CN104797722B - 低碳钢和硬质合金耐磨部件 - Google Patents

Abstract

本公开内容涉及一种具有高耐磨性和强度的耐磨部件及其制造方法。该耐磨部件由与低碳钢合金浇铸的硬质合金粒子的复合体组成。该低碳钢合金具有对应于约0.1～约1.5重量百分比的碳当量C_当量＝重量％C+0.3(重量％Si+重量％P)的碳含量。在另一个实施方式中，该耐磨部件可以包含如下的主体，其具有设置在所述主体中的多个浇铸在低碳钢合金中的硬质合金粒子的嵌件。形成高耐磨、高强度的耐磨部件的方法包括如下步骤：通过用熔化的低碳钢合金对硬质合金粒子进行封装以浇铸硬质合金粒子与低碳钢合金的基质而形成多个硬质合金嵌件，该低碳钢合金具有约1‑1.5重量百分比的碳含量。用至少一层氧化保护/耐化学材料对所述多个硬质合金嵌件中的每个进行涂布。将所述多个嵌件直接固定在与耐磨部件的形状相对应的模具上。然后用熔化的低碳钢合金对所述硬质合金嵌件进行封装，从而浇铸硬质合金嵌件与低碳钢合金。

Description

低碳钢和硬质合金耐磨部件

技术领域

本公开内容涉及浇铸(cast)在低碳钢中的硬质合金(CC)粒子的具有独特产品设计和性能的耐磨部件(wear part)，和具有由浇铸的CC粒子和低碳钢制成的嵌件的耐磨部件。该复合材料概念尤其适用于在采矿和油气钻探中使用的钻头、岩石铣削工具、隧道掘进机刀具/阀盘(discs)、叶轮，以及在机械部件、仪器、工具等中使用的耐磨部件，和特别是在暴露于极大磨损的部件中使用的耐磨部件。

发明内容

一个实施方式的具有高耐磨性和强度的耐磨部件由与低碳钢合金浇铸的硬质合金粒子的复合体(compound body)组成，其中该低碳钢合金具有对应于约0.1～约1.5重量百分比的碳当量C_当量＝重量％C+0.3(重量％Si+重量％P)的碳含量。

另一个实施方式的形成高耐磨、高强度的耐磨部件的方法包括以下步骤：提供一些硬质合金粒子并且将所述硬质合金粒子放置在模具中。将熔化的低碳钢合金输送入模具中，所述低碳钢合金具有对应于约0.1～约1.5重量％的碳当量C_当量＝重量％C+0.3(重量％Si+重量％P)的碳含量。用熔化的低碳钢合金对硬质合金粒子进行封装以浇铸硬质合金粒子与低碳钢合金的基质。

提供又一个实施方式的具有高耐磨性和强度的耐磨部件。该耐磨部件包含如下主体(body)，其具有多个设置在所述主体中的浇铸在低碳钢合金中的硬质合金粒子的嵌件(insert)。所述低碳钢合金具有对应于约0.1～约1.5重量百分比的碳当量C_当量＝重量％C+0.3(重量％Si+重量％P)的碳含量。

此外另一个实施方式的形成高耐磨、高强度的耐磨部件的方法包括以下步骤：形成多个硬质合金嵌件，通过用熔化的低碳钢合金对硬质合金粒子进行封装从而浇铸硬质合金粒子与低碳钢合金的基质而形成所述嵌件，所述低碳钢合金具有约1～约1.5重量百分比的碳含量。用至少一层氧化保护/耐化学材料对多个硬质合金嵌件中的每个进行涂布。将多个嵌件直接固定在与耐磨部件的形状相对应的模具上。用熔化的低碳钢合金对硬质合金嵌件进行封装，从而浇铸硬质合金嵌件与低碳钢合金。

附图说明

本发明的这些和其它目的、特征、方面和优点将从与附图有关的以下具体实施方式变得更加显而易见，在所述附图中：

图1为本发明的硬质合金粒子、低碳钢合金基质的示例性微观结构。

图2为本发明的放大的微观结构。

图3为本发明的涂布的耐磨部件的横截面。

图4为在浇铸、硬化、退火和喷砂(blasting)后，根据本发明的方法制造的耐磨部件。

图5A和5B为用于耐氧化性试验的部件。

具体实施方式

本发明的一方面涉及将硬质合金粒子/体浇铸在低碳钢中从而制造具有提高的耐磨性性能的独特产品和设计。该复合材料尤其适用于在采矿和油气钻探中使用的钻头、岩石铣削工具、TBM刀具/阀盘、叶轮、滑动耐磨部件，以及在机械部件、仪器、工具等中使用的耐磨部件，和特别是在暴露于极大磨损的部件中使用的耐磨部件。应理解，本发明还考虑到其它产品或部件。本发明的其它方面在各个方面提供工具、钻头、岩石铣削工具、TBM刀具/阀盘、叶轮和滑动部件，其各自包含如在本文中描述的耐磨部件，合适地包含两个或更多个耐磨部件。

