專(zhuān)利名稱(chēng)：鋼構(gòu)件及其表面硬化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋼構(gòu)件和對(duì)該鋼構(gòu)件進(jìn)行表面硬化的方法，特別是本發(fā)明涉及對(duì)在使用中經(jīng)受磨損的鑄鋼產(chǎn)品或煅鋼產(chǎn)品進(jìn)行表面硬化的方法，并且將主要對(duì)該內(nèi)容進(jìn)行描述。本發(fā)明的方法可以在用于各種礦業(yè)、鐵路和工業(yè)目的的經(jīng)表面硬化的鋼構(gòu)件的生產(chǎn)中使用。
背景技術(shù)：
在鐵路材料、采礦工具和設(shè)備以及工業(yè)機(jī)械中所使用的鑄鋼部件或煅鋼部件常常會(huì)經(jīng)受過(guò)度磨損和過(guò)早磨損。制造這些部件的鋼通常根據(jù)其易得性和成本效率來(lái)選擇，而不是必須根據(jù)最佳強(qiáng)度、硬度和耐磨損性或耐磨耗性來(lái)選擇。某些鋼合金具有無(wú)助于在需要高強(qiáng)度、高耐沖擊性和減少磨損的應(yīng)用中使用的混合微觀結(jié)構(gòu)。
對(duì)于“硬化表面”標(biāo)準(zhǔn)級(jí)鋼鑄部件或鋼煅部件而言，已知可通過(guò)將包括諸如碳化鎢顆粒等硬顆粒的材料基質(zhì)焊接到部件的表面上以提供材料的硬化外層。所使用的典型的碳化物是源自預(yù)粉碎的刀具和刀頭的低成本材料，并且具有任意的粒徑和形狀。在傳統(tǒng)的表面硬化過(guò)程中，在進(jìn)行焊接后，最靠近焊接層的鋼部件區(qū)域通常受到熱影響，并且作為在焊接過(guò)程中所施加熱量的結(jié)果，可能會(huì)具有不同的金屬微觀結(jié)構(gòu)。部件的表面因而會(huì)變脆并缺乏韌性和耐沖擊性。鋼部件與外部硬化表面間的裂紋會(huì)在負(fù)荷下擴(kuò)展。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面中本發(fā)明提供了一種對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行表面硬化的方法，該方法包括將硬化表面附著在所述構(gòu)件上的步驟，所述硬化表面包括焊接合金基質(zhì)和位于所述基質(zhì)中的硬微粒物質(zhì)，所述基質(zhì)可以通過(guò)焊接附著在所述構(gòu)件上，其中所述基質(zhì)具有與構(gòu)件相似的組成。
如果焊接基質(zhì)合金具有與構(gòu)件相同或相似的組成，則發(fā)現(xiàn)硬化表面和構(gòu)件間存在更好的結(jié)合，同時(shí)具有相似的金屬微觀結(jié)構(gòu)。
在第二方面中本發(fā)明提供了一種對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行表面硬化的方法，該方法包括將硬化表面附著在所述構(gòu)件上的步驟，所述硬化表面包括焊接合金基質(zhì)和位于所述基質(zhì)中的硬微粒物質(zhì)，所述基質(zhì)可以通過(guò)焊接附著在所述構(gòu)件上，其中所述硬微粒為球形和/或基本為球形。
如果硬微粒的尖端從硬化表面的表面上突出，則可能會(huì)導(dǎo)致這些顆粒的破損或碎裂并且還會(huì)導(dǎo)致焊接基質(zhì)可能的磨損，這會(huì)增大硬化表面的磨損速率。
在第三方面中本發(fā)明提供了一種對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行表面硬化的方法，該方法包括將硬化表面附著在所述構(gòu)件上的步驟，所述硬化表面包括焊接合金基質(zhì)和位于所述基質(zhì)中的硬微粒物質(zhì)，所述基質(zhì)可以通過(guò)焊接附著在所述構(gòu)件上，其中所述硬微粒具有基本均勻的尺寸。
尺寸均勻的顆粒使得硬化表面的焊接基質(zhì)中的硬顆粒具有更好的堆積密度，從而即使是有，也是極少的顆粒從硬化表面的表面上突出，因而限制了焊接基質(zhì)可能的磨損或破損。
當(dāng)在此使用術(shù)語(yǔ)“鋼構(gòu)件”時(shí)，它包括任何鑄鋼產(chǎn)品或任何類(lèi)型的煅鋼產(chǎn)品，煅鋼產(chǎn)品是在加熱的同時(shí)通過(guò)鍛造或其它的機(jī)械成型方法成形的。該產(chǎn)品廣泛包括具有多種形狀和尺寸的部件，例如鋼筋、鋼板、鋼釬、鋼軛、鋼接頭、挖土機(jī)鏟斗、切削齒等。
在將硬化表面附著在構(gòu)件上的步驟之后，通過(guò)熱處理對(duì)經(jīng)表面硬化的構(gòu)件進(jìn)行硬化和回火。
