CN1812863B - 钢构件及其表面硬化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种对钢构件进行表面硬化方法，其中将包括焊接合金基质和硬微粒物质的硬化表面通过焊接附着在铸件上。在某些实施方式中，所述基质可以具有与铸件相似的组成，并且在其它实施方式中，所述硬微粒可以为球形和/或基本为球形，或者具有基本均匀的尺寸。本发明还描述了在通过焊接将硬化表面附着在铸件上之后对铸件进行硬化和回火的方法。在表面硬化后通过热处理对铸件进行硬化和回火。在一个实施方式中，经表面硬化的铸件通过加热至超过钢的奥氏体化温度的温度而进行热处理，然后在水性溶液中通过淬火冷却，随后进行回火。在一个实施方式中在对该铸件进行表面硬化之前将钢铸件在约550℃～约700℃的温度下进行回火。

Description

钢构件及其表面硬化方法
技术领域
本发明涉及钢构件和对该钢构件进行表面硬化的方法，特别是本发明涉及对在使用中经受磨损的铸钢产品或煅钢产品进行表面硬化的方法，并且将主要对该内容进行描述。本发明的方法可以在用于各种矿业、铁路和工业目的的经表面硬化的钢构件的生产中使用。
背景技术
在铁路材料、采矿工具和设备以及工业机械中所使用的铸钢部件或煅钢部件常常会经受过度磨损和过早磨损。制造这些部件的钢通常根据其易得性和成本效率来选择，而不是必须根据最佳强度、硬度和耐磨损性或耐磨耗性来选择。某些钢合金具有无助于在需要高强度、高耐冲击性和减少磨损的应用中使用的混合微观结构。
对于“硬化表面”标准级钢铸部件或钢煅部件而言，已知可通过将包括诸如碳化钨颗粒等硬颗粒的材料基质焊接到部件的表面上以提供材料的硬化外层。所使用的典型的碳化物是源自预粉碎的刀具和刀头的低成本材料，并且具有任意的粒径和形状。在传统的表面硬化过程中进行焊接后，最靠近焊接层的钢部件区域通常受到热影响，并且作为在焊接过程中所施加热量的结果，可能会具有不同的金属微观结构。部件的表面因而会变脆并缺乏韧性和耐冲击性。钢部件与外部硬化表面间的裂纹会在负荷下扩展。
发明内容
在第一方面中本发明提供了一种对钢构件进行表面硬化的方法，该方法包括将硬化表面附着在所述构件上的步骤，所述硬化表面包括焊接合金基质和位于所述基质中的硬微粒物质，所述基质可以通过焊接附着在所述构件上，其中所述基质具有与构件相似的组成。
如果焊接基质合金具有与构件相同或相似的组成，则发现硬化表面和构件间存在更好的结合，同时具有相似的金属微观结构。
在第二方面中本发明提供了一种对钢构件进行表面硬化的方法，该方法包括将硬化表面附着在所述构件上的步骤，所述硬化表面包括焊接合金基质和位于所述基质中的硬微粒物质，所述基质可以通过焊接附着在所述构件上，其中所述硬微粒为球形和/或基本为球形且具有基本均匀的尺寸。
如果硬微粒的尖端从硬化表面的表面上突出，则可能会导致这些颗粒的破损或碎裂并且还会导致焊接基质可能的磨损，这会增大硬化表面的磨损速率。尺寸均匀的颗粒使得硬化表面的焊接基质中的硬颗粒具有更好的堆积密度，从而即使是有，也是极少的颗粒从硬化表面的表面上突出，因而限制了焊接基质可能的磨损或破损。
当在此使用术语“钢构件”时，它包括任何铸钢产品或任何类型的煅钢产品，煅钢产品是在加热的同时通过锻造或其它的机械成型方法成形的。该产品广泛包括具有多种形状和尺寸的部件，例如钢筋、钢板、钢钎、钢轭、钢接头、挖土机铲斗、切削齿等。
在将硬化表面附着在构件上的步骤之后，通过热处理对经表面硬化的构件进行硬化和回火。
在一个实施方式中对经表面硬化的构件进行硬化和回火包括通过以下步骤对构件进行硬化的步骤：
-将构件加热至超过钢的奥氏体化温度的温度；和
-通过将其在水性溶液中淬火来冷却该构件；
随后通过以下步骤进行将构件回火的步骤：
-将该构件加热至适宜的回火温度；和
-冷却该构件。
