使用硬焊的表面硬化耐磨部件及其制造的相关方法和总成

摘要

一种物件，例如表面硬化式耐磨部件，包括：基材；金属片外壳，其与基材连接以在基材的表面与外壳之间界定模穴；及复合材料，其填充模穴且在基材的表面的至少一部分上形成涂层，且该复合材料包括以金属硬焊材料渗透的硬微粒材料。该外壳可通过焊接或硬焊到该基材而与该基材连接，且会在使用时磨损。该外壳及该基材可作为用以产生该物件的总成的部件使用，其中该外壳作为模具使用，且该模具用以通过以该硬微粒材料填充该外壳且接着以该硬焊材料渗透来形成该复合材料。

权利要求

1.一种用于研磨应用的表面硬化式耐磨部件，包含：

工具，其待附接到咬入泥土设备并具有在该工具的尖端处的表面及设置成接近该尖端处的表面的结合表面；

复合表面硬化材料，其在该尖端处的表面的至少一部分上形成涂层，且该复合表面硬化材料包含以金属硬焊材料渗透的硬微粒材料，其中该金属硬焊材料与该尖端处的表面结合以连接该复合表面硬化材料及该工具；及金属片外壳，其与该复合表面硬化材料接触且围绕该复合表面硬化材料，且该外壳具有与该工具的结合表面接触的共形带，其中该外壳至少在该共形带与该结合表面之间通过焊接与该工具连接，其中模穴界定在该工具的尖端处的表面与该外壳之间，且该复合表面硬化材料填充该外壳。

2.根据权利要求1所述的用于研磨应用的表面硬化式耐磨部件，其中所述焊接为硬焊。

3.根据权利要求1所述的用于研磨应用的表面硬化式耐磨部件，其中该外壳具有通至该外壳的外部的开口，且其中该复合表面硬化材料通过该开口暴露于该外壳的外部。

4.根据权利要求3所述的用于研磨应用的表面硬化式耐磨部件，还包含与该外壳连接且定位在该模穴外侧而与该开口连通的容器。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于研磨应用的表面硬化式耐磨部件，其中该共形带接触该工具的结合表面且围绕该外壳的整个周边，并且该结合表面围绕整个周边焊接到该共形带。

6.根据权利要求5所述的用于研磨应用的表面硬化式耐磨部件，其中所述焊接为硬焊。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的用于研磨应用的表面硬化式耐磨部件，其中该金属硬焊材料与该外壳结合。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的用于研磨应用的表面硬化式耐磨部件，其中该外壳包含前构件及后构件，且该前构件具有由该前构件的后缘横向地延伸的前凸缘，并且该后构件具有由该后构件的前缘横向地延伸的后凸缘，其中该前构件及该后构件通过焊接该前凸缘与该后凸缘接合在一起以形成该外壳。

9.根据权利要求8所述的用于研磨应用的表面硬化式耐磨部件，其中所述焊接为硬焊。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的用于研磨应用的表面硬化式耐磨部件，其中该硬微粒材料包含碳化钨，且该金属硬焊材料包含Ni-Cr-Si-B硬焊合金。

11.根据权利要求1至4中任一项所述的用于研磨应用的表面硬化式耐磨部件，其中该工具具有在该尖端处的表面中的孔，还包含被收纳在该孔中的插入杆，其中该孔被复合表面硬化材料覆盖。

12.一种在咬入地面机械的操作过程中咬入地面的总成，包含：

工具，其待附接到咬入地面机械并具有表面；及

金属片外壳，其与该工具连接且具有与该表面的至少一部分一致的共形带以在该表面与该外壳之间界定模穴，且该外壳还具有通至该外壳的外部的开口，其中该外壳通过焊接该共形带与该表面的至少一部分而与该工具连接，其中，模穴中填充有复合表面硬化材料，其包含以金属硬焊材料渗透的硬微粒材料。

13.根据权利要求12所述的总成，其中所述焊接为硬焊。

14.根据权利要求12所述的总成，其中该总成组配成用以通过以下步骤在该表面上形成耐磨复合涂层，即：通过该开口以硬微粒材料填充该模穴，将金属硬焊材料放置成与该模穴连通，将该总成加热至该金属硬焊材料的熔点以上的温度且保持该温度足以让该金属硬焊材料以熔融状态渗透该硬微粒材料且接触该工具的表面的时间，及冷却该总成以固化所述金属硬焊材料且在该表面上形成该耐磨复合涂层。

15.根据权利要求12或14所述的总成，还包含与该外壳连接且定位在该模穴外侧而与该开口连通的容器。

16.根据权利要求15所述的总成，其中所述容器组配成将金属硬焊材料放置于其中而与该模穴连通。

17.根据权利要求16所述的总成，其中该容器具有扩口形状且与该外壳一体地形成。

18.根据权利要求12或14所述的总成，其中该共形带延伸围绕该外壳的整个周边且围绕该表面的整个周边。

19.根据权利要求12或14所述的总成，其中该外壳包含前构件及后构件，且该前构件具有由该前构件的后缘横向地延伸的前凸缘，并且该后构件具有由该后构件的前缘横向地延伸的后凸缘，其中通过焊接该前凸缘与该后凸缘将该前构件及该后构件结合在一起以形成该外壳。

20.根据权利要求19所述的总成，其中所述焊接为硬焊。

21.根据权利要求12或14所述的总成，其中该工具具有在该表面中的孔，且还包含被收纳在该孔中的插入杆。

22.根据权利要求21所述的总成，其中在该插入杆与该孔的内壁之间界定出多个空间。

说明书

使用硬焊的表面硬化耐磨部件及其制造的相关方法和总成

[0001] 相关申请的交互参照

[0002] 本申请主张2011年4月6日提交的美国临时专利申请第61/472，470号的优先权，且该申请的全部内容在此通过引用结合入本文并作为其中的一部分。技术邻域

[0003] 本发明涉及使用渗透硬焊或另一硬焊技术形成的供研磨环境用表面硬化式部件的各种实施例。更特别地，本发明涉及有关这些表面硬化式部件的产品、系统及方法。例如，这些表面硬化式部件可包括用于咬入地面机械(例如挖掘机的尖端)的耐磨工具、例如用于双辊压碎机的末端的选矿设备、转筒筛、或其它研磨应用。

背景技术

[0004] 通过渗透硬颗粒产生的耐磨部件的例子公开于美国专利第US4884477、US4949598及US6073518号、及公开文献US20100278604、GB2041427及WO2008103688中。更一般地说明渗透工艺制造烧结碳化物的更早的文献包括US1512191及DE420689C( 1925，Deutsches Reich)。在此提及的这些及所有其它文献的内容为此全部通过引用结合入本文。本发明试图克服这些装置及其它现有装置的某些缺陷、及提供迄今未获得的新特征。

发明内容

[0005] 提供经济及有效的表面硬化式耐磨部件，其系由一基材、一薄外壳、被固持在被界定在该基材与该外壳之间的一模穴内的多个硬颗粒、及将这些组件黏合成一复合耐磨部件的渗透硬焊材料形成。金属的薄外壳是消耗性的，因为在使用这些表面硬化式部件时它通常快速地腐蚀。亦提供用以使用渗透硬焊及消耗性薄外壳制造这些耐磨部件的方法。

[0006] 本发明的多个方面涉及一种表面硬化式耐磨部件，其包括一钢基材；一钢外壳，其与该基材接合以在该基材与该外壳之间界定一模穴；及一硬复合物，其填充该模穴，且该复合物包括以金属硬焊渗透的多个硬化颗粒。优选地，该表面硬化式耐磨部件是其中该外壳重量实质小于该基材者。此外，优选地，该外壳界定一在该模穴外侧的容器，且更详而言之，一在该模穴外的扩口容器。在某些实施例中，该外壳界定一在该模穴外侧的漏斗形容器。在某些实施例中，该外壳焊接在该基材上。

[0007] 本发明的多个方面涉及一种物件，例如一种表面硬化式耐磨部件，其包括一基材；一金属片外壳，其与该基材连接以在该基材的表面与该外壳之间界定一模穴；及一复合材料，其填充该模穴且在该基材的表面的至少一部分上形成一涂层，且该复合材料包括以一金属硬焊材料渗透的硬微粒材料。

[0008] 依据一个方面，该外壳具有一为该模穴提供入口的开口以便插入表面硬化材料及馈入该硬焊材料。该外壳亦可包括一容器，且该容器与该外壳连接并且定位在该模穴外侧而与该开口连通以便在制造时初始地收容该硬焊材料。

[0009] 依据另一个方面，该外壳可通过焊接或硬焊与该基材的表面连接。该外壳还可包括一与该基材的表面的一部分面对面接触且围绕该外壳的整个周边的共形带，使得该外壳至少在该共形带处通过焊接或硬焊与该基材连接。在该构造中，该基材可具有一与该共形带面对面接触的结合表面(bonding surface)，且在该模穴内的该基材的至少一部分可相对该结合表面内凹，使得该复合材料具有一与该结合表面齐平的外表面。

