耐磨性增强的耐磨部件

摘要

与耐磨部件相关的具有加强耐磨性的耐磨部件(1)，诸如特别用于挖土、掘地和岩石载运的机械应用的铸钢齿，以及包括在耐磨部件内的嵌入件，以增强耐磨性因此而延长使用寿命。

权利要求

1.用于挖土/岩、地面挖掘和/或岩石装载机械的耐磨部件，所述耐磨部件包括铸钢和至少一个嵌入件，其特征在于，所述嵌入件是蜂窝状的三维陶瓷泡沫体，所述三维陶瓷泡沫体具有由所述铸钢渗透的开放小室式的多孔结构，所述渗透出现在所述陶瓷泡沫体嵌入件的所述开放小室式孔隙内以及所述陶瓷泡沫体的微小孔隙内。

2.如权利要求1所述的耐磨部件，其特征在于所述耐磨部件为挖掘机和运载机的铲斗齿。

3.如权利要求1所述的耐磨部件，其特征在于，所述嵌入件以氧化锆、或氧化锆基陶瓷、或ZrO2-Al2O3的合成物制造。

4.如权利要求3所述的耐磨部件，其特征在于，所述氧化锆基陶瓷选自ZrO2-CaO、ZrO2-MgO或ZrO2-Y2O3。

5.如权利要求1所述的耐磨部件，其特征在于，所述嵌入件以高氧化铝材料、或者铝酸盐材料、或者氧化铝硅酸盐制造。

6.如权利要求5所述的耐磨部件，其特征在于，所述高氧化铝材料为白色或板状刚玉，所述铝酸盐材料为铝酸盐尖晶石或氧化锆增韧氧化铝，所述氧化铝硅酸盐为莫来石。

7.如权利要求1所述的耐磨部件，其特征在于，所述嵌入件以被涂覆的高氧化铝材料、或者被涂覆铝酸盐材料、或者被涂覆碳化物制造，其中所述涂覆以氧化铝硅酸盐材料或氧化锆基材料形成。

8.如权利要求7所述的耐磨部件，其特征在于，所述被涂覆铝酸盐材料为铝酸盐尖晶石或氧化锆增韧氧化铝，所述被涂覆碳化物为碳化硅。

9.如权利要求1至8中任一项所述的耐磨部件，其特征在于，所述嵌入件的平均蜂窝孔隙度在每英寸10个和60个孔之间。

10.如权利要求1至8中任一项所述的耐磨部件，其特征在于，所述嵌入件的平均蜂窝孔隙度在每英寸20个和30个孔之间。

11.如权利要求1至8中任一项所述的耐磨部件，其特征在于，所述蜂窝状泡沫体嵌入件的陶瓷的体积百分比大于10％且小于35％，而且所述嵌入件的其余体积的绝大部分由铸钢浸润。

12.如权利要求1至8中任一项所述的耐磨部件，其特征在于，所述铸钢的重量百分比成分如下：碳含量在0.15％和0.35％之间，硅含量在0.5％和2％之间，锰含量在0.5％和

1.5％之间，铬含量在0.5％和2.5％之间，镍含量在0％和2％之间，且钼含量在0.15％和

0.35％之间。

13.如权利要求1至8中任一项所述的耐磨部件，其特征在于，所述铸钢的重量百分比硅含量大于1％。

14.如权利要求1至8中任一项所述的耐磨部件，其特征在于，所述部件通过正火、淬火和回火而被热处理。

15.如权利要求1至8中任一项所述的耐磨部件，其特征在于，在所述部件内形成的钢/陶瓷泡沫体复合区域的单轴压缩应力限值大于700MPa。

16.如权利要求1所述的耐磨部件，其特征在于，至少一个第二嵌入件集成在第一嵌入件内，或者至少部分地由第一嵌入件围绕。

17.如权利要求16所述的耐磨部件，其特征在于，所述第二嵌入件是碳化钨金属陶瓷。

18.如权利要求1至8中任一项所述的耐磨部件，其特征在于，所述耐磨部件是用于装载机或挖掘机的齿。

19.如权利要求1至8中任一项所述的耐磨部件，其特征在于，在使用中施加在所述耐磨部件的耐磨表面上的压力不超过1000MPa。

说明书

耐磨性增强的耐磨部件

技术领域

[0001] 本发明涉及诸如铸钢齿的耐磨部件(其特别用于运土(或挖土，earth-moving)、地面啮合(或掘地，ground-engaging)和/或岩石装载的用途)，还涉及嵌入件，其中所述嵌入件包含在所述耐磨部件中以增强耐磨部件的耐磨性，从而增加其使用寿命。

