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CN105414532A - 耐磨材料和形成耐磨材料的系统和方法 - Google Patents

耐磨材料和形成耐磨材料的系统和方法 Download PDF

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CN105414532A
CN105414532A CN201511017655.0A CN201511017655A CN105414532A CN 105414532 A CN105414532 A CN 105414532A CN 201511017655 A CN201511017655 A CN 201511017655A CN 105414532 A CN105414532 A CN 105414532A
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CN
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boride
substrate
fertile material
wear
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CN201511017655.0A
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S·伯达帕蒂
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Original Assignee
Esco Corp
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Abstract

一种形成耐磨合成材料的系统和方法包括将多孔耐磨填充材料放置在模具腔内并通过加热到足以熔化母体材料的温度而用母体材料渗透填充材料，接着冷却组件以形成耐磨合成材料。该系统和方法可用来在例如挖掘设备的部件或其他机械部件的衬底表面上形成耐磨合成材料。一种适当母体材料可以是任何的多种球墨铸铁合金。

Description

耐磨材料和形成耐磨材料的系统和方法
本申请是于2014年7月30日进入中国国家阶段的题为“耐磨材料和形成耐磨材料的系统和方法”且中国申请号为201380007328.X的国际申请PCT/US2013/023541的分案申请。
技术领域
本发明总体涉及用于形成耐磨材料的系统和方法，更具体地，涉及采用渗透技术形成耐磨材料并通过铜焊将该材料连接到衬底的系统和方法以及该系统和方法的产品。
背景技术
多种挖掘设备具有尖头、边缘、表面和受到重复冲击和应力的其他部件，会造成这些部件磨损或断裂。因此，具有高硬度和耐磨性以及良好刚度的材料希望用于这些应用。具有高硬度和耐磨性的材料也用于其他应用，包括面临类似挑战的应用。
用于制造耐磨部件的一种常用技术是通过围绕放置在模具内的硬耐磨材料注入熔融金属(例如铸铁)以便将耐磨材料附接到铸造金属部件并形成耐磨合成物来铸造部件。这种方法的主要缺陷在于通过这种方法附接有耐磨材料的衬底局限于适合铸造的材料。另外，耐磨材料通常局限于5-50％的体积分数范围，并局限于大于50μm的颗粒，并且部件通常局限于小于6.25mm(0.250英寸)的厚度。另外，这种方法需要使熔融合金过热到大约200℃-400℃，这导致碳化物颗粒的显著溶解，并由此使得到的合成物的性能降级。另外，由于这种铸造在空气中进行，存在硬颗粒和母体金属都氧化的可能性，并且氧化物可变得截留在合成物内，并使磨损和机械性能降级。
用于制造耐磨部件的另一常用技术是将镍基合金、铜基合金和/或铸铁渗透到纯碳化钨和硬质合金颗粒的多孔质量块内。但是，镍基和铜基合金非常昂贵，并且铸铁不具有对于所有应用都满意的刚度。球墨铸铁代表了更加经济的材料，其可以铸造并具有良好的断裂刚度。但是，采用这些技术的条件不适用于球墨铸铁渗透。另外，这些技术所涉及的渗透温度很高，从而出现硬颗粒的显著降级。在使用这些技术将铸铁渗透到球形铸造碳化物中的情况下，原始碳化物颗粒可完全分解。由于熔融结合金属与硬碳化物颗粒之间的冶金相互作用，用于这种技术的颗粒尺寸必须通常保持在1.14mm(0.045英寸)以上，使得即使在反应之后，也留有大部分的硬颗粒来提供耐磨性。
因此，虽然一些现有技术产品和方法提供许多有利特征，但是它们具有一些局限性。本发明寻求克服这些局限性的某些局限性和现有技术的其他缺陷，并提供一种之前没有得到的新特征。
发明内容
下面提供本发明的各方面的总体概述，以提供本发明的基本理解。此概述不是本发明的延展性综述。不意图鉴别本发明的关键或重要元件，以限定本发明的范围。以下概述只以总体形式提供本发明的一些概念，以作为下面提供的更加详细的描述的前奏。
本发明的各方面涉及一种用于形成衬底上的耐磨合成涂层的方法。模具邻近衬底的表面定位，使得表面与模具腔连通，并且多孔耐磨材料与表面邻近地放置在腔内。金属母体材料接着与腔连通地放置，并且模具和母体材料被加热到母体材料的熔点以上的温度。该温度被保持在熔点以上长达母体材料足以渗透熔融形式的耐磨材料并接触衬底的表面的时间。随后，模具和母体材料被冷却以固化母体材料并形成包括嵌入衬底的表面上的母体材料内的耐磨材料的耐磨合成涂层。母体材料在一种实施方式中可以是球墨铸铁，并且球墨铸铁可具有以重量百分比为单位的如下组分：大约3.0-4.0％碳、大约1.8-2.8％硅、大约0.1-1.0％锰、大约0.01-0.03％硫和大约0.01-0.1％磷，余量是铁和偶有元素和杂质。理解到其他元素和添加物可包括在球墨铸铁中，例如镍(多达37％重量百分比)、铬(多达5.5％重量百分比)和/或硅(多达5.5％重量百分比)。
根据一个方面，耐磨材料可包括选自包括如下物质的组的一种或多种材料：碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和过渡金属的金属间化合物及其组合。可以使用的碳化物的例子包括：WC、TiC、SiC、Cr3C2、VC、ZrC、NbC、TaC、(W,Ti)C、B4C和Mo2C及其组合。可以使用的氮化物的例子包括：TiN、BN、Si3N4、ZrN、VN、TaN、NbN、HfN、CrN、MoN和WN及其组合。可以使用的硼化物的例子包括：硼化钛、硼化铬、硼化钨、硼化镍、硼化锆、硼化铪、硼化钽、硼化铌、硼化钒、硼化钼、硼化硅、硼化铝，以及过渡金属的其他硼化物，及其组合。可以使用的硅化物的例子包括过渡金属的硅化物。耐磨材料可进一步具有潮湿相容涂层。
根据另一方面，合成涂层可形成在衬底的多个表面上，或者可以只形成在衬底的表面的一部分上。
根据又一方面，多孔耐磨材料可以是松散颗粒材料的形式或者是由结合在一起以形成多孔预成型件的颗粒材料形成的多孔预成型件的形式。预成型件中的颗粒材料可以例如通过烧结或通过聚合物材料的多种不同方式结合在一起。如果使用聚合物材料进行结合，该材料可以选择成使得铜焊温度在加热过程中足以从颗粒材料移除聚合物材料。