通过在焊接步骤之后进行硬化和回火热处理步骤，可以再次改变钢构件的金属微观结构从而使得构件本身的微观结构不会脆化。在位于构件中最靠近焊接处的部位的受到热影响的区域中特别是如此。奥氏体化温度和回火温度根据下文将详细描述的钢构件的化学组成而进行选择。
通常构件的硬化是通过将其加热至超过奥氏体化温度而进行的，加热时间为根据该构件的厚度计算得到的最小时间间隔。
在一个实施方式中构件的硬化温度约为900℃～1000℃，并且，加热后，将该构件在水性溶液中淬火直至冷却至室温。
通常构件的回火是通过在回火温度下加热来进行的，加热时间为根据该构件的厚度计算得到的最小时间间隔。
在一个实施方式中回火温度的范围为约200℃～约650℃，并且该构件在回火后通过在水性溶液中淬火进行冷却，直到冷却至室温。
在一个实施例中微粒物质包括粒径为约0.5mm～约5mm的颗粒。硬微粒物质可以是经烧结的碳化钨，或替代性地该硬微粒物质是粗结晶(或铸造)碳化钨。
在第三方面中本发明提供了一种处理钢构件的方法，该方法包括下列步骤：
-将硬化表面附着在构件上，该硬化表面包括焊接合金基质和位于所述基质中的硬微粒物质，所述基质可以通过焊接附着在构件上，并且所述硬微粒为球形和/或基本为球形；
随后对经表面硬化的构件进行硬化和回火，将构件硬化的步骤通过以下步骤进行：
-在约为900℃～1000℃的温度下，将构件加热至超过钢的奥氏体化温度的温度，加热时间为根据构件厚度计算得到的最小时间间隔；和
-通过在水性溶液中淬火冷却该构件；
随后通过以下步骤进行将构件回火的步骤：
-将该构件加热至适宜的回火温度；和
-冷却该构件。
在第四方面中本发明提供了一种处理钢构件的方法，该方法包括下列步骤：
-将硬化表面附着在构件上，该硬化表面包括焊接合金基质和位于
所述基质中的硬微粒物质，可以通过焊接将所述基质附着在所述构件上，并且所述硬微粒具有基本均匀的尺寸；
随后对经表面硬化的构件进行硬化和回火，将构件硬化的步骤通过以下步骤进行：
-在约为900℃～1000℃的温度下，将构件加热至超过钢的奥氏体化温度的温度，加热时间为根据构件厚度计算得到的最小时间间隔；和
-通过在水性溶液中淬火冷却该构件；
随后通过以下步骤进行将构件回火的步骤：
-将该构件加热至适宜的回火温度；和
-冷却该构件。
在第五方面中本发明提供了一种处理钢构件的方法，该方法包括下列步骤：
-将硬化表面附着在构件上，该硬化表面包括焊接合金基质和位于所述基质中的硬微粒物质，可以通过焊接将所述基质附着在所述构件上，并且所述硬微粒为球形和/或基本为球形；
随后对经表面硬化的构件进行硬化和回火，将构件硬化的步骤通过以下步骤进行：
-将构件加热至超过钢的奥氏体化温度的温度；和
-通过在水性溶液中淬火冷却构件；
随后通过以下步骤进行将构件回火的步骤：
-在约200℃～约650℃的温度下，将该构件加热至适宜的回火温度，加热时间为根据构件厚度计算得到的最小时间间隔；和
-冷却该构件。
在第六方面中本发明提供了一种处理钢构件的方法，该方法包括下列步骤：
-将硬化表面附着在构件上，该硬化表面包括焊接合金基质和位于所述基质中的硬微粒物质，可以通过焊接将所述基质附着在所述构件上，并且所述硬微粒具有基本均匀的尺寸；
随后对经表面硬化的构件进行硬化和回火，将构件硬化的步骤通过以下步骤进行：
-将构件加热至超过钢的奥氏体化温度的温度；和
-通过在水性溶液中淬火冷却构件；
随后通过以下步骤进行将构件回火的步骤：
-在约200℃～约650℃的温度下，将该构件加热至适宜的回火温度，加热时间为根据构件厚度计算得到的最小时间间隔；和
-冷却该构件。
如果涉及加热，则钢构件靠近其表面的区域的金属微观结构可以通过附着步骤而改变，并且可以在构件中得到受到热影响的区域。通过在硬化表面附着步骤之后进行硬化和回火热处理步骤，可以改变邻近所得硬化表面的钢构件的金属微观结构，从而使之不会脆化和劣化。水性淬火是一种快速方式，用于将金属微观结构充分转化为马氏体，并用于限制向非优选的微观结构的不完全转化，以及用于避免形成与回火脆性有关的不理想性质。诸如油或均匀的大气等其它类型的冷却流体无法像水性溶液那样快速或均匀地从铸件中移走热量。