参照图1，所述耐磨部件的主体10包含硬质合金粒子12和低碳钢合金14的粘结剂。所述硬质合金粒子可以与低碳钢合金14进行浇铸。低碳钢合金具有对应于约0.1～约1.5重量百分比的碳当量C_当量＝重量％C+0.3(重量％Si+重量％P)的碳含量。

已知硬质合金粒子被用作耐磨材料并且可以使用多种技术形成。例如，硬质合金以块、破碎材料、粉末、压制体、粒子或一些其它形状存在。含有除粘结金属外的至少一种碳化物的硬质合金通常为可能添加有Ti、Ta、Nb或其它金属的碳化物的WC-Co-型，但含有其它碳化物和/或氮化物和粘结金属的硬质金属也可以是合适的。在特殊情况下，也可以使用纯的碳化物或其它硬质物(hard principle)，即无任何粘结相。根据耐磨应用，还可以由金属陶瓷代替硬质合金。金属陶瓷为通常在耐氧化性和耐腐蚀性要求高的耐磨部件中使用的较轻的金属基质材料。可以由另外的耐热合金例如Ni基合金、铬镍铁合金(Inconel)等代替所述低碳钢合金。

由于两种材料间热导率的差异，压碎的碳化物粒子的粒径(particle size)和含量将会影响钢的可湿性。在具有足够高比例钢水的预热模具中可以保持硬质材料与钢之间令人满意的润湿或冶金结合。

为了提供最好的耐磨性，优选所述CC粒子具有如下的粒度(granular size)：为了钢在CC粒子上的最好的可能的润湿，该粒度使得可获得关于钢与硬质合金粒子间热容量和热导率的良好平衡。CC粒子的体积大小应为约0.3cm³～约20cm³。

为了保持硬质复合材料的最好耐磨性，所述CC粒子应暴露在耐磨部件的表面处。因此，粒子的形状对于保持大的耐磨平面区域和对与钢基质的良好粘结是重要的。粒子的厚度应为约5mm～约15mm。

如在图1中所示，浇铸的硬质合金粒子(“CC粒子”)12被低碳钢合金14包围并封装从而形成基质。浇铸到低碳钢中的CC粒子与钢很好地匹配而无空隙。该钢的碳含量为约0.1～约1.5重量％的碳。在这一范围内的碳含量将使钢/合金的熔点上升到CC粒子中的粘结相的熔点之上。为了抑制CC粒子的溶出(dissolution)，用氧化铝对CC粒子进行涂布。

如将会在本文中进一步描述的，将熔化的低碳钢14与CC粒子12进行浇铸从而形成基质。参照图2，CC粒子12涂布有氧化铝的薄涂层16。优选用CVD涂布技术施加氧化铝的保护涂层，且如果被施加在另一个硬质涂层例如TiN、(Ti,Al)N、TiC)上，则涂层厚度应非常薄。优选CC粒子的氧化铝涂层的厚度为约1μm～约8μm。所述涂层可以有多层，特别是对于具有粘结相成分Ni的CC粒子，重要的是要具有例如TiN的预涂层(pre-layer)，从而可以施加氧化铝涂层。应理解，可以使用例如微波、等离子体、PVD等的其它涂布技术。

在浇铸工艺期间，氧化铝涂层16将会防止钢与CC反应且将CC的溶出限制在其中氧化铝涂层具有提供“渗漏”的孔的CC粒子部分。随着具有铁(Fe)成分的粘结相和来自钢的其它合金化元素例如Cr的合金化，受控的钢渗漏制成围绕CC粒子的表面区域18。在粒子的拐角处示出的中间反应区20被限制在钢中的其中氧化铝涂层中发现孔的部分。钢与CC粒子间体积膨胀系数的差异在CC粒子的周围提供了有利的压应力。在CC粒子外部区域中的粘结相的合金化也向CC例子的“核”提供了压应力。