[0010] 依据又一个方面，该硬焊材料可与该基材的表面结合，且还可与该外壳结合。

[0011] 依据另一个方面，该外壳可包括一前构件及一后构件，且该前构件具有由该前构件的一后缘横向地延伸的一前凸缘，并且该后构件具有由该后构件的一前缘横向地延伸的一后凸缘，其中通过焊接或硬焊该前凸缘与该后凸缘将该前构件及该后构件结合在一起以形成该外壳。

[0012] 依据再一个方面，该微粒材料可以是或包括碳化钨，且该金属硬焊材料可以是或包括Ni-Cr-Si-B硬焊合金粉末。

[0013] 依据又一个方面，该基材可具有一在该表面中的孔，且一插入杆可被收纳在该孔中，使得该孔被该复合材料覆盖。

[0014] 本发明的另外的方面涉及一种工具，其具有一在该工具的尖端的表面及一设置成接近该表面的结合表面、在该表面的至少一部分上形成一涂层的一复合表面硬化材料、及与该复合材料接触且围绕该复合材料的一金属片外壳。该复合表面硬化材料包括以金属硬焊材料渗透的硬微粒材料，其中该金属硬焊材料与该表面结合以连接该复合表面硬化材料及该工具。该外壳具有一与该工具的结合表面接触的共形带，且该外壳通过至少在该共形带与该结合表面之间焊接或硬焊与该工具连接。一模穴界定在该基材的表面与该外壳之间，且该复合表面硬化材料填充该外壳。

[0015] 本发明的其它方面涉及一种复合耐磨工具，其包含：一钢外壳，其界定一模穴；一钢基材，其部分地填充该模穴以在该外壳与该基材之间界定一空隙；及一硬复合物，其至少部分地填充该空隙且包括以金属硬焊渗透的多个硬化颗粒。

[0016] 本发明的其它方面涉及一种表面硬化式耐磨部件，其包含：一钢外壳，其界定一模穴；一钢基材，其只部分地填充该模穴；及一硬复合物，其与该外壳及该基材均紧密接触以界定一保护该基材不受磨损的硬层，且该复合物包括以金属硬焊渗透的多个硬化颗粒。

[0017] 本发明还有其它方面涉及一种用于移动泥土设备的表面硬化式耐磨部件，其包含：一钢基材；一钢外壳，其与该基材的表面的至少一部分大致一致，且在该表面与该外壳之间界定一模穴；及一硬复合物，其至少部分地填充该模穴且与该外壳及该基材均结合，且该复合物包括以金属硬焊渗透的多个硬化颗粒。优选地，该外壳具有一平均外壳厚度，该基材具有一平均基材厚度，且该平均外壳厚度显著地小于该平均基材厚度。

[0018] 本发明的其它方面涉及一种复合耐磨工具，其包含：一金属薄外壳，其界定用于一硬复合物的外周边；一金属厚基材，其界定用于一工具的主体，且该基材被该外壳至少部分地包围；及一层硬微粒材料，其以一硬焊合金渗透且界定一与该外壳及该基材均结合的硬复合物。

[0019] 本发明还有其它方面涉及一种物件，其包括：一基材；一金属外壳，其与该基材连接以在该基材的表面与该外壳之间界定一模穴；一硬材料，其定位在该模穴内；及一金属硬焊材料，其结合该硬材料及该基材的表面。如上所述，该硬材料及该金属硬焊材料可形成一覆盖该基材的表面的复合表面硬化材料。在一种构造中，该硬材料可具有一多孔结构，例如一微粒材料或一多孔预成形物，且该多孔结构被该金属硬焊材料渗透以形成该复合表面硬化材料。在另一构造中，该硬材料可具有一单体结构。

[0020] 本发明的多个方面还涉及一种与基材一起使用的方法，包括：连接一金属片外壳与该基材的表面以在该外壳与该表面之间界定一模穴；将一硬微粒材料放在该模穴内，紧靠该表面；将一金属硬焊材料放置成与该模穴连通；将该硬焊材料加热至该硬焊材料的熔点以上的温度且保持该温度足以让该硬焊材料以熔融状态渗透该微粒材料且接触该基材的表面的时间；及冷却该硬焊材料以固化该硬焊材料且在该基材的表面上形成一耐磨复合涂层。该硬焊材料可在该硬焊材料固化后与该表面及/或该外壳结合。

[0021] 依据一个方面，该外壳具有通至该外壳的外部的一开口且一扩口容器与该外壳连接并且定位在该模穴外侧而与该开口连通，并且该硬焊材料放置在该容器内而可与该模穴连通。该容器可与该外壳一体地形成。

[0022] 依据另一个方面，连接该外壳与该基材包括焊接或硬焊该外壳与该基材的表面。该外壳还可包括一共形带，且该共形带延伸围绕该外壳的周边。在该构造中，连接该外壳与该基材可包括焊接或硬焊该共形带与该基材的表面，使得该共形带与围绕整个共形带的该基材的表面的一部分面对面接触。

[0023] 依据又一个方面，该外壳包括一前构件及一后构件，且该前构件具有由该前构件的一后缘横向地延伸的一前凸缘，并且该后构件具有由该后构件的一前缘横向地延伸的一后凸缘。该方法还可包括通过焊接或硬焊该前凸缘与该后凸缘将该前构件及该后构件接合在一起以形成该外壳。

[0024] 依据再一个方面，该硬焊材料被加热至一足以熔化该硬焊材料的温度、及足以让该硬焊材料渗透在硬颗粒之间的空间的时间，从而将它们结合在一起且与该基材结合。例如，如果使用一氧化碳钨(WC)硬颗粒及纯铜或AWS BNi-2，在许多应用中该硬焊材料可被加热至大约2050°F的温度30分钟至1、时的时间。加热可在一真空炉中以一种构造完成。

[0025] 依据另一个方面，该方法亦包括形成该外壳，例如通过将多件金属片焊接或硬焊在一起以形成该外壳。可另外地或替代地使用其它技术。

[0026] 本发明的其它方面涉及一种用以制造一复合耐磨工具的方法，其包括渗透局限在一基材与一消耗性金属片外壳之间的一层硬颗粒的步骤。该外壳可构造成使得它将硬颗粒局限在该基材上的所需位置，且具有由该基材及该外壳两者的轮廓所界定的特定厚度及形状。该外壳亦可构造成使得它界定出一用以收纳将在该渗透步骤时熔化的渗透材料的容器。目前通过焊接表面硬化的几乎任何工具或组件可通过所披露的方法表面硬化。这些方法可包括微粒材料以一种类及尺寸分布选择以给予预期应用所需的耐磨程度的步骤。这些方法可包括如下步骤，其中该微粒材料及其尺寸分布、以及使用的渗透材料种类经选择以给给予预期应用一所需的耐磨程度，同时配合在该渗透层与该基材之间的热及变态膨胀差以便减少或消除破裂及剥落。

[0027] 本发明的其它方面涉及一种表面硬化金属部件以制造耐磨复合产品的方法，其包含：用金属片外壳包围待表面硬化的部件或该部件的一部分；留下一模穴；焊接或高温硬焊该外壳与该基材，使得该模穴在被加热时保持熔融金属；以耐磨材料的粒状或粉末状颗粒至少部分地填充该模穴；及接着以适当低熔点材料渗透颗粒以通过加热使颗粒互相结合及结合该基材。方法的更特定实施例包括：提供一与该外壳形成一体的容器；将硬焊合金放在该容器中；加热基材、外壳、耐磨材料的颗粒、容器和硬焊合金的组合总成，使得该硬焊合金熔化且流入耐磨材料的颗粒内的间隙内；及冷却该总成使得该基材、该外壳、耐磨材料的颗粒、及该硬焊合金结合在一起以形成复合耐磨的耐磨部件。

[0028] 本发明的其它方面涉及一种方法，其包括：连接一金属外壳与一基材的表面以在该外壳与该表面之间界定出一模穴；将硬材料放在该模穴内；将金属硬焊材料放置成与该模穴连通；将该硬焊材料加热至该硬焊材料熔点以上的温度且保持该温度足以让该硬焊材料以熔融状态接触该硬材料及该基材的表面的时间；及接着冷却该硬焊材料以固化该硬焊材料且结合该材料与该基材的表面。如上所述，该外壳可由金属片形成。亦如上所述，该硬材料可被该熔融硬焊材料渗透以形成耐磨复合材料。

[0029] 本发明的多个方面涉及一种总成，其包括：一工具，其具有一组配成用以咬入泥土以移动泥土的表面；及一金属片外壳，其与该工具连接且具有一与该表面的至少一部分一致的共形带，以在该表面与该外壳之间界定一模穴。该外壳还可具有通至该外壳的外部的开口。该外壳通过焊接或硬焊该共形带与该表面的至少一部分而与该工具连接。