在第七方面中本发明提供了一种处理钢构件的方法，该方法包括下列步骤：
-在对构件进行表面硬化之前在约550℃～约700℃的温度下通过下述步骤对构件进行回火：
-将硬化表面附着在构件上，该硬化表面包括焊接合金基质和位于所述基质中的硬微粒物质，可以通过焊接将所述基质附着在所述构件上；随后
-通过热处理对构件进行硬化和回火。
在表面硬化之前进行的构件的回火是在高于合金钢的回火脆性区的温度下进行的，所述合金钢含有一定量的镍、铬和锰金属，回火脆性区的温度通常为300℃～500℃。在约550℃～约700℃的范围内的回火温度同样高于在现有技术的方法中所使用的约250℃～350℃的焊前回火温度。发明人发现，在此更高的温度范围内构件的软化增加，与在较低回火温度或者预热温度下所达到的效果相比，该温度范围令人惊异地使金属粒子结构的精炼更加优异，并且对残余应力的修正效果更好。在一个优选实施方式中，在表面硬化前所使用的回火温度为约600℃～约650℃。
在一个实施方式中，如第七方面中所定义的处理钢构件的方法，在表面硬化之后可以具有其它方面如第一方面或第二方面中所定义的硬化和回火步骤。
在一个实施方式中，硬化表面可能包括焊接合金基质和位于基质内的硬微粒物质，所述焊接合金基质可以通过焊接附着在构件上，其中所述基质的组成与构件相似。
在另一个实施方式中，硬化表面可能包括焊接合金基质和位于基质内的硬微粒物质，所述焊接合金基质可以通过焊接附着在构件上，其中所述硬微粒为球形和/或基本为球形。
在再一个实施方式中，硬化表面可能包括焊接合金基质和位于基质内的硬微粒物质，所述焊接合金基质可以通过焊接附着在构件上，其中所述硬微粒具有基本均匀的尺寸。
在第八方面中本发明提供了通过下述方法进行表面硬化的钢构件，所述方法包括将硬化表面附着于构件的步骤，所述硬化表面包括焊接合金基质和位于所述基质中的硬微粒，所述焊接合金基质可以通过焊接附着在构件上，其中所述基质具有与所述构件相似的组成。
在第九方面中本发明提供了通过下述方法进行表面硬化的钢构件，所述方法包括将硬化表面附着于构件的步骤，所述硬化表面包括焊接合金基质和位于所述基质中的硬微粒，所述焊接合金基质可以通过焊接附着在构件上，其中所述硬微粒为球形和/或基本为球形并且具有基本均匀的尺寸。
在一个实施方式中，第八方面或第九方面的钢构件可以具有其它方面如第一方面或第二方面中所定义的基质和/或硬微粒。
在第十方面中本发明提供了用包括下列步骤的方法处理过的钢构件：
-将硬化表面附着在构件上，该硬化表面包括焊接合金基质和位于
所述基质中的硬微粒物质，可以通过焊接将所述基质附着在所述构件上，并且所述硬微粒为球形和/或基本为球形；
随后对经表面硬化的构件进行硬化和回火，将构件硬化的步骤通过以下步骤进行：
-在约为900℃～1000℃的温度下，将构件加热至超过钢的奥氏体化温度的温度，加热时间为根据构件厚度计算得到的最小时间间隔；和
-通过在水性溶液中淬火冷却该构件；
随后通过以下步骤进行将构件回火的步骤：
-将该构件加热至适宜的回火温度；和
-冷却该构件。
在第十一方面中本发明提供了用包括下列步骤的方法处理过的钢构件：
-将硬化表面附着在构件上，该硬化表面包括焊接合金基质和位于所述基质中的硬微粒物质，可以通过焊接将所述基质附着在所述构件上，并且所述硬微粒具有基本均匀的尺寸；
随后对经表面硬化的构件进行硬化和回火，将构件硬化的步骤通过以下步骤进行：
-在约为900℃～1000℃的温度下，将构件加热至超过钢的奥氏体化温度的温度，加热时间为根据构件厚度计算得到的最小时间间隔；和
-通过在水性溶液中淬火冷却该构件；
随后通过以下步骤进行将构件回火的步骤：
-将该构件加热至适宜的回火温度；和
-冷却该构件。