根据再一方面，模具可以是或包括连接到衬底的片金属壳体，以限定腔。壳体可以具有到壳体外部的开口，并且多孔耐磨材料可以通过插入经过开口被放置在腔内。这种壳体可具有显著小于衬底厚度的壁厚，并可以焊接到衬底的外表面。
根据进一步方面，加热在炉室内进行，并且室在温度达到母体材料的熔点之前可以被排空(例如0.0001或0.001托-0.010托，或甚至更低压力)。惰性气体在母体材料已经熔化之后引入室。替代地，熔化可以在惰性气体存在的情况下进行，例如通过在母体材料已经熔化之前引入氩气进入室。在此实施方式中，模具具有接触多孔耐磨材料的可渗透部分，以允许残留气体在渗透过程中从可渗透部分逃逸。
根据附加的方面，母体材料可以相对于耐磨材料至少部分横向或水平定位，并且该方法还可包括邻近母体材料并与耐磨材料相对地放置位移介质(例如像陶瓷珠的可流动介质)。位移介质支承熔融母体材料并随着熔融母体材料渗透耐磨材料而使熔融母体材料位移。屏障可进一步放置在位移介质和母体材料之间，以防止熔融母体材料渗透到位移介质内。横向渗透的一个例子是在衬底是管状结构时，使得熔融母体材料向外横向渗透以形成管状结构的内表面上的合成涂层。在此构型中，位移介质放置在管状结构的中心处，并且随着熔融母体材料渗透耐磨材料而向外位移。
本发明的另外方面涉及用于形成衬底表面上的耐磨合成涂层的系统。该系统可包括邻近衬底的表面定位的模具，使得该表面与模具腔连通，位于腔内的邻近该表面的多孔耐磨材料以及与腔连通的金属母体材料。该系统可与根据以上描述的方面的方法结合使用，例如将模具和母体材料加热到母体材料的熔点以上的温度，并保持该温度足以使母体材料渗透熔融形式的耐磨材料并接触衬底的表面的时间，接着冷却模具和母体材料以固化母体材料并形成衬底表面上的耐磨合成涂层。如上所述，母体材料可以是球墨铸铁。
根据一个方面，耐磨材料可包括选自包括如下物质的组的一种或多种材料：碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和过渡金属的金属间化合物及其组合，包括以上描述的材料。
根据另一方面，多孔耐磨材料可以是松散颗粒材料的形式或如上所述由结合在一起以形成多孔预成型件的颗粒材料形成的多孔预成型件的形式。
本发明的进一步方面涉及一种制造物品，其根据以上描述的系统和/或方法或通过其他系统和/或方法制造。该物品包括金属衬底，其具有表面，表面具有结合到表面的耐磨合成涂层。耐磨合成涂层包括耐磨颗粒材料以及与耐磨颗粒材料结合在一起的金属母体材料。涂层可以是连续涂层。母体材料进一步结合到衬底表面，以便将耐磨合成涂层结合到衬底。金属母体材料可以是球墨铸铁，其可具有如上所述的组分。该方法可用来制造具有至少0.005英寸并通常大于0.040英寸厚度的涂层。在一些实施方式中，该方法可实现多达6英寸或更多或7.5英寸或更多的渗透距离，并且可因此用来制造具有大于衬底本身的厚度的涂层，在多种实施方式中，例如多达6英寸或更多，多达7.5英寸或更多，或甚至更大厚度。
根据一个方面，耐磨材料可包括选自包括如下物质的组的一种或多种材料：碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和过渡金属的金属间化合物及其组合，包括以上描述的例子。
根据另一方面，衬底具有连接到表面并从表面向外延伸的多个突出部。突出部嵌入耐磨合成涂层。作为一个例子，突出部可以是对称分布在衬底的外表面上的多个肋部或板构件。
根据进一步方面，物品可以是用于挖掘、采矿或其他土方设备的磨损构件，并且衬底可以通过磨损构件的作业部分形成，使得合成涂层覆盖作业部分。
本发明的其他特征和优点将结合附图从以下说明中明白。
附图说明
为了使得本发明得到更完全的理解，现在将参考附图通过例子描述本发明，附图中：
图1是示出根据本发明的一种实施方式从上方竖直渗透以形成耐磨合成材料的例子的示意图；
图2是示出根据本发明的一种实施方式从下方竖直渗透以形成耐磨合成材料的例子的示意图；
图3是示出根据本发明的一种实施方式水平渗透以形成耐磨合成材料的示意图；
图4是示出根据本发明的方面在渗透之前使用竖直渗透在衬底上形成耐磨合成材料的系统和方法的一种实施方式的示意图；
图5是示出根据本发明的方面在渗透之后具有使用图4所示的方法形成其上的耐磨合成材料的衬底的示意图；
图6是示出根据本发明的方面在渗透之前使用向外渗透在衬底上形成耐磨合成材料的系统和方法的另一实施方式的示意图；
图7是示出图6所示的系统的横截面的示意图；
图8是示出根据本发明的方面在渗透之前使用竖直和水平渗透在衬底上形成耐磨合成材料的系统和方法的另一实施方式的示意图；
图9是示出根据本发明的方面在渗透之前使用竖直和水平渗透在衬底上形成耐磨合成材料的系统和方法的另一实施方式的示意图；
图10是示出使用根据本发明的方法制造的球墨铸铁母体中的球形铸造碳化钨颗粒的例子的显微照片；
图11是示出使用根据本发明的方法在渗透过程之后保留的球形铸造碳化钨/球墨铸铁合成物和过量球墨铸铁之间的界面的显微照片；
图12是示出根据本发明的方面具有使用渗透方法在其上形成的耐磨合成材料的衬底的另一实施方式的示意图；
图13是示出根据本发明的另一实施方式在真空条件下在炉内通过铜焊材料渗透多孔耐磨材料的系统和方法的例子的示意图；
图14是示出根据本发明的一种实施方式在铜焊材料熔化之前在真空条件下在炉内通过铜焊材料渗透多孔耐磨材料的系统和方法的例子的示意图；
图15是图14的系统和方法的示意图，其中局部Ar压力在铜焊材料熔化之后引入炉；
图16是示出根据本发明的另一实施方式在局部Ar压力下在炉中通过铜焊材料渗透多孔耐磨材料的系统和方法的例子的示意图；
图17是根据本发明的方面被构造成以用于挖掘或采矿设备的尖头形式使用的衬底的另一实施方式的透视图；
图18是图17的衬底的横截面图，具有形成其外表面上的耐磨合成材料；
图19是根据本发明的方面被构造成用作用于形成耐磨合成材料的模具的壳体的一种实施方式的透视图；以及
图20是图19的壳体的横截面图，其连接到用于挖掘或采矿设备的尖头形式的衬底的一种实施方式，被构造成用来根据本发明的方面形成耐磨合成材料。
具体实施方式
虽然本发明允许许多不同形式的实施方式，附图示出并将这里详细描述的是本发明的优选实施方式，理解到本公开内容认为是本发明原理的示例说明，并不意图将本发明的广义方面局限于所描述和说明的实施方式。
通常，本发明的各方面涉及形成耐磨合成材料的系统和方法，其包括将多孔耐磨填充材料放置在模具腔内并通过加热到足以使母体材料熔化的温度通过母体材料渗透填充材料，接着冷却组件以形成耐磨合成材料。得到的合成材料包括与填充材料相互混合并结合到填充材料的母体材料，其中母体材料将合成物结合到衬底，并同样将填充材料结合在一起。该系统和方法可用来形成衬底表面上的耐磨合成材料，例如形成用于采矿、挖掘或其他土方设备的部件或其他机械部件。理解到这里描述的衬底的“表面”可包括多个不同表面并且不暗示这些表面的任何具体轮廓，除非明确指明。衬底可以是具有适用于渗透过程的熔点的任何材料，例如具有高于母体材料的熔点。这种衬底的例子包括铸造、锻造和粉末冶金制造的金属材料，以及陶瓷和基于陶瓷的材料，例如金属化陶瓷。在一种实施方式中，衬底可以是碳钢、合金钢、不锈钢或工具钢。该系统和方法可替代地用来形成作为一体件的耐磨合成材料。
