專利名稱：耐磨裝置及用于該裝置的工藝的制作方法
耐磨裝置及用于該裝置的工藝背景技術(shù)
本發(fā)明涉及用于增強(qiáng)的耐磨性的材料和組合物。
鉆表面和軸等可包含易遭受磨損情況的表面。根據(jù)材料可使用滲碳或滲氮工藝而 直接硬化所述表面，以改善所述表面的耐磨性。在某些情況下，另選在所述表面鍍鉻以提供 更大程度的耐磨性。
近來，存在替代鉻的需求。但是，潛在的替代材料不能成功的提供與鍍鉻相同程度 的耐磨性。此外，對于諸如與硬顆粒有關(guān)、與嚙合部件(mating component)有關(guān)和與升高 的溫度有關(guān)的不同類型的磨損機(jī)制，這種材料不能顯示出廣范的耐磨性。發(fā)明內(nèi)容
示例性的耐磨裝置包含第一金屬材料襯底和配置于襯底上的耐磨層。所述耐磨層 包含第二不同金屬材料的基質(zhì)、分散遍及所述基質(zhì)的粒子和分布于所述基質(zhì)的一部分中的 硼材料。
另一方面，可認(rèn)為耐磨裝置是耐磨層，并且可包含金屬材料基質(zhì)、分散遍及所述基 質(zhì)的粒子和分布于所述基質(zhì)的一部分中的硼材料。
示例性的耐磨裝置可通過將包含金屬材料基質(zhì)和分散遍及所述基質(zhì)的粒子的耐 磨層進(jìn)行滲硼來制造或加工，以提供分布于基質(zhì)的一部分中的硼材料。
附圖簡述
通過以下的目前優(yōu)選實施方式的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解本發(fā)明的各 種各樣的特征和優(yōu)點。伴隨詳細(xì)描述的示意圖可以簡述如下。


圖1描述了一個耐磨裝置的實施例。
圖2描述了另一個耐磨裝置的實施例。
優(yōu)選實施方式
圖1描述了示例性耐磨裝置20，為了針對各種各樣不同磨損機(jī)制的增強(qiáng)的耐磨 性，其可以單獨提供或與其它部件組合。在這種情況下，耐磨裝置20包含耐磨層22 (例如， 涂層)，所述耐磨層22含有基質(zhì)M、分散遍及所述基質(zhì)M的粒子沈以及分布于所述基質(zhì) 24的一部分中的硼材料28(如陰影部分所示)。
硼材料觀提供硬化基質(zhì)M以增加耐磨性的優(yōu)點，并因此有助于將粒子沈保持于 基質(zhì)M中。作為一個實施例，耐磨裝置20包含易遭受磨損情況的外表面30。在不存在硼 材料觀的情況下，基質(zhì)材料M可磨損掉并且逐漸暴露出粒子沈，使得粒子沈變松動或是 脫離基質(zhì)M。一旦脫離，所述粒子會起到磨損粒子的作用并加速磨損。然而，硼材料觀的 存在硬化基質(zhì)M的外側(cè)部分以減少磨損并有助于將粒子沈保持于基質(zhì)M中。
耐磨層22包含內(nèi)側(cè)部分32和外側(cè)部分34。在這種情況下，所述術(shù)語“內(nèi)側(cè)”和 “外側(cè)”是相對于磨損表面30而制定的，但可另選相對于關(guān)于耐磨層22的其它部件或參照 點而制定。在該實施例中，外側(cè)部分34包含硼材料觀，而內(nèi)側(cè)部分32不含有任何的硼材料 28。在這方面，內(nèi)側(cè)部分32不像外側(cè)部分34—樣堅硬，保持了更好程度的延展性。在外側(cè)部分34形成裂縫的情況下，不含有任何的硼材料觀的內(nèi)側(cè)部分32的延展性可有助于抑制裂縫的蔓延。