[0002] 发明背景(现有技术)

[0003] 将硬零件插入铸造到用于地面啮合应用的铸钢耐磨部件中以增强后者耐磨性，之前已经在最新的技术发展中予以描述。

[0004] 例如，在美国专利US5081774(Kuwano)中，描述了一种可替换的复合挖掘齿，所述复合挖掘齿包括耐磨的Cr铸铁嵌入件，所述嵌入件比齿体硬度高，并被插入铸造到齿体中。通过将耐磨材料定位于处于齿体中心部分的整体嵌入件使挖掘齿的性能提高。所述嵌入件从末梢端向齿的附件部分延伸，且在用于齿的潜在用途的极限位置终结。尽管Cr铸铁是有些类似于铸钢的材料并因此似乎与铸铁中的嵌入件兼容，所期望的是能够将嵌入件硬度增加到Cr铸铁硬度之上，目的在于将该部分的整体耐磨性能增强，并同时保持嵌入件中的铸钢的韧性。

[0005] 在最新的技术发展中已经对使用其它高硬度材料来加强铁基铸件给予关注。在此项技术中，选择的嵌入件通常由金属陶瓷材料(诸如用金属粘结剂粘合的碳化钨颗粒)构成。这些嵌入件提供的优点是以浇铸钢水而产生的潜在的良好粘合，其原因在于粘结剂和钢之间的相似金属性质。但是，在地面啮合耐磨部件领域，金属陶瓷基的加强体的插入铸造被限制为具有高停工成本的应用。这主要是由于金属陶瓷材料经济价值非常高。因此，需要开发一种低成本的硬质耐磨加强部件。

[0006] 在更加通常的语境中，被广为熟知的是较低成本的陶瓷材料可以通过熔融金属而被渗透。例如，这样的现有技术在美国专利US6338906(Ritland等，1999和“Processing and microstructure of metal matrix composites prepared by pressureless Ti-activated infiltration using Fe-base and Ni-base alloys，Materials Science and Engineering A 393(2005)229-238”，(Lemster等)中被描述。第一个文献涉及通过由熔融金属的多孔(之前被压实或烧结)陶瓷颗粒的毛细渗透作用来制造密封。所得到的所述部件的微观结构被围绕着陶瓷颗粒的细小通道所包含。所得到的金属渗透陶瓷被教导为具有良好摩擦学性能，且其用途以机械面密封件，旋转接头，推拉门密封件，轴套，轴承和其他滑动或摩擦部件的用途为例——这些部件需要良好的耐久性和耐磨性，良好的耐腐蚀性和良好的热传导性。但是，已知的是毛细渗透需要细小通道以及界面能量的平衡，所述界面能量驱使液态金属向所述通道中运动，然而在本发明的用于地面啮合的耐磨部件的加强中，熔融的铸铁通常被所述陶瓷材料排斥(即熔融的钢铁不能容易地使这些陶瓷湿润)，从而抑制或妨碍毛细作用，并需要更厚的通道以使金属渗透。上文所公开的第二篇文献也涉及带有嵌入陶瓷颗粒的钢基体复合物。此文献中研究的特别事项是通过使用在陶瓷颗粒内混合的钛(Ti)颗粒而加强陶瓷的渗透特性。此技术因此允许处理带有大含量陶瓷的金属基体复合材料。上述现有技术中所得到的微观结构包括了大部分的陶瓷颗粒被金属渗透，并因此不包括如本发明中建议的那些具有高金属含量的坚固的三维细胞结构的金属基体复合物。此外，上述讨论的现有技术所描述的耐磨应用中，在复合物中存在大量金属部分是不利的，这些文献着重于增加材料硬度而不平衡压缩强度和韧性。但是，在用于运土用的齿的地面啮合领域中非常需要这种机械性能的平衡，这样的应用中，硬度和韧性两者决定着使用寿命和磨损率。