在第十二方面中本发明提供了用包括下列步骤的方法处理过的钢构件：
-将硬化表面附着在构件上，该硬化表面包括焊接合金基质和位于所述基质中的硬微粒物质，可以通过焊接将所述基质附着在所述
构件上，并且所述硬微粒完全为球形和/或基本为球形；
随后对经表面硬化的构件进行硬化和回火，将构件硬化的步骤通过以下步骤进行：
-将构件加热至超过钢的奥氏体化温度的温度；和
-通过在水性溶液中淬火冷却构件；
随后通过以下步骤进行将构件回火的步骤：
-在约200℃～约650℃的温度下，将该构件加热至适宜的回火温度，加热时间为根据构件厚度计算得到的最小时间间隔；和
-冷却该构件。
在第十三方面中本发明提供了用包括下列步骤的方法处理过的钢构件：
-将硬化表面附着在构件上，该硬化表面包括焊接合金基质和位于所述基质中的硬微粒物质，可以通过焊接将所述基质附着在所述构件上，并且所述硬微粒具有基本均匀的尺寸；
随后对经表面硬化的构件进行硬化和回火，将构件硬化的步骤通过以下步骤进行：
-将构件加热至超过钢的奥氏体化温度的温度；和
-通过在水性溶液中淬火冷却构件；
随后通过以下步骤进行将构件回火的步骤：
-在约200℃～约650℃的温度下，将该构件加热至适宜的回火温度，加热时间为根据构件厚度计算得到的最小时间间隔；和
-冷却该构件。
在第十四方面中本发明提供了用包括下列步骤的方法处理过的钢构件：
-在对构件进行表面硬化之前在约550℃～约700℃的温度下通过下述步骤对构件进行回火：
-将硬化表面附着在构件上，该硬化表面包括焊接合金基质和位于所述基质中的硬微粒物质，可以通过焊接将所述基质附着在所述构件上；随后
-通过热处理对构件进行硬化和回火。
在一个实施方式中硬化和回火步骤的其它方面如第一方面、第二方面或第七方面所定义。
在一个实施方式中基质和/或硬微粒的其它方面如第一方面、第二方面或第七方面所定义。
具体实施方式
本发明提供了钢铸件或铸钢产品的表面硬化方法，该方法包括将表面硬化材料焊接到铸件上，随后进行热处理以对经表面硬化的铸件进行硬化和回火的步骤。
为制备铸件，通常在电弧炉将具有预定组成的合金钢熔融，并通常在大于1500℃的温度下浇注至铸模中，该温度的选择取决于浇注(pour)数和铸件的剖面尺寸。铸造用合金钢的一个实施方式所具有的组成包括以重量百分比计约为＜0.5％的碳；约为＜1.2％的锰；＜2.0％的硅；＜3.0％的镍；＜2.5％的铬和＜1.0％的钼。该合金钢的其余成分是铁和其它的附带成分或痕量杂质。
在本发明的任何实施方式中，一旦冷却后，则将金属铸件在900℃～1000℃的温度下、通常在约为930℃～950℃的温度下在炉中进行热处理(或“正火”)并持续一段时间(取决于铸件厚度，通常超过0.5小时～2小时)，随后进行一段时间的空气冷却。
然后将该铸件回火以获得所需的机械性质(强度和延展性)。为达到此目的，将铸件置于冷炉(低于250℃)中并升高炉温。在一个实施方式中，通过将铸件在用空气冷却后加热至约为600℃～650℃的回火温度而进行回火，尽管取决于铸件，约550℃～约700℃的回火温度也是可以接受的。然后使该回火温度持续的时间为根据铸件厚度计算得到的最小时间间隔，在一个实施方式中该时间间隔为大于6小时，然后再将铸件用空气冷却。
范围是550℃～700℃的回火温度高于在已知的现有技术方法中所使用的回火温度，在所述方法中在回火后将硬化表面焊接至铸件表面。在该类型的已知的现有技术中，回火温度(或预加热)通常为250℃～350℃。由于注意到约300℃～500℃的温度范围处于含有一定量的镍、铬和锰金属的合金钢的回火脆性区，发明人惊奇地发现，在使用高于该范围的回火温度后，铸件所增加的软化使其具有更均匀的性质并生产出更优异的铸件，并随后对该铸件施用表面硬化材料。因此所得的表面硬化产品也比任何以前所知的经表面硬化的钢铸件更优异。