在一种实施方式中，该方法利用球墨铸铁作为母体材料，并制造具有出色耐磨性和刚度的致密、硬和韧性合成物。另外，球墨铸铁具有足够低从而不过度加热就能熔化的熔点。所有类型/级别的球墨铸铁可根据本发明使用，包括ASTM标准A536-84(2004年重新核准)限定范围内的任何球墨铸铁，该标准通过引用合并在此。在一种实施方式中，球墨铸铁母体材料可具有以重量百分比为单位的如下组分：大约3.0-4.0％碳、大约1.8-2.8％硅、大约0.1-1.0％锰、大约0.01-0.03％硫和大约0.01-0.1％磷，余量是铁和偶有元素和杂质。如这里使用，术语“大约”指的是所列举的标称值(例如组分范围的端点)的+/-10％偏差。在另一实施方式中，组分可不包括此偏差。在进一步实施方式中，以上组分可包括进一步的合金添加物，例如Ni、Cr和/或Si的添加物，以改善母体材料的耐腐蚀性、耐磨性和/或高温性能。例如，在多种实施方式中，Ni可以添加多达37％重量百分比的量，Cr可以添加多达5.5％重量百分比的量，和/或Si可以添加多达大约5.5％重量百分比的量。在其他实施方式中，球墨铸铁合金可包括进一步的合金添加物，包括可以增加性能的合金添加。具有这种合金添加物的球墨铸铁合金已知为高合金球墨铸铁，并通常落入ASTMA439和A571的范围内，该标准通过引用合并在此。这种合金也可根据这里描述的系统和方法的实施方式使用。在其他实施方式中，任何合金添加物可用来实现不同性能和/或微结构，只要它们没有以过度方式不利地影响性能或微结构，例如显著增加渗透温度和/或使母体或得到耐磨材料的性能降级。在替代实施方式中，该方法可用来通过球墨铸铁之外的金属母体材料形成合成物。
母体材料可以多种形式提供。例如，在一种实施方式中，母体材料可以单体形式提供，例如一个或多个块、坯段等。在另一实施方式中，母体材料可以颗粒形式提供，例如粉末、纤维、须状物等。在进一步实施方式中，母体材料可以多孔形式提供。在附加实施方式中，母体材料可以这些形式的组合提供。
多种硬和耐磨材料可与不同实施方式相结合地用作填充材料，包括多种碳化物、氮化物、硼化物和硅化物，以及其它硬且耐磨的材料以及这些材料的混合物，包括其它类型的陶瓷材料。这些材料可以原始形式提供，和/或者具有提供湿润相容性能的适当涂层。例如，在耐磨材料颗粒不与母体材料湿润相容的情况下，耐磨材料颗粒可以在其用于在通过渗透铜焊形成合成材料之前涂覆湿润相容涂层。可以用作填充材料的碳化物包括碳化钨(WC)、TiC、SiC、Cr3C2、VC、ZrC、NbC、TaC、(W,Ti)C、B4C和Mo2C以及其他碳化物。在一种实施方式中，球形铸造WC、粉碎铸造WC和/或胶结WC用作填充材料。可以用作填充材料的氮化物包括TiN、BN、Si3N4、ZrN、VN、TaN、NbN、HfN、CrN、MoN、WN和其他氮化物。可以用作填充材料的硼化物包括过渡金属的硼化物，例如硼化钛、硼化铬、硼化钨、硼化镍，硼化锆、硼化铪、硼化钽、硼化铌、硼化钒、硼化钼、硼化硅、硼化铝以及其它硼化物。可以用作填充材料的硅化物可以包括过渡金属的硅化物。可以用作填充材料的其他材料包括过渡金属的金属间化合物。在一种实施方式中，填充材料可根据在熔融铜焊材料中具有有限溶解性的材料选择，以限制或防止填充材料在铜焊材料中溶解。如这里使用，术语“母体材料”和“填充材料”不应该认为暗示母体材料或填充材料形成合成材料的任何具体部分。例如，母体材料不需要形成合成材料的主要部分或大部分，并且在一些实施方式中填充材料可形成合成材料的主要部分或大部分。
多孔填充材料可以一种或多种不同形式提供。在一种实施方式中，多孔填充材料可以是松散颗粒材料的形式，例如粉末、纤维、须状物等。在多种实施方式中，该方法可采用广泛范围的颗粒尺寸，包括小于50μm的颗粒尺寸或小于1mm的颗粒尺寸。在一种实施方式中，颗粒填充材料可具有大于0.1μm的颗粒尺寸。在另一实施方式中，颗粒填充材料可具有大于0.1μm并多达5mm的颗粒尺寸。在进一步实施方式中，颗粒填充材料可具有大约500μm的平均颗粒尺寸。在一种实施方式中，填充材料可以多种颗粒尺寸提供，例如粗颗粒和细颗粒的组合，该组合可用来实现填充材料的更大密度和/或体积分数。在填充材料的任何给定体积分数下，细颗粒的这种使用通常导致更细的孔口尺寸，并可增加填充这些孔口的母体材料的屈服强度，由此增加材料的总体耐磨性。在颗粒材料放置在模具腔内时，颗粒之间的空间形成多孔结构，其可以通过母体材料渗透。在另一实施方式中，多孔填充材料可以是多孔预成型件的形式。在一种实施方式中，多孔预成型件的孔隙率范围为5％到95％。例如，多孔预成型件可包括通过例如聚合物结合剂的结合材料结合在一起的颗粒材料。预成型件可附接到衬底材料，例如通过粘合剂，粘合剂将在渗透过程中挥发。在渗透时，熔融母体材料具有足够温度，以移除结合材料(例如通过熔化、挥发等)，使得母体材料可填充颗粒之间的孔口之外，填充结合剂移除而留下的孔口。作为另一例子，多孔预成型件可包括通过烧结结合在一起的颗粒材料，使得孔口存在于颗粒之间。在一种实施方式中，预烧结的预成型件可具有颗粒尺寸级别的孔口尺寸，因为部件可以略微烧结以实现颗粒之间的颈生长，并提供一些机械处理强度。也可以使用其他多孔材料，例如织造纤维垫或织物。在另一种实施方式中，多孔填充材料可以不同形式的组合提供。例如，在一种实施方式中，填充材料可包括形成填充材料的一部分的一种或多种预成型件，而其他部分通过颗粒材料形成(例如是松散粉末、纤维、须状物等)和/或织造纤维垫或织物。
填充材料通过母体材料渗透的铜焊操作可以通常通过将母体材料加热到其熔点以上并同时接触或通过其他方式与填充材料连通以允许熔融母体材料接触填充材料并渗透多孔填充材料来实现。在渗透过程中，填充材料通常被放置成接触或通过其他方式与衬底连通，以便母体材料在渗透过程中接触衬底材料，以便将得到的合成材料连接到衬底。多种模具可以与渗透相结合地使用，如下面描述。图1-3示出根据多种实施方式的多种渗透构型，每种构型示意示出渗透模具12的腔11内的填充材料15的熔融母体材料16。图1示出向下竖直渗透，其中重力辅助渗透。但是，由于渗透主要通过毛细管作用驱动，水平渗透、向上竖直渗透、向外/径向渗透和其他渗透构型可不使用重力或可抵抗重力工作。图2示出向上竖直渗透的例子，并且图3示出水平渗透的例子。下面更加详细描述的图6-7示出向外或径向渗透的例子，其可以认为是水平渗透的另一例子。在任何非向下渗透的实施方式中，可以采用技术来使渗透填充材料15的熔融母体材料16位移，以保持熔融母体材料16与填充材料15接触，直到渗透完成。例如，模具12可以在渗透过程中运动，以便保持母体材料16、填充材料15和衬底适当接触/连通。作为另一例子，压头或其他压力机构可用来确保母体材料15在渗透过程中总是接触填充材料。在进一步例子中，例如陶瓷珠的可动材料可用来使渗透母体材料位移，如下面描述和图6-9所示。