[0030] 依据一个方面，该总成组配成用以通过以下步骤在该表面上形成一耐磨复合涂层，即：通过该开口以硬微粒材料至少部分地填充该模穴，将金属硬焊材料放置成与该模穴连通，将该总成加热至该硬焊材料熔点以上的温度且保持该温度足以让该硬焊材料以熔融状态渗透该微粒材料且接触该工具的表面的时间，及冷却该总成以固化该基质材料且在该表面上形成耐磨复合涂层。该总成亦可包括与该外壳连接且定位在该模穴外侧而与该开口连通的扩口容器，其中该容器组配成将该硬焊材料放置于其中而可与该模穴连通。在该工艺之后，该总成可包括填充(或部分地填充)该模穴且在该工具的表面的至少一部分上形成一涂层的复合材料，其中该复合材料包括以金属硬焊材料渗透的硬微粒材料。该硬焊材料可与该表面及/或该外壳结合。

[0031] 依据另一个方面，该总成亦包括一与该外壳连接且定位在该模穴外侧而与该开口连通的扩口容器。该扩口容器可与该外壳一体地形成。

[0032] 依据又一个方面，该共形带延伸围绕该外壳的整个周边且围绕该表面的整个周边。

[0033] 依据再一个方面，该外壳可包括一前构件及一后构件，且该前构件具有由该前构件的一后缘横向地延伸的一前凸缘，并且该后构件具有由该后构件的一前缘横向地延伸的一后凸缘，其中该前构件及该后构件通过焊接或硬焊该前凸缘与该后凸缘接合在一起以形成该外壳。

[0034] 依据另一个方面，该工具具有一在该表面中的孔，且该总成还包括一被收纳在该孔中的插入杆。在该构造中，可在该插入杆与该孔的内壁之间界定出多个空间。

[0035] 本发明的其它方面涉及一种总成，其包括：一工具，其具有一操作表面；一金属片外壳，其覆盖该操作表面的至少一部分且在该外壳与该操作表面之间界定一模穴；及多个间隔件，其接合该工具及该外壳且将该工具与该外壳分开。该外壳具有通至该外壳的外部的开口。

[0036] 依据一个方面，该总成组配成用以通过以下步骤在该操作表面上形成耐磨复合涂层，即：以硬微粒材料至少部分地填充该模穴，将金属硬焊材料放置成与该模穴连通，将该总成加热至该硬焊材料熔点以上的温度且保持该温度足以让该硬焊材料以熔融状态渗透该微粒材料且接触该工具的操作表面的时间，及冷却该总成以固化该基质材料且在该操作表面上形成该耐磨复合涂层。在该工艺后，该总成可包括至少部分地填充该模穴且在该工具的操作表面的至少一部分上形成一涂层的复合材料，且该复合材料包含以金属硬焊材料渗透的硬微粒材料，其中该硬焊材料与该操作表面结合。

[0037] 依据另一个方面，该总成亦可包括一壁，且该壁由该外壳延伸且界定一容器，并且该容器与该外壳连接且定位在该模穴外侧而与该开口连通，其中该容器组配成将该硬焊材料放置于其中而可与该模穴连通。

[0038] 本发明的其它方面还涉及一种总成，其可被用来在一工具或其它基材的表面上形成表面硬化材料。一金属外壳与该基材连接且具有与该基材的表面的至少一部分一致的共形带以在该表面与该外壳之间界定一模穴。该外壳还具有通至该外壳的外部的开口。该外壳在一种构造中可由金属片形成，且可如上所述地与基材焊接或硬焊。

[0039] 在考虑附图及详细说明后，将更容易了解本发明的优点。

附图说明

[0040] 图1-4是具有一附接外壳的耐磨部件的一实施例的立体图。

[0041] 图5是如图1-4所示的具有附接外壳的耐磨部件的实施例的俯视图。

[0042] 图6是如图1-5所示的具有附接外壳的耐磨部件的实施例的仰视图。

[0043] 图7是如图1-6所示的具有附接外壳的耐磨部件的实施例的左侧视图。

[0044] 图8是如图1-7所示的具有附接外壳的耐磨部件的实施例的右侧视图。

[0045] 图9是如图1-8所示的具有附接外壳的耐磨部件的实施例的前视图，且表面硬化材料可在该外壳内看到，且保护一基材。

[0046] 图10是以类似于图9的实施例的视角观看的耐磨部件的替代实施例的前视图，且该耐磨部件呈具有附接外壳的完成表面硬化式耐磨部件形态，在图9中看见的外壳的某些部分已移除。

[0047] 图11-17是分别对应于图1-7的视图，但显示图10的完成表面硬化式耐磨部件。

[0048] 图18是具有附加外壳的耐磨部件的另一实施例的立体图，包括形成为一漏斗的容器。

[0049] 图19显示另一实施例的两件式外壳的立体图，且该外壳系以一竖直方位显示。

[0050] 图20是依据图19的外壳的实施例的俯视图，但包括具有附接的两件式外壳的耐磨部件，且该耐磨部件及该外壳以竖直方位显示。

[0051] 图21是具有附接的两件式外壳的耐磨部件的图20所示实施例的左侧视图。

[0052] 图21a是图20与图21的耐磨部件的左侧横截面图，显示具有另一构造的附接两件式外壳。

[0053] 图22是大致沿图20中的线22-22截取的图20与图21的实施例的横截面图。

[0054] 图23是大致沿图20与图21中的线23-23截取的图20与图21的实施例的横截面图。

[0055] 图24是大致沿类似于用以界定图22的横截面图的平面的平面截取的图18的实施例的横截面图，但是以一水平方位显示基材及外壳。

[0056] 图25a-25j显示大致依据图19-23的实施例的作为制造耐磨部件的一部分的多个视图。

[0057] 图26与图27显示一下方基材的两不同实施例的立体图，且该下方基材可被用于制造表面硬化式耐磨部件，在图26与图27中，该基材、更详而言之是一尖端垂直地定向。

[0058] 图28是以类似于图20和图25c的视角观看的基材及附接外壳的前视图，且示意地显示各包括一硬化插入物及两间隔件的两孔。

[0059] 图29是与图28所示基材一起使用的两硬化插入物的照片。

[0060] 图30是图29所示间隔件的平面图。

[0061] 图31是图27所示基材的实施例的两例子的照片，所示的各例子具有一焊接定位且准备好收纳一适当量的硬颗粒及渗透硬焊粉末的外壳。

[0062] 图32是图28所示基材及外壳的实施例的两例子的照片，所示的各例子具有以渗透硬焊粉末填充的外壳。

[0063] 图33是载入一炉中的来自图32的两例子的照片。

[0064] 图34是在该外壳在开始挖掘时已磨损后、来自图32与图33的例子中的一例子的照片。

[0065] 图35是以类似于图28的视角观看的基材及附接外壳的前视图，且示意地显示三个孔，并且一中央孔包括一硬化插入物。

[0066] 图36是大致沿图35中的线36-36截取的图35的实施例的横截面图。

[0067] 图37是图36的实施例的横截面图，且多个粒状碳化物颗粒填充一在该基材与该外壳之间界定的模穴。

[0068] 图38是图37的实施例的横截面图，且硬焊材料填充一在碳化物颗粒上方的由该外壳形成的容器。

[0069] 图39显示在一渗透硬焊循环后，图35-38的实施例的横截面图，且表面硬化材料围绕且保护该基材。

[0070] 图40是粒状碳化物在右方，且硬焊合金粉末在左方的照片。

[0071] 图41显示一样本炉循环图，且温度为竖直轴，并且时间为水平轴。

[0072] 图42a-42k显示作为制造一耐磨部件的另一实施例的一部分的多个视图，不同的图42a-42k显示作为渗透表面硬化一双辊压碎机尖端的一部分的经选择加工步骤。

[0073] 图43a-43f显示作为制造一耐磨部件的另一实施例的一部分的多个视图，不同的图43a-43f显示作为使用具有一排气管的外壳的渗透表面硬化一双辊压碎机尖端的一部分的经选择加工步骤。

[0074] 图44显示一表面硬化式耐磨部件的另一实施例的立体图，且具有一特别复杂表面形状的球形结构。

[0075] 图45a-45k显示作为制造一耐磨部件的另一实施例的一部分的多个视图，不同的图45a-45k显示作为渗透表面硬化一供选矿用的转筒筛的一部分的经选择加工步骤。

具体实施方式

[0076] 本发明可以许多不同形式实施，在附图中显示且将在此详细说明本发明的多个优选实施例，本公开内容应被视为本发明的原理的举例且不是意图将本发明的各个方面限制于所示及所述的实施例。