在该方法的另一实施方式中，所选组成不同的熔融钢可以在不同的温度下正火和回火。这些加热阶段用于在即将进行的将硬化表面焊接至铸件上的步骤及硬化和回火的热加工步骤之前进行粒子结构的精炼、均化和残余应力的修正。
然后将铸件预加热(如果回火后已过了一段时间)或者在回火后立即用空气冷却至约200℃～270℃的温度，并进行表面硬化步骤。优选将铸件预热至该焊接用温度范围以避免冷裂。在一个即将被详细描述的实施方式中，将悬浮在焊接基质池中的包含碳化钨颗粒的表面硬化材料通过机器人MIG电焊机施用至钢铸件的表面，所述电焊机具有安装在其上的进料斗，碳化钨颗粒由该进料斗流入。根据所需的碳化物分布，将颗粒以预定的计量速率加入焊接基质池。在焊接过程中，正在进行表面硬化的铸件用夹具或其它夹持装置固定并且***作员或机器人进行旋转或操纵。在某些实施方式中已发现，机器人有助于在各个产品上施加一致的表面硬化。
当控制操作参数以使碳化钨颗粒(或其它硬颗粒)在焊接熔池中的溶解最小时，可以得到最佳的表面硬化结果。碳化物的过度溶解可能会降低硬化表面在使用中的抗磨损性效果，还对焊接合金基质具有有害影响，这是因为高浓度的碳和钨会导致硬化表面的脆化和寿命缩短。因此操作员对焊接设备的物理参数和碳化物(或其它硬颗粒)的物理特性均应认真控制。
在与所得硬化表面的质量有关的焊接设备的物理参数方面，重要的控制变量包括焊接安培数和电压，电焊机相对于待表面硬化的铸件或锻件产品的表面的移动速度和喷嘴距离。电焊机电极相对于表面的角度也是控制变量。在焊接合金基质方面，所使用的焊条的类型和敷设熔焊(weld weave)的宽度、深度和速度也可以影响所得的硬化表面。在硬颗粒的输送方面，可以控制进料速度。所选择的硬颗粒的物理特性，例如粒径、碳化物类型等，也很重要，下面将对此进行更详细的描述。
在表面硬化方法的一个实施方式中，将安培数控制在200～400安培的范围内。在使用该范围内的较高的安培数的需求与其对碳化钨颗粒溶解的作用间存在折衷方案。安培数越大，则焊接熔池中的热量越多且焊接基质的沉积速率越高，因此表面硬化材料的可能的生产率越高。然而，焊接熔池中的热量过多具有使碳化钨的溶解程度更大并生成′eta′-碳化钨(W2C)的趋势，所述′eta′-碳化钨是不理想且更脆的形态。
焊接熔池中的某些控制热量的精炼可以通过在较高的电压下使用较窄的焊条直径来进行。在一个优选实施方式中，在MIG电焊机中使用1.6mm直径的固体钢焊条。但是现已表明直径在1.2mm～2.4mm范围内的焊条也是合适的。通常，在该范围内，宽度更窄的焊条在焊接过程中产生较少的热量从而降低碳化钨的溶解、分布和脆化而同时仍允许使用较高范围的安培数以获得焊接基质的更快的沉积速率。
在某些实施方式中，焊条可以是具有与被表面硬化的母体铸件相似组成的合金钢条，从而能更好地与母体铸件的硬化特性相匹配。如果焊接基质具有与铸件本身相似的组成，例如如果焊条和铸件均具有这样的组成，即当进行随后的硬化和回火时可转变成大量的马氏体微观结构的组成，则有可能在硬化表面和铸件间具有更好的粘合并具有相似的微观结构。
在一个实施方式中，电焊机所用的电压为18V～35V，选择该电压用于焊条的最佳预热。
在一个实施方式中，电焊机相对于铸件的移动速度为160mm/min～380mm/min，该速度主要取决于所铺设的焊接基质带的焊接物或焊料的宽度。焊接的焊料宽度保持在优选的范围内以便使焊接的固化特征和基质中的硬颗粒的溶解/分布最优化。在一个实施方式中，焊接的焊料宽度的优选操作范围是10mm～25mm，一个优选实施方式的焊料宽度为16mm。类似地，焊接的焊料高度的优选操作范围是4mm～12mm，在最优选的实施方式中，焊料高度为6mm～7mm。当焊接基质和硬颗粒的铺设使得焊接的焊料变得过宽时，会导致低质量的硬化表面。
在一个实施方式中，碳化钨从位于距电焊机电弧约4mm～10mm的喷嘴沉积到熔融的焊接熔池中。如果碳化钨过于靠近加热的电弧，则对其溶解具有不利作用。在一个实施方式中，电焊机电极与垂直方向所成的角度为0°～40°。电极的角度可以控制渗入待表面硬化的基底铸件的热量，同时可以提供接近受限空间或表面的灵活性。
