CN103917692A - 用于在金属表面上形成耐磨损层的方法 - Google Patents
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Abstract
用于形成以冶金学方式结合到一个金属基底的表面的至少一部分上的一个耐磨损层的方法总体上可以包括：邻近于该金属基底的表面定位多个硬质颗粒、并且用一种金属粘结剂材料浸润这些硬质颗粒以形成以冶金学方式结合到该表面上的一个耐磨损层。在该方法的某些实施例中，浸润温度可以是比该金属粘结剂材料的液相线温度高出50C至100C。该耐磨损层可以形成在例如该金属基底的外表面和/或内表面上。还描述了相关的耐磨损层和制品。
Description
技术背景
技术领域
本申请总体上涉及用于在金属制品（即，基底）的表面上形成耐磨损层的方法。这些耐磨损层可以针对由磨蚀、撞击、侵蚀、腐蚀和/或热所造成的磨损提供耐受性。
技术背景说明
耐磨损材料可以作为涂层来施加以保护金属基底不由于机械、化学和/或环境条件而退化。例如，对金属基底进行涂覆或表面硬化的方法可以涉及将一种硬质耐磨损材料施加至该金属基底的表面上以减少由磨蚀、撞击、侵蚀、腐蚀和/或热所造成的磨损。可以采用多种常规方法来将耐磨损材料施加至金属基底的表面上。例如在表面硬化中，可以将一个耐磨损层焊接至金属基底的表面上。在另一种方法中，在升高的温度下使用粘稠糊剂（通常处于柔性片材或布的形式）将耐磨损层施加至金属基底的表面上。常规的耐磨损材料可商购自例如肯纳金属公司（KennametalInc.）（以商标名CONFORMA CLAD）、Innobraze有限责任公司（以商品名BRAZECOAT）、Gremada工业公司（以商品名LASERCARB）。这些耐磨损材料可以施加至受到磨损的物体上，例如挤出机、容器、齿轮箱、轴承、压缩机、泵、管道、管线、模口、阀、反应器皿、以及采矿和土方工程设备的部件。
用于将耐磨损材料施加至金属基底表面上的常规方法可能受到以下一项或多项限制：常规的耐磨损材料可能难以使用常规的涂覆方法涂覆至某些金属基底的内表面和几何形状复杂的表面上；常规方法可能限制了耐磨损层的厚度和覆盖面积；耐磨损材料的可能组成可能受到限制，因为许多常规的涂覆方法需要材料在涂覆过程中完全融化；并且常规的涂覆方法可能是耗时的且昂贵的。
因此，有利的是提供用于将耐磨损材料涂覆至金属基底的表面上的改进方法。
概述
根据本披露的一个非限制性方面是针对一种用于在金属基底上形成耐磨损层的方法。该方法总体上可以包括：邻近于该金属基底的表面的至少一个区域定位多个硬质颗粒、并且用一种金属粘结剂材料浸润这些硬质颗粒以形成以冶金学方式结合到该金属基底表面上的一个耐磨损层。在该方法的某些非限制性实施例中，浸润温度可以是比该金属粘结剂材料的液相线温度高出50℃至100℃。在该方法的某些非限制性实施例中，浸润时间可以小于一（1）小时。在该方法的某些非限制性实施例中，该耐磨损层可以形成在该金属基底的外表面和/或内表面上。在该方法的某些非限制性实施例中，其中该耐磨损层可以具有从1mm至100mm的厚度。该耐磨损层不是通过焊接或表面硬化而形成的。
根据本披露的另一个非限制性方面是针对包含用一种金属粘结剂材料浸润的硬质颗粒并且以冶金学方式结合到一个金属基底表面的至少一个区域上的一种耐磨损层。在某些非限制性实施例中，该金属基底包括以下各项中的一者：钢、镍、镍合金、钛、钛合金、铝、铝合金、铜、铜合金、钴、和钴合金、以及它们的组合。在某些非限制性实施例中，该金属粘结剂材料包括以下各项中的至少一者：铜、铜合金、铝、铝合金、铁、铁合金、镍、镍合金、钴、钴合金、钛、钛合金、镁、镁合金、青铜、和黄铜。在某些非限制性实施例中，硬质颗粒包括以下各项中的至少一者：碳化物颗粒、氮化物颗粒、硼化物颗粒、硅化物颗粒、氧化物颗粒、以及包含碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和氧化物中至少二者的固溶体的颗粒。在某些非限制性实施例中，这些硬质颗粒具有的固相线温度比该金属粘结剂材料的液相线温度高出了至少50℃。在某些非限制性实施例中，该耐磨损层包括10至90体积百分比的这些硬质颗粒。
根据本披露的另外的非限制性方面是针对一种制品，该制品包含根据本披露的、被布置在该制品的表面的至少一个区域上的一个耐磨损层。在某些非限制性实施例中，该制品可以是以下之一：管道、管子、阀、阀部件、法兰、轴承、钻头尖、钻地钻头尖、模口、容器、在土方工程设备中使用的零件或部件、或用于在石油/天然气勘探中使用的泥浆马达的径向轴承。根据本披露的制品的一个具体的非限制性实施例是用于传导磨蚀性和/或腐蚀性流体的管道，其中根据本披露的耐磨损层被布置在该管道的内表面的、与被传导通过该管道的流体相接触的至少一个区域上。
根据本披露的一个另外的非限制性方面是针对通过在金属表面的至少一个区域上提供一个根据本披露的耐磨损层来改善该金属表面的该区域对磨蚀、冲击、侵蚀、腐蚀和热中的至少一者的耐受性的一种方法。
应理解的是，在本说明书中披露和描述的发明不局限与在概述部分中所描述的这些实施例。
附图的简要说明
在此描述的各个非限制性实施例可以通过考虑以下结合一个或多个附图进行的说明而被更好地理解。
图1是展示了用于形成根据本披露的耐磨损层的方法一个非限制性实施例的流程。