在一种实施方式中，母体或铜焊材料被过热到大于熔点25℃-75℃，这显著低于铸造通常所需的过热。在一种示例性实施方式中，在球墨铸铁材料用作母体材料的情况下，渗透可以在2150℉-2275℉的温度范围进行，或在另一实施方式中在2175℉温度下进行。在一种实施方式中，渗透保持时间周期可以从1-60分钟，渗透长度越大，通常渗透时间越长。在一种实施方式中，渗透可以在惰性氛围中进行，例如氩(Ar)氛围，这可以在熔点以上的温度下避免挥发引起的熔融金属飞溅。在一种实施方式中，渗透过程中的氩压力可以是大约6.5x10-5大气压-4x10-4大气压。可以用于渗透的多种氛围可以在下面更详细地描述并如图13-16所述。在一种实施方式中，在渗透之后，部件被冷却，例如冷却到1700℉，长达大约20-30分钟以上，并接着更缓慢地冷却到室温。根据所涉及材料的性质，特别是衬底材料，可以进行例如机加工和/或热处理的后处理。例如，根据衬底的本性，可以根据已知技术进行例如正火、淬火随后回火或分级淬火随后回火的热处理。理解到一些衬底不会得益于一些(或任何)热处理。根据得到部件的所需应用，可以希望或可以不希望机加工。
如上所述的填充材料的渗透主要通过毛细管作用驱动，即作用在渗透前部的毛细管压力。渗透前部处的压力差取决于许多因素，包括熔融母体材料的表面张力、熔融母体材料相对于填充材料的接触角度、填充材料的几何结构特性(例如孔隙率、扭转、孔口尺寸和形状的变化及其在熔融材料的表观接触角度上的作用)以及填充材料中的任何残留气体的压力。控制这些因素的许多因素的自由度会在具体母体/填充系统中受到限制。残留气体压力可至少部分得到控制，并且填充材料内的残留气体压力的最小化可使用于毛细管作用的压力差和驱动力最大化。这继而可以使母体材料可渗透填充材料的潜在距离最大化。在至少一些构型中，与其他形式的填充材料相比，一种或多种预成型件形式的填充材料的使用可使渗透距离最大化。
图13-16示出用于形成耐磨合成材料的系统或组件，其中在铜焊操作过程中使用不同氛围以使填充材料15中的残留气体压力得到控制和/或最小化。在这些实施方式中，渗透在具有保持模具12、母体材料16和填充材料15的室31的炉30中进行，其中室31中的氛围可以得到控制。理解到该组件可进一步包括与模具12连通的衬底(未示出)，如下面描述。铜焊操作中的氛围可以得到控制以帮助实现足以驱动母体材料在较大/较长距离(例如大约5-7英寸或更大的距离)上渗透经过填充材料的毛细管压力梯度。在下面描述和图13-16所示的每种实施方式中，室31在母体材料16熔化之前被基本上排空。在一种实施方式中，至少在渗透过程开始时排空是优选的，以避免填充材料的氧化。但是，不同过程可用于其他实施方式中，例如不进行排空或者与以上描述相比排空到较小程度。
图13示出用于渗透的系统500的一种实施方式，其中渗透在真空条件下进行。在此实施方式中，整个室31在母体材料16熔化之前排空，并在整个渗透过程中保持在真空条件下。在一种实施方式中，排空之后的气体压力可以是0.001-0.010托，或者在另一实施方式中可以低至0.0001托(例如0.0001-0.010托)，或者在进一步实施方式中，在0.0001托以下。在一种实施方式中，渗透可以在大约2180-2225℉下进行长达大约30-60分钟。室在母体材料16熔化之前的排空减小或消除填充材料15中的残留气体压力，帮助经过毛细管作用驱动渗透。注意到由于在使用一些合金(特别是具有大量锰含量的合金)时，在母体材料熔化之后将系统保持在真空下，会遇到由于母体材料内的化学品挥发造成的飞溅。这种飞溅不仅损害炉30内的设备，而且还减小用于铜焊的母体材料16的量。这种飞溅会通过将合金的Mn含量保持显著低来缓解，虽然这样作的成本会很高。这种飞溅也可以通过母体材料16熔化之后室31内存在的Ar或另一种非反应气体来避免。
图14-15示出用于渗透的系统600的另一实施方式，其中Ar气体在母体材料16熔化之后被引入室31。如图14所示，室31如上所述在铜焊过程之前被排空，类似于以上相对于图13的描述。如上所述，在一种实施方式中，渗透可在大约2180-2225℉下进行长达大约30-60分钟。在母体材料16熔化之后，氩气体32(或另一非反应气体)被引入室31。在一种实施方式中，Ar气体32被供应到室31内，直到Ar局部压力达到大约0.050-0.100托。室在母体材料16熔化之前的排空减小或消除填充材料15中的残留气体压力，如上所述帮助驱动渗透，并且Ar气体32的随后引入帮助减小挥发物质造成的飞溅。在使用图14-15所示的系统的一个例子中，在Ar氛围在母体材料16熔化之后引入时，发现母体材料16在2180℉下的渗透过程中渗透填充材料15的至少7.5英寸。但是，在Ar氛围在熔化之前引入时，发现母体材料16最多只渗透6.5英寸，而不管系统在渗透温度下保持多长时间。这指明填充材料15内的残留气体会限制可以经过毛细管作用实现的渗透的长度。
图16示出用于渗透的系统700的另一实施方式，其中Ar气体32在母体材料16熔化之前引入室31。类似于以上相对于图14的描述，此实施方式中的室31如上所述在加热过程中排空，直到系统几乎达到母体材料16的熔化温度(例如直到温度达到用于球墨铸铁的大约2150℉)。此时，Ar气体32或另一非反应气体在母体材料16熔化之前引入室31。类似于以上描述，在一种实施方式中，气体32可引入直到达到0.050-0.100托的局部Ar压力。如上所述，在一种实施方式中，渗透可在大约2180-2225℉下进行大约30-60分钟。为了避免填充材料15中的残留气体压力限制渗透，模具12设置与填充材料15接触的可渗透部分33。可渗透部分33可以是多孔的，或者以其他方式可渗透气体，以允许残留气体在渗透过程中从填充材料15逃逸，而不限制母体材料16的渗透。可渗透部分33可大致与母体材料16相对设置，以避免母体材料16覆盖或密封可渗透部分33而防止残留气体在渗透完成之前逃逸。如上所述，Ar气体的存在抑制熔融母体材料16的飞溅。在使用图16所示的系统的一个例子中，通过包括可渗透部分33的模具12，在Ar氛围在母体材料16熔化之前引入时，发现母体材料16在2225℉下的渗透过程中渗透填充材料15的至少7.5英寸。但是在模具12被密封并且在母体材料16熔化之后渗透前部不与室31中的氛围连通时，发现渗透只延伸最多6.5英寸。这指明保持渗透前部与室31中的氛围连通可减小填充材料15内的残留气体会对于毛细管作用驱动力的限制效果。
图4-5示出用于形成耐磨合成材料的系统或组件100的一种示例性实施方式以及使用系统或组件100的方法。在此实施方式中，衬底10(例如挖掘工具的尖头)定位在模具12的腔11内，使得模具12在模具12的内表面13和衬底10的外表面14之间截留腔11内的体积，如图4所示。衬底10可事先制备，例如通过清洁和干燥以移除油或油脂物质，和/或使用石榴石砂进行喷砂以移除氧化膜并使表面粗糙，使得母体材料良好地结合到衬底10。模具12可由任何适当材料制成，例如高熔点金属材料、陶瓷材料或石墨。如果可能，模具12可被焊接、铜焊或通过其他方式连接到衬底10的外表面14，例如在点P处焊接。在一种实施方式中，模具12是焊接到衬底以形成腔11的钢壳体，并且可以在焊接之前喷砂以避免模具腔11的污染。这种实施方式在下面更详细描述并在图19-20中示出。填充材料15被插入模具腔11，例如以颗粒材料或预成型件的形式，与衬底10的外表面14接触或通过其他方式连通，如图4所示。母体材料16与填充材料15和衬底的外表面14连通地放置。母体材料16可定位在模具腔11内，例如通过将母体材料16简单地放置在固体形式的填充材料15的顶部上，如图4所示。在一种实施方式中，母体材料16可以是块或坯段形式。在另一实施方式中，母体材料16可以定位在供应器或喷射结构内。系统100可接着准备渗透，如上所述，例如通过将系统100放置在炉中以便加热，炉可包括惰性氛围(例如氩)。托盘或类似容器可用来在炉中支承系统100，例如不锈钢托盘。在渗透过程中，母体材料16熔化并向下渗透经过所有填充材料15，最后接触衬底10的外表面14。