基于粒径和MIG电焊机所选取的安培数来选择将硬颗粒加入至焊接熔池的进料速率。在碳化钨的情况中，使颗粒在计量下加入焊接熔池以便在焊接沉积物中获得碳化物的最佳体积分数和分布。在一个实施方式中，碳化钨以0.25Kg/min～1.35Kg/min的速率加入焊接熔池。
传统的表面硬化方法中使用来自刀头、刀具末端等回收的硬金属。发明人发现使用该回收材料会导致硬颗粒在所得的焊接基质中的不均匀分布，并且发现使用球形和/或基本为球形的硬颗粒是优选的。据推测这是因为硬颗粒的任何尖锐末端可以从硬化表面的表面突出，这可导致这些颗粒的破损和焊接基质的可能的磨损或破损，这些破损或磨损反过来又会增加硬化表面的磨损速率。
例如，在本发明的一个实施方式中，表面硬化材料包括诸如经烧结的碳化钨等微粒物质。经烧结的碳化钨具有高纯度、仅存在一种形式的碳化物并通常具有低水平的钴结合剂。该性质在熔池中提供了可靠的行为。在另一个实施方式中，发明人发现粗晶碳化钨(WC)是高纯度形式的碳化钨，其在熔池中展示出了优异的抗溶解性。与其它碳化物相比，已经观察到这种形式的碳化物改善了再沉淀特征，所述再沉淀特征有助于加强基质的微观结构。
在所使用的碳化钨颗粒的粒径方面，发明人已经发现在一些实施方式中直径为约0.5mm～约5mm的碳化钨颗粒尺寸最令人满意。与本领域已知的范围相比，这是碳化物材料的更粗且更宽的可能的尺寸范围，在本领域中使用的碳化物的粒径范围在宽度上通常为约0.7mm～约1.5mm。在所选取的尺寸范围内，可能因而降低碳化钨颗粒在焊接基质中的溶解速率，并改善了在焊接基质中的堆积密度。
在一些实施方式中，现已发现在该粒径范围内使用具有基本均匀尺寸(例如，所有的直径都为3.0mm)的碳化钨颗粒能够进一步改善在硬化表面的焊接基质中的硬颗粒的堆积密度。最佳硬颗粒尺寸的选取要考虑最终经表面硬化构件的使用需求。在优选实施方式中，作为溶解在熔池中的结果，所选取的尺寸范围要考虑允许减小碳化钨颗粒的横截面。
发明人还发现使用球形或基本为球形的硬颗粒可以改善那些颗粒在焊接基质中的填充。现已发现由于只有很少的这些颗粒具有可能从硬化表面的表面突出的边缘，并且由于可以由基质更完全地保护(supported)硬颗粒的表面，因此限制了焊接基质在使用中可能的磨损或破损。
除了经烧结的碳化钨或粗晶碳化钨以外的硬物质也在本发明的范围之内，诸如碳化铬和碳化钛。
一旦硬化表面设置好后，对铸件进行后加热至超过约200℃。然后通过热处理对该铸件进行硬化和回火。首先将该铸件加热至超过钢的奥氏体化温度(AT)的温度进行硬化。AT取决于所选取的铸件的组成并按下式计算：
AT(℃)＝[910]-[203×sqrt(％C)]-[15.2×％Ni]+[44.7×％Si]
+[104×％V]+[31.5×％Mo]
其中，sqrt为平方根
在一个实施方式中，将铸件硬化的温度约为900℃～930℃，将铸件在该温度下加热的时间为根据铸件厚度计算得到的最小时间间隔。在一个实施方式中最小时间间隔约为2小时。更长的停留时间是考虑了特别厚的铸件的最大穿透加热。在其它的实施方式中可以将铸件加热至略高的温度(直至约1000℃)并在该温度下保持较短的时间间隔，尽管这可能会导致最终产品中并非最佳的微观结构(例如大粒度、差的机械性质)。
然后将该铸件在水性溶液中淬火直至冷却，优选冷却至室温。在低于约150℃～180℃的温度下，金属微观结构将基本转变为马氏体(例如，不会出现不完全转变为贝氏体)。然后将铸件从淬火液中取出以使应力裂纹最小化。诸如油或均匀的大气等其它类型的冷却流体无法像水性溶液那样快速或均匀地从铸件中移走热量。