[0007] 在美国专利US4909300(T.Horie，1989)和欧洲专利EP1593757(M.Freling等，2005)中描述的现有技术涉及通过低成本陶瓷泡沫的渗透处理金属基体复合物。上述文献中的第一篇涉及用于制造流体可渗透部分的方法，该流体可渗透部分由具有中空陶瓷部件的多孔陶瓷结构组成，所述中空陶瓷部件的孔由铸造金属渗透，但是保持中空(未渗透的)部件的连接。用这种方法，在工作期间，润滑液能够在中空陶瓷部件中流动。这种工作期间的流 动在地面啮合部件中缺乏实用性。铸造金属对连续的中空陶瓷部件的渗透不充分实际上将导致耐磨部件的加强部分的低断裂强度，并因此妨碍其用于地面啮合的用途。第二篇文献公开了由熔融金属渗透的功能性分级的泡沫，此处所述泡沫的多孔性已经被改造，以使所得到的部分在相关的金属部分中从一边到另一边逐渐变化。这些逐级泡沫渗透部件用于燃气涡轮发动机的高温应用。所述部件呈现为定制的热传导系性，因为陶瓷/金属含量的逐级变化，但是这样的特征对于地面啮合部件来说是不必要的也是无用的，地面啮合部件需要的是强度、韧性和耐磨性的组合。

[0008] 之前的现有技术文献中没有考虑到诸如运土应用中的铸钢齿的耐磨部件，其在网状细胞结构陶瓷泡沫嵌入件和通过重力灌注渗透陶瓷的铸钢之间具有低多孔性的紧固连接。

发明内容

[0009] 本申请涉及用于土/岩的挖/运机械的耐磨部件，诸如挖掘机和运载机的铲斗齿。本发明的目的是通过加入坚硬的蜂窝状陶瓷泡沫嵌入件而提高耐磨部件的使用寿命，所述嵌入件原位由较坚韧的抗压铸钢浸润。

[0010] 因此，本发明的目的是提供根据权利要求1所述的带有陶瓷泡沫增强嵌入件的耐磨部件。

[0011] 以这种方式加强的耐磨部件呈现出硬度、强度、韧性和耐磨性的出色组合。在通过正火、淬火和回火的常规方法热处理之后，增强的耐磨部件仍旧适于应用在施加于耐磨部件的耐磨表面的压力不超过1000MPa的用途中。

[0012] 增强的耐磨部件的性能，尤其对使用中突然损坏的避免严格地由粘合质量影响，所述粘合在陶瓷泡沫和铸钢之间形成。粘合的质量直接取决于铸钢在所述泡沫的蜂窝状孔内、蜂窝状腔室壁中的任何空隙和裂缝内、以及腔室内的微小空隙内的良好渗透性。所述泡沫的腔室壁具有大量网格状表面区域，其与铸钢接触、被铸钢围绕并被其浸润，以使得在铸造金属和陶瓷嵌入件之间产生强机械互锁，从而构成高质量的粘合。强的机械互锁提供了坚硬陶瓷的耐磨性和高硬度，以及刚的强度和韧性的特性组合。

[0013] 本发明的加强磨损部件允许接续更换之间的有效工作时间的延长，从而 可以替代常规地面啮合工具或部件(诸如装载机或挖掘机铲斗齿)，所述常规工具和部件通常不以低合金钢制造。因此，本发明是指用于加强铸钢耐磨部件的实施例，所述耐磨部件在宽的应用范围内使用，包括所述耐磨部件在与地面啮合中承受磨损的场合，其中，在所述部件的磨损部分中，使用中施加的压力不超过1000MPa压应力的范围内的限值，或者不超过相关的重要值，例如由Tresca，Von Mises分析或者用于破裂/塑性流的开始的最大主应力标准(maximum principal stress criteria for the on-set of fracture/plastic-flow)所确定的此种压缩应力限值。