图2是一个截面视图，展示了用于形成根据本披露的耐磨损层的方法一个非限制性实施例的多个方面。
图3A和3B是展示了用于形成根据本披露的耐磨损层的方法的多个非限制性实施例的多个方面的截面视图。
图4是展示了用于形成根据本披露的耐磨损层的方法非限制性实施例的多个方面的一个截面视图。
图5-8是展示了根据本披露的不锈钢管的多个非限制性实施例的照片，该不锈钢管包括在内表面上包括一个耐磨损层。
图9是展示根据本披露的不锈钢管的一个非限制性实施例的照片，该不锈钢管在其内表上具有一个耐磨损层，该耐磨损层包括被青铜合金（按重量计为78%的铜、10%的镍、6%的锰以及6%的锡）浸润的铸造碳化物（WC+W2C）颗粒。
图10是展示了根据本披露的不锈钢管的一个非限制性实施例的照片，该不锈钢管在其内表上包括一个耐磨损层，该耐磨损层包括被青铜合金（按重量计为78%的铜、10%的镍、6%的锰以及6%的锡）浸润的碳化硅颗粒。
图11是展示了根据本披露的不锈钢管的一个非限制性实施例的照片，该不锈钢管在其内表上包括一个耐磨损层，该耐磨损层包括被黄铜合金（按重量计为53%的铜、15%的镍、24%的锰以及8%的锌）浸润的铸造碳化物（WC+W2C）颗粒。
图12是展示了根据本披露的不锈钢管的一个非限制性实施例的照片，该不锈钢管在其内表上包括一个耐磨损层，该耐磨损层包括被黄铜（按重量计为53%的铜、15%的镍、24%的锰以及8%的锌）浸润的碳化钨颗粒。
在考虑了以下对根据本披露的不同的非限制性且非排他性的实施例的说明后，读者将理解前述的细节以及其他内容。
说明
本披露描述了用于形成耐磨损层的多种方法的不同实施例的特征、方面以及优点。然而应理解的是，本披露还涵盖了通过将在此描述的这些不同实施例的不同特征、方面和/或优点以本领域普通技术人员可能认为有用的任何组合或子组合的方式进行组合而可以实现的众多替代性实施例。这样的组合或子组合旨在被包含在本说明书的范围之内。这样，可以对权利要求进行修改以便叙述在本披露中明确地或固有地描述出的、或明确地或固有地得到本披露的支持的任何特征或方面。进一步，诸位申请人保留对权利要求进行修改以肯定地放弃可能在现有技术中存在的任何特征或方面的权利。因此，任何这样的修改都符合35U.S.C.§112第一段和35U.S.C.§132(a)的要求。在本说明书中披露和描述的这些不同实施例可以包括在此不同地进行描述的这些特征和方面、由这些特征和方面组成、或主要由这些特征和方面组成。
除非另外指出，否则在此所述的所有数量都是近似的。相应地，当未明确叙述时，可以推断出词语“约”。在此披露的这些数量应被理解为并非严格局限于所叙述的精确数值。而是，除非另外指出，否则在本披露中包含的每个数值都旨在表示所叙述的值以及该值周围的一个功能等效的范围二者。尽管在此陈述了数量的近似值，但在实际测量值的具体实例中描述的数量是尽可能准确地报告的。
在此陈述的所有数值范围都包括其中所包含的所有子范围。例如，范围“1至10”旨在包括在所叙述的最小值1与所叙述的最大值10之间的并且包含这两个值的所有子范围。在此叙述的任何最大数字极限旨在包括所有较小的数字极限。在此叙述的任何最小数字极限旨在包括所有较大的数字极限。
在以下说明中，列出某些细节是为了提供对不同实施例的更好理解。然而，本领域技术人员将理解的是，这些实施例可以在没有这些细节的情况下实施。在其他例子中，与实施这些不同实施例的方法相关联的普遍已知的结构、方法和/或技术可能没有被详细示出或说明，以避免不必要地妨碍对这些不同实施例的其他细节的说明。
如在此普遍使用的，冠词“该”、“一个/一种（a/an）”是指一个或多个所要求保护的或所说明的事项。
如在此普遍使用的，术语“包含（include/includes/including）”是指非限制性的。
如在此普遍使用的，术语“具有”（have/has/having）是指非限制性的。
参照图1，在根据本披露的不同的非限制性实施例中，一种用于在金属基底的表面的至少一个区域上形成耐磨损层的方法总体上包括：邻近于该金属基底的表面定位多个硬质颗粒、并且用一种金属粘结剂材料浸润这些硬质颗粒以形成以冶金学方式结合到该金属基底的表面上的一个耐磨损层。该耐磨损层可以保护该金属基底的表面的整体或一个区域不受因为磨蚀、撞击、侵蚀、腐蚀和热中的一者或多者所造成的磨损。在多个实施例中，用于改善金属表面对磨蚀、撞击、侵蚀、腐蚀和热中的至少一者的耐受性的方法总体上可以包括在该金属基底的表面的至少一个区域上提供该耐磨损层。
在此描述的用于提供耐磨损层的方法的某些实施例可能具有超越传统方法的优点。此类优点可以包括但不限于：能够提供以下耐磨损层：位于内表面和具有复杂几何形状的表面上；具有更大的厚度并且覆盖更大的面积；不受该金属基底的地形的限制；具有广泛的组成；和/或是通过更快和/或更低廉的涂覆方法。这些方法采用浸润来来提供这些耐磨损层并且因此从根本上不同于通过采用焊接和/或表面硬化的涂覆技术的方法。