在一個(gè)實(shí)施方式中對(duì)經(jīng)表面硬化的構(gòu)件進(jìn)行硬化和回火包括通過(guò)以下步驟對(duì)構(gòu)件進(jìn)行硬化的步驟-將構(gòu)件加熱至超過(guò)鋼的奧氏體化溫度的溫度；和-通過(guò)將其在水性溶液中淬火來(lái)冷卻該構(gòu)件；隨后通過(guò)以下步驟進(jìn)行將構(gòu)件回火的步驟-將該構(gòu)件加熱至適宜的回火溫度；和
-冷卻該構(gòu)件。
通過(guò)在焊接步驟之后進(jìn)行硬化和回火熱處理步驟，可以再次改變鋼構(gòu)件的金屬微觀結(jié)構(gòu)從而使得構(gòu)件本身的微觀結(jié)構(gòu)不會(huì)脆化。在位于構(gòu)件中最靠近焊接處的部位的受到熱影響的區(qū)域中特別是如此。奧氏體化溫度和回火溫度根據(jù)下文將詳細(xì)描述的鋼構(gòu)件的化學(xué)組成而進(jìn)行選擇。
通常構(gòu)件的硬化是通過(guò)將其加熱至超過(guò)奧氏體化溫度而進(jìn)行的，加熱時(shí)間為根據(jù)該構(gòu)件的厚度計(jì)算得到的最小時(shí)間間隔。
在一個(gè)實(shí)施方式中構(gòu)件的硬化溫度約為900℃～1000℃，并且，加熱后，將該構(gòu)件在水性溶液中淬火直至冷卻至室溫。
通常構(gòu)件的回火是通過(guò)在回火溫度下加熱來(lái)進(jìn)行的，加熱時(shí)間為根據(jù)該構(gòu)件的厚度計(jì)算得到的最小時(shí)間間隔。
在一個(gè)實(shí)施方式中回火溫度的范圍為約200℃～約650℃，并且該構(gòu)件在回火后通過(guò)在水性溶液中淬火進(jìn)行冷卻，直到冷卻至室溫。
在一個(gè)實(shí)施例中微粒物質(zhì)包括粒徑為約0.5mm～約5mm的顆粒。硬微粒物質(zhì)可以是經(jīng)燒結(jié)的碳化鎢，或替代性地該硬微粒物質(zhì)是粗結(jié)晶(或鑄造)碳化鎢。
在第四方面中本發(fā)明提供了一種在將硬化表面附著鋼構(gòu)件上之后對(duì)所述構(gòu)件進(jìn)行硬化和回火的方法，該方法包括通過(guò)以下步驟對(duì)構(gòu)件進(jìn)行硬化的步驟-將所述構(gòu)件加熱至超過(guò)鋼的奧氏體化溫度的溫度；和-通過(guò)將其在水性溶液中淬火來(lái)冷卻所述構(gòu)件；隨后通過(guò)以下步驟進(jìn)行將所述構(gòu)件回火的步驟-將所述構(gòu)件加熱至適宜的回火溫度；和-冷卻所述構(gòu)件。
如果涉及加熱，則鋼構(gòu)件靠近其表面的區(qū)域的金屬微觀結(jié)構(gòu)可以通過(guò)附著步驟而改變，并且可以導(dǎo)致構(gòu)件中形成受到熱影響的區(qū)域。通過(guò)在硬化表面附著步驟之后進(jìn)行硬化和回火熱處理步驟，可以改變鄰近所得硬化表面的鋼構(gòu)件的金屬微觀結(jié)構(gòu)，從而使之不會(huì)脆化和劣化。水性淬火是一種快速方式，用于將金屬微觀結(jié)構(gòu)充分轉(zhuǎn)化為馬氏體，并用于限制向非優(yōu)選的微觀結(jié)構(gòu)的不完全轉(zhuǎn)化，以及用于避免形成與回火脆性有關(guān)的不理想性質(zhì)。諸如油或均勻的大氣等其它類(lèi)型的冷卻流體無(wú)法像水性溶液那樣快速或均勻地從鑄件中移走熱量。
硬化和回火步驟的其它方面可以如第一方面、第二方面和第三方面中任一方面所定義。
在一個(gè)實(shí)施方式中，該方法包括在將硬化表面附著在構(gòu)件上之前對(duì)構(gòu)件進(jìn)行回火的步驟。在該焊前回火的一個(gè)有利的實(shí)施方式中，回火溫度約為550℃～700℃，在一個(gè)特別有利的實(shí)施方式中，回火溫度約為600℃～650℃。這些焊前回火溫度高于已知的現(xiàn)有技術(shù)方法中所使用的焊前回火溫度。在此高溫范圍，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)構(gòu)件軟化的增加，其令人驚異地使金屬粒子結(jié)構(gòu)的精煉更加優(yōu)異，并且對(duì)殘余應(yīng)力的修正效果更好。
在一個(gè)實(shí)施方式中，硬化表面可能包括焊接合金基質(zhì)和位于基質(zhì)內(nèi)的硬微粒物質(zhì)，所述焊接合金基質(zhì)可以通過(guò)焊接附著在構(gòu)件上，其中所述基質(zhì)的組成與構(gòu)件相似。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，硬化表面可能包括焊接合金基質(zhì)和位于基質(zhì)內(nèi)的硬微粒物質(zhì)，所述焊接合金基質(zhì)可以通過(guò)焊接附著在構(gòu)件上，其中所述硬微粒為球形和/或基本為球形。
