方式使用以4千瓦的功率操作的激光噴槍在Ar氣流下，應用至鋼質挖取固定器。所得的涂層具有約100%的理論密度，該涂層完全熔化，該涂層具有類似于根據示例I的涂層的微結構，并具有約850的HVlO維氏硬度。通過使它們分解包括煤和沙巖的巖石層而測試在圖7中示出示例挖取工具以及未被涂覆的參考挖取工具。圖8清楚地表明參考挖取工具的鋼質主體在測試后嚴重磨損，然而示例被涂敷的挖取本體的磨損卻十分微不足道。下面簡要說明本文所用的某些術語和概念。 一種硬質表面結構包括但并不限于接合到基體上以保護基體不受磨損的層。與基體相比，硬質表面結構表現出明顯地更大的耐磨性。如本文所用，詞語“工具”被理解為是指“工具或用于工具的組件”。挖取工具可用于破壞主體，分解主體或在主體中鉆孔，如巖石，浙青，煤或混凝土，例如，可用于如采礦，建筑和道路修復的應用中。在某些應用中，例如道路修復，多個挖取工具可以被安裝在可轉動的滾筒并且當滾筒抵靠主體旋轉時，挖取工具被驅動抵靠待被分解的主體。挖取工具可以包括超硬材料的工作尖端，例如，多晶金剛石(PCD)，它包括大量的基本上相互生長的金剛石晶粒，從而形成限定金剛石晶粒之間的間隙的骨架質量。耐磨部件是在使用中經受或預期要經受磨損應カ的部件或組件。耐磨部件典型地將經受各種磨損應力,例如,磨蝕、侵蝕、腐蝕和其他形式的化學磨損。耐磨部件包括各種各樣的材料中的任ー種，這取決于耐磨部件預期承受的磨損的性質和強度以及成本、尺寸和質量的限制。例如，硬質合金具有很高的耐磨損性，但由于它的高密度和成本，其通常用作相對小的部件的主要組分，例如鉆頭插入件，鑿子，刀片等。較大的耐磨部件用于挖掘，鉆頭主體、儲料器以及磨蝕材料的載體并且典型地由硬質鋼制備，所述硬鋼在某些應用中比硬質合金更為經濟。
硬質金屬為包括金屬碳化物晶粒的材料，所述金屬碳化物為例如在金屬粘合劑中分散的WC，所述粘合劑特別是包括鈷的粘合剤。金屬碳化物晶粒的含量是材料的至少約
50%重量比。P⑶材料典型地包括至少約80%體積比的金剛石，并且可通過使金剛石晶粒的聚合體經受例如大于約5GPa的超高壓力，例如最低約1200攝氏度的溫度而制備。
權利要求
1.一種本體，其包括鋼質基體和熔融至所述鋼質基體的硬質表面結構，其中所述硬質表面結構包括至少1%重量比的硅、至少5%重量比的鉻和至少40%重量比的鎢，所述硬質表面結構的剩余部分基本上由鐵族金屬M和碳C組成，M選自Fe，Co和Ni或其合金；所述硬質表面結構包括多個延長的或片狀的且平均長度至少I微米的微結構、多個平均尺寸小于約200納米的納米顆粒以及粘合劑材料；所述微結構包括多于1%重量比的鉻和分子式為MxWyCz的相，其中，X的范圍為從1至7，y的范圍為從1至10，以及z的范圍為從1至4 ;所述納米顆粒包括多于20%重量比的鎢、金屬M和碳C ;所述粘合劑材料包括多于3%重量比的鶴、多于2%重量比的鉻,多于0. 5%重量比的娃、金屬M和碳C。
2.如權利要求1所述的本體，其中所述微結構包括區域，所述區域為片狀，具有兩個主要尺寸和一個次要尺寸，所述次要尺寸限定厚度，所述厚度為至少0. 5微米。
3.如權利要求1或2所述的本體，其中所述微結構包括至少約0.1 %重量比的硅。
4.如前述權利要求中的任何一項所述的本體，其中所述納米顆粒包括至少0.1%重量比的硅。
5.如前述權利要求中的任何一項所述的本體，其中所述硬質表面結構包括0.5至100微米的硅化鎢晶粒。
6.如前述權利要求中的任何一項所述的本體，其中所述納米顆粒包括至少0.5%重量比的鉻。
7.如前述權利要求中的任何一項所述的本體，其中所述納米顆粒包括一化合物，該化合物包括S1、W及Fe。
8.如前述權利要求中的任何一項所述的本體，其中所述納米顆粒包括硅化鎢。
9.如前述權利要求中的任何一項所述的本體，其中所述納米顆粒包括Si2W。