该金属基底以及其上被提供了耐磨损层的这个表面可以是例如金属或金属合金。在某些非限制性实施例中，该金属基底可以包括以下各项中的一者：铸铁、钢（例如，碳钢或不锈钢）、镍、镍合金、钛、钛合金、铝、铝合金、铜、铜合金、钴、钴合金、以及包含它们的组合的合金。在某些非限制性实施例中，该金属基底可以是一个制品的一部分或一个区域，该制品是例如：挤出机、齿轮箱、压缩机、泵、反应器皿、容器、管道、管子、阀、阀部件、法兰、轴承、钻头尖、钻地钻头尖、模具、模口、在采矿或土方工程设备中使用的零件或部件、或用于在石油/天然气勘探中使用的泥浆马达的径向轴承。在至少一个非限制性实施例中，该制品可以包括一个用于传导磨蚀性或腐蚀性流体或其他材料的管道，并且根据本披露的耐磨损层可以被布置在该管道的内表面的、与被输送通过该管道的流体或其他材料相接触的至少一个区域上。这些材料和流体可以是例如但不限于：热的腐蚀性材料；炉渣或焦炭颗粒；石油生产设施中的液体；焦油砂；或油砂。
在不同的非限制性实施例中，这些硬质颗粒可以占该耐磨损层的至少10体积百分比，例如像至少25体积百分比、至少50体积百分比、至少75体积百分、至少80体积百分比、至少85体积百分比、10至90体积百分比、25至75体积百分比、或25至70体积百分比。在某些非限制性实施例中，这些硬质颗粒可以包括以下各项中的至少一者：碳化物颗粒、氮化物颗粒、硼化物颗粒、硅化物颗粒、氧化物颗粒、以及包含碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和氧化物中至少二者的固溶体的颗粒。在某些非限制性实施例中，这些硬质颗粒可以包括至少一种过渡金属的碳化物颗粒，该至少一种过渡金属是选自：钛、铬、钒、锆、铪、钽、钼、铌以及钨。
在根据本披露的方法的不同的非限制性实施例中，这些硬质颗粒可以包括烧结的粘结碳化物（sintered cemented carbide）颗粒。这些烧结的粘结碳化物颗粒可以包括例如被分散在一种连续粘结剂中的颗粒，该颗粒包含至少一种选自周期表的第IVB族、第VB族和第VIB族中的金属的碳化物，该连续粘结剂包括钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者。在某些非限制性实施例中，这些烧结的粘结碳化物颗粒可以包括以下颗粒，该颗粒含有60至98重量百分比的至少一种选自周期表的第IVB族、第VB族和第VIB族中的金属的碳化物以及2至40重量百分比的连续粘结剂。该连续粘结剂任选地可以包括至少一种添加剂，该至少一种添加剂是选自：钨、铬、钛、钒、铌和碳，其浓度为直至该添加剂在该连续粘结剂中的溶解度极限的任何水平。这些烧结的粘结碳化物颗粒的连续粘结剂还可以任选地包括选自硅、硼、铝、铜、钌和锰中的至少一种添加剂。
在不同的非限制性实施例中，这些硬质颗粒可以包括金属粉末和金属合金粉末中的至少一者。在至少一个非限制性实施例中，这些硬质颗粒可以包括一种铸造碳化钨粉。在另一个非限制性实施例中，这些硬质颗粒可以包括一种单晶碳化钨粉。在又另一个非限制性实施例中，这些硬质颗粒可以包括一种碳化硅粉。在该方法的某些非限制性实施例中，这些硬质颗粒具有0.1至200微米的平均粒度，例如像1至200微米、0.3至8微米、0.3至10微米、0.5至10微米、1至10微米、5至50微米、10至100微米、或10至150微米.然而，将理解的是，这些硬质颗粒可以具有适用于提供通过本披露的方法所产生的耐磨损层的任何平均粒度。
在本披露的方法中使用的金属粘结剂材料可以包括例如以下各项中的至少一者：铜、铜合金、铝、铝合金、铁、铁合金、镍、镍合金、钴、钴合金、钛、钛合金、镁、镁合金、青铜、和黄铜。在至少一个非限制性实施例中，该金属粘结剂材料包括主要由78重量百分比的铜、10重量百分比的镍、6重量百分比的锰、6重量百分比的锡和附带杂质组成的一种青铜。在另一个非限制性实施例中，该金属粘结剂材料包括主要由53重量百分比的铜、24重量百分比的锰、15重量百分比的镍、8重量百分比的锌和附带杂质组成的一种青铜。该金属粘结剂材料任选地进一步包括选自下组的至少一种降低熔点的成分，该组由以下各项组成：硼、硼化物、硅、硅化物、铬和锰。在某些实施例中，这些粘结剂材料是选自铜基合金、镍基合金、和钴基合金并且包括选自硼、硅和铬中的至少一种降低熔点的成分。
在不同的某些非限制性实施例中，该耐磨损层可以形成在该金属基底的内表面上。参照图2，用于形成以冶金学方式结合到金属基底的内表面上的一个耐磨损层的方法总体上可以包括：在金属基底20的表面附近定位一个芯轴10以在该芯轴10与该金属基底20的表面之间限定一个空隙30；邻近于该金属基底20的表面定位多个硬质颗粒40；并且用一种金属粘结剂材料50浸润这些硬质颗粒40以形成以冶金学方式结合至该表面上的耐磨损层。例如，该金属基底20、硬质颗粒40、以及金属粘结剂材料50可以包括在此描述的这些不同的金属基底、硬质材料和金属粘结剂材料的任何组合。该方法可以包括在该空隙30中定位这些硬质颗粒40的一个均质层。该方法可以进一步包括邻近于这些硬质颗粒40的该均质层并且邻近于该芯轴10定位该金属粘结剂材料50的一个均质层。替代地，该方法可以包括邻近于该芯轴10定位这些硬质颗粒40与该金属粘结剂材料50的一个非均质层。
在不同的非限制性实施例中，该方法可以包括邻近于该金属基底20的表面定位一个漏斗60。该漏斗60可以被配置成用于接收这些硬质颗粒40和/或金属粘结剂材料50。该漏斗60可以被配置成用于接收该金属粘结剂材料50的一个均质层。该方法可以包括在该芯轴10与该金属基底20之间的空隙30中定位这些硬质颗粒40的一个均质层并且在该芯轴10与该漏斗60之间的空隙30中定位该金属粘结剂材料50的一个均质层。在不同的实施例中，该方法可以包括：在用该金属粘结剂材料浸润该金属基底之后，分离该漏斗60与金属基底20。