[0077] 总体而言，本发明涉及使用硬焊及/或渗透技术，使用金属外壳在基材的表面上形成复合材料或其它耐磨材料，例如耐磨部件，以及使用这些技术形成的物件及结合这些技术的方法及设备。例如，一种使用这些技术形成的物件(例如表面硬化式耐磨部件)可包括：基材；金属片外壳，其与该基材连接以在该基材的表面与该外壳之间界定模穴；及复合材料，其填充(或部分地填充)该模穴且在该基材的表面的至少一部分上形成涂层，且该复合材料包括以金属硬焊材料渗透的硬微粒材料。在更一般性例子中，一种使用这些技术形成的物件可包括：基材；金属外壳，其与该基材连接以在该基材的表面与该外壳之间界定模穴；硬及/或耐磨材料，其定位在该模穴内；及金属硬焊材料，其使该硬材料及该基材的表面结合。

[0078] 呈表面硬化式耐磨部件10形式的物件的一种实施例以采矿尖端的形式显示在图1-9中。除非另外指明，否则表面硬化式耐磨部件可包含所述、所示及/或在此加入的结构、组件、功能性及/或变型中的至少一者。表面硬化式耐磨部件10的两基本组件包括形成结构组件12、或更大致为基材12的主要工具，及形成用于表面硬化材料的模具的外部消耗性金属外壳14。优选地，基材12由金属、例如在用于咬入地面工具的技术领域中已知的钢合金形成，且外壳14由金属片、例如低碳“软”钢制成。该金属片的外壳14可由可形成或制成特定所需形状且可在渗透工艺时耐受因该渗透材料或大致因渗透硬焊所需的温度而溶解、熔化、或不当弱化的任何材料构成。多种其它部件及结构可被用来形成基材12及制造其上具有该表面硬化材料的表面硬化式耐磨部件10。这些部件及结构的例子包括其它种类的尖端、护罩、或转子；用于挖斗或疏浚机头的齿；用于平土机、刮土机的刮板；例如用于滑道或卡车本体的各种应用的耐磨衬垫；例如在采矿、建筑、或钻探中使用的咬入泥土设备；用于例如用于双辊压碎机或转筒筛的尖端的采矿加工设备的部件；及几乎任何其它所需部件及结构。
本发明亦可用于更新破损的部件；破损的部件可以是例如咬入地面工具的耐磨部件或例如挖斗的唇部的支撑结构。

[0079] 表面硬化材料与基材12结合并保护基材12，但是因为该表面硬化材料被外壳14封闭，所以该表面硬化材料不容易在图1-8中看到。通常，该表面硬化材料包括硬材料及使该硬材料与该基材12结合的金属硬焊材料。该硬材料大致具有比表面硬化的基材12的表面高的硬度。硬材料还可具有比基材12的表面高的耐磨性。如以下更详细说明地，该表面硬化材料可以是由呈硬颗粒形式的硬材料形成的复合物，且硬颗粒通常以微粒(例如粒状或粉末状)形式存在，例如碳化钨颗粒，且以例如铜基或镍基硬焊合金的通常以粒状或粉末状形式存在的注入金属硬焊材料渗透。应了解的是“金属”材料可包括纯金属、以及合金及包括一或多种金属的其它材料。在另一实施例中，该硬材料可以呈多孔材料形式，其包括微粒材料、多孔预成形物(例如烧结预成形物)、或可被该硬焊材料渗透的其它多孔结构。优选地，这种多孔材料可具有5-50％的孔隙率，但是在其它实施例中可具有不同孔隙率。在又一实施例中，该硬材料可以是实心、单体结构(或多件式结构)，例如瓷砖、板或通过该硬焊材料与该基材12的表面结合的其它单体结构。在这些实施例的各实施例中，该外壳14被用来将该硬材料保持在界定在该外壳14与该基材12的外表面之间的模穴50中在用以硬焊的位置、例如紧靠该基材12的表面处。

[0080] 外壳14包括：外壳本体16，且开口17通至该外壳本体16外部并且该模穴50由该外壳本体16界定；容器18，其与该开口17连通。在一实施例中，该容器18可与该外壳本体16一体地形成，或在另一实施例中该容器18可分别地形成且与该外壳本体16接合。容器18只在制造耐磨部件10时使用，且如以下更详细说明地，可移除(例如切除)或可在操作使用耐磨部件10时简单地腐蚀掉。外壳14通过共形带20与基材12接合，且外壳14通过该共形带20焊接到基材12。该共形带20可如下所述地与该基材12的一部分面对面接触、围绕该外壳及该基材的周边的一部分或全部。或者，如果用以硬焊外壳14与基材12的任何硬焊材料具有高于用于注入硬焊材料熔点温度的熔点温度，则外壳14可硬焊在基材12上。在其它实施例中，该外壳可以另一方式与该基材12连接。例如，该外壳可使用陶瓷毡或布的垫片放在该基材12上以密封该模穴及防止该硬焊材料在硬焊时漏出。

[0081] 图9最清楚地显示外壳14具有显著地小于基材12的公称厚度的外壳厚度22。例如，外壳14可具有大约0.105英寸的平均外壳厚度，而在图1-9中的基材12可在被该外壳覆盖的区域中具有1.000至3.450英寸范围内的厚度。在一实施例中，该外壳14可由在16Ga(0.060英寸厚)至10Ga(0.135英寸厚)的范围内的金属片构成，其可用于广泛应用中。在其它实施例中，该外壳14可具有任何其它适当厚度。例如，在另外的实施例中，该外壳14可由具有大约0.25英寸厚度的钢或其它金属板构成，或可铸造或由棒材机械加工，或以不同方式形成。应了解的是该外壳14的不同部分可具有不同厚度。在图9中亦可看到的是大致以24表示的一层复合表面硬化材料。

[0082] 当与基材12比较时，外壳14的相对薄度表示外壳14可轻易地、相当便宜地形成。对外壳的简单形状而言，相对低成本的外壳14可通过切割多件金属片、焊接或硬焊这些金属片在一起来作成。稍微比较复杂的形状可通过将多件金属片弯曲成特定构型，且接着焊接该弯曲金属片来作成。复杂的形状可通过例如深拉金属片成形法、通过格林(Guerin)法(橡胶垫成形法)成形、液压成形法、及/或爆炸成形法来作成。亦可使用精密(“失蜡”)铸造，但是失蜡法的成本通常是不经济的。对于特别复杂的形状而言，该外壳的构件可通过这些方法中的一或多个形成，且接着通过焊接或硬焊接合。

[0083] 即使对相当大的基材而言，形成一有效模具亦只需要非常少的材料。例如，若为采矿尖端10，则外壳14的重量将只为大约41/2磅而基材12的重量将为224磅。对一特定尺寸尖端而言，采矿尖端和外壳的特定重量只是一个例子。依据用于不同操作的不同尖端的尺寸可有多种大变化。但是，在此披露的所有实施例包括基材及外壳，其中外壳重量显著地小于该基材。

[0084] 该外壳是消耗性的，在完成产品中不具有结构性功能且在使用得到的表面硬化式耐磨部件时经常快速地磨损。因此，用以形成外壳14的特殊金属只需要够强且足以耐溶解以在渗透硬焊的高温下继续存在即可。许多可轻易取得、相对低成本的片钢可满足这标准。对224磅基材组合一最小材料量，例如，小于5磅的片钢，使用可轻易取得的片钢，及使用相对容易制造技术以制造薄金属外壳14，意味着当与该所得表面硬化式耐磨部件10的市场价值比较时，外壳14的成本经常是最小的。

[0085] 在许多应用中，该工具基材会相当大且重，且该工具基材经常在该基材相对于重力呈一特定方位的情形下运送或操作。例如，非常重的基材会被牢固地固持在卸斗上或在夹具中，且待表面硬化的区域面向上。其它基材可通过基座或特定表面支持，且待表面硬化的区域面向上、向侧面、或向下。另外的基材可具有多个待表面硬化的分开区域，面向多个不同方位。

[0086] 本发明的轻金属片外壳可轻易地移动以在基材上精确地对齐，且接着与该基材焊接，不论该基材的大多数方位为何。该薄金属外壳可在不必夹持或夹具的情形下，通过焊接或高温硬焊与该下方基材轻易地附接，且产生的接面即使在渗透硬焊需要的高温下亦是液密的。在任一种有关渗透表面硬化的模具中，熔融金属硬焊材料应留在该模具中。利用本发明的薄金属外壳，可在不需额外夹持或夹具的情形下达成与基材的可靠附接。所得总成因此更容易放在用于渗透硬焊的炉中，可明显更容易地渗透表面硬化重型物品。