在再一個(gè)實(shí)施方式中，硬化表面可能包括焊接合金基質(zhì)和位于基質(zhì)內(nèi)的硬微粒物質(zhì)，所述焊接合金基質(zhì)可以通過(guò)焊接附著在構(gòu)件上，其中所述硬微粒具有基本均勻的尺寸。
在第五方面中本發(fā)明提供了一種處理鋼構(gòu)件的方法，該方法包括下列步驟-在對(duì)所述構(gòu)件進(jìn)行表面硬化之前在約550℃～約700℃的溫度下通過(guò)下述步驟對(duì)所述構(gòu)件進(jìn)行回火-將硬化表面附著在所述構(gòu)件上，該硬化表面包括焊接合金基質(zhì)和位于所述基質(zhì)中的硬微粒物質(zhì)，可以通過(guò)焊接將所述基質(zhì)附著在所述構(gòu)件上；隨后-通過(guò)熱處理對(duì)構(gòu)件進(jìn)行硬化和回火。
在表面硬化之前進(jìn)行的構(gòu)件的回火是在高于合金鋼的回火脆性區(qū)的溫度下進(jìn)行的，所述合金鋼含有一定量的鎳、鉻和錳金屬，回火脆性區(qū)的溫度通常為300℃～500℃。在約550℃～約700℃的范圍內(nèi)的回火溫度同樣高于在現(xiàn)有技術(shù)的方法中所使用的約250℃～350℃的焊前的回火溫度。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在此更高的溫度范圍時(shí)構(gòu)件出現(xiàn)軟化增大，與在較低回火溫度或者預(yù)熱溫度下所達(dá)到的效果相比，該溫度范圍令人驚異地使金屬粒子結(jié)構(gòu)的精煉更加優(yōu)異，并且對(duì)殘余應(yīng)力的修正效果更好。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，在表面硬化前所使用的回火溫度為約600℃～約650℃。
在一個(gè)實(shí)施方式中，如第五方面中所定義的處理鋼構(gòu)件的方法，在表面硬化之后可以具有其它方面如第一方面、第二方面或第三方面中所定義的硬化和回火步驟。
在一個(gè)實(shí)施方式中，如第五方面中所定義的處理鋼構(gòu)件的方法，在表面硬化之后可以具有其它方面如第一方面、第二方面或第三方面中所定義的基質(zhì)和/或硬微粒。
在第六方面中本發(fā)明提供了通過(guò)下述方法進(jìn)行表面硬化的鋼構(gòu)件，所述方法包括將硬化表面附著于構(gòu)件的步驟，所述硬化表面包括焊接合金基質(zhì)和位于所述基質(zhì)中的硬微粒物質(zhì)，所述焊接合金基質(zhì)可以通過(guò)焊接附著在所述構(gòu)件上，其中所述基質(zhì)具有與所述構(gòu)件相似的組成。
在第七方面中本發(fā)明提供了一種通過(guò)下述方法進(jìn)行表面硬化的鋼構(gòu)件，所述方法包括將硬化表面附著于構(gòu)件的步驟，所述硬化表面包括焊接合金基質(zhì)和位于所述基質(zhì)中的硬微粒物質(zhì)，所述焊接合金基質(zhì)可以通過(guò)焊接附著在所述構(gòu)件上，其中所述硬微粒為球形和/或基本為球形。
在第八方面中本發(fā)明提供了一種通過(guò)下述方法進(jìn)行表面硬化的鋼構(gòu)件，所述方法包括將硬化表面附著于構(gòu)件的步驟，所述硬化表面包括焊接合金基質(zhì)和位于所述基質(zhì)中的硬微粒，所述焊接合金基質(zhì)可以通過(guò)焊接附著在所述構(gòu)件上，其中所述硬微粒具有基本均勻的尺寸。
在一個(gè)實(shí)施方式中，如第六方面、第七方面或第八方面中所定義的鋼構(gòu)件可以具有其它方面如第一方面、第二方面或第三方面中所定義的基質(zhì)和/或硬微粒。
在第九方面中本發(fā)明提供了一種鋼構(gòu)件，該鋼構(gòu)件通過(guò)在將硬化表面附著于所述構(gòu)件之后對(duì)所述構(gòu)件進(jìn)行硬化和回火的方法進(jìn)行了表面硬化，所述方法包括通過(guò)下列步驟對(duì)所述構(gòu)件進(jìn)行硬化的步驟-將所述構(gòu)件加熱至超過(guò)鋼的奧氏體化溫度的溫度；和-通過(guò)將其在水性溶液中淬火來(lái)冷卻所述構(gòu)件；隨后通過(guò)以下步驟進(jìn)行將所述構(gòu)件回火的步驟-將所述構(gòu)件加熱至適宜的回火溫度；和-冷卻所述構(gòu)件。
在一個(gè)實(shí)施方式中硬化和回火步驟的其它方面如第一方面、第二方面或第三方面中所定義。