然后合金钢铸件需要回火以得到所需的机械性质(强度和延展性)。将铸件置于冷炉(低于250℃)中并升高炉温。在本发明的回火过程的实施方式中，然后通过加热至约为200℃～650℃的回火温度对经硬化的钢进行回火。在一个实施方式中将铸件加热至550℃并持续一段时间，然后用水进行淬火冷却。在另一实施方式中将铸件加热至约250℃并持续一段时间，然后进行空气冷却。回火温度和随后的铸件冷却方法的选择取决于铸件母体材料所需的最终硬度。
维持在回火温度的时间为根据铸件的厚度计算得到的最小时间间隔。在一个实施方式中将铸件维持在最终回火温度的时间为以其最宽点处计每英寸铸件厚度维持2小时的时间。例如将6英寸厚的铸件回火12小时。在该过程的另一实施方式中，具有不同所选组成的钢可以在不同的温度下回火。
钢的回火是将碳原子在马氏体晶格中再分布并降低钢的应力和脆性的过程。通常在钢的强度和延展性之间的达到最佳平衡以便使钢具有各个所需性质。非常脆的钢缺乏韧性并且当施加负荷时会发生破损。
对于回火后对铸件进行淬火的步骤，水淬火是使铸件尽可能快地通过冶金脆性转化区(约位于300℃～500℃之间)以避免形成与回火脆性有关的不理想性质的快速冷却方法。通常用于对铸件进行淬火的水性溶液为20℃～30℃。如果将在高达约500℃～600℃的温度下回火的铸件进行空气冷却，则铸件的某种脆性可能会因铸件的不均匀冷却速率而增加，而在水性淬火中不会出现这种情况。
执行这些热处理步骤以在铸件微观结构中得到理想的冶金结果。尽管通过将硬材料焊接至铸件的外层部分对钢铸件进行表面硬化是众所周知的，但在过去这通常是在硬化和回火热处理步骤之后进行。靠近铸件表面的铸件区域的金属微观结构可以被焊接过程所改变，形成热影响区。发明人在焊接步骤之后进行硬化和回火热处理步骤，结果显示可以改变铸件的微观结构从而使得铸件本身的微观结构不会变脆，而是变得与铸件的其余部分相似。热影响区中不具有脆性的铸件部分几乎不可能经历裂纹蔓延，因而几乎不可能最终导致表面硬化层和母体铸件的破损。
发明人惊奇地发现，当铸件经历了硬化和回火过程的极端温度梯度时，例如如上所述当通过加热至钢的奥氏体化温度以上的温度对铸件进行硬化并随后在水性溶液中通过淬火快速冷却时，焊接到钢铸件上的表面硬化层不会破裂。事实上热影响区中的铸件的金属微观结构的转化有助于将表面硬化层粘合到铸件上。
本发明的经表面硬化的钢构件的优异的耐磨损性可能在同时需要高强度和高耐冲击性的采矿和工业应用中具有重大价值。根据应用，可以安排本发明的硬化和回火步骤以制造具有任何适宜的机械规格的钢产品。所述方法并不局限于钢铸件，可以应用于任何类型的钢或合金钢构件。
可以理解的是，如果此处参考了任何现有技术的信息，则该参考并不是承认了所述信息在澳大利亚或任何其它国家构成了该领域中通用的普通知识的一部分。
在本发明所附的权利要求和前面的说明书中，除了上下文因表述语言或必要含义而需要其它含义以外，单词“包括”或其变体诸如其单数形式或动名词形式以包含的意思使用，即，在本发明的各种实施方式中，确定规定所声明特征的存在，但并不排除其它特征的存在或附加有其它特征。
在参考优选实施方式对本发明进行描述的同时，应当理解本发明能够以许多其它形式实施。

Claims (22)

1.一种对合金钢构件进行处理的方法，该方法包括以下步骤：
通过焊接将硬化表面附着在所述构件上，所述硬化表面包括焊接合金基质和位于所述基质中的硬微粒，所述硬微粒为球形且具有0.5mm～5mm的基本均匀的尺寸，由此所述钢组成和结构在除了结合至所述合金基质的微粒之外的从所述基质材料延伸入所述钢构件的整个焊接区是基本均匀的；
将所述构件加热至奥氏体化温度之上，
将所述构件在水性溶液中淬火来获得马氏体结构，和
将所述构件回火和冷却所述构件；
由此提供经表面硬化的钢构件；和
其中所述钢构件和所述基质各自包括选自具有以下重量百分比组成的钢的合金钢：
＜0.5％的碳
选自以下的合金元素；
＜1.2％的锰
＜2.0％的硅
＜3.0％的镍
＜2.5％的铬
＜1.0％的钼，
其余成分为铁、附带成分和痕量杂质；