在一些實施例中，外側(cè)部分34包含在接近磨損表面30的最外側(cè)的第一亞層36和 鄰接第一亞層36及內(nèi)側(cè)部分32的第二亞層38。在這種情況下，第一和第二亞層36和38 各自包含硼材料觀，但是，在各個亞層36和38中，硼材料觀可為不同的形式。例如，硼材 料觀可以硼化物的形式存在于第一亞層36中而以元素硼的形式存在于第一和第二亞層36 和38中。相對于第二亞層38，可認(rèn)為第一亞層36是富硼化物層?？烧J(rèn)為硼化物是硼和電 負(fù)性較小的元素的化合物，元素硼不化學(xué)鍵合到任何其它類型的元素上。
第一亞層36包含分散遍及第一亞層36的硼化物粒子或硼化物相40。硼化物粒子 或硼化物相40的濃度可隨著經(jīng)過從磨損表面30朝向第二亞層38的耐磨層22的厚度的距 離而減少或改變。
硼化物的類型也同樣可以隨著距磨損表面30的距離而改變。例如，第一類型的硼 化物相可以位于磨損表面30附近，而另一種類型的硼化合物可以主要位于第一亞層36的 更深處。
作為一個實施例，一種或多種硼化物包含硼和來自基質(zhì)M的金屬的化合物。在這 方面，硼化物的類型取決于為基質(zhì)M選擇的金屬或合金的類型。在一些實施例中，基質(zhì)M 的金屬材料為鈷、鎳、鈷-磷、鎳-磷、鎳-鎢或它們的組合。在這些實施例中，硼化物包含 鎳硼化物或鈷硼化物。
硼化物也可以是硼和粒子沈中的金屬的組合。作為一個實施例，粒子沈為金屬 碳化物、金屬氧化物或其它材料，其通常比基質(zhì)M的材料硬。例如，粒子為氧化鋁、碳化硅、 碳化鉻、碳化鎢或其它非硼材料。在這方面，硼化物包含硼與鋁、硅、鉻或鎢。或者，所述粒 子可為氮化硼或金剛石材料，其可以對于硼是惰性的。
粒子沈的平均粒徑可高達(dá)約20微米。在另一實施例中，所述粒徑可為2-10微米 或甚至8-10微米。一般說來，所述粒徑大于硼化物粒子或硼化物相40的粒徑，所述硼化物 粒子或硼化物相40的粒徑一般小于2微米。
相對于耐磨層22的厚度，外側(cè)部分34可以以所需要的厚度形成，這取決于所需 要的耐磨性質(zhì)。在一些實施例中，耐磨層22具有外側(cè)部分34的厚度與耐磨層22的總厚 度的全厚度比(through-thickness ratio)，其不大于0. 5。就是說，外側(cè)部分34的厚度 可高達(dá)耐磨層22的厚度的約50%。在一些實施例中，外側(cè)部分34的厚度可差不多約為 2. 5mils(0. 635毫米)。在另一實施例中，外側(cè)部分34的厚度可不大于1. 2mils(0. 305毫 米)。
所給出的基質(zhì)M、粒子沈和包含硼材料28的外側(cè)部分34的實施例材料的組合 提供了比鍍鉻或其它耐磨層更好的耐磨性質(zhì)。例如，鍍鉻對嚙合金屬部件(mating metal component)顯示出杰出的耐磨性，但對氧化鋁粒子則未顯示?；|(zhì)M和不含有硼材料28 的粒子沈的復(fù)合材料在接觸特定合金時顯示出良好的耐磨性，但在升高的溫度下對其它 合金的耐性下降。相比之下，含有基質(zhì)對、粒子沈和硼材料觀的耐磨層22在升高的溫度 下對氧化鋁磨損粒子和各種不同的合金具有良好的耐性。也就是說，對于許多不同類型的 磨損機(jī)制，耐磨層22提供了廣泛的耐磨性。
圖2描述了另一耐磨裝置120。在這種情況下，耐磨裝置120包含配置于襯底50上的耐磨層22。在該實施例中，襯底50是由金屬材料制成的，例如鐵基合金、鎳基合金、鈷 基合金、鎳-鉻合金、鈷-鉻合金、鈦合金或他們的組合。也就是說，襯底50的金屬材料與 耐磨層22中的基質(zhì)M的金屬材料不同。