在第十方面中本發(fā)明提供了一種鋼構(gòu)件，該鋼構(gòu)件用包括下列步驟的方法進(jìn)行了處理-在對(duì)所述構(gòu)件進(jìn)行表面硬化之前在約550℃～約700℃的溫度下通過(guò)下述步驟對(duì)所述構(gòu)件進(jìn)行回火-將硬化表面附著在所述構(gòu)件上，該硬化表面包括焊接合金基質(zhì)和位于所述基質(zhì)中的硬微粒物質(zhì)，可以通過(guò)焊接將所述基質(zhì)附著在所述構(gòu)件上；隨后-通過(guò)熱處理對(duì)構(gòu)件進(jìn)行硬化和回火。
在一個(gè)實(shí)施方式中硬化和回火步驟的其它方面如第一方面、第二方面或第三方面中所定義。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了鋼鑄件或鑄鋼產(chǎn)品的表面硬化方法，該方法包括將表面硬化材料焊接到鑄件上，隨后進(jìn)行熱處理以對(duì)經(jīng)表面硬化的鑄件進(jìn)行硬化和回火的步驟。
為制備鑄件，通常在電弧爐將具有預(yù)定組成的合金鋼熔融，并通常在大于1500℃的溫度下澆注至鑄模中，該溫度的選擇取決于澆注(pour)數(shù)和鑄件的剖面尺寸。鑄造用合金鋼的一個(gè)實(shí)施方式所具有的組成包括以重量百分比計(jì)約為＜0.5％的碳；約為＜1.2％的錳；＜2.0％的硅；＜3.0％的鎳；＜2.5％的鉻和＜1.0％的鉬。該合金鋼的其余成分是鐵和其它的附帶成分或痕量雜質(zhì)。
在本發(fā)明的任何實(shí)施方式中，一旦冷卻后，則將金屬鑄件在900℃～1000℃的溫度下、通常在約為930℃～950℃的溫度下在爐中進(jìn)行熱處理(或“正火”)并持續(xù)一段時(shí)間(取決于鑄件厚度，通常超過(guò)0.5小時(shí)～2小時(shí))，隨后進(jìn)行一段時(shí)間的空氣冷卻。
然后將該鑄件回火以獲得所需的機(jī)械性質(zhì)(強(qiáng)度和延展性)。為達(dá)到此目的，將鑄件置于冷爐(低于250℃)中并升高爐溫。在一個(gè)實(shí)施方式中，通過(guò)將鑄件在用空氣冷卻后加熱至約為600℃～650℃的回火溫度而進(jìn)行回火，盡管取決于鑄件，約550℃～約700℃的回火溫度也是可以接受的。然后使該回火溫度持續(xù)的時(shí)間為根據(jù)鑄件厚度計(jì)算得到的最小時(shí)間間隔，在一個(gè)實(shí)施方式中該時(shí)間間隔為大于6小時(shí)，然后再將鑄件用空氣冷卻。
范圍是550℃～700℃的回火溫度高于在已知的現(xiàn)有技術(shù)方法中所使用的回火溫度，在所述方法中在回火后將硬化表面焊接至鑄件表面。在該類(lèi)型的已知的現(xiàn)有技術(shù)中，回火溫度(或預(yù)加熱)通常為250℃～350℃。由于注意到約300℃～500℃的溫度范圍處于含有一定量的鎳、鉻和錳金屬的合金鋼的回火脆性區(qū)，發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，在使用高于該范圍的回火溫度后，鑄件所增加的軟化使其具有更均勻的性質(zhì)并生產(chǎn)出更優(yōu)異的鑄件，并隨后對(duì)該鑄件施用表面硬化材料。因此所得的表面硬化產(chǎn)品也比任何以前所知的經(jīng)表面硬化的鋼鑄件更優(yōu)異。
在該方法的另一實(shí)施方式中，所選組成不同的熔融鋼可以在不同的溫度下正火和回火。這些加熱階段用于在即將進(jìn)行的將硬化表面焊接至鑄件上的步驟及硬化和回火的熱加工步驟之前進(jìn)行粒子結(jié)構(gòu)的精煉、均化和殘余應(yīng)力的修正。
然后將鑄件預(yù)加熱(如果回火后已過(guò)了一段時(shí)間)或者在回火后立即用空氣冷卻至約200℃～270℃的溫度，并進(jìn)行表面硬化步驟。優(yōu)選將鑄件預(yù)熱至該焊接用溫度范圍以避免冷裂。在一個(gè)即將被詳細(xì)描述的實(shí)施方式中，將懸浮在焊接基質(zhì)池中的包含碳化鎢顆粒的表面硬化材料通過(guò)機(jī)器人MIG電焊機(jī)施用至鋼鑄件的表面，所述電焊機(jī)具有安裝在其上的進(jìn)料斗，碳化鎢顆粒由該進(jìn)料斗流入。根據(jù)所需的碳化物分布，將顆粒以預(yù)定的計(jì)量速率加入焊接基質(zhì)池。在焊接過(guò)程中，正在進(jìn)行表面硬化的鑄件用夾具或其它夾持裝置固定并且被操作員或機(jī)器人進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或操縱。在某些實(shí)施方式中已發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人有助于在各個(gè)產(chǎn)品上施加一致的表面硬化。