附图说明

[0014] 本说明书包括下述附图来示出本发明：

[0015] 图1是其内带有嵌入件的本发明耐磨部件的三维示意图。

[0016] 图2是示出其内带有嵌入件的本发明耐磨部件的剖面(A)的侧视示意图。

[0017] 图3是其内带有嵌入件的本发明耐磨部件的剖面(A)的示意图。

[0018] 图4是示出本发明的耐磨部件的钢/陶瓷泡沫复合区域(2)的结构的显微照片。

[0019] 图5是本发明的耐磨部件的钢/陶瓷泡沫复合区域(2)内的区域(B)高倍率放大显微照片。

[0020] 图6是单轴压缩测试结果的图示，示出从本发明的耐磨部件的钢/陶瓷泡沫复合区域(2)获得的、与三个样品的应变相关的应力。

具体实施方式

[0021] 如前所述，本发明的主题是用于岩/土挖/掘机械的、包括重力铸钢和至少一个三维网格化蜂窝陶瓷泡沫嵌入件的加强耐磨部件，其中所述嵌入件具有开放小室式的多孔结构，所述多孔结构基本上或完全由所述铸钢渗透。在所述耐磨部件的铸造期间，出现所述泡沫的铸钢浸润，而无需使用任何外部措施来增加浸润压力。此种低压力的浸润是可能的，其原因在于在铸造温度下液态钢的流动特性和所述陶瓷泡沫的高度开放蜂窝结构足以允许对所述 泡沫体的开放小室的浸润和渗透，以及足以允许所述陶瓷泡沫的室壁内的浸润和渗透。

[0022] 参见图1，本发明的加强掘地部件(以齿(1)为例子)示出为包括钢/蜂窝式泡沫体复合区域(2)。在图2中，示出齿(1)的侧视图并确定剖面(A)，剖面(A)正交于视图方向，穿过所述齿(1)且穿过复合区域(2)。图3图示齿(1)的与剖面(A)对应的剖视图，示出由铸钢(3)围绕的复合区域(2)。

[0023] 本发明的加强耐磨部件(诸如挖掘机或装载机齿(1))包括钢/陶瓷泡沫体复合区域(2)。尽管复合区域(2)在齿(1)的梢部内可以具有简单的矩形盒装结构，但是对于本领域技术人员来说明显的是，复合区域(2)能够采用其他形状和位置以适应于所期望使用的耐磨部件磨损进程和磨损方式。尽管复合区域(2)可以仅仅占据齿(1)的一些部分，但是通常理想的是复合区域(2)的尺寸足够大，以对齿(1)提供最大的耐磨能力，同时使得陶瓷泡沫体的成本以及铸造装置的复杂度最小化。

[0024] 特别地，包括耐磨部件内的嵌入件是带有开放小室式多孔结构的三维网格化蜂窝陶瓷泡沫体，其中所述开放小室式多孔结构在所述部件重力铸造期间基本上或完全由熔融金属渗透。所述嵌入件的材料优选是氧化锆基陶瓷，诸如或例如氧化锆-氧化钇，(ZrO2-Y2O3)，氧化锆-氧化镁(ZrO2-MgO)，氧化锆-氧化钙(ZrO2-CaO)，或者氧化锆-氧化铝(ZrO2-Al2O3)复合物。

[0025] 所述陶瓷嵌入件还能够由氧化铝硅酸盐(Al2O3-SiO2，alumina-silicates)(如莫来石(mullite))，或氧化铝(Al2O3)含量高的材料(例如，白色或板状刚玉(white or tabular alumina))，或铝酸盐材料(例如，铝酸盐尖晶石(aluminate spinel)或氧化锆增韧氧化铝(zirconia-toughened alumina))，甚至陶瓷碳化物(如碳化硅(SiC))形成。在上述的材料中，高氧化铝、碳化硅铝陶瓷呈现最高的硬度，从而可以期待其在适当地浸润和结合至较软但较韧的钢时提供最高的耐磨能力。但是，公知的是，氧化铝基陶瓷由液态钢润湿的能力与氧化锆基陶瓷相比是相当差的，而且还公知的是碳化硅易于被融化的钢溶解。在此情况下，已经认识到，对高氧化铝、碳化硅铝陶瓷泡沫体覆以融化钢可更好的润湿的陶瓷材料(诸如氧化铝硅酸盐材料，例如，莫来 石，或氧化锆基材料)，有利于浸润和结合。