在如上所述已经进行渗透并且系统100冷却之后，形成外表面14上具有合成涂层18的部件17，如图5所示。部件17可以从模具12移除，如果焊接到衬底10和/或结合到涂层18，这需要将模具12切开或破坏。合成涂层18包括通过母体材料16结合在一起并连接到衬底10的填充材料15。在一种实施方式中，填充材料16可具有合成材料18中的5-95％的体积分数。在另一实施方式中，填充材料16可具有30-85％的体积分数。在一些实施方式中，部件17可在合成涂层18的外侧的至少一部分上具有过多母体材料19。过多材料19可以有意地形成，并留在部件17上，以用作焊接或附接另一部件的基部。过多材料19(如果有的话)可例如通过机加工来移除。合成涂层18可以形成有广泛范围的厚度，这取决于希望的应用。在一种实施方式中，部件17可形成大约0.5”厚的合成涂层18，其可以用于广泛的多种应用中。部件17可以是承受重复冲击和应力的设备部件的尖头、边缘或其他部分，并且合成涂层18的出色耐磨性和刚度增加了这些应用中的性能。挖掘/采矿设备代表用于根据这里描述的系统和方法制造的部件17的应用的一个例子。图12示出根据这里描述的一种实施方式制造的部件17’的附加实施方式，该部件是土方设备的磨损构件(例如钢的采矿尖头)的形式，其具有形成衬底10’的作业部分，该作业部分在其外表面14’上覆盖有如上所述的耐磨合成材料层18’。在一种实施方式中，合成材料层18’包括位于球墨铸铁母体材料中的球形铸造碳化钨颗粒或其他耐磨材料。
图17-18示出可以与图4-5所示的系统或组件100或类似系统/组件结合使用以制造耐磨合成涂层18的衬底10(例如挖掘或采矿工具的尖头)的另一实施方式。根据衬底10的材料、填充材料15和/或母体材料16的本性和本质，衬底10和涂层18的热膨胀系数(CTE)会不匹配。例如，在使用钢衬底10时，钢通常具有比涂层18高的CTE。根据所使用的材料，这种CTE差的一个例子可以是大约2x10-6/℃。这继而可以造成衬底10和涂层18之间的松解，特别是在涂层18形成在衬底10的外侧表面上时(例如如图4-5所示)。在图17-18的实施方式中，衬底10在外表面14上设置肋部形式的突出部28。突出部28可通过响应于随着铜焊之后衬底10和涂层18冷却而施加的压力塑性变形来帮助缓解衬底10和涂层18之间的CTE差造成的问题。在一种实施方式中，突出部28可由具有相对低的屈服强度和良好延展性的材料形成，以便塑性变形。选择用于突出部28的材料的一种考虑是其与衬底10连接(例如通过焊接或其他技术)以及与涂层18结合的相容性。适用于用作结合到钢衬底10的突出部的材料的一个例子是软钢，例如AISI1008。适当材料的其他例子可尤其包括304不锈钢、AISI1018和AISI1010。突出部28也为涂层18的结合提供附加表面，并且可因此进一步增强涂层18和衬底10之间的结合。如图18所示，涂层18围绕突出部28形成，使得突出部28嵌入涂层18并结合到最终部件17的涂层18内。但是，在其他实施方式中，突出部28可至少延伸到涂层18的外表面，并可以基本上与涂层18的外表面平齐。
图17-18的实施方式中的突出部28从衬底10的外表面14向外延伸，并且是肋部或板的形式，其具有显著大于其厚度的长度和高度。在一个例子中，突出部28可具有大约1－2英寸的长度(平行于衬底10的表面)、大约0.25英寸的高度(平行于涂层18的厚度方向)和大约0.125英寸的厚度。另外，此实施方式中的突出部28以大致轴向的方式取向，并且在衬底10的外表面14的所有小面上相当均匀和对称地分布。在一种实施方式中，突出部28可具有以如下方式选择的厚度、长度和宽度，使得由热膨胀不匹配造成的一些或所有应变通过突出部28的变形来适应。另外，在一种实施方式中，每个突出部的长度可以大于高度，高度继而大于厚度(即长度>宽度>厚度)。使用这种尺寸关系的突出部28增加用于涂层18的潜在结合面积，因为通过突出部28增加的潜在结合面积大于通过突出部28覆盖的衬底10的潜在结合面积。突出部28的尺寸可以根据涂层的厚度和衬底的尺寸来调节。突出部28之间的距离也可取决于衬底10的位置和几何结构，并且在一种实施方式中可从1”变化到3”。在其他实施方式中，突出部28可具有不同形式，例如杆、椎体、钉等，并且可以不同方式分布和/或取向。图17所示的突出部28被焊接到衬底10的外表面14。衬底10可在焊接之后喷砂。用于将突出部28连接到衬底10的其他技术可在其他实施方式中使用。理解到突出部28可以由与衬底10相同的材料形成，并在一种实施方式中，可以与衬底10一体地形成。还理解到具有突出部28的衬底10会在焊接和/或铜焊之后需要热处理或传统热处理的调整形式，这根据所使用的材料和结构。另外，图17－18所示的最终部件17是磨损构件，例如用于土方设备的尖头，并且衬底10通过磨损构件的作业部分形成，使得突出部28连接到作业部分。理解到其他类型的突出部28可以与这种磨损构件一起使用，并且图17-18所示的突出部28也可与其他类型的制造物品一起使用。
图6-9示出根据本发明的各方面用于形成耐磨合成物的其他系统和方法。图6-7示出用于经过向外或径向渗透形成衬底10的内表面20上的合成材料的系统200。在此实施方式中，衬底10是管状形式，并且衬底10与模具12和板21一起使用以便在衬底10的内侧形成模具腔11。板21可以由任何适当材料形成，包括以上对于模具构造提到的任何材料(例如石墨、金属或陶瓷)。如果板21、模具12和/或衬底10由可焊接材料制成，任何这些部件可通过焊接连接，但是焊接不是必须的。多孔填充材料15在衬底10的内表面20上定位就位以形成合成物，并且母体材料16与填充材料15接触或通过其他方式连通地放置。陶瓷珠22或另一位移材料也可在模具腔11内放置就位以使母体材料16在渗透过程中位移。理解到实现母体材料16的位移以便在渗透过程中支持母体材料16恒定地接触填充材料15，并且母体材料16的渗透主要通过其他力(例如毛细管作用)驱动，而不是通过陶瓷珠22施加的力。替代地，可以使用另一位移技术。在图6-7的实施方式中，母体材料16可以放置在管状形式的模具腔11内(见图7)，与填充材料15接触，并且向外渗透到填充材料15内。在另一实施方式中，母体材料16也可作为围绕填充材料15以圆形构造布置的多个坯段提供。在此构型中，陶瓷珠22放置在管状母体材料16的内径内，并且珠22向外运动以使渗透母体材料16位移。替代地，可以使用另一位移技术。系统200可放置在炉内，并且如上所述处理以完成渗透。得到的部件具有位于衬底的内表面21上的陶瓷材料，并且可包括过多的母体材料，如上所述。