一般說來，襯底50是其上配置有耐磨層22的部件主體。在這方面，可將耐磨層22 直接配置于襯底50上，或作為獨立部件單獨形成，然后附著于或粘結(jié)于襯底50上。作為一 個實施例，所述部件可為致動器(鉆)、軸、空氣循環(huán)機(jī)部件、螺旋槳葉、渦輪機(jī)或具有磨損 表面的任何類型的部件，其受益于公開的實施例。
可加工耐磨層22以將硼材料28摻入基質(zhì)24。作為一個實施例，可在例如電鍍工 藝的已知方法中將基質(zhì)形成為含有粒子26。接下來可將硼材料觀通過“滲硼”工藝而摻入 基質(zhì)M。在滲硼工藝中，硼擴(kuò)散到基質(zhì)M中。所述工藝可以在升高的溫度下進(jìn)行，例如在 約537-1094°C下持續(xù)一段時間，其適于生產(chǎn)外側(cè)部分34的所需要的微觀結(jié)構(gòu)和厚度。在另 一實施例中，滲硼溫度可為約648-983°C或甚至760-927°C?？蛇x擇滲硼溫度以提供使粒子 26和基質(zhì)M相互擴(kuò)散以加強(qiáng)結(jié)合的額外益處。也可以選擇滲硼溫度以提供使基質(zhì)M和襯 底50相互擴(kuò)散以加強(qiáng)結(jié)合的額外益處。在這方面，所選的滲硼溫度可取決于為襯底50而 選擇的材料的類型。對于是鎳基材料或鈷基材料的襯底，760-927°C的溫度范圍可適宜于影 響與所給出的實施例基質(zhì)材料的相互擴(kuò)散。在這方面，擴(kuò)散結(jié)合與滲硼同時進(jìn)行。
硼的來源可為固體化合物、粉末、糊狀物、液體或氣體氣氛(gaseous atmosphere)。硼擴(kuò)散到基質(zhì)M中使得表面30附近的硼濃度高于距表面30遠(yuǎn)的位置處的 硼濃度。
當(dāng)硼濃度超過了基質(zhì)M中的溶解性限制，過量的硼在第一亞層36中形成硼化物 粒子或硼化物相40。在一些實施例中，第二亞層38中的硼量沒有超過溶解性限制，因此在 基質(zhì)M中保持間隙狀態(tài)(interstitially)或溶解狀態(tài)，從而不形成硼化物。因此，可在滲 硼工藝中控制時間、溫度和硼源的類型以生產(chǎn)出所需要的第一亞層36、第二亞層38的厚度 和所導(dǎo)致的硼化物的類型。
盡管特征組合在所描述的實施例中顯示，但不是所有的特征都需要被組合起來以 實現(xiàn)本公開中不同實施方式的益處。換句話說，根據(jù)本公開中實施方式所設(shè)計的體系不需 要包含所有顯示在任一圖中的特征或所有概略性地顯示在所述圖中的部分。另外，一個示 例性實施方式中選擇的特征可以和其它示例性實施方式中選擇的特征相組合。
之前的描述在本質(zhì)上是示例性的，而不是限制性的。對所公開的實施例的變更和 修飾可對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見，而無需背離本公開的本質(zhì)。賦予本公開的法律保護(hù)范 圍僅通過所提交的權(quán)利要求來決定。
權(quán)利要求
1.耐磨裝置，其包含包含第一金屬材料的襯底；和配置于所述襯底上的耐磨層，所述耐磨層包含第二不同金屬材料的基質(zhì)、分散遍及所 述基質(zhì)的粒子和分布于所述基質(zhì)的一部分中的硼材料。