由于所述氧化铝涂层，控制了CC的溶出且在钢与CC间的氧化铝涂层具有孔的地方形成表面区域18。该表面区域保持易碎硬质相(η相/M₆C碳化物，M＝W、Co、Fe和W合金的枝晶)的成分且不利于耐磨部件的耐磨性。只有一小部分CC在表面区域18、即CC粒子的其中氧化铝涂层中出现孔的约0.1mm～约0.3mm厚的区域处溶出。在氧化铝涂层与钢之间未观察到过渡“区域”。

可以通过已知的浇铸技术形成本发明的耐磨部件。可以将CC粒子放置在与期望的部件形状相对应的模具内。优选将CC粒子放置在模具中以使得其在所得耐磨部件的表面处。在这一位置，CC粒子暴露于空气。然后将熔化的低碳钢合金输送到模具中从而形成粒子和合金的基质。将浇铸基质加热到约1550℃～约1600℃。在浇铸后，可以对其进行如本领域中已知的硬化、退火和回火。

参照图3，具有主体10的耐磨部件22可以包含位于其中的多个CC嵌件24。如上所述，嵌件24由与低碳钢合金浇铸的硬质合金粒子形成。所述低碳钢合金具有对应于约0.1～约1.5重量百分比的碳当量C_当量＝重量％C+0.3(重量％Si+重量％P)的碳含量。

嵌件24包含防止氧化的涂层26。如上所述，涂层26由氧化铝例如Al₂O₃制成，且在不损害钢与CC粒子间的粘结的情况下与钢反应。

应将CC嵌件暴露在耐磨部件的表面处。因此，粒子的形状对于保持大的耐磨平面区域和对钢基质的良好粘结是重要的。嵌件的厚度应为约5mm～约15mm。

如上所述，在浇铸工艺期间，氧化铝涂层26将会防止钢与CC反应且将CC的溶出限制在其中氧化铝涂层具有提供“渗漏”的孔的CC嵌件部分。优选用CVD涂布技术施加氧化铝的保护涂层，且如果被施加在另一个硬涂层例如TiN、(Ti,Al)N、TiC)上，则涂层厚度应非常薄。优选CC嵌件的氧化铝涂层的厚度为约1μm～约8μm。所述涂层可以有多层，特别是对于具有粘结相成分Ni的CC嵌件，重要的是要具有例如TiN的预涂层，从而可以施加氧化铝涂层。可以通过CVD涂布技术或诸如等离子体、微波、PVD等的其它涂布技术施加所述涂层。

可通过已知浇铸技术形成一种实施方式的耐磨部件。可以将涂布的CC嵌件放置在与期望的部件形状相对应的模具内。可以将CC主体放置在模具中以使得其在所得耐磨部件的表面处。在这一位置，CC嵌件暴露于空气。然后将熔化的低碳钢合金输送到模具中从而形成粒子和合金的基质。将浇铸基质加热到约1550℃～约1600℃。在浇铸后，可以对其进行如本领域中已知的硬化、退火和回火。

由于所述氧化铝涂层的表面氧化保护，可以将所述CC嵌件直接地，即用螺丝、网、钉子等固定到模具的表面，而不需要钢熔体完全覆盖粒子/嵌件。这一技术使得可以直接形成例如具有匹配至钢体的CC嵌件或按钮的钻头。具有硬化、退火和回火的浇铸工艺已经显示，所述CC由于CC嵌件的氧化铝涂层而在耐磨部件中保存下来。

实施例1

通过由注浆成型(slip casting)浇铸完整工具而制造根据本发明的捣固工具(tamping tool)。完成的捣固工具具有钢轴和耐磨桨，该耐磨桨由具有28mm边长和7mm厚度的正方形硬质合金嵌件覆盖。该硬质合金嵌件通过常规粉末冶金技术制备，其组成为8重量％的Co和余量的具有1μm晶粒度(grain size)的WC。碳含量为5.55重量％。在920℃的CVD反应器中对烧结的硬质合金嵌件进行氧化铝涂布。在CVD工艺后，嵌件被具有4μm厚度的黑色氧化铝涂层完全覆盖。

用钉子将嵌件固定在用于制造捣固工具的模具中。将具有0.26％的C、1.5％的Si、1.2％的Mn、1.4％的Cr、0.5％的Ni和0.2％的Mo的组成的CNM85型钢熔化并将熔体倾倒入1565℃温度下的模具中。在空气冷却后，将齿轮(teeth)在950℃下标准化并且在1000℃下固化。在250℃下的退火是在将工具喷砂和磨削至其最终形状前的最后的热处理步骤。在完成的工具中，钢的硬度在45HRC与55HRC之间。