图8示出用于经过水平和向下竖直渗透在衬底10的外表面14上形成合成材料的系统300。在此实施方式中，衬底10的一部分放置在模具腔11内，并且板21与模具12一起使用，以包围模具腔11。板21可以由任何适当材料形成，包括以上对于模具构造提到的任何材料(例如石墨、金属或陶瓷)。如果板21、模具12和/或衬底10由可焊接材料制成，任何这些部件可以通过焊接连接，但是焊接不是必须的。附加构件23可用于密封目的和/或用于终止渗透，并且可邻近板21定位。石墨箔片或陶瓷棉可以用作附加构件23，以实现这些功能，因为母体材料15不使这些材料湿润或渗透这些材料。多孔填充材料15在衬底10的外表面14定位就位以形成合成物，并且母体材料16放置成与填充材料15接触或通过其他方式连通。如图8所示，母体材料16放置在填充材料15上方以便向下渗透，并沿着填充材料15以便水平渗透。陶瓷珠22或另一位移材料也可在模具腔11内放置就位以使母体材料16在渗透过程中位移。替代地，可以使用另一位移技术。在图8的实施方式中，母体材料16围绕填充材料15放置在模具腔11内，并水平和竖直地渗透到填充材料15内。在此构型中，陶瓷珠22围绕母体材料16水平放置，并且珠22向内运动以使水平渗透的母体材料16位移。例如柔性陶瓷纤维垫或织造织物的屏障24可以放置在珠22和母体材料16之间。屏障24可大致不渗透熔融母体材料16，并且也可以是柔性的，并可以将压力从陶瓷珠22传递到母体材料15上。竖直渗透母体材料16的位移不是必须的。系统300可以放置在炉内并如上所述处理以完成渗透。得到的部件具有位于衬底的外表面14上的陶瓷材料，并包括过多母体材料，如上所述。
图9示出用于经过水平和向下竖直渗透在衬底10的外表面14形成合成材料的系统400。在此实施方式中，衬底10的一部分被放置在模具腔11内，并且板21与模具12一起使用以包围模具腔11。板21可以由任何适当材料形成，包括以上对于模具构造提到的任何材料(例如石墨、金属或陶瓷)。如果板21、模具12和/或衬底10由可焊接材料制成，任何这些部件可以通过焊接连接，但是焊接不是必须的。附加构件23可用于密封目的和/或用于终止渗透，并且可邻近板21定位。石墨箔片或陶瓷棉可以用作附加构件23，以实现这些功能，因为母体材料15不使这些材料湿润或渗透这些材料。多孔填充材料15在衬底10的外表面14定位就位以形成合成物，并且母体材料16放置成与填充材料15接触或通过其他方式连通。如图9所示，母体材料16放置在填充材料15上方以便向下渗透，并沿着填充材料15以便水平渗透。陶瓷珠22或另一位移材料也可在模具腔11内放置就位以使母体材料16在渗透过程中位移。替代地，可以使用另一位移技术。在图9的实施方式中，母体材料16围绕填充材料15放置在模具腔11内，并水平和竖直地渗透到填充材料15内。在此构型中，陶瓷珠22围绕母体材料16水平和竖直放置，并且珠22向内和向下运动以使渗透的母体材料16位移。系统400可以放置在炉内并如上所述处理以完成渗透。得到的部件具有位于衬底的外表面14上的陶瓷材料，并可包括过多母体材料，如上所述。
图19-20示出用于主要经过向下竖直渗透在衬底10的外表面14上形成合成材料的系统800的另一例子。图19-20的系统800采用由片材制成的壳体314形式的模具，其示出为与挖掘/采矿尖头形式的衬底312(可以类似于图4-5和12所示的衬底10、10’)结合使用。图19-20所示的壳体314以及其他这样的壳体在2011年4月6日提交的美国临时申请No.61/472470以及在2012年4月5日提交且在2012年10月11日作为美国专利申请公开No.2012/0258273公开的美国专利申请序列No.13/440273中更详细描述，这些申请整体通过引用合并在此并形成其一部分。壳体314可以用来形成类似于以上描述和图4-5所示的合成涂层18。在一种实施方式中，填充材料15可以经过壳体314内的开口317注入，并且母体材料16可随后放置在填充材料15的顶部，类似于图4所示。开口317可具有漏斗状构型，以帮助填充材料15和/或母体材料16插入。在其他实施方式中，开口317可定位在壳体314上的其他地方，例如如果壳体314在铜焊过程中以不同取向定位。
壳体314的片金属可以由能够形成或制成特定希望形状并能够在渗透过程中承受由渗透材料或通常由渗透铜焊所需温度造成的溶解、熔化或不适当弱化的任何材料制成。在一个例子中，壳体314可以由低碳“软”钢形成。例如，壳体314可具有大约0.105英寸的平均壳体厚度。在一种实施方式中，壳体314可由16Ga(0.060英寸厚)-10Ga(0.135英寸厚)的片金属制成，其可以用于广泛范围的应用。相比之下，图20中的衬底312可在通过壳体覆盖的区域内具有从1.000-3.450英寸的厚度。在其他实施方式中，壳体314可具有任何其他适当厚度。例如，在进一步实施方式中，壳体314可由钢或其他金属板制成，其具有大约0.25英寸的厚度，或者可以铸造，由棒料加工，或以不同方式形成。理解到壳体314的不同部分可具有不同厚度。
在与衬底312相比较时，壳体314的相对薄指的是壳体314可以容易、相对廉价地形成。对于壳体的简单形状，相对低成本的壳体314可以通过切割片金属件并将这些件焊接或铜焊在一起来制成。略微更复杂的形状可以通过以特殊构型弯曲片金属件并接着将弯曲片金属件焊接在一起来制成。复杂形状可以通过例如深拉的片金属成型过程、格林式过程成型(橡胶垫成型)、水力成型和/或爆炸成型来制成。也可以使用精密(熔蜡)铸造，虽然熔蜡过程的成本通常是不经济的。对于特别复杂的形状，壳体件可以通过一个或多个这些过程形成，并接着通过焊接或铜焊来结合。
如图19-20所示，壳体314由两个部分形成，其具有两部分保形带320。壳体314的两部分壳体主体316可以最初由前半件326和后半件328形成，其分别具有前凸缘330或后凸缘332。前凸缘330从前半件326的后边缘横向延伸，并且后凸缘332从后半件328的前边缘横向延伸。前凸缘330可以通过用具有比用于渗透的材料高的熔化温度的铜焊材料焊接或铜焊来结合到后凸缘332。壳体314可具有被构造成围绕壳体314的整个周边与衬底312的表面的一部分表面-表面接触地放置的保形带320，使得壳体314通过至少在保形带320处焊接或铜焊而连接到衬底312，如下面描述。在其他实施方式中，壳体314可由单件(其中可以没有凸缘330、332)或许多件形成。在一些构型中，两部分壳体314可比相应的单部分壳体更容易形成。在与相应单部分壳体结合比较时，在一些构型中，两部分壳体314也可更容易地结合到相应衬底。
在图20中，壳体314被示出为结合到尖头形式的相应衬底312的一部分。用于衬底312的外部几何结构可包括主要主体334，其限定用于焊接或铜焊到保形带320的结合表面335。衬底312可提供用于结合硬材料的至少一些凹口或其他移除部，例如平台336和周围表面。衬底312的远端可成形为限定倾斜边缘344和/或圆形面346。在另一实施方式中，衬底312可不提供用于硬材料的任何凹口或其他移除部。如图20所示，壳体314平滑延伸离开保形带320，在衬底312和壳体314之间限定腔350。腔350限定结合到衬底312的涂层(未示出)的所得厚度，并且壳体314的内部几何结构限定完成部件的最终外部几何结构。
图19-20所示的轻质片金属壳体314可容易运动以便在衬底上准确对准，并接着焊接到衬底，而不考虑衬底的大多数取向。薄的金属壳体容易通过焊接或高温铜焊而可靠地附接到下面衬底，而不需要夹持或固定装置，并且所形成的结合部即使在渗透铜焊所需的高温下也是液密的。在所涉及的任何类型的渗透堆焊模具中，熔融金属铜焊材料应该保持在模具内。采用本发明的薄金属壳体，实现与衬底的可靠附接，而没有额外夹持或固定装置。得到的组件因此更容易放置在炉内以便渗透铜焊，允许渗透堆焊的沉重物品的显著更大的便利性。