空隙30可以是任何合适的尺寸以便提供一个具有所希望厚度的耐磨损层。在不同的非限制性实施例中，该空隙可以具有恒定的尺寸。在某些实施例中，该空隙可以是1mm至250mm，例如像小于40mm、小于25mm、1mm至100mm、1mm至50mm、1mm至20mm、1mm至10mm、3mm至10mm、或3mm至8mm。在不同的非限制性实施例中，该空隙可以具有变化的尺寸。例如，该空隙可以具有在该芯轴的第一区域处的第一尺寸以及在该芯轴的一个或多个其他区域处的多个不同尺寸。在某些实施例中，该空隙可以具有在该芯轴与该金属基底之间的第一尺寸，并且该空隙可以具有在该芯轴与该漏斗之间的第二尺寸。如图2所示，例如，该空隙的宽度在该芯轴与该金属基底之间可以是恒定的，并且该空隙的宽度在该漏斗与该金属基底之间可以是变化的。
该芯轴可以具有必要的任何恒定的或变化的截面形状以提供适合于被配置成产生具有所希望厚度和轮廓的耐磨损层的一个空隙。该芯轴的截面形状可以包括例如圆形、环形、椭圆形、卵形、多边形、平行四边形、长方形、正方形、梯形、三角形以及它们的任何组合。如图2所示，在至少一个实施例中，该芯轴可以具有梯形的截面形状。如图3A所示，在至少一个实施例中，该芯轴可以具有六边形的截面形状。如图3B所示，在至少一个实施例中，该芯轴可以具有为不规则多边形（阶梯状外形）的截面形状。在不同的实施例中，该芯轴可以包括一个石墨插塞。在某些实施例中，该芯轴可以具有任何合适的形状和尺寸并且包括任何合适的金属合金，该金属合金具有比该方法中使用的浸润温度高出至少100℃的固相线温度。在另外的其他实施例中，该芯轴包括一种陶瓷材料（例如像，氧化铝、碳化硅或氮化硼），该陶瓷材料具有比该方法中使用的浸润温度高出至少100℃的固相线温度。如所指出的，该芯轴的截面形状在该芯轴上的不同位置中可以是不同的，以提供一个具有适当配置的耐磨损层。
在不同的非限制性实施例中，该耐磨损层的截面形状与该金属基底的截面形状可以是相同的或不同的。如以上所述，该耐磨损层的厚度可以是与该芯轴的截面形状和该空隙相关联的。在不同的实施例中，在不同的点处该芯轴的截面形状和该空隙可以被配置成用于提供具有以下截面形状的耐磨损层，该截面形状是选自以下的一种形状：例如圆形、椭圆形、卵形、多边形、平行四边形、长方形、正方形、梯形和三角形。如图5和6所示，在不同的非限制性实施例中，该耐磨损层的截面形状可以与该金属基底的截面形状相同。在图5和6中，该耐磨损层具有圆形的截面形状并且该金属基底同样具有圆形的截面形状。如图3A和3B所示，在其他非限制性实施例中，该耐磨损层的截面形状可以与该金属基底的截面形状不同。在图3A中示出了横截面的部分（左边部分）中，该耐磨损层具有六边形的内部截面形状并且该金属基底具有圆形的截面形状。在图3A中示出了纵截面的部分（右边部分）中，该耐磨损层具有不规则多边形（阶梯状外形）的截面形状并且该金属基底具有长方形的截面形状。
在不同的实施例中，该耐磨损层的轮廓与被涂覆的表面的轮廓可以相同或可以不相同。如以上所述，施加耐磨损层的常规方法是视线法，其中该耐磨损层的轮廓与被涂覆的表面的轮廓是大致相同的。相反，在本披露的方法的不同的非限制性实施例中，该一个或多个耐磨损层的轮廓可以不同于被涂覆的表面的轮廓。例如，如图3A的横截面所示，该耐磨损层的轮廓可以是六边形的，而该金属基底的轮廓可以是圆形的。如图3A的纵截面所示，该耐磨损层的轮廓可以是不规则的多边形（阶梯状外形），而该金属基底的轮廓可以是长方形的。在不同的非限制性实施例中，本方法可以包括提供一个具有合适的截面形状和/或轮廓的芯轴以便提供一个具有所希望轮廓的耐磨损层。例如，该芯轴可以向金属基底的具有圆形轮廓的内表面提供一个具有螺纹轮廓的耐磨损层。
在不同的实施例中，该耐磨损层的厚度可以小于、等于或大于该金属基底的厚度。在某些非限制性实施例中，该耐磨损层的厚度可以是例如1mm至250mm，例如像小于40mm、小于25mm、1mm至100mm、1mm至50mm、1mm至20mm、1mm至10mm、或0.3mm至10mm。在至少一个实施例中，该耐磨损层的厚度可以大于100mm。在至少一个实施例中，该耐磨损层的厚度可以大于25mm。如图6所示，在不同的实施例中，该耐磨损层80的厚度可以大于该金属基底20的厚度。
在不同的非限制性实施例中，该耐磨损层可以形成在该金属基底的外表面上。参照图4，用于形成以冶金学方式结合到金属基底的外表面上的一个耐磨损层的方法的一个非限制性实施例总体上可以包括：将该金属基底20布置在模具70中以便在该模具70与该金属基底20的外表面之间限定一个空隙30；在该模具70中邻近于该金属基底20的外表面定位多个硬质颗粒40；并且用一种金属粘结剂材料（未示出）浸润这些硬质颗粒40以便形成以冶金学方式结合到该外表面上的一个耐磨损层。该方法可以包括将这些硬质颗粒40的一个均质层定位在该空隙30中。该方法可以进一步包括在模具70中邻近于这些硬质颗粒40的该均质层定位该金属粘结剂材料的一个均质层。在不同的实施例中，该方法可以进一步包括邻近于该金属基底20定位一个漏斗60。如以上所述，该漏斗60可以被配置成用于接收这些硬质颗粒40和/或金属粘结剂材料。该方法可以包括在漏斗60中定位该金属粘结剂材料的均质层的至少一部分。