[0087] 此外，界定用于该渗透表面硬化的模具的薄金属外壳可由多个部件可靠地组合，且具有在稍后通过该下方基材配合焊接或高温硬焊密封的面向侧边的开口及/或面向下的开口。这与用于渗透硬焊的传统石墨或陶瓷模具非常不同，传统石墨或陶瓷模具更难以密封在一下方基材上，且通常需要如在US4933240中所示的广大重迭面积。即使这些传统石墨或陶瓷模具在室温被密封在基材上，这些密封亦可会在渗透硬焊所需的高温失效，特别是在该基材及该模具具有不同热膨胀系数时。因此，传统石墨或陶瓷模具经常作成具有该基材必须放入的面向上开口。这意味着在这些现有模具中的基材必须通过该模具支持，或通过夹具或框架悬吊在该模具上方。

[0088] 由模具支持重基材会是困难的，且可能在更佳地涂覆表面硬化材料的位置需要基材与模具接触。使用夹具及框架会产生更重及更大的总成，更难将模具及基材的组合放入炉中。本发明的薄金属外壳不必支持该基材，容许具有多种替代方位的基材及模具、及甚至在单一基材上的多个不同方位的模具的多种实施例。

[0089] 图10显示耐磨部件110，表示在移除容器18后图9的耐磨部件10。这使耐磨部件110可在不与容器18有任何干涉的情形下运送及操作。图11-17对应于图1-7，且也没有容器18。为了清楚说明，已在图10-17中使用对应于图1-9的部件编号的部件编号，但在前面加上“1”，包括基材112、外壳114、及一层表面硬化材料124。

[0090] 由图10-17可看到外壳114的薄度使得完成的耐磨部件110密切地配合供操作使用的耐磨部件的所需最后形状及重量。例如，采矿尖端的尺寸及形状作成用以挖入特定种类的土料。外壳114的薄度是特别有利的，因为以消耗性外壳114封闭的新的未使用尖端110具有在外壳114磨损后将以几乎等同于这耐磨部件110的外形地穿过土料的外形。类似地，采矿设备基于例如斗部上的尖端的任何附接咬入地面工具的重量以特定的方式操作。以消耗性外壳114封闭的新的未使用尖端110具有在该外壳112磨损后与耐磨部件110的重量几乎相同的重量。在上述例子中，该外壳具有大约只是该基材重量的2％的重量。在加上该表面硬化材料的重量后，依据本实施例的完成耐磨部件的重量差，在有与没有该消耗性外壳的情形下，变化小于2％。

[0091] 在图1-9的实施例中，容器18显示为扩口的开口，其与基材12的长轴、以及外壳本体16及外壳14的长轴大致同轴。另一实施例可包括大致垂直于基材的长轴、以及外壳本体及外壳的长轴的容器。这种实施例显示在图18中，其中已使用对应于图1-9的部件编号的部件编号，但在前面加上“2”，包括基材212、外壳214、及与该外壳212的开口217连通的容器218。优选地，容器218大致呈漏斗状，且具有大口部218a、但比较小的颈部218b。这可在移除容器218后，使得外壳214中任何产生的污损最小化，且这可使耐磨部件210在新的时看起来更具吸引力。它亦可如下所述地允许基材212及外壳214在注入硬焊过程中具有不同方位，使得各种形状的基材及外壳可亦如下所述地被收纳在特定加工设备中。最后，当与在注入硬焊时基材12、外壳14及容器18的正常方位比较时，因为在注入硬焊时基材212、外壳214及容器218相对于重力的不同方位，它可在注入硬焊后允许有稍微不同的复合结构。

[0092] 通常最简单的是将外壳的任何这种容器部分设置在该外壳的本体上方。该配置通常是最有利的，因为它可让重力在该渗透工艺时协助毛细作用。重力的效果可通过增加漏斗的颈部的高度218H、增加包含在对应漏斗状容器的熔融硬焊材料的有效“高差”来获得。但是，在某些情形中仅在硬化颗粒与熔化硬焊材料之间的毛细作用便已足够，甚至会让该熔化硬焊材料“向上移动”适当距离。

[0093] 外壳的另一实施例在图19中显示为具有两件式共形带320的两件式外壳314。外壳314的两件式外壳本体316可最初由前半构件326及后半构件328形成，且该前半构件326具有前凸缘330，该后半构件328具有后凸缘332。前凸缘330由该前半构件326的后缘横向地延伸且后凸缘332由该后半构件328的前缘横向地延伸。通过以具有比欲用于渗透的材料高的熔点温度的硬焊材料焊接或硬焊，前凸缘330可与后凸缘332接合。在某些构造中，两件式外壳314可比对应单件式外壳更容易地形成。在某些构造中，当与对应单件式外壳的接合比较时，两件式外壳314亦可更容易地与对应基材接合。

[0094] 在图20与图21中，两件式外壳314显示为与呈尖端形式的对应基材312的一部分接合。可看到基材312的外部几何形状的细节，因为外壳314显示为部分透明。基材312的外部几何形状可包括主体334，且该主体334界定用以与两件式共形带320焊接或硬焊的结合表面335。该基材312可为该硬材料的结合提供至少某些凹部或其它突起。例如，在图20与图21所示的实施例中，该基材312具有由主体334的外表面稍微内凹的台阶336，且另一内凹部是谷部338。台阶336可界定突缘340及斜面342。基材312的远端可成形为界定出带角度边缘344及/或圆面346。在另一实施例中，该基材312可不为该硬材料提供任何凹部或其它突起。

[0095] 图20与图21的实施例的横截面图显示在图22与图23中。外壳314平滑地延伸远离共形带320，在基材312与外壳314之间界定模穴350。模穴350包括由谷部338界定的凹部、及其中基材312的远端具有相对外壳314减小的厚度的其它相对凹部。模穴350界定与基材312结合的表面硬化材料的所得厚度，且外壳314的内部几何形状界定完成尖端的最终外部几何形状。在图20-23的实施例中，将会与基材312结合的表面硬化材料大致相当平滑地由大致与基材312的外表面齐平且在所得的表面硬化材料后方的基材312的相邻部分延伸。在图22与图23中，外壳314的内侧表面与基材312的多个部分齐平。例如，在共形带320处，这提供与该结合表面335的紧密配合以相对基材312精确地定位外壳314。在其它位置，例如台阶
336，因为不需要表面硬化材料、或甚至因为在这些位置不需要表面硬化材料，所以该齐平安装是简单的。所得的表面硬化材料324与该基材12的相邻部分齐平。例如，在所示实施例中，该表面硬化材料324与结合表面335、以及接触该外壳314的内侧表面的基材312的其它表面(如台阶336)齐平。通过不使表面硬化材料324突起比基材312的相邻表面高，将尖端
310推入土料中所需的力量减少。在没有突出在基材312的围绕表面上方看起来厚的表面硬化层的情形下，表面硬化的尖端310的外观亦较佳。但是，在图21a所示的另一实施例中，外壳314可由共形带320向外扩大，使得会与该基材结合的表面硬化材料实质地增加该尖端的厚度，且相对该基材312的相邻部分、包括相对于该(这些)结合表面335加大该尖端的远端。

[0096] 图24是以类似图22的横截面图的视角观看的图18的实施例的横截面图，但是具有以水平方位显示的基材212。

[0097] 图25a-25j显示作为制造耐磨部件310的一部分的多个视图。不同的图25a-图25j显示作为渗透表面硬化采矿斗尖端的一部分的选择加工步骤。图25a显示在附接任何外壳之前、及在基材312上形成任一层表面硬化材料之前，一种用于采矿斗类型的呈尖端形式的基材312。

[0098] 图25b、25c与25d直接对应于图19、20与21。基材312依据以上更一般地称为基材312。只有基材312的一部分显示在图25c与图25d中，且当与图25a中的基材312的大致水平方位相比时，该部分大致竖直地定向。外壳314形成两半部，且接着如上所述地沿凸缘焊接在一起。外壳314安装在基材312上且接着如以上共形带320所述地沿其底缘焊接定位。或者，外壳314的两半部可先被夹持定位或以其它方式固持在基材312上，且接着焊接在一起，及/或与基材312焊接，以更佳地配合基材312及外壳314的各种表面几何形状。当钢外壳314与基材312接合时，该钢外壳及基材在该基材与该外壳之间界定一模穴350。

[0099] 在图25e中，呈硬颗粒352形式的硬材料通过灌注通过与模穴350连通的开口317而导入该界定的模穴350中，且容器318的扩口使它更容易灌入硬颗粒352。这些硬颗粒352可只以重力馈送来填充模穴350，或硬颗粒352可被夯实及/或振动，或以其它方式填塞定位在该界定的模穴350内。在另一实施例中，可使用不同种类的硬材料，包括以上所述者。此外，在另一实施例中，颗粒352可依需要不完全填满该模穴350。如图25f所示，呈粉末形式的渗透硬焊材料354可接着被灌注在该硬颗粒层上方，且被固持在外壳314的容器318中。在另一实施例中，如下所述地，该硬焊材料354可以呈不同形式(即非粉末状)。如图25g所示，如果使用渗透硬焊粉末354基本上填满容器318，则容器318的尺寸可作成，相对模穴350的界定体积及被固持在模穴350中的硬颗粒层352，界定正确体积的渗透硬焊材料354。在图25g中包括基材312、外壳314、硬颗粒352层及该渗透硬焊材料354层的整个总成准备好如下所述地进行渗透循环。