理解到以上描述和附图所示的系统100、200、300、400、500、600、700、800的多种特征及其变型可以在本发明的范围内组合和更换。同样，以上描述的方法的任何技术及其变型可以与以上描述的任何系统100、200、300、400、500、600、700、800结合地使用。
图10-11示出使用类似于图4的系统100的系统并使用以上描述的方法形成的合成材料18的显微照片。图10-11示出通过球墨铸铁母体材料16围绕的球形铸造WC填充材料15。母体材料16包括石墨结节25，这是球墨铸铁的特征。如图10-11所示，大多数WC颗粒15的球形形状已经被保持，指明填充材料15与熔融母体材料16的最小反应或溶解。图11示出合成材料18和过多母体材料19之间的界面26。
根据这里描述的系统和方法制造的合成涂层展示出色的耐磨性和刚度。在一个例子中，使用类似于图4的系统100的系统并使用以上描述的方法，使用球形铸造WC、粉碎铸造WC和胶结WC以及球墨铸铁母体来制备样本。制备通过在2050℉下真空渗透而通过镍基合金和铜加强的铸造和胶结WC的样本，以便比较。D2钢也用于比较。根据ASTMG65的程序A，在这些样本上进行干砂橡胶轮(DSRW)研磨测试(ASTMG65)。测试条件如下：
总旋转：6000
样本上的载荷：30lbs
砂流速：300-400g/min
在相同的磨损痕迹区域上进行两个连续DSRW测试，并在第二测试过程中获得质量损失以作为材料的磨损损失的代表。从下面的表格1可以看到，与其他材料相比，球形铸造碳化钨/球墨铸铁以及之后的粉碎铸造碳化钨/球墨铸铁显示出色的耐磨性。样本作为涂层制备，并且衬底通过加工和研磨移除，以暴露接近正在测试的衬底的表面。
表格1：不同材料上的干砂橡胶轮(DSRW)测试数据
从以上表格1的结果中可以看到，与其他组合相比，球墨铸铁与球形铸造WC和粉碎铸造WC组合使用造成较低的质量和体积损失。另外，WC和球墨铸铁的组合具有可比于其他组合的硬度。另外，球墨铸铁比测试的其他母体合金(特别是Ni和Cu合金)显著地更加廉价。因此，这种测试说明使用根据本发明的实施方式的系统和方法由球墨铸铁母体材料和WC填充材料制成的合成物的有利使用。
这里描述的系统、方法和产品的多种实施方式提供优于现有技术的优点和优势。例如，得到的合成物产品展示出色的耐磨性和刚度，并且可以经济地制造。作为另一例子，该系统和方法可用来将耐磨材料施加到多种不同衬底，包括锻造、铸造和粉末冶金金属衬底，以及例如陶瓷或基于陶瓷的合成物的非金属衬底，只要材料的熔点适用于渗透过程。作为另一例子，铜焊技术的使用允许材料成型并结合到衬底以便在单个步骤中实现。另外，与铸造和其他技术相比，铜焊技术通常采用较长渗透时间，继而允许较长的渗透长度(在一些实施方式中多达8-10”或更大)。因此，与包括铸造的现有技术以及例如等离子转移弧焊覆盖、热喷射等其他堆焊过程相比，也可以制造较厚涂层。作为另一例子，与其他过程(例如铸造)相比，该系统和方法可使用较低的过热，造成填充材料和母体材料之间较小的反应，以及展示高耐磨性和刚度的完好微结构。另外，较低程度的反应允许用于填充材料的较小的颗粒尺寸或者多种颗粒尺寸，由此可以实现更大的硬填充材料密度。如上所述，也可以实现母体材料的较大屈服强度和较大总体耐磨性。作为另一例子，该系统和方法中的惰性氛围的使用减小或防止部件的氧化，并可以控制挥发元素从母体材料蒸发，减小飞溅。本领域普通技术人员可以理解其他的优点和优势。
这里已经描述和说明多种替代实施方式和例子。本领域普通技术人员将理解到单独实施方式的特征以及部件的可能组合和变型。本领域普通技术人员可进一步理解到任何实施方式可以与这里公开的其他实施方式组合地提供。理解到本发明可以其他具体形式体现，而不偏离其精神或中心特征。因此本发明的例子和实施方式被认为在所有方面是示例性的，而不是限制性的，并且本发明不局限于这里给出的细节。这里使用的例如“顶部”、“底部”等相对术语只意图说明目的，并不以任何方式限制本发明。说明书中不应认为为了落入本发明的范围而需要结构的具体三维取向，除非权利要求中明确指明。同样，建议读者的是附图没有必要按照比例绘制。另外，这里使用的术语“多个”指的是大于1的任何数量(分离性或组合性地，根据需要)，直到无限数量。另外，这里术语的“提供”物品或设备广义地指的是使得该物品对于将来在物品上所进行的动作来说可用或可以接近，并且不意味着提供该物品的群组已经制造、生产或供应该物品，或意味着提供该物品的群组具有该物品的所有权或控制。因此，虽然描述和说明具体实施方式，可以设想到多种改型，而不显著偏离本发明的精神，并且保护范围只通过所附权利要求的范围限定。

Claims (47)

1.一种系统，包括：
衬底，其具有表面；
模具，其邻近衬底的表面定位，使得表面与模具腔连通；
多孔耐磨材料，其位于腔内，与所述表面邻近；以及
金属母体材料，其与腔连通，其中，母体材料包括球墨铸铁；
其中该系统能够：
将模具和母体材料加热到母体材料的熔点以上的温度，并且将温度保持长达母体材料足以渗透熔融形式的耐磨材料并接触衬底的表面的时间；
冷却模具和母体材料以固化母体材料，并形成衬底表面上的耐磨合成涂层。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，母体材料的球墨铸铁具有以重量百分比为单位的如下组分：大约3.0-4.0％碳、大约1.8-2.8％硅、大约0.1-1.0％锰、大约0.01-0.03％硫和大约0.01-0.1％磷，余量是铁和偶有元素和杂质。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，耐磨材料包括选自包括如下物质的组的一种或多种材料：碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和过渡金属的金属间化合物及其组合。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，耐磨材料包括选自包括如下物质的组的一种或多种碳化物：WC、TiC、SiC、Cr3C2、VC、ZrC、NbC、TaC、(W,Ti)C、B4C和Mo2C及其组合。
5.根据权利要求3所述的系统，其中，耐磨材料包括选自如下物质的组的一种或多种氮化物：TiN、BN、Si3N4、ZrN、VN、TaN、NbN、HfN、CrN、MoN和WN及其组合。
6.根据权利要求3所述的系统，其中，耐磨材料包括选自包括如下物质的组的一种或多种硼化物：硼化钛、硼化铬、硼化钨、硼化镍、硼化锆、硼化铪、硼化钽、硼化铌、硼化钒、硼化钼、硼化硅、硼化铝，以及过渡金属的其他硼化物，及其组合。
7.根据权利要求3所述的系统，其中，耐磨材料包括过渡金属的一种或多种硅化物。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，多孔耐磨材料是由结合在一起以形成多孔预成型件的颗粒材料形成的多孔预成型件的形式。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，多孔耐磨材料是松散颗粒材料的形式。