當(dāng)控制操作參數(shù)以使碳化鎢顆粒(或其它硬顆粒)在焊接熔池中的溶解最小時(shí)，可以得到最佳的表面硬化結(jié)果。碳化物的過(guò)度溶解可能會(huì)降低硬化表面在使用中的抗磨損性效果，還對(duì)焊接合金基質(zhì)具有有害影響，這是因?yàn)楦邼舛鹊奶己玩u會(huì)導(dǎo)致硬化表面的脆化和壽命縮短。因此操作員對(duì)焊接設(shè)備的物理參數(shù)和碳化物(或其它硬顆粒)的物理特性均應(yīng)認(rèn)真控制。
在與所得硬化表面的質(zhì)量有關(guān)的焊接設(shè)備的物理參數(shù)方面，重要的控制變量包括焊接安培數(shù)和電壓，電焊機(jī)相對(duì)于待表面硬化的鑄件或鍛件產(chǎn)品的表面的移動(dòng)速度和噴嘴距離。電焊機(jī)電極相對(duì)于表面的角度也是控制變量。在焊接合金基質(zhì)方面，所使用的焊條的類(lèi)型和敷設(shè)熔焊(weld weave)的寬度、深度和速度也可以影響所得的硬化表面。在硬顆粒的輸送方面，可以控制進(jìn)料速度。所選擇的硬顆粒的物理特性，例如粒徑、碳化物類(lèi)型等，也很重要，下面將對(duì)此進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
在表面硬化方法的一個(gè)實(shí)施方式中，將安培數(shù)控制在200～400安培的范圍內(nèi)。在使用該范圍內(nèi)的較高的安培數(shù)的需求與其對(duì)碳化鎢顆粒溶解的作用間存在折衷方案。安培數(shù)越大，則焊接熔池中的熱量越多且焊接基質(zhì)的沉積速率越高，因此表面硬化材料的可能的生產(chǎn)率越高。然而，焊接熔池中的熱量過(guò)多具有使碳化鎢的溶解程度更大并生成′eta′-碳化鎢(W2C)的趨勢(shì)，所述′eta′-碳化鎢是不理想且更脆的形態(tài)。
焊接熔池中的某些控制熱量的精煉可以通過(guò)在較高的電壓下使用較窄的焊條直徑來(lái)進(jìn)行。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式中，在MIG電焊機(jī)中使用1.6mm直徑的固體鋼焊條。但是現(xiàn)已表明直徑在1.2mm～2.4mm范圍內(nèi)的焊條也是合適的。通常，在該范圍內(nèi)，寬度更窄的焊條在焊接過(guò)程中產(chǎn)生較少的熱量從而降低碳化鎢的溶解、分布和脆化而同時(shí)仍允許使用較高范圍的安培數(shù)以獲得焊接基質(zhì)的更快的沉積速率。
在某些實(shí)施方式中，焊條可以是具有與被表面硬化的母體鑄件相似組成的合金鋼條，從而能更好地與母體鑄件的硬化特性相匹配。如果焊接基質(zhì)具有與鑄件本身相似的組成，例如如果焊條和鑄件均具有這樣的組成，即當(dāng)進(jìn)行隨后的硬化和回火時(shí)可轉(zhuǎn)變成大量的馬氏體微觀結(jié)構(gòu)的組成，則有可能在硬化表面和鑄件間具有更好的粘合并具有相似的微觀結(jié)構(gòu)。
在一個(gè)實(shí)施方式中，電焊機(jī)所用的電壓為18V～35V，選擇該電壓用于焊條的最佳預(yù)熱。
在一個(gè)實(shí)施方式中，電焊機(jī)相對(duì)于鑄件的移動(dòng)速度為160mm/min～380mm/min，該速度主要取決于所鋪設(shè)的焊接基質(zhì)帶的焊接物或焊料的寬度。焊接的焊料寬度保持在優(yōu)選的范圍內(nèi)以便使焊接的固化特征和基質(zhì)中的硬顆粒的溶解/分布最優(yōu)化。在一個(gè)實(shí)施方式中，焊接的焊料寬度的優(yōu)選操作范圍是10mm～25mm，一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式的焊料寬度為16mm。類(lèi)似地，焊接的焊料高度的優(yōu)選操作范圍是4mm～12mm，在最優(yōu)選的實(shí)施方式中，焊料高度為6mm～7mm。當(dāng)焊接基質(zhì)和硬顆粒的鋪設(shè)使得焊接的焊料變得過(guò)寬時(shí)，會(huì)導(dǎo)致低質(zhì)量的硬化表面。
在一個(gè)實(shí)施方式中，碳化鎢從位于距電焊機(jī)電弧約4mm～10mm的噴嘴沉積到熔融的焊接熔池中。如果碳化鎢過(guò)于靠近加熱的電弧，則對(duì)其溶解具有不利作用。在一個(gè)實(shí)施方式中，電焊機(jī)電極與垂直方向所成的角度為0°～40°。電極的角度可以控制滲入待表面硬化的基底鑄件的熱量，同時(shí)可以提供接近受限空間或表面的靈活性。