所述合金元素以充分的量存在，以产生具有可硬化性特征的合金钢构件。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述硬微粒基本为球形。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述构件的硬化是通过将其加热至超过奥氏体化温度来进行的，加热时间为根据该构件的厚度计算得到的最小时间间隔。
4.如权利要求1所述的方法，其中对所述构件进行硬化的温度为900℃～1000℃。
5.如权利要求1所述的方法，其中将所述构件在水性溶液中淬火直至所述构件冷却至室温。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述构件的回火是通过将其加热至回火温度来进行的，加热时间为根据所述构件的厚度计算得到的最小时间间隔。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述回火温度为200℃～650℃。
8.如权利要求6所述的方法，其中回火后，通过在水性溶液中淬火对所述构件进行冷却直至所述构件冷却至室温。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述硬微粒选自经烧结的碳化钨和粗晶碳化钨之一。
10.如权利要求1所述的方法，该方法还包括在对所述构件进行表面硬化之前在550℃～700℃的温度下对所述构件进行回火的步骤。
11.如权利要求10所述的方法，其中在表面硬化之前所使用的回火温度为600℃～650℃。
12.如权利要求1所述的方法，其中在焊接硬化表面前，在900℃～1000℃的温度下对所述构件进行正火。
13.如权利要求1所述的方法，其中所述基质具有与所述构件基本相同的组成。
14.如权利要求1所述的方法，其中焊接通过MIG焊接实现，并且已经将受控供给的硬微粒施用至焊接基质的熔池。
15.如权利要求14所述的方法，其中焊接以基本避免所述硬微粒在熔融基质池中溶解的方式实现。
16.如权利要求14所述的方法，其中相对于所述基质的移动速度和组成来控制施加至所述MIG电焊机的电源电流和电压，以基本避免所述硬微粒的溶解。
17.如权利要求1所述的方法，其中所述硬微粒包括碳化钨，所述方法包括控制熔融基质的温度以基本消除eta-碳化钨的形成。
18.如权利要求1所述的方法，其中在900℃～1000℃的温度下对所述构件进行正火，在焊接前：
回火温度为600℃～650℃；
焊接后奥氏体化温度为900℃～1000℃，回火温度为200℃～650℃；
所述硬微粒为0.7mm～1.5mm并具有碳化钨；和
所述焊接使用MIG焊接进行。
19.一种钢构件，该钢构件具有铸造基底和硬化表面，所述硬化表面包括位于焊接至所述基底上的基质中的硬微粒，除了所述微粒之外的延伸入所述基底的整个焊接区具有基本均匀的结构，所述基底和所述硬化表面各自为选自具有以下组成的钢的合金钢：
＜0.5％的碳；
选自以下的合金元素：
＜1.2％的锰；
＜2.0％的硅；
＜3.0％的镍；
＜2.5％的铬；
＜1.0％的钼；
其余成分为铁、附带成分和痕量杂质；
所述合金元素以充分的量存在，以产生具有可硬化性特征的合金钢；
所述硬微粒为球形且具有0.5mm～5mm的基本均匀的尺寸，
所述钢构件具有符合以下的结构：将所述构件加热至奥氏体化温度之上，对所述构件进行水淬火以产生马氏体结构，对所述构件进行回火和冷却所述构件。
20.如权利要求19所述的构件，其中所述微粒为0.7mm～1.5mm.
21.如权利要求20所述的构件，其中所述微粒具有碳化钨。
22.一种钢构件，该钢构件产生有硬化表面并具有通过权利要求1～18中任一项所述的方法产生的结构。
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