10.一种制造物品，包括：
金属衬底，其具有表面，表面具有结合到表面的耐磨合成涂层，其中耐磨合成涂层包括：
多孔耐磨材料；
金属母体材料，其与耐磨材料相互混合，母体材料进一步结合到衬底的表面，以便将耐磨合成涂层结合到衬底，其中金属母体材料包括球墨铸铁。
11.根据权利要求10所述的物品，其中，金属母体材料的球墨铸铁具有以重量百分比为单位的如下组分：大约3.0-4.0％碳、大约1.8-2.8％硅、大约0.1-1.0％锰、大约0.01-0.03％硫和大约0.01-0.1％磷，余量是铁和偶有元素和杂质。
12.根据权利要求11所述的物品，其中，金属母体材料的组分进一步包括多达37％重量百分比的镍。
13.根据权利要求11所述的物品，其中，金属母体材料的组分进一步包括多达5.5％重量百分比的铬。
14.根据权利要求11所述的物品，其中，金属母体材料的组分进一步包括多达5.5％重量百分比的硅。
15.根据权利要求10所述的物品，其中，涂层具有至少7.5英寸的厚度。
16.根据权利要求10所述的物品，其中，涂层具有大于衬底厚度的厚度。
17.根据权利要求10所述的物品，其中，物品是用于土方设备的尖头。
18.根据权利要求10所述的物品，其中，耐磨材料是颗粒材料，并且金属母体材料将耐磨材料结合在一起。
19.根据权利要求10所述的物品，其中，耐磨材料包括选自包括如下物质的组的一种或多种材料：碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和过渡金属的金属间化合物及其组合。
20.根据权利要求19所述的物品，其中，耐磨材料包括选自包括如下物质的组的一种或多种碳化物：WC、TiC、SiC、Cr3C2、VC、ZrC、NbC、TaC、(W,Ti)C、B4C和Mo2C及其组合。
21.根据权利要求19所述的物品，其中，耐磨材料包括选自包括如下物质的组的一种或多种氮化物：TiN、BN、Si3N4、ZrN、VN、TaN、NbN、HfN、CrN、MoN和WN及其组合。
22.根据权利要求19所述的物品，其中，耐磨材料包括选自包括如下物质的组的一种或多种硼化物：硼化钛、硼化铬、硼化钨、硼化镍、硼化锆、硼化铪、硼化钽、硼化铌、硼化钒、硼化钼、硼化硅、硼化铝，以及过渡金属的其他硼化物，及其组合。
23.根据权利要求19所述的物品，其中，耐磨材料包括过渡金属的一种或多种硅化物。
24.根据权利要求10所述的物品，其中，衬底具有连接到表面并从表面向外延伸的多个突出部，并且其中突出部嵌入耐磨合成涂层内。
25.根据权利要求24所述的物品，其中，突出部包括对称分布在衬底的外表面上的多个肋部构件。
26.一种用于土方设备的磨损构件，其包括作业部分和覆盖作业部分的合成涂层，涂层包括多孔耐磨材料和与耐磨材料相互混合的球墨铸铁母体材料，其中母体材料将涂层结合到作业部分。
27.根据权利要求26所述的磨损构件，其中，球墨铸铁具有以重量百分比为单位的如下组分：大约3.0-4.0％碳、大约1.8-2.8％硅、大约0.1-1.0％锰、大约0.01-0.03％硫和大约0.01-0.1％磷，余量是铁和偶有元素和杂质。
28.根据权利要求27所述的磨损构件，其中，球墨铸铁的组分进一步包括多达37％重量百分比的镍。
29.根据权利要求27所述的磨损构件，其中，球墨铸铁的组分进一步包括多达5.5％重量百分比的铬。
30.根据权利要求27所述的磨损构件，其中，球墨铸铁的组分进一步包括多达5.5％重量百分比的硅。
31.根据权利要求26所述的磨损构件，其中，耐磨材料是颗粒材料，并且金属母体材料将耐磨材料结合在一起。
32.根据权利要求26所述的磨损构件，其中，耐磨材料包括选自包括如下物质的组的一种或多种材料：碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和过渡金属的金属间化合物及其组合。
33.根据权利要求26所述的磨损构件，其中，衬底具有连接到作业部分并从作业部分向外延伸的多个突出部，并且其中突出部嵌入合成涂层内。
34.根据权利要求33所述的磨损构件，其中，突出部包括对称分布在作业部分上的多个肋部构件。
35.根据权利要求26所述的磨损构件，其中，涂层具有大于衬底厚度的厚度。
36.根据权利要求26所述的磨损构件，其中，涂层具有至少7.5英寸的厚度。
37.一种方法，包括：
邻近衬底表面定位模具以限定腔；
将多孔耐磨材料放置在腔内；
与腔连通地放置金属母体材料；
通过在炉室内加热到母体材料熔点以上的温度，熔化母体材料以形成熔融母体材料，其中熔化在真空下进行；
将温度保持在熔点以上，直到熔融母体材料渗透耐磨材料；
冷却母体材料以固化熔融母体材料并形成包括嵌入衬底表面上的母体材料内的耐磨材料的耐磨合成涂层。
38.根据权利要求37所述的方法，其中，真空被保持，至少直到熔融母体材料渗透耐磨材料。
39.根据权利要求37所述的方法，还包括：
在母体材料熔化之后，引入惰性气体进入室。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，惰性气体具有大约0.050–0.100托的局部压力。
41.一种方法，包括：
邻近衬底表面定位模具以限定腔，其中模具具有可渗透部分；
将多孔耐磨材料放置在腔内，使得可渗透部分接触耐磨材料；
与腔连通地放置金属母体材料；
在惰性气体存在的情况下，通过在炉室内加热到母体材料熔点以上的温度，熔化母体材料以形成熔融母体材料；
将温度保持在熔点以上，直到熔融母体材料渗透耐磨材料，其中耐磨材料中的残留气体能够经过可渗透部分逃逸；
冷却母体材料以固化熔融母体材料并形成包括嵌入衬底表面上的母体材料内的耐磨材料的耐磨合成涂层。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，惰性气体具有大约0.050–0.100托的局部压力。
43.根据权利要求41所述的方法，还包括在引入惰性气体进入室之前排空室。
44.一种方法，包括：
邻近衬底表面定位模具以限定腔；
将多孔耐磨材料放置在腔内；
与腔连通地放置金属母体材料，其中母体材料相对于耐磨材料横向定位；
邻近母体材料与耐磨材料相对地放置位移介质；
通过加热到母体材料熔点以上的温度，熔化母体材料以形成熔融母体材料；
将温度保持在熔点以上，直到熔融母体材料渗透耐磨材料，其中位移介质支承熔融母体材料并随着熔融母体材料渗透耐磨材料使熔融母体材料位移；
冷却母体材料以固化熔融母体材料并形成包括嵌入衬底表面上的母体材料内的耐磨材料的耐磨合成涂层。
45.根据权利要求44所述的方法，其中，位移材料包括陶瓷珠。
46.根据权利要求44所述的方法，还包括在位移介质和母体材料之间放置屏障。
47.根据权利要求44所述的方法，其中，衬底包括管状结构，并且表面是管状结构的内表面，使得熔融母体材料横向向外渗透以便在管状结构的内表面上形成合成涂层，并且其中位移介质被放置在管状结构的中心处，并随着熔融母体材料渗透耐磨材料而向外位移。
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