如以上所述，在不同的非限制性实施例中，该空隙可以是任何合适的尺寸以便提供一个具有所希望厚度的耐磨损层。该空隙可以具有恒定的尺寸或变化的尺寸。在某些非限制性实施例中，该芯轴与该金属基底的表面之间的空隙可以是1mm至250mm，例如像小于40mm、小于25mm、1mm至100mm、1mm至50mm、1mm至20mm、以及1mm至10mm。例如，当该制品和芯轴被定位在一个模具中时，该空隙可以包括在该模具的第一区域处的第一尺寸以及在该模具的一个或多个其他区域处的多个不同尺寸。在采用了漏斗的某些实施例中，该空隙可以包括在该模具与该金属基底之间的第一尺寸、以及在该金属基底与该漏斗之间的第二尺寸。
在根据本披露的方法的不同的非限制性实施例中，该模具的截面形状和尺寸可以包括任何合适的形状和尺寸以便提供适用于形成具有所希望形状和厚度的耐磨损层的一个空隙。该模具的截面尺寸可以是以上所述的芯轴截面尺寸和轮廓的任何组合。该模具的截面形状可以包括例如圆形、环形、椭圆形、卵形、多边形、平行四边形、长方形、正方形、梯形、三角形以及它们的任何组合。如图4所示，在至少一个实施例中，该模具可以是长方形。在不同的实施例中，该模具可以包括一个石墨模具。在某些实施例中，该模具包括任何合适的金属合金，该金属合金具有比该方法中使用的浸润温度高出至少100℃的固相线温度。在另外的其他实施例中，该模具包括一种陶瓷材料（例如像，氧化铝、碳化硅或氮化硼），该陶瓷材料具有比该方法中使用的浸润温度高出至少100℃的固相线温度。更一般地，该模具可以包括可以被包含在本披露的方法的某些实施例中使用的芯轴之中的任何合适的材料。
在不同的实施例中，该耐磨损层的截面形状与该金属基底的截面形状可以是相同的或不同的。该耐磨损层的厚度可以是与该模具的截面形状和该模具与该金属基底之间的空隙相关联的。在不同的非限制性实施例中，该模具的截面形状和该空隙可以被配置成用于提供以下耐磨损层，该耐磨损层具有例如在此描述的这些截面形状和轮廓中的任何一种，例如像圆形、椭圆形、卵形、多边形、平行四边形、长方形、正方形、梯形和三角形。同样如以上所提出的，在不同的实施例中，该耐磨损层的轮廓与该被涂覆的表面的轮廓可以相同或可以不相同。本方法的不同的非限制性实施例可以包括提供一个具有合适的截面形状和/或轮廓的模具以便在被布置于该模具中的金属基底（制品）上提供一个具有所希望轮廓的耐磨损层。例如，该模具可以在一个金属基底的具有圆形轮廓的外表面上提供一个具有螺纹轮廓的耐磨损层。
在不同的实施例中，用该金属粘结剂材料浸润这些硬质颗粒可以包括在浸润温度下进行浸润。在特定的非限制性实施例中，该浸润温度可以在700℃直至1350℃的范围内。对于该方法的某些非限制性实施例，例如粘结剂是铝或铝基合金的非限制性实施例而言，浸润温度范围可以是700℃至850℃。对于粘结剂是铜或铜基合金的方法的某些非限制性实施例而言，浸润温度范围可以是1000℃至1250℃。对于粘结剂是镍或镍基合金并且包括较少量的硼、硅、和/或铬的方法的某些非限制性实施例而言，浸润温度范围可以是1200℃至1400℃。可以将该金属基底（制品）和/或该金属粘结剂材料保持在该浸润温度下以便熔化该金属粘结剂材料并且允许它浸润这些硬质材料之间的孔隙。例如，在某些非限制性实施例中，浸润温度可以是比该金属粘结剂材料的液相线温度高出50℃至100℃。在该方法的某些实施例中，这些硬质颗粒可以具有比该金属粘结剂材料的液相线温度高出至少50℃的一个固相线温度。而且在该方法的某些实施例中，该金属粘结剂材料可以具有比该金属基底的液相线温度高出至少200℃的一个液相线温度。这些硬质颗粒的熔化温度可以大于该金属粘结剂材料的熔化温度。在某些非限制性实施例中，该基底材料具有范围从1350℃至1600℃的固相线温度，这取决于涉及的具体合金体系（例如，钢、钛、镍、或钴基合金）。在某些非限制性实施例中，这些硬质颗粒的熔点温度的范围是从1600℃至3500℃，这取决于这些硬质材料的组成。例如，基于碳化钨的硬质颗粒可以具有处于2800℃至3500℃的范围内的熔化温度，而氧化铝和碳化硅硬质材料可以具有处于1800℃至2500℃的范围内的熔化温度。该方法可以包括将该金属基底在大于该金属粘结剂材料的熔化温度并且小于这些硬质颗粒的熔化温度的一个温度下加热小于一小时。在该方法的某些其他实施例中，该方法可以包括将该金属基底在大于该金属粘结剂材料的熔化温度并且小于这些硬质颗粒的熔化温度的一个温度下加热一小时或更久。
在不同的实施例中，用该金属粘结剂材料浸润这些硬质颗粒包括将这些硬质颗粒分散在该金属粘结剂材料中。将这些硬质颗粒分散在该金属粘结剂材料中可以包括使该金属粘结剂材料的一个均质层熔化并且使熔化的金属粘结剂材料流到这些硬质颗粒之间的孔隙中。例如，当图2中所示的金属粘结剂材料的均质层被加热至浸润温度（该温度至少是与该金属粘结剂材料的液相线温度一样高）时，融化的金属粘结剂材料可以在重力作用下流进这些硬质颗粒之间的孔隙中。在不同的实施例中，将这些硬质颗粒分散在该金属粘结剂材料中可以包括使该金属粘结剂材料在这些硬质颗粒与金属粘结剂材料的一个非均质层中熔化并且使熔化的金属粘结剂材料流到这些硬质颗粒之间的孔隙中。在不同的实施例中，用该金属粘结剂材料浸润这些硬质颗粒可以包括用该金属粘结剂材料来润湿这些硬质颗粒。