[0026] 具体地，所述铸钢由容易通过正火、淬火和回火热处理而硬化的低合金钢组成，所述低合金钢具有的重量百分比化学成分如下：碳含量在0.15％和0.35％之间，硅含量在0.5％和2％之间，锰含量在0.5％和1.5％之间，铬含量在0.5％和2.5％之间，镍含量在
0％和2％之间，钼含量在0.15％和0.35％之间，以及用于脱氧的少量铝和锆，和残留水平的硫和磷及其它微量杂质。

[0027] 铸钢的硅含量对于对液态钢提供铸造温度下的流动特性(获得陶瓷泡沫体嵌入件的渗透)具有最大的影响。在获得铸钢和陶瓷泡沫体嵌入件之间优质结合的情况下，融化钢的优选流动特性在重量比超过1％的硅含量的钢中获得。

[0028] 图4是本发明部件的钢/陶瓷泡沫体复合区域(2)内的研磨剖切区域的显微照片。前述成分的浸润铸钢(21)构成显微照片的暗特征，而较亮的特征包括陶瓷泡沫体(22)的壁，所述壁在此情况下是氧化锆基陶瓷材料。所述显微照片的显示亮和暗特征的良好混合的部分是浸润铸造金属(21)已经渗透在陶瓷泡沫体(22)的小室壁内的区域。在图4中还示出的是显微照片的某个区域(B)，该区域(B)包含陶瓷壁(22)由浸润钢(21)良好渗透的一部分。

[0029] 图5是所述区域(B)高倍率显微照片，其中具有所述陶瓷壁(22)的微孔由浸润钢(21)良好渗透的一部分。再次地，在此显微照片中，暗特征是浸润钢(21)，亮特征包括陶瓷泡沫体(22)的壁。朝着显微照片左侧部分的暗部分是位于泡沫体的在浸润前曾经是开放小室内的浸润钢(21)，而朝着显微照片右侧的融化部分是亮和暗特征的良好混合，指示小室壁(22)的微孔由浸润钢(21)良好渗透。

[0030] 图4和图5表明了浸润钢(21)和陶瓷泡沫体(22)的优良互锁，提供在本发明部件的钢/陶瓷泡沫体复合区域(2)内获得的优质结合。

[0031] 使用前述的陶瓷泡沫体执行的浸润测试已经证明可以适当地渗透平均蜂窝孔隙度在每英寸10和60孔之间(即10-60ppi)的泡沫体。这样，通过良好的宏观和微观结构来确保所得到钢/陶瓷泡沫体复合(2)的改善耐磨性能。为了进一步改善耐磨部件的所得到铸钢浸润泡沫体复合部分(2)的耐 磨性能，还适当的是陶瓷相的体积超过所述部件的复合区域(2)的10％，但是不超过35％。

[0032] 本发明中的特定特征是：形成复合区域(2)的陶瓷泡沫体嵌入件的钢浸润出现在肉眼可见的相当大的小室内，还出现在微观尺寸的小室壁内，从而提供陶瓷和铸钢之间的强机械互锁。金属和陶瓷之间的这样得到的良好结合已经通过对浸润钢的泡沫体(即在所述耐磨部件的正火、淬火和回火热处理之后的复合区域(2))的单轴压缩测试表明。结果显示对于单轴应力的相对弹性响应达到700MPa至1000MPa，应变偏差0.01％。在应力超过1000MPa时，进行非弹性变形，且能够出现钢和陶瓷壁之间的脱开结合。使用相同的测试方法，在所述耐磨部件的正火、淬火和回火热处理之后，非浸润铸钢(3)的弹性限值已经确定为处在1400至1500MPa的范围内。然而，700MPa的最小弹性限值提供加强部件在挖地应用中的宽范围使用(包括到达1000MPa的应用压力)，所述应用包括用于通用装载机和挖掘机的高耐磨齿。