实施例2

在第二个试验中，尤其以岩石铣削为目标，将嵌件型岩石铣削刀具浇铸成一个半成品部件。各个铣削刀具具有四个硬质合金的切削刀片(cutting insert)，所述硬质合金具有12重量％Co的粘结相成分。剩余的为具有4μm晶粒度的WC。制造方法与以上的实施例1相同，且使用CNM85型钢体。在进行浇铸步骤之前，根据实施例1在CVD反应器中对硬质合金嵌件进行氧化铝涂布。在浇铸步骤前将嵌件直接压装入模具中。

在浇铸后，将轴磨削至岩石铣削刀具的完成尺寸。

实施例3

在第三个试验中，尤其以岩石铣削工具例如镐型工具(point attack tool)为目标，浇铸了如下的氧化铝涂布的硬质合金按钮(button)，其具有6重量％Co的粘结相成分，余量是晶粒度在8μm之间的WC。制造途径与实施例1相同，使用形成半成品部件的CNM85型钢的浇铸步骤。将配件部分磨削至镐型工具的完成形状。

对根据本公开内容制成的耐磨部件进行浇铸试验。图4显示高强度钢的铸件28，其具有CC嵌件24′且根据本发明在1565℃下浇铸、硬化、退火、回火和喷砂后制成。用螺丝直接将嵌件装至模具。

碳化物试样显示出在没有氧化的情况下良好的润湿。图4还显示CC嵌件24′不仅在浇铸处理后保存下来，而且CC嵌件的形状也在浇铸后保存下来。在右侧嵌件中的孔29源于螺丝，该螺丝在浇铸操作期间未幸免于氧化。该试验显示可以将CC嵌件应用于低碳钢的表面。结果显示，根据本发明的具有高强度和耐磨钢合金的硬质合金耐磨部件具有高的可靠性和强度，其耐磨性能与钢产品相比增加了10倍以上。

参照图5A和5B，对两个不同部件进行了试验：氧化铝涂布的试样(图5A)和TiN试样(图5B)。用两种类型的硬质涂层对相同类型的保持6％钴+WC的CC等级的试样进行完全涂布，以进行氧化试验。保持在CVD反应器中对嵌件的两种变体进行涂布。在氧化试验之前，对两个类型的嵌件进行完全涂布。

在920℃下5小时的氧化结果显示，氧化铝涂布的CC试样(图5A)未显示任何氧化。然而，TiN涂布的试样显示氧化。由此，浇铸的结果已经显示钢在氧化铝涂布的碳化物基底周围的良好润湿。

应理解，由于CC粒子/体的高氧化/耐化学性，所以保持低碳钢与CC粒子/体间的复合。通过在CC粒子/体上提供氧化铝涂层而保持高耐化学性。优选通过CVD涂布技术保持氧化铝涂层。也可以通过其它技术例如流化床中的PVD来施加涂层。

尽管本发明已经参考其特定实施方式进行了描述，但许多其它变化和修改以及其它用途对本领域的技术人员而言将变得显而易见。因此优选不是由本文中的具体公开内容、而是仅由所附权利要求书对本发明进行限定。

Claims (30)

1.一种具有高的耐磨性和强度的耐磨部件，其包含：

由与低碳钢合金浇铸的硬质合金粒子组成的主体，其中所述低碳钢合金具有对应于0.1～1.5重量百分比的碳当量C_当量＝重量％C+0.3(重量％Si+重量％P)的碳含量，

其中至少一个氧化保护涂层设置在所述硬质合金粒子上。

2.根据权利要求1所述的耐磨部件，其特征在于在浇铸期间通过所述低碳钢对所述主体的硬质合金粒子进行封装以形成基质。

3.根据权利要求1或2所述的耐磨部件，其特征在于所述硬质合金粒子具有如下粒度，所述粒度促进所述低碳钢合金与所述硬质合金粒子间的热容量和热导率的平衡，从而获得所述钢合金在所述硬质合金粒子上的最大润湿。