2.權(quán)利要求1的耐磨裝置，其中，所述耐磨層包含相對于不含有任何所述硼材料的襯 底的內(nèi)側(cè)亞層部分。
3.權(quán)利要求1的耐磨裝置，其中，所述耐磨層包含鄰接所述襯底的內(nèi)側(cè)亞層和相對于 所述襯底的第一、第二外側(cè)亞層，所述第一外側(cè)亞層包含硼化物作為所述硼材料并且所述 第二外側(cè)亞層包含元素硼作為所述硼材料，其中，所述內(nèi)側(cè)亞層不含有任何所述硼材料。
4.權(quán)利要求1的耐磨裝置，其中，所述第一金屬材料選自鐵基合金、鎳基合金、鈷基合 金、鎳-鉻合金、鈷-鉻合金、鈦合金和它們的組合。
5.權(quán)利要求1的耐磨裝置，其中，所述第二金屬材料選自鈷、鎳、鈷-磷、鎳-磷、鎳-鎢 和它們的組合。
6.權(quán)利要求1的耐磨裝置，其中，所述粒子選自氧化鋁、碳化硅、碳化鉻、碳化鎢、金剛 石、氮化硼和它們的組合。
7.權(quán)利要求1的耐磨裝置，其中，所述粒子選自比所述第二金屬材料硬且平均粒徑不 大于20微米的材料。
8.權(quán)利要求1的耐磨裝置，其中，至少一些所述硼材料為硼化物。
9.權(quán)利要求1的耐磨裝置，其中，至少一些所述硼材料為元素硼。
10.權(quán)利要求1的耐磨裝置，其中，所述粒子為非硼化物材料。
11.權(quán)利要求1的耐磨裝置，其中，所述硼材料包含與第二金屬材料的金屬的硼化物。
12.耐磨裝置，其包含包含金屬材料基質(zhì)、分散遍及所述基質(zhì)的粒子和分布于所述基質(zhì)的一部分中的硼材料 的耐磨層。
13.權(quán)利要求12的耐磨裝置，其中，所述粒子選自碳化物粒子、氧化物粒子和它們的組合。
14.權(quán)利要求12的耐磨裝置，其中，所述粒子選自氧化鋁、碳化硅、碳化鉻、碳化鎢、金 剛石、氮化硼和它們的組合。
15.權(quán)利要求12的耐磨裝置，其中，所述金屬材料選自鈷、鎳、鈷-磷、鎳-磷、鎳-鎢和 它們的組合。
16.權(quán)利要求12的耐磨裝置，其中，所述耐磨層包含不含有任何所述硼材料的亞層部分。
17.權(quán)利要求12的耐磨裝置，其中，所述基質(zhì)部分與所述耐磨層總厚度的全厚度比不 大于0. 5。
18.權(quán)利要求12的耐磨裝置，其中，所述硼材料包含硼化物和元素硼。
19.加工耐磨裝置的方法，所述裝置包含含有金屬材料基質(zhì)和分散遍及所述基質(zhì)的粒 子的耐磨層，所述工藝包含對所述耐磨層進(jìn)行滲硼以提供分布于所述基質(zhì)的一部分中的硼材料。
20.權(quán)利要求19的方法，其進(jìn)一步包含在滲硼溫度下對耐磨層進(jìn)行滲硼，所述溫度導(dǎo)致所述基質(zhì)和所述粒子之間的相互擴(kuò)散、所述基質(zhì)和其上配置有所述基質(zhì)的襯底之間的相 互擴(kuò)散或這兩者。
全文摘要
本發(fā)明涉及耐磨裝置，其包含第一金屬材料的襯底和配置于襯底上的耐磨層。所述耐磨層包含第二不同金屬材料的基質(zhì)、分散遍及所述基質(zhì)的粒子和分散于所述基質(zhì)的一部分中的硼材料。
文檔編號B32B5/16GK102029742SQ2010105039
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者A·T·納迪, B·A·史密斯, K·M·蘭金, P·L·克拉維特 申請人:哈米爾頓森德斯特蘭德公司