[0033] 在图6中能够观察到上述结果，其中显示与用于三个典型样品的压应变相关压应力的图，该图是从本发明的经过正火、淬火和回火热处理的耐磨部件的钢/陶瓷泡沫体获得的。如同在图6中能够看到的是，从零应力至700MPa-1000MPa范围内的单轴压缩应力水平，复合区域(2)的压应力响应呈现相当弹性的性能(即应力和应变之间接近直线的关系)。在超过大约1000MPa的应力处，出现钢的塑性(即非弹性的或永久的)变形以及钢和陶瓷小室壁之间的脱开结合。

[0034] 本发明的另一实施例由混合嵌入件形成，即如前所述的第一陶瓷泡沫体嵌入件和第二嵌入件，所述第二嵌入件被引入至第一嵌入件内，使得所述第一嵌入件至少部分地围绕所述第二嵌入件。所述第二嵌入件优选地包括金属陶瓷或以金属陶瓷形成，最优选地以烧结碳化钨制成，其被引入至前述类型的陶瓷泡沫体嵌入件内。与仅仅以钢/陶瓷复合区域(2)加强的耐磨部件相比，金属陶瓷嵌入件提供附加的耐磨性能。

[0035] 通过下面对本发明一个优选实施例的详细说明，本发明的特性和目的将变得清楚。

[0036] 本实施例的目的，如前所述，在于提供一种耐磨部件(即铸钢齿)，其 特别地用于载运应用中。所述耐磨部件的主要目的是将松弛的矿物/石头装载至卡车、倾斜装置或采矿点、采石场或类似地点中的任何其它运输装置内。

[0037] 本实施例的装载齿包括氧化锆基陶瓷泡沫体嵌入件，来改善所述齿的耐磨性能，从而延长所述齿的使用寿命。通过获得加强陶瓷泡沫体嵌入件和构成所述齿的铸钢之间的优质结合来确保所述加强齿的可靠性。已经得到铸钢在所述泡沫体和所述小室式孔内的、以及在所述小室壁内微小孔隙内的完全渗透。

[0038] 本实施例的嵌入件是长130毫米、宽90毫米且高25毫米的烧结氧化锆基陶瓷泡沫体。通过对开放的聚合泡沫体浸润氧化锆基材料的浆以及通过后续的焙烧，获得所述陶瓷泡沫体。这样获得的陶瓷泡沫体的特征在于，具有20ppi的开放宏观孔隙度。所述陶瓷壁是具有微小孔隙的并且包括一些空穴和裂纹。

[0039] 用于产生本实施例的所述耐磨部件的铸钢具有重量百分比的下述成分：0.27％的碳，1.5％的硅，0.9％的锰；2.1％铬和0.3％的钼。

[0040] 使用非烘烤树脂结合硅基砂模制(通常称为ISOCURE过程)来制造所述耐磨部件。不对模具预先加热并且砂和钢的比率为1.6kg砂/kg铸钢。

[0041] 在模具中浇注的形成耐磨部件以及浸润所述陶瓷泡沫体嵌入件的钢的重量是20.3kg。采用1550摄氏度至1650摄氏度的范围内的钢浇注温度。在所有的情况下，已经保持了陶瓷泡沫体的一体性(即没有由于热冲击而破裂)，且已经获得了所需的浸润(宏观和微观浸润)。

[0042] 通过典型的正火、淬火和低温回火来对耐磨部件进行热处理，以便在耐磨部件的铸钢中获得主要由硬且韧的回火马氏体组成的微观结构。

[0043] 与相同几何结构、类似钢成分和类似热处理的未加强耐磨部件相比，此实施例的加强耐磨部件在使用中呈现大约50％的寿命/耐久性增加。