基于粒徑和MIG電焊機(jī)所選取的安培數(shù)來(lái)選擇將硬顆粒加入至焊接熔池的進(jìn)料速率。在碳化鎢的情況中，使顆粒在計(jì)量下加入焊接熔池以便在焊接沉積物中獲得碳化物的最佳體積分?jǐn)?shù)和分布。在一個(gè)實(shí)施方式中，碳化鎢以0.25Kg/min～1.35Kg/min的速率加入焊接熔池。
傳統(tǒng)的表面硬化方法中使用來(lái)自刀頭、刀具末端等回收的硬金屬。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)使用該回收材料會(huì)導(dǎo)致硬顆粒在所得的焊接基質(zhì)中的不均勻分布，并且發(fā)現(xiàn)使用球形和/或基本為球形的硬顆粒是優(yōu)選的。據(jù)推測(cè)這是因?yàn)橛差w粒的任何尖銳末端可以從硬化表面的表面突出，這可導(dǎo)致這些顆粒的破損和焊接基質(zhì)的可能的磨損或破損，這些破損或磨損反過(guò)來(lái)又會(huì)增加硬化表面的磨損速率。
例如，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，表面硬化材料包括諸如經(jīng)燒結(jié)的碳化鎢等微粒物質(zhì)。經(jīng)燒結(jié)的碳化鎢具有高純度、僅存在一種形式的碳化物并通常具有低水平的鈷結(jié)合劑。該性質(zhì)在熔池中提供了可靠的行為。在另一個(gè)實(shí)施方式中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)粗晶碳化鎢(WC)是高純度形式的碳化鎢，其在熔池中展示出了優(yōu)異的抗溶解性。與其它碳化物相比，已經(jīng)觀察到這種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強(qiáng)基質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)。
在所使用的碳化鎢顆粒的粒徑方面，發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在一些實(shí)施方式中直徑為約0.5mm～約5mm的碳化鎢顆粒尺寸最令人滿(mǎn)意。與本領(lǐng)域已知的范圍相比，這是碳化物材料的更粗且更寬的可能的尺寸范圍，在本領(lǐng)域中使用的碳化物的粒徑范圍在寬度上通常為約0.7mm～約1.5mm。在所選取的尺寸范圍內(nèi)，可能因而降低碳化鎢顆粒在焊接基質(zhì)中的溶解速率，并改善了在焊接基質(zhì)中的堆積密度。
在一些實(shí)施方式中，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)在該粒徑范圍內(nèi)使用具有基本均勻尺寸(例如，所有的直徑都為3.0mm)的碳化鎢顆粒能夠進(jìn)一步改善在硬化表面的焊接基質(zhì)中的硬顆粒的堆積密度。最佳硬顆粒尺寸的選取要考慮最終經(jīng)表面硬化構(gòu)件的使用需求。在優(yōu)選實(shí)施方式中，作為溶解在熔池中的結(jié)果，所選取的尺寸范圍要考慮允許減小碳化鎢顆粒的橫截面。
發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)使用球形或基本為球形的硬顆?？梢愿纳颇切╊w粒在焊接基質(zhì)中的填充?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)由于只有很少的這些顆粒具有可能從硬化表面的表面突出的邊緣，并且由于可以由基質(zhì)更完全地保護(hù)(supported)硬顆粒的表面，因此限制了焊接基質(zhì)在使用中可能的磨損或破損。
除了經(jīng)燒結(jié)的碳化鎢或粗晶碳化鎢以外的硬物質(zhì)也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，諸如碳化鉻和碳化鈦。
一旦硬化表面設(shè)置好后，對(duì)鑄件進(jìn)行后加熱至超過(guò)約200℃。然后通過(guò)熱處理對(duì)該鑄件進(jìn)行硬化和回火。首先將該鑄件加熱至超過(guò)鋼的奧氏體化溫度(AT)的溫度進(jìn)行硬化。AT取決于所選取的鑄件的組成并按下式計(jì)算AT(℃)＝[910]-[203×sqrt(％C)]-[15.2×％Ni]+[44.7×％Si]+[104×％V]+[31.5×％Mo]其中，sqrt為平方根在一個(gè)實(shí)施方式中，將鑄件硬化的溫度約為900℃～930℃，將鑄件在該溫度下加熱的時(shí)間為根據(jù)鑄件厚度計(jì)算得到的最小時(shí)間間隔。在一個(gè)實(shí)施方式中最小時(shí)間間隔約為2小時(shí)。更長(zhǎng)的停留時(shí)間是考慮了特別厚的鑄件的最大穿透加熱。在其它的實(shí)施方式中可以將鑄件加熱至略高的溫度(直至約1000℃)并在該溫度下保持較短的時(shí)間間隔，盡管這可能會(huì)導(dǎo)致最終產(chǎn)品中并非最佳的微觀結(jié)構(gòu)(例如大粒度、差的機(jī)械性質(zhì))。