在不同的非限制性实施例中，该方法可以包括：在用该金属粘结剂材料浸润该金属基底之后，冷却该耐磨损层。可以将相对小的制品放在一个绝热室中以缓慢冷却并且抑制热开裂。在没有或没有辅助冷却的情况下，能允许较大的制品在室温下冷却。本领域的普通技术人员将能够确定用于特定的制品和耐磨损层的合适的冷却方案。
在不同的非限制性实施例中，该方法可以包括：在用该金属粘结剂材料浸润这些硬质颗粒之后，通过车削、铣削、钻削和放电机加工中的至少一种来移除该芯轴和/或漏斗。在不同的实施例中，浸润温度可以大于该芯轴的分解温度。例如，用该金属粘结剂材料浸润这些硬质颗粒可能使该芯轴汽化。在不同的实施例中，该方法可以包括将该漏斗和模具之一与该金属基底分离。可以检查该制品并且如果希望的话可以按照需要进一步加工该制品以去除任何氧化皮和/或在该耐磨损层上提供所希望的表面光洁度。
实例
当结合以下代表性实例来阅读时将更好地理解在此说明的不同实施例，这些代表性实例是仅出于展示的目的来提供的而不是作为对本披露或所附权利要求的范围的限制。
实例1
图9是展示一种不锈钢（类型304）管的一张图像，该不锈钢管包括在该不锈钢管的内表面上通过根据本披露的方法的一个实施例形成的一个耐磨损层。由石墨机加工出一个包括圆柱形插塞的芯轴。该插塞的外直径比该不锈钢管的内直径小了约12.7mm。该插塞的长度与该不锈钢管的长度大致相等。将该插塞放在该不锈钢管中，并且在该石墨插塞与该不锈钢管之间的空隙中布置铸造碳化钨粉（WC+W2C）形式的硬质颗粒。将一个石墨漏斗置于该组件的顶上。在该漏斗中放置一种包含青铜（按重量百分比计，78%铜、10%镍、6%锰、和6%锡）的金属粘结剂材料的球粒。该青铜粘结剂材料的液相线温度是约1050℃。由该插塞、不锈钢管、硬质颗粒、漏斗和金属粘结剂材料构成的组件的总体安排在图2中示意性地以截面展示出。可以将该组件定位在处于1100℃至1200℃范围内的温度下的一个经预热的炉（包含空气气氛）中。在这个实例中，将该组件定位在处于约1180℃的温度下的经预热的炉中持续约40分钟。炉内的温度超过了青铜的液相线温度、但低于这些碳化钨颗粒的固相线温度，后者是大于3000℃。这些青铜球粒被融化并且浸润了这些铸造碳化钨粉颗粒之间的孔隙。将该不锈钢管（现在包含一个由分散在青铜粘结剂基质中的碳化钨颗粒形成的耐磨损层）和该芯轴冷却到大约室温并且通过机加工和/或喷丸进行清洁。将该芯轴脱除或机加工除去，并且通过研磨来去除过剩材料。图9展示了在不锈钢管20与耐磨损层80之间的冶金学结合区域的微结构。如图9中所示，包括位于青铜粘结剂（区域80中的暗区）中的碳化钨（区域80中的亮区）的这个碳化钨-青铜耐磨损层80以冶金学方式被结合到不锈钢管20的内表面上。
实例2
图10是展示一种不锈钢（类型304）管的一张图像，该不锈钢管包括在该不锈钢管的内表面上通过根据本披露的方法的一个实施例形成的一个耐磨损层。由石墨机加工出一个包括圆柱形插塞的芯轴。该插塞的外直径比该不锈钢管的内直径小了约12.7mm。该插塞的长度与该不锈钢管的长度大致相等。将该插塞放在该不锈钢管中，并且在该石墨插塞与该不锈钢管之间的空隙中布置具有约250μm的平均粒度的碳化硅颗粒形式的硬质颗粒。将一个石墨漏斗置于该组件的顶上。在该漏斗中放置一种包含青铜（按重量百分比计，78%铜、10%镍、6%锰、和6%锡）的金属粘结剂材料的球粒。由该插塞、不锈钢管、硬质颗粒、漏斗和金属粘结剂材料构成的组件的总体安排在图2中示意性地以截面展示出。将该组件定位在处于约1180℃的温度下的经预热的炉（空气气氛中）中持续约40分钟。炉内的温度超过了该青铜的液相线温度。这些青铜球粒被融化并且浸润了这些碳化硅颗粒之间的孔隙。将该不锈钢管（现在包含一个由分散在青铜粘结剂基质中的碳化硅颗粒形成的耐磨损层）和该芯轴冷却到大约室温并且通过机加工和/或喷丸进行清洁。将该芯轴脱除或机加工除去，并且通过研磨来去除过剩材料。图10展示了在不锈钢管25与耐磨损层85之间的冶金学结合区域的微结构。如图10中所示，包括位于青铜粘结剂（区域85中的较亮区）中的碳化硅（区域85中的暗区）的耐磨损层85以冶金学方式被结合到不锈钢管25的内表面上。
实例3
图11是展示一种不锈钢（类型304）管的一张图像，该不锈钢管包括在该不锈钢管的内表面上通过根据本披露的方法的一个实施例形成的一个耐磨损层。由石墨机加工出一个包括圆柱形插塞的芯轴。该插塞的外直径比该不锈钢管的内直径小了约12.7mm。该插塞的长度与该不锈钢管的长度大致相等。将该插塞放在该不锈钢管中，并且在该石墨插塞与该不锈钢管之间的空隙中放置了铸造碳化钨粉（WC+W2C）形式的硬质颗粒。将一个石墨漏斗置于该组件的顶上。将包含黄铜的金属粘结剂材料的球粒放置在该漏斗中。将该组件定位在处于约1,160℃的温度下的经预热的炉（空气气氛）中持续约40分钟。炉内的温度超过了该黄铜的液相线温度。这些黄铜球粒被融化并且浸润了这些碳化钨颗粒之间的孔隙。将该不锈钢管（现在包含一个由分散在黄铜粘结剂基质中的碳化钨颗粒形成的耐磨损层）和该芯轴冷却到大约室温并且通过机加工和/或喷丸进行清洁。将该芯轴脱除或机加工除去，并且通过研磨来去除过剩材料。图11展示了在不锈钢管27与耐磨损层87之间的冶金学结合区域的微结构。如图11中所示，包括位于黄铜粘结剂（区域87中的暗区）中的碳化钨（区域87中的亮区）的耐磨损层87以冶金学方式被结合到不锈钢管27的内表面上。
实例4