4.根据权利要求1或2所述的耐磨部件，其特征在于所述硬质合金粒子的体积为0.3cm³～20cm³。

5.根据权利要求1或2所述的耐磨部件，其特征在于所述至少一个涂层为氧化铝。

6.根据权利要求5所述的耐磨部件，其特征在于所述硬质合金粒子的氧化铝涂层的厚度为1μm～8μm。

7.根据权利要求1或2所述的耐磨部件，其还包含在所述硬质合金粒子上的多层涂层。

8.根据权利要求1或2所述的耐磨部件，其特征在于所述硬质合金粒子具有粘结相成分Ni。

9.根据权利要求1或2所述的耐磨部件，其还包含涂布所述硬质合金粒子上的在所述氧化铝涂层下的TiN的预涂层。

10.根据权利要求1或2所述的耐磨部件，其特征在于所述硬质合金粒子暴露在所述耐磨部件的表面处。

11.根据权利要求1或2所述的耐磨部件，其特征在于所述硬质合金粒子的厚度为5mm～15mm。

12.一种形成高耐磨、高强度的耐磨部件的方法，所述方法包括如下步骤：

提供一些硬质合金粒子；

用至少一层降低氧化的材料对所述硬质合金粒子进行涂布；

将所述硬质合金粒子放置在模具中；

将熔化的低碳钢合金输送入所述模具中，所述低碳钢合金具有1～1.5重量百分比的碳含量，以及

用所述熔化的低碳钢合金对所述硬质合金粒子进行封装以浇铸硬质合金粒子与低碳钢合金的基质。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于对所述硬质合金粒子进行涂布的步骤包括施加氧化铝层。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于所述涂布步骤包括对所述硬质合金粒子施加1μm～8μm厚度的氧化铝涂层。

15.根据权利要求12或13所述的方法，所述方法还包括在所述硬质合金粒子上施加多层涂层的步骤。

16.一种根据权利要求12～15中的任一项所述的方法制造的耐磨部件。

17.一种具有高的耐磨性和强度的耐磨部件，其包含：

主体；和

设置在所述主体中的多个与低碳钢合金浇铸的硬质合金粒子的嵌件，其中所述低碳钢合金具有对应于0.1～1.5重量百分比的碳当量C_当量＝重量％C+0.3(重量％Si+重量％P)的碳含量，

其中至少一个降低氧化的涂层设置在所述多个嵌件中的每个上。

18.根据权利要求17所述的耐磨部件，其特征在于在浇铸期间通过所述低碳钢对所述主体的硬质合金粒子进行封装以形成基质。

19.根据权利要求17或18所述的耐磨部件，其特征在于所述硬质合金粒子具有如下粒度，所述粒度促进所述低碳钢合金与所述硬质合金粒子间的热容量和热导率的平衡，从而获得所述钢合金在所述硬质合金粒子上的最大润湿。

20.根据权利要求17或18所述的耐磨部件，其特征在于所述硬质合金粒子的体积为0.3cm³～20cm³。

21.根据权利要求17或18所述的耐磨部件，其特征在于所述至少一个涂层为氧化铝。

22.根据权利要求21所述的耐磨部件，其特征在于所述多个嵌件中的每个的氧化铝涂层的厚度为1μm～8μm。

23.根据权利要求17或18所述的耐磨部件，所述耐磨部件还包含在所述多个嵌件的每个上的多层涂层。

24.根据权利要求17或18所述的耐磨部件，其特征在于所述多个嵌件暴露在所述耐磨部件的表面处。

25.根据权利要求17或18所述的耐磨部件，其特征在于所述嵌件的厚度为5mm～15mm。

26.一种形成高耐磨、高强度的耐磨部件的方法，所述方法包括如下步骤：

形成多个硬质合金嵌件，通过用熔化的低碳钢合金对硬质合金粒子进行封装以浇铸硬质合金粒子与低碳钢合金的基质而形成所述嵌件，所述低碳钢合金具有1～1.5重量百分比的碳含量；

用至少一层氧化保护材料对所述多个硬质合金嵌件中的每个进行涂布；

将所述多个嵌件直接固定在与所述耐磨部件的形状相对应的模具上；以及

用所述熔化的低碳钢合金对所述硬质合金嵌件进行封装，从而浇铸所述硬质合金嵌件与所述低碳钢合金。

27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于对所述硬质合金嵌件进行涂布的步骤包括施加氧化铝层。

28.根据权利要求26或27所述的方法，其特征在于所述涂布步骤包括对所述硬质合金嵌件施加1μm～8μm厚度的氧化铝涂层。

29.根据权利要求26或27所述的方法，所述方法还包括在所述硬质合金嵌件上施加多层涂层的步骤。

30.一种根据权利要求26～29中的任一项所述的方法制造的耐磨部件。