[0100] 在图25h中显示的种类的渗透循环在一炉中进行。优选地，该炉是一真空炉，但亦可使用其它种类的炉。图25g的整个总成被放在这种用于该渗透循环的炉中，在该渗透循环过程中，整个总成被加热至高到足以熔化渗透硬焊粉末354的温度。这使熔融硬焊材料渗透硬颗粒352的层，形成以注入有注入金属硬焊材料354的硬颗粒352构成的复合物324。该注入硬焊材料结合基材312及硬颗粒352。

[0101] 注入硬焊材料亦可与外壳314结合，但是这不是必要的。因此，在渗透后，外壳314通常与基材312永久地结合。当该所得的耐磨尖端被用于挖掘时，外壳314简单地磨损，暴露渗透层324以达成其耐磨的功能。

[0102] 在图25j中，外壳314的容器部分318已移除，留下一完成产品作为表面硬化式耐磨部件310，且更详而言之，表面硬化尖端310。

[0103] 图26与图27显示可被用来制造表面硬化式耐磨部件的下方基材的两不同实施例。图26显示竖直定向的图25a的基材312。图27显示呈一尖端形式的基材412的另一实施例，且两孔458形成为靠近基材412的挖掘端。

[0104] 在该实施例中，孔458提供有助于改善在基材412与硬颗粒及硬焊材料的所得复合物之间的结合的多个表面侵入体。在孔458中的所得的渗透硬材料改变所得的表面硬化式耐磨部件如何在使用时磨损。在某些实施例中，在孔458中的所得的渗透硬材料有助于维持“锐利度”及挖掘效率。这本质的其它优点可通过在孔458中安装预制的硬金属插入物而获得。

[0105] 图28显示图27的实施例，且外壳414与基材412焊接。插入物460示意地显示出，且被固持在各孔458中。在孔458的内壁与各插入物460之间的适当间隔可由一或多个间隔件462提供。示出两间隔件462安装在每个插入物460上。在另一实施例中，可不使用间隔件
462。由间隔件462产生的间隔可在该基材412与该插入物460之间提供一过渡段以抵抗由于胀差造成该插入物460的破裂。如果需要，形成在该间隔中的硬焊材料可变形以配合这种膨胀与收缩之差。在又一实施例中，该渗透材料的热膨胀系数可选择成在该插入物460的热膨胀系数与该基材412的热膨胀系数之间以便如以下类似地说明地协助减少由于胀差造成的破裂。

[0106] 两个这种插入物460显示在图29中，且优选地由烧结碳化钨制成。在另一实施例中，该(这些)插入物460可以是烧结形状的一或多种其它碳化物(例如碳化铬，碳化钼，碳化钒等)。在另一实施例中亦可使用各种碳化物的多孔预成形物，包括碳化钨(WC/W2C)、碳化铬、碳化钼、碳化钒及其它碳化物。在一实施例中，这些多孔预成形物可以纯碳化物的形式提供。在另一实施例中，该(这些)插入物460可由陶瓷或其它材料形成。如果使用陶瓷，可使用一或多种技术加强该硬焊材料在陶瓷表面上的湿润及/或结合，包括如下所述的这些技术。优选地，间隔件462由钢构成且具有开口箍464及多个腿部466，并且开口箍464呈弹簧状，使得间隔件462在被滑动到其中一个插入物460上时保持定位。一个这种间隔件462详细显示在图30中。

[0107] 图31是另一替代实施例的两例子的图，各例子包括呈尖端形式的基材512，且所示各例子具有焊接定位的外壳514，且该外壳514大致如上所述地准备好收纳适当量的硬颗粒及渗透硬焊材料。图32显示准备好进行渗透循环的两总成，且各总成具有填充硬颗粒(未显示)及硬焊材料554的尖端512及外壳514。可选地，夹具568与各尖端512可分离地附接，以在操作时及在载入炉及由该炉卸载时协助稳定各尖端512，如图33所示。

[0108] 依据图31-33的实施例的呈表面硬化尖端510形式的完成、部分磨损基材显示在图34中。表面硬化尖端510是通过将图32与33的总成放在炉中且接着加热及冷却作为如下所述的渗透循环的一部分而制成。所得的表面硬化尖端10被用于挖掘而磨损消耗性外壳514，在图34中不再看得见。围绕表面硬化尖端510的灰色背景是测量在使用表面硬化尖端510时有多少材料磨损的可移除的量具。如图所示，表面硬化尖端510已表面硬化，使得表面硬化材料524在尖端512的主表面“上方”，因此具有由尖端512前进至表面硬化材料524上、以
524a表示的外表面的锐利角过渡段。在某些应用中，该角表面构型可提供特殊优点。特别地，其中表面硬化材料524置于尖端512的围绕表面上方的所得的尖端的加大挖掘端可在不需要表面硬化材料的费用或重量的情形下，通过遮蔽效应有效地保护相邻未表面硬化表面。选择性地添加表面硬化材料可保护受到实质磨损的区域，且在该尖端的其它区域上可不需要这种表面硬化材料。

[0109] 本发明的薄金属外壳在将表面硬化材料添加至已通过砂模铸造产生的尖端时特别有用。典型的是用于使用湿砂工艺的采矿尖端铸模以具有明显尺寸变化，例如在本发明的外壳将附接的对应于在此所述共形带的区域中会改变0.060英寸的厚度。因此这种湿砂铸造尖端特别难以用例如陶瓷模具及石墨模具的不可弯曲模具密封。但是，在此披露的各种外壳的薄金属可依需要轻易地变形及弯曲以便让该薄金属外壳与湿砂铸造尖端适当地焊接。

[0110] 又一实施例示意地显示在图35中，包括呈具有三个孔658的尖端形式的基材612，但是只有单一插入物660在孔658的中央孔中，且没有任何间隔件。以硬颗粒与硬焊材料的混合物填充外壳614，且接着通过渗透循环加热及冷却该总成产生表面硬化式耐磨部件。图36-39显示通过这些孔658的中央孔的截面，且显示多个加工步骤，并且硬金属插入物660通过这些加工步骤与孔658结合，同时对基材612施加外部表面硬化。这些步骤显示在图36-39的横截面图中，且图39显示包括围绕且保护基材612的远端的一层表面硬化材料624的完成表面硬化式耐磨部件610的横截面。在其它实施例中，该插入物660可被收纳在不同孔658中及/或该基材612可包括在多个孔中的多个插入物660。

[0111] 基材612、外壳614及表面硬化材料624层的近似相对厚度显示在图39中。例如，厚度672是用于表示基材612的，厚度674是用于表示外壳614的，且厚度676是用以表示表面硬化材料624层的。厚度676亦表示模穴650的厚度。这些厚度的样本值如下：

[0112] 靠近共形带的基材厚度672：3.450英寸

[0113] 整个外壳的外壳厚度674：0.105英寸

[0114] 表面硬化厚度676：0.438英寸

[0115] 图40显示两粉末，包括在右方的粒状碳化物52及在左方的硬焊合金粉末54。

[0116] 碳化钨是特别适用于作为依据本发明制成的表面硬化式耐磨部件的一部分的硬颗粒的一个例子。可使用例如WC或WC/W2C的纯碳化物、及各种碳化物的混合物。而且，适当粒状材料可由粉碎烧结碳化物材料、例如回收的机械工具插入物制成。该微粒材料的最适合尺寸依据该耐磨部件的预定用途来决定，但是在-50网目至+70网目的范围内的尺寸适用于许多应用。已发现以下的碳化钨、碳化钛及钴的合金可产生特别有效的表面硬化式耐磨部件，例如采矿尖端或工具尖端：

[0117]

[0118] 可作为在该复合材料中的硬颗粒使用的其它碳化物包括铸造碳化钨(WC/W2C)、一氧化碳钨(WC)、碳化铬、碳化钛、碳化钼、碳化钒、碳化钶、铬白铁珠或粒、以及包括这些材料的混合物。如上所述，该硬材料可以不同形式使用，例如多孔预成形物、单体构件、或其它结构。在另一实施例，该硬材料可由陶瓷材料形成。如果使用陶瓷，可加入一或多种技术以加强通过硬焊材料对陶瓷表面的湿润及/或结合。例如，该陶瓷的表面可涂覆金属材料或其它材料以加强通过硬焊材料的湿润。作为另一个例子，可使用活性硬焊技术，其中该硬焊材料包括沉积在该陶瓷表面上的材料(例如钛)以加强该硬焊材料与该陶瓷表面的湿润及结合。在其它实施例中可使用其它种类的硬材料。如上所述，该硬材料可优选地具有对该硬材料结合的基材的表面的较高硬度及较佳耐磨性。