10.如前述權利要求中的任何一項所述的本體，其中所述微結構是樹枝狀形式。
11.如權利要求10所述的本體，其中在Murakhami試劑中刻蝕從3秒到6秒的時間段后，所述微結構具有黃色或棕色的顏色。
12.如前述權利要求中的任何一項所述的本體，其中所述硬質表面結構具有至少約800HV10的維氏硬度。
13.如前述權利要求中的任何一項所述的本體，其中所述硬質表面結構具有至少約20MPa.m1/2的帕爾姆克維斯特(Palmquist)斷裂韌性。
14.如前述權利要求中的任何一項所述的本體，其包括鋼質基體和通過一中間層熔融至所述鋼質基體的硬質表面結構，所述中間層的厚度為至少I微米且至多100微米；所述中間層通過下面方法形成，所述方法包括熔融鄰近硬質表面的鋼質基體并與硬質表面結構材料相互混合；所述中間層包括分子式為MxWyCz的樹枝狀或片狀的微結構，其中，X的范圍為從I至7,y的范圍為從1至10,以及z的范圍為從I至4 ;微結構包括多于I %重量比的鉻和多于0. 5%重量比的娃。
15.如前述權利要求中的任何一項所述的本體，其用于路面或巖石分解。
16.如權利要求15所述的本體，包括一尖端，所述尖端包括多晶金剛石材料。
17.一種制備如權利要求1至14中的任一項所述的本體的方法，所述方法包括使前驅體材料與鋼質基體接觸，所述前驅體材料包括WC晶粒、范圍為從0. 1%重量比至10%重量比的硅，以及范圍為從0. 1%重量比至10%重量比的鉻，以及金屬M ;并且(前驅體材料)具有至高為1280攝氏度的液相線溫度；加熱前驅體材料達到至少1300攝氏度的溫度并保持一控制的時間段，從而允許所述前驅體材料與鋼質基體反應和熔融。
18.如權利要求17所述的方法，其中所述前驅體材料被包括在糊劑、粉末或顆粒中。
19.如權利要求17或18所述的方法，通過結合WC晶粒，以元素或化合物形式的、范圍為從O. 1%重量比至10%重量比的娃，以及以金屬或碳化鉻形式的、范圍為從O. 1%重量比至10%重量比的鉻，以及金屬M而制備前驅體材料；以及所述前驅體材料具有最高為1280攝氏度的液相線溫度；處理所述前驅體材料從而形成包括所述前驅體材料的多個顆粒，所述顆粒的平均晶粒尺寸為最小20微米并且最大約500微米；在至少約700攝氏度的溫度下熱處理所述顆粒至少約5分鐘；使所述顆粒與鋼質基體接觸并加熱所述顆粒達到至少1150攝氏度的溫度。
20.如權利要求17至19中任一項所述的方法，其中所述前驅體材料包括金剛石或CBN顆粒。
21.如權利要求17至20中任一項所述的方法，所述方法包括形成包括所述前驅體材料的前驅體本體，所述前驅體本體被配置為容納所述鋼質基體的非平面表面的形狀；設置所述前驅體本體抵靠所述非平面表面并加熱所述前驅體本體從而使其與所述基體熔融。
全文摘要
本發明涉及一種包括鋼基體以及熔融至鋼基體的硬質表面結構的本體，其中該硬質表面結構包括至少1％重量比的硅、至少5％重量比的鉻和至少40％重量比的鎢，該硬質表面結構的剩余部分基本上由鐵族金屬M和碳C組成，M選自鐵，鈷和鎳或其合金；硬質表面結構包括多個延長的或片狀的且平均長度至少1微米的微結構、多個平均尺寸小于約200納米的納米顆粒以及粘合劑材料；微結構包括多于1％重量比的鉻和分子式為MxWyCz的相，其中x的范圍為從1至7，y的范圍為從1至10，以及z的范圍為從1至4；納米顆粒包括多于20%重量比的鎢、金屬M和碳C；粘合劑材料包括多于3%重量比的鎢、多于2％重量比的鉻，多于0.5％重量比的硅、金屬M和碳C。
文檔編號E21B10/46GK103052738SQ201180033892
公開日2013年4月17日 申請日期2011年7月6日 優先權日2010年7月9日
發明者伊戈爾·尤里·空亞什, 貝恩德·亨瑞克·里斯, 弗蘭克·弗里德里希·拉赫曼, 海因里希·亨瑞克·謝菲爾 申請人:第六元素公司