然后將該鑄件在水性溶液中淬火直至冷卻，優(yōu)選冷卻至室溫。在低于約150℃～180℃的溫度下，金屬微觀結(jié)構(gòu)將基本轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體(例如，不會(huì)出現(xiàn)不完全轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w)。然后將鑄件從淬火液中取出以使應(yīng)力裂紋最小化。諸如油或均勻的大氣等其它類(lèi)型的冷卻流體無(wú)法像水性溶液那樣快速或均勻地從鑄件中移走熱量。
然后合金鋼鑄件需要回火以得到所需的機(jī)械性質(zhì)(強(qiáng)度和延展性)。將鑄件置于冷爐(低于250℃)中并升高爐溫。在本發(fā)明的回火過(guò)程的實(shí)施方式中，然后通過(guò)加熱至約為200℃～650℃的回火溫度對(duì)經(jīng)硬化的鋼進(jìn)行回火。在一個(gè)實(shí)施方式中將鑄件加熱至550℃并持續(xù)一段時(shí)間，然后用水進(jìn)行淬火冷卻。在另一實(shí)施方式中將鑄件加熱至約250℃并持續(xù)一段時(shí)間，然后進(jìn)行空氣冷卻?；鼗饻囟群碗S后的鑄件冷卻方法的選擇取決于鑄件母體材料所需的最終硬度。
維持在回火溫度的時(shí)間為根據(jù)鑄件的厚度計(jì)算得到的最小時(shí)間間隔。在一個(gè)實(shí)施方式中將鑄件維持在最終回火溫度的時(shí)間為以其最寬點(diǎn)處計(jì)每英寸鑄件厚度維持2小時(shí)的時(shí)間。例如將6英寸厚的鑄件回火12小時(shí)。在該過(guò)程的另一實(shí)施方式中，具有不同所選組成的鋼可以在不同的溫度下回火。
鋼的回火是將碳原子在馬氏體晶格中再分布并降低鋼的應(yīng)力和脆性的過(guò)程。通常在鋼的強(qiáng)度和延展性之間的達(dá)到最佳平衡以便使鋼具有各個(gè)所需性質(zhì)。非常脆的鋼缺乏韌性并且當(dāng)施加負(fù)荷時(shí)會(huì)發(fā)生破損。
對(duì)于回火后對(duì)鑄件進(jìn)行淬火的步驟，水淬火是使鑄件盡可能快地通過(guò)冶金脆性轉(zhuǎn)化區(qū)(約位于300℃～500℃之間)以避免形成與回火脆性有關(guān)的不理想性質(zhì)的快速冷卻方法。通常用于對(duì)鑄件進(jìn)行淬火的水性溶液為20℃～30℃。如果將在高達(dá)約500℃～600℃的溫度下回火的鑄件進(jìn)行空氣冷卻，則鑄件的某種脆性可能會(huì)因鑄件的不均勻冷卻速率而增加，而在水性淬火中不會(huì)出現(xiàn)這種情況。
執(zhí)行這些熱處理步驟以在鑄件微觀結(jié)構(gòu)中得到理想的冶金結(jié)果。盡管通過(guò)將硬材料焊接至鑄件的外層部分對(duì)鋼鑄件進(jìn)行表面硬化是眾所周知的，但在過(guò)去這通常是在硬化和回火熱處理步驟之后進(jìn)行?？拷T件表面的鑄件區(qū)域的金屬微觀結(jié)構(gòu)可以被焊接過(guò)程所改變，形成熱影響區(qū)。發(fā)明人在焊接步驟之后進(jìn)行硬化和回火熱處理步驟，結(jié)果顯示可以改變鑄件的微觀結(jié)構(gòu)從而使得鑄件本身的微觀結(jié)構(gòu)不會(huì)變脆，而是變得與鑄件的其余部分相似。熱影響區(qū)中不具有脆性的鑄件部分幾乎不可能經(jīng)歷裂紋蔓延，因而幾乎不可能最終導(dǎo)致表面硬化層和母體鑄件的破損。
發(fā)明人驚奇地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鑄件經(jīng)歷了硬化和回火過(guò)程的極端溫度梯度時(shí)，例如如上所述當(dāng)通過(guò)加熱至鋼的奧氏體化溫度以上的溫度對(duì)鑄件進(jìn)行硬化并隨后在水性溶液中通過(guò)淬火快速冷卻時(shí)，焊接到鋼鑄件上的表面硬化層不會(huì)破裂。事實(shí)上熱影響區(qū)中的鑄件的金屬微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化有助于將表面硬化層粘合到鑄件上。