[0119] 硬焊合金粉末的特殊良好选择包括按照AWS A5.18符合Class BNi-2的Ni-Cr-Si-B硬焊合金粉末。

[0120]

[0121] 可使用其它种类的硬焊材料，只要这些材料可与该基材及硬颗粒均可兼容，且这些材料适用于特定硬焊方法即可。硬焊材料可包括例如铜或银的纯金属，但是可为具有镍基、铜基或银基的更典型标准硬焊合金。硬焊材料亦可包括其它富铜合金、及低熔点铜镍合金。可使用的其它种类的硬焊材料类型包括纯铜、硅青铜、钛铜、铬铜、离相青铜(spinodal bronze)、锡青铜、市售镍基硬焊合金(BNi-1，BNi-2等)、市售钴基硬焊合金(例如BCo-1)、或包括贵金属及合金的其它种类的硬焊金属。如上所述，在一实施例中，该硬焊材料可以粉末状或其它微粒形式提供。在另一实施例中，该硬焊材料可呈不同(例如非粉末状)形式。例如，在一实施例中，该硬焊材料可呈一或多个铸造或锻造材料块形态。这些块可以制成预定重量，以用于特定硬焊应用并提供在该总成中快速及有效安装该硬焊材料。

[0122] 图41显示使用包括碳化钨及Ni-Cr-Si-B硬焊合金粉末的硬材料的用于该硬焊操作的炉循环的一例，且温度为竖直轴。总体而言，用于该硬焊操作的热循环包括先加热至稍低于该硬焊材料的熔点温度的温度且保持以稳定在整个总成(包括厚与薄段)中的温度。接着，该总成被加热(最好快速地)至高于该硬焊材料的熔点的温度以熔化该硬焊材料且让它可渗透在硬颗粒之间的空间。这时间可相对地短，例如在一实施例中30分钟至1小时。接着该温度降低至刚好低于该硬焊材料的固态温度，以便让该硬焊材料可固化及与硬颗粒及该基材结合，且保持直到该温度在整个总成上稳定为止。最后，该温度降低使得该部件可由该炉移除。应了解的是，温度必须保持以在整个总成上稳定的时间长度会受到该基材及/或该外壳的尺寸及几何形状影响，因为较大/较厚组件会需要较长时间加热或冷却。如图所示，该炉及铸件(例如基材、外壳、硬颗粒及硬焊材料的总成)的温度增加且接着在一段时间后减少。图41的样本炉循环如沿该水平轴表示地花费大约7小时，且该硬焊步骤可在一实施例中以大约2050°F进行30-60分钟。

[0123] 图42a-42k显示作为制造耐磨部件710的另一实施例的一部分的多个视图。不同的图42a-42k显示作为渗透表面硬化双辊压碎机尖端的一部分的经选择加工步骤。所得的表面硬化辊压碎机尖端具有实质分开但通过注入的复合表面硬化材料结合在一起的基材及薄金属外壳，且在该基材与该薄金属外壳之间的接触极少。

[0124] 图42a显示通过机械加工、铸造或锻造制备的基材712。多个外壳间隔孔780钻设、形成、或成形在基材712中，如图42b所示，且呈销782形式的对应外壳间隔件安装在孔780中，如图42c所示。销782将被用来将基材712悬吊在薄金属外壳内，且在基材712与该外壳之间的所需间隔由销782的长度界定。销782的主要目的是保持外壳714与基材712适当地分开直到以硬颗粒752填充模穴750为止。销782只需要大到足以在此披露的方法的该填充步骤后仍存在即可。因此，销782可由范围由软钢销至预制硬化烧结碳化钨销的各种材料制成。

[0125] 图42d显示可通过如在形成金属片模具技术领域中已知的深拉法、液压成形法、及/或切割及焊接来制备的金属片外壳714。接着，将具有突出销782的基材712放在外壳714内，如图42e所示。请参阅图42f，硬颗粒752可放置在界定在基材712与外壳714之间的模穴750中，且选择性地夯实、振动或以其它方法填塞在模穴750中，以在基材712与外壳714之间界定硬颗粒层。在图42g中，渗透材料粉末754显示为被放在该硬颗粒层上方，被收容在容器
718的预定体积内，且优选地形成为外壳714的一体部分。容器718的尺寸可相对模穴750作成提供最佳量的渗透材料754，以渗透及结合硬颗粒752成为复合表面硬化层。这以图显示在图42h中，且总成准备好进行渗透循环。

[0126] 图42i显示诸如如上所述地准备好进行渗透循环的炉。图42j显示在渗透循环完成(j)后的图42i的总成，且容器718仍就位。优选地，容器718通过切割或其它技术从外壳714移除，留下一完成的耐磨复合产品710，如图42k所示。

[0127] 虽然外壳714显示为具有通常需要被固持在夹具中的球形下表面，但是类似形状的外壳的其它实施例可自行支持。此外，如果基材712通过亦将外壳714相对于基材712定位在一所需位置的耐热合金夹具固持，则可省略外壳间隔销782。因此，基材712在该渗透工艺时被悬吊在金属片外壳714上方且在金属片外壳714内。在其它实施例中，任何将外壳714相对于基材712定位在所需位置的这种夹具可在硬颗粒752被填塞就位后移除。硬颗粒752通常不会在该渗透工艺时溶解或熔化，因此硬颗粒752将在该渗透工艺时可靠地支持基材712。这让这些夹具可在将例如基材712、外壳714、硬颗粒752及渗透材料754的总成的组件的任一总成放在炉中之前移除。其它实施例可将外壳714悬挂在基材712上。例如，外壳714可作成悬挂在形成为基材712的一部分的毂部的柄中的未显示沟槽上。

[0128] 依据本发明的方法可供使用氢、氩环境，或其它类型还原或惰性环境的炉或甑使用，而不是真空炉。当在这种非真空炉中硬焊时，最好的是防止气体在渗透进行时被截留在硬颗粒内。硬焊粉末可完全同时地熔化，向下渗出成为连续熔融层，通过硬颗粒。在该薄外壳中的低位置增加通气口使被捕捉在硬颗粒中的气体可在熔融硬焊材料向下渗出时逸出。优选地，一个通气管或多个通气管在适当低位置与该薄金属外壳附接，且该管或这些管向上延伸至比熔融硬焊材料在渗透硬焊的最后阶段时的最后高度高的高度。

[0129] 供非真空炉中使用的钢外壳814的一实施例显示在图43a-43f中。通气管884由外壳814的低位置延伸以防止在硬焊渗透时气体截留。通气管884在发生气体截留的一位置或多个位置与外壳814附接。图43b显示基材812、外壳814及通气管884的横截面图。将硬微粒材料852灌注入模穴850，且在基材812与外壳814之间，如图43c所示。接着将渗透材料854添加在硬颗粒层852上方，如图43d所示。在图43e中，所示的熔融渗透材料854部分地穿过硬颗粒层852，且气体由通气管884逸出。在冷却后，该硬颗粒层及渗透材料形成复合物824，且至少某些渗透材料854填充通气管884，如图43f所示。通气管884及渗透材料854通常能被容易地从得到的表面硬化式耐磨部件810切掉。

[0130] 图44显示具有特别复杂表面形状的球形结构。该耐磨部件不是要代表任一特定工具，而是显示可依据在此披露的内容表面硬化的复杂工具。例如，它可表示具有特别复杂外形的渗透表面硬化研磨球。完成耐磨复合产品910包括多个预制表面硬化烧结碳化钨插入物，其中两个预制表面硬化烧结碳化钨插入物以虚线960示意地显示，且通过注入的复合表面硬化材料与下方基材结合。使用已知技术制造研磨球910将需要可能使用石墨或陶瓷材料制成的复杂的多件式模具。薄金属片模具、预成形基材、硬化碳化物颗粒、及渗透硬焊的组合产生用以制造具有复杂表面几何形状的表面硬化工具的更经济方法。

[0131] 图45a-45k显示作为制造耐磨部件1010的另一实施例的一部分的多个视图。不同的图45a-45k显示作为渗透表面硬化供选矿用的转筒筛的一部分的经选择加工步骤。所得的表面硬化转筒筛可具有实质分开但通过注入的复合表面硬化材料结合在一起的基材及薄金属外壳，且在该基材与该薄金属外壳之间的接触极少。或者，该基材及薄金属外壳可在选择的位置接触，且在渗透循环时该外壳支持该基材。例如，多个肩部(未显示)可形成在外壳1014的选择位置处，且基材可放置这些肩部上且被这些肩部支持。在其它例子中，外壳1014的共形带或共形部分(未显示)可与基材1012焊接。