图12是展示一种不锈钢（类型304）管的一张图像，该不锈钢管包括在该不锈钢管的内表面上通过根据本披露的方法的一个实施例形成的一个耐磨损层。由石墨机加工出一个包括圆柱形插塞的芯轴。该插塞的外直径比该不锈钢管的内直径小了约12.7mm。该插塞的长度与该不锈钢管的长度大致相等。将该插塞放在该不锈钢管中，并且在该石墨插塞与该不锈钢管之间的空隙中放置了单晶碳化钨粉形式的硬质颗粒。将一个石墨漏斗置于该组件的顶上。在该漏斗中放置一种包含黄铜（按重量百分比计，53%铜、15%镍、24%锰、和8%锌）的金属粘结剂材料的球粒。由该插塞、不锈钢管、硬质颗粒、漏斗和金属粘结剂材料构成的组件的总体安排在图2中示意性地以截面展示出。将该组件定位在处于1160℃的温度下的经预热的炉（空气气氛）中持续40分钟。该炉内的温度超过了该黄铜的液相线温度。这些黄铜球粒被融化并且浸润了这些碳化钨颗粒之间的孔隙。将该不锈钢管（现在包含一个由分散在黄铜粘结剂基质中的碳化钨颗粒形成的耐磨损层）和该芯轴冷却到大约室温并且通过机加工和/或喷丸进行清洁。将该芯轴脱除或机加工除去，并且通过研磨来去除过剩材料。图12展示了在不锈钢管29与耐磨损层89之间的冶金学结合区域的微结构。如图12中所示，包括位于黄铜粘结剂（区域89中的暗区）中的碳化钨（区域89中的亮区）的耐磨损层89以冶金学方式被结合到不锈钢管29的内表面上。
在此引言的所有文件都通过引用结合在此，但仅是在使得所结合的材料不与在此列出的现有定义、陈述或其他文件相冲突的程度上。在本文件中一个术语的任何含义或定义与通过引用结合在此的一个文件中同一术语的任何含义或定义相冲突的程度上，在本文件中对给术语指派的含义或定义应占主导。对任何文件的引用不应解释为承认它是现有技术。
虽然在此展示和描述了多个具体实施例，但本领域技术人员将理解的是，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以做出不同的其他改变和修改。本领域技术人员将认识到、或能够确定，所使用的不会超出常规实验、在此描述的具体方法的纵多等效物，包括替代方案、变体、添加、删除、修改和替换。包括所附权利要求在内的本披露旨在覆盖位于本发明的精神和范围内的所有这样的等效物。
Claims (50)
1.一种用于在金属基底的表面的至少一个区域上形成一个耐磨损层的方法，该方法包括：
邻近于该金属基底定位多个硬质颗粒；并且
用一种金属粘结剂材料浸润这些硬质颗粒，由此将这些硬质颗粒束缚在一起以形成以冶金学方式结合至该表面上的耐磨损层。
2.如权利要求1所述的方法，其中，该金属基底包括以下各项中的一者：钢、镍、镍合金、钛、钛合金、铝、铝合金、铜、铜合金、钴、和钴合金。
3.如权利要求1所述的方法，其中，该金属粘结剂材料包括以下各项中的至少一者：铜、铜合金、铝、铝合金、铁、铁合金、镍、镍合金、钴、钴合金、钛、钛合金、镁、镁合金、青铜、和黄铜。
4.权利要求1所述的方法，其中，该金属粘结剂材料包括主要由78重量百分比的铜、10重量百分比的镍、6重量百分比的锰、6重量百分比的锡和附带杂质组成的一种青铜。
5.权利要求1所述的方法，其中，该金属粘结剂材料包括主要由53重量百分比的铜、24重量百分比的锰、15重量百分比的镍、8重量百分比的锌和附带杂质组成的一种青铜。
6.权利要求1所述的方法，其中，该金属粘结剂材料进一步包括选自下组的至少一种降低熔点的成分，该组由以下各项组成：硼、硼化物、硅、硅化物、铬和锰。
7.权利要求1所述的方法，其中，这些硬质颗粒包括以下各项中的至少一者：碳化物颗粒、氮化物颗粒、硼化物颗粒、硅化物颗粒、氧化物颗粒、以及包含碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和氧化物中至少二者的固溶体的颗粒。
8.权利要求7所述的方法，其中，这些硬质颗粒包括至少一种过渡金属的碳化物颗粒，该至少一种过渡金属是选自：钛、铬、钒、锆、铪、钽、钼、铌以及钨。
9.权利要求1所述的方法，其中，这些硬质颗粒包括被分散在一种连续粘结剂中的烧结的粘结碳化物颗粒，这些烧结的粘结碳化物颗粒包含至少一种选自周期表的第IVB族、第VB族和第VIB族中的金属的碳化物，该连续粘结剂包括钴、钴合金、镍、镍合金、铁和铁合金中的至少一者。
10.如权利要求9所述的方法，其中，这些烧结的粘结碳化物颗粒包括：
60至98重量百分比的至少一种选自周期表的第IVB族、第VB族和第VIB族中的金属的碳化物；以及
2至40重量百分比的该连续粘结剂。
11.如权利要求9所述的方法，其中，这些烧结的粘结碳化物颗粒的该连续粘结剂进一步包括至少一种添加剂，该至少一种添加剂是选自：钨、铬、钛、钒、铌和碳，其浓度是直至该添加剂在该连续粘结剂中的溶解度极限。
12.如权利要求9所述的方法，其中，这些烧结的粘结碳化物颗粒的该连续粘结剂进一步包括选自硅、硼、铝、铜、钌和锰中的至少一种添加剂。
13.如权利要求1所述的方法，其中这些硬质颗粒包括金属粉末和金属合金粉末中的至少一者。
14.如权利要求1所述的方法，其中这些硬质颗粒具有的平均粒度为1至200微米。
15.如权利要求1所述的方法，其中，这些硬质颗粒的熔化温度大于该金属粘结剂材料的熔化温度。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括：
将该金属基底在大于该金属粘结剂材料的熔化温度并且小于这些硬质颗粒的熔化温度的一个温度下加热小于一小时。