[0132] 图45a显示通常通过机械加工、铸造或锻造制备的基材1012。图45b显示对应外壳1014，且在图45c中基材1012显示为被支持在外壳1014中。多个销(未显示)可被用来将基材
1012悬吊在薄金属外壳1014内，且在基材1012与外壳1012之间的所需间隔类似于图42所示地由销(未显示)的长度界定。

[0133] 图45d显示硬颗粒1052被灌注在基材1012上。硬颗粒1052可被推进至界定在基材1012与外壳1014之间的模穴1050中，且选择性地夯实、振动或以其它方法填塞在模穴1050中，以在基材1012与外壳1014之间界定硬颗粒层。在图45e中，渗透材料粉末1054显示为被放在容器1018中、在硬颗粒层1052上方。图45f显示准备好进行渗透循环的炉。图45g显示在以适当量的渗透材料粉末完全加载后且在通过完整渗透循环加热及冷却后的图45e的总成。优选地，该金属片的选择的部分通过切割或其它技术从外壳1014移除，留下完成的耐磨复合产品1010，如图45h所示。例如，围绕壁的上缘1018a可以被切除，且界定多个贯穿孔的上盖1018b可被切除。

[0134] 如果对于用于工具的基材材料该外壳材料及该硬焊材料、以及在该表面硬化层中的微粒材料的种类及尺寸分布适当地选择，则可以配合热及转变应变以防止该表面硬化层、及任何硬金属插入物的破裂。在一实施例中，该硬焊工艺可设计成使得该渗透材料具有在硬颗粒的热膨胀系数与该基材的热膨胀系数之间的总体热膨胀系数。例如，在此披露的许多实施例包括具有钢基材及软钢外壳的产品，且该产品具有渗透铸造碳化钨颗粒的表面硬化层。与对于AISI1008钢类似的，某些钢具有在低于奥氏体范围的温度每英寸每°F大约6.5微英寸的热膨胀系数。选择铜或铜基合金作为该渗透材料及选择提供50％铸造碳化钨的粒径分布将在该渗透材料中产生每英寸每°F6.1微英寸的平均热膨胀系数。提供具有相对类似于用于下方基材及金属片外层的热膨胀系数的平均热膨胀系数的渗透材料意味着所有组件将以大约类似的速度膨胀及收缩。这抑制该渗透材料破裂及剥落的倾向，特别是在该渗透循环后冷却时、或在可在稍后发生的加热时、在使用该表面硬化工具时。

[0135] 例如图45h所示的例子的转筒筛的长度及宽度尺寸会经常超过1米。如此的物品提供本发明可提供关于克服在该渗透工艺时的热膨胀问题的明显优点的清楚说明。可为了耐磨而选择的硬材料可具有热膨胀特性，且该热膨胀特性与可作为基材使用的硬化钢材料、可作为消耗性外壳使用的低碳钢材料、或可作为硬焊材料使用的铜镍硬焊合金的热膨胀特性明显不同。当这些物品变大时，例如长度与宽度为1米时，不同组件的热膨胀速度变得更为重要。

[0136] 陶瓷及石墨模具具有与通常作为用于耐磨部件的基材使用的多种钢合金的热膨胀速度非常不同的热膨胀速度。这会导致例如完成部件的扭曲、表面硬化厚度的意外变化、或甚至在该热工艺时该模具总成的各种部件的分离而让该熔融渗透材料漏出至该炉中等问题。本发明的低碳钢材料更可能具有更类似于通常作为这种基材使用的多种钢合金的热膨胀速度的热膨胀速度。因此，钢合金基材、低碳钢薄金属外壳、具有提供大约50％铸造碳化钨的粒径分布的硬颗粒、及作为渗透材料的铜提供优于需要使用陶瓷及石墨模具的已知钢基材的表面硬化的明显优点。

[0137] 下表提供用于选择硬材料、用于低碳钢(典型外壳材料)、及铜(典型硬焊材料)的热膨胀系数的数个例子。应了解的是，该表为了说明提供例子且可使用其它材料作为硬材料、外壳、硬焊材料等。

[0138]

[0139] 钢基材、薄金属外壳、及具有特定尺寸分布的适当选择的硬颗粒混合物、及渗透材料的组合产生相当多优点。特别是当与传统石墨或陶瓷模具比较时，该组合提供可配合热及变形应变及得到的尺寸变化的较大能力。本发明的产品及方法产生较小的翘曲风险、较少的在该所得的表面硬化中的不必要厚度变化的风险、及较少的在渗透循环时破损模具于炉内漏出熔融金属硬焊材料的风险。

[0140] 此外，例如钢的材料进行伴随尺寸变化的相变化。例如，当处理碳与低合金钢时，钢随着温度增加而膨胀。但是，在大约1333°F，钢开始转变成不同结晶结构。该转变导致尺寸减少直到该转变完成为止且接着随着温度进一步增加该材料再次膨胀(以一不同速度)。在冷却时，再次发生转变，且伴随尺寸的相关膨胀-收缩-膨胀，直到该渗透循环完成。利用使用薄金属外壳作为模具的所披露的方法比当使用石墨模具或陶瓷模具时更容易配合所有这些膨胀及收缩。利用本发明的方法，待表面硬化的基材及收容该表面硬化材料的组件的模具二者均由钢构成，因此该基材及该外壳均将经历类似的转变、膨胀及收缩。虽然关于热膨胀系数及转变温度可有某些变化，但是薄金属模具及金属基材的这些变化比石墨模具或陶瓷模具及金属基材的这些变化小很多。因此非常难以在没有该表面硬化涂层破裂及/或剥落的相当大风险的情形下，与金属基材一起使用石墨模具或陶瓷模具来制造例如图
45h所示例子的大的平面转筒筛。

[0141] 此外，如果该微粒材料意图执行耐磨功能，则会需要考虑粒径分布以提供适当耐磨性。通常，对这些情形而言，该尺寸分布必须使得颗粒之间的间隔小于在应用中遇到的磨粒的尺寸。这防止硬颗粒损坏及丧失。在一实施例中，-50至+70网目的粒径(如上所述)可对于例如如果在应用中的磨粒未明显地小于70网目的大部分应用是足够的。对于更细的磨粒而言，该粒径分布应在尺寸上作成大致等于或小于该研磨尺寸。

[0142] 所披露的实施例亦可被用以更新或整修磨损的先前使用过的表面硬化式耐磨部件。例如，在一实施例，如上所述的外壳与呈表面硬化式耐磨部件形式的基材连接，且该硬材料(例如硬颗粒)被加入该外壳内而紧靠该基材。该硬材料可接着如上所述地通过硬焊与该基材结合。应了解的是，该硬焊材料可与该先存在(磨损)的表面硬化材料、下方原始基材、或两者结合。在一实施例中，该硬材料及/或该硬焊材料可以与在该原始表面硬化材料中使用者相同。

[0143] 数个所披露实施例显示了用以形成耐磨部件的钢基材，且硬材料覆盖该耐磨部件的全部或基本上全部外部操作表面(例如该咬入地面表面)。这可容许使用较软钢，因为表面硬化材料保护该钢的全部。这些实施例提供优点，特别是如果较软钢具有较佳的耐破裂性，例如较软钢具有比其它较硬钢高的韧性时。较软基材材料亦可具有较佳焊接性。此外，较软基材材料通常更容易制成待表面硬化的初始基材，且因此制造这些由较软钢构成的初始基材比制造由较硬钢构成的类似形状初始基材更便宜。

[0144] 应了解的是，在任一所披露的实施例中的外壳不一定需要紧密地符合该基材的精确形状。例如，该外壳可形成为可在例如尖端的角隅或角边缘的高磨损位置提供较大的厚度。类似地，在工具的基材上的特定位置可通过所得的表面硬化层产生“肋”或“叶片”。这些肋或叶片可有助于控制其中该组件可操作的研磨材料的流动，或导引受到所得复合耐磨工具撞击的土料的运动。

[0145] 亦应了解的是，除非另外明白地指出，否则对于在此的一实施例说明的任一特征、组件、结构、技术等可配合在此所述的任意其它实施例使用或利用。

[0146] 相信在此提出的内容包含具有独立实用性的多个不同的发明。虽然这些发明的每一个已以其较佳形式披露，但是因为可多种变化，所以如在此披露及显示的其特定实施例不应被视为有限制的意味。各例子界定在前述内容中披露的实施例，但是任一例子不一定包含可最后请求的所有特征及组合。当该说明述及“一”或“第一”组件或其等效物，该说明包括一或多个这些组件，不需要亦不排除两个或两个以上这些组件。此外，用于标记组件的一般标识，例如第一、第二或第三被用来区别这些组件，且除非另外特别声明，不表示需要或限制这些组件的数目，并且不表示这些组件的特定位置或顺序。