17.如权利要求1所述的方法，其中，这些硬质颗粒具有的固相线温度比该金属粘结剂材料的液相线温度高出至少50℃。
18.如权利要求1所述的方法，其中，该金属粘结剂材料具有的液相线温度比该金属基底的液相线温度高出至少200℃。
19.如权利要求1所述的方法，其中，用该金属粘结剂材料浸润这些硬质颗粒包括在比该金属粘结剂材料的液相线温度高出50℃至100℃的一个温度下进行浸润。
20.如权利要求1所述的方法，其中，用该金属粘结剂材料浸润这些硬质颗粒包括使该金属粘结剂材料的一个均质层熔化并且使熔化的金属粘结剂材料流到这些硬质颗粒之间的孔隙中。
21.如权利要求1所述的方法，其中，该耐磨损层包括至少75体积百分比的这些硬质颗粒。
22.如权利要求1所述的方法，其中，该耐磨损层包括25至75体积百分比的这些硬质颗粒。
23.如权利要求1所述的方法，其中，该耐磨损层包括10至90体积百分比的这些硬质颗粒。
24.如权利要求1所述的方法，其中该耐磨损层的厚度为从1mm至250mm。
25.如权利要求1所述的方法，其中，该耐磨损层的厚度是大于25mm。
26.如权利要求1所述的方法，其中，该耐磨损层的截面形状是以下之一：圆形、椭圆形、平行四边形、长方形、正方形、梯形、三角形以及它们的组合。
27.如权利要求1所述的方法，其中，该耐磨损层包括在该一个第一区域中的一种第一截面形状以及在一个第二区域中的一种第二截面形状。
28.如权利要求1所述的方法，其中该耐磨损层的截面形状与该金属基底的截面形状不同。
29.如权利要求1所述的方法，其中该耐磨损层的轮廓与该金属基底的轮廓不同。
30.如权利要求1所述的方法，进一步包括在邻近于该金属基底定位这些硬质颗粒之前：
在该金属基底的表面附近定位一个芯轴以在该芯轴与该金属基底的表面之间限定一个空隙。
31.如权利要求30所述的方法，其中，该空隙是小于25.4mm。
32.如权利要求30所述的方法，其中，邻近于该金属基底定位这些硬质颗粒包括在该空隙中定位这些硬质颗粒的一个均质层。
33.如权利要求30所述的方法，进一步包括：
邻近于这些硬质颗粒的该均质层并且邻近于该芯轴定位该金属粘结剂材料的一个均质层。
34.如权利要求30所述的方法，进一步包括在用该金属粘结剂材料浸润这些硬质颗粒之后：
通过车削、铣削、钻削和放电机加工中的至少一种来移除该芯轴。
35.如权利要求30所述的方法，其中，该芯轴的截面形状包括以下之一：圆形、椭圆形、平行四边形、长方形、正方形、梯形、三角形以及它们的组合。
36.如权利要求1所述的方法，进一步包括在用该金属粘结剂材料浸润该金属基底之后：
冷却该耐磨损层。
37.如权利要求1所述的方法，进一步包括形成一种包括该基底和该耐磨损层的制品。
38.如权利要求37所述的方法，其中，该制品是以下之一：管道、管子、阀、阀部件、法兰、轴承、钻头尖、钻地钻头尖、模口和容器。
39.如权利要求37所述的方法，其中，该制品包括在土方工程设备中使用的零件和部件的磨损表面。
40.如权利要求1所述的方法，条件是该耐磨损层不是通过焊接和表面硬化中的任何一种形成的。
41.如权利要求1所述的方法，其中，该耐磨损层是以冶金学方式结合至该金属基底的内表面和该金属基底的外表面中的至少一者上。
42.如权利要求1所述的方法，进一步包括在邻近于该金属基底定位这些硬质颗粒之前：
将该金属基底定位在一个模具中以在该模具与该金属基底之间限定一个空隙。
43.如权利要求42所述的方法，其中，该空隙是小于25.4mm。
44.如权利要求42所述的方法，进一步包括：
在该模具中邻近于这些硬质颗粒的一个均质层定位该金属粘结剂材料的一个均质层。
45.如权利要求42所述的方法，其中，该模具的截面尺寸包括以下之一：圆形、椭圆形、平行四边形、长方形、正方形、梯形、三角形以及它们的组合。
46.一种用于在金属基底的表面的至少一个区域上形成一个耐磨损层的方法，该金属基底包括以下各项中的一者：钢、镍、镍合金、钛、钛合金、铝、铝合金、铜、铜合金、钴、和钴合金，该方法包括：
邻近于该金属基底定位多个硬质颗粒，这些硬质颗粒包括以下各项中的至少一者：碳化物颗粒、氮化物颗粒、硼化物颗粒、硅化物颗粒、氧化物颗粒、以及包含碳化物、氮化物、硼化物、硅化物和氧化物中至少二者的固溶体的颗粒；并且
用一种金属粘结剂材料浸润这些硬质颗粒，该金属粘结剂材料包括以下各项中的至少一者：铜、铜合金、铝、铝合金、铁、铁合金、镍、镍合金、钴、钴合金、钛、钛合金、镁、镁合金、青铜、和黄铜；由此将这些硬质颗粒束缚在一起而形成以冶金学方式结合至该表面上的该耐磨损层。
47.如权利要求46所述的方法，进一步包括在邻近于该金属基底定位这些硬质颗粒之前：
在该金属基底的表面附近定位一个芯轴以在该芯轴与该金属基底的表面之间限定一个空隙。
48.如权利要求47所述的方法，其中，邻近于该金属基底定位这些硬质颗粒包括在该空隙中定位这些硬质颗粒的一个均质层。
49.如权利要求48所述的方法，进一步包括在用该金属粘结剂材料浸润这些硬质颗粒之后：
通过车削、铣削、钻削和放电机加工中的至少一种来移除该芯轴。
50.如权利要求49所述的方法，进一步包括在用该金属粘结剂材料浸润该金属基底之后：
冷却该耐磨损层。
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