本發(fā)明的經(jīng)表面硬化的鋼構(gòu)件的優(yōu)異的耐磨損性可能在同時(shí)需要高強(qiáng)度和高耐沖擊性的采礦和工業(yè)應(yīng)用中具有重大價(jià)值。根據(jù)應(yīng)用，可以安排本發(fā)明的硬化和回火步驟以制造具有任何適宜的機(jī)械規(guī)格的鋼產(chǎn)品。所述方法并不局限于鋼鑄件，可以應(yīng)用于任何類(lèi)型的鋼或合金鋼構(gòu)件。
可以理解的是，如果此處參考了任何現(xiàn)有技術(shù)的信息，則該參考并不是承認(rèn)了所述信息在澳大利亞或任何其它國(guó)家構(gòu)成了該領(lǐng)域中通用的普通知識(shí)的一部分。
在本發(fā)明所附的權(quán)利要求和前面的說(shuō)明書(shū)中，除了上下文因表述語(yǔ)言或必要含義而需要其它含義以外，單詞“包括”或其變體諸如其單數(shù)形式或動(dòng)名詞形式以包含的意思使用，即，在本發(fā)明的各種實(shí)施方式中，確定規(guī)定所聲明特征的存在，但并不排除其它特征的存在或附加有其它特征。
在參考優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明能夠以許多其它形式實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行表面硬化的方法，該方法包括將硬化表面附著在所述構(gòu)件上的步驟，所述硬化表面包括焊接合金基質(zhì)和位于所述基質(zhì)中的硬微粒物質(zhì)，所述基質(zhì)可以通過(guò)焊接附著在所述構(gòu)件上，其中所述基質(zhì)具有與所述構(gòu)件相似的組成。
2.一種對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行表面硬化的方法，該方法包括將硬化表面附著在所述構(gòu)件上的步驟，所述硬化表面包括焊接合金基質(zhì)和位于所述基質(zhì)中的硬微粒物質(zhì)，所述基質(zhì)可以通過(guò)焊接附著在所述構(gòu)件上，其中所述硬微粒為球形和/或基本為球形。
3.一種對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行表面硬化的方法，該方法包括將硬化表面附著在所述構(gòu)件上的步驟，所述硬化表面包括焊接合金基質(zhì)和位于所述基質(zhì)中的硬微粒物質(zhì)，所述基質(zhì)可以通過(guò)焊接附著在所述構(gòu)件上，其中所述硬微粒具有基本均勻的尺寸。
4.如權(quán)利要求1～3任一項(xiàng)所述的方法，其中在將硬化表面附著在所述構(gòu)件上的步驟之后，通過(guò)熱處理對(duì)經(jīng)表面硬化的構(gòu)件進(jìn)行硬化和回火。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中對(duì)經(jīng)表面硬化的構(gòu)件進(jìn)行硬化和回火包括通過(guò)以下步驟對(duì)構(gòu)件進(jìn)行硬化的步驟-將所述構(gòu)件加熱至超過(guò)鋼的奧氏體化溫度的溫度；和-通過(guò)將其在水性溶液中淬火來(lái)冷卻所述構(gòu)件；隨后通過(guò)以下步驟進(jìn)行將所述構(gòu)件回火的步驟-將所述構(gòu)件加熱至適宜的回火溫度；和-冷卻所述構(gòu)件。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述構(gòu)件的硬化是通過(guò)將其加熱至超過(guò)奧氏體化溫度來(lái)進(jìn)行的，加熱時(shí)間為根據(jù)該構(gòu)件的厚度計(jì)算得到的最小時(shí)間間隔。
7.如權(quán)利要求5或6所述的方法，其中對(duì)所述構(gòu)件進(jìn)行硬化的溫度約為900℃～1000℃。
8.如權(quán)利要求5～7任一項(xiàng)所述的方法，其中將所述構(gòu)件在水性溶液中淬火直至所述構(gòu)件冷卻至室溫。
9.如權(quán)利要求5～8任一項(xiàng)所述的方法，其中所述構(gòu)件的回火是通過(guò)將其加熱至回火溫度來(lái)進(jìn)行的，加熱時(shí)間為根據(jù)所述構(gòu)件的厚度計(jì)算得到的最小時(shí)間間隔。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述回火溫度為約200℃～約650℃。
11.如權(quán)利要求9或10所述的方法，其中將所述構(gòu)件在水性溶液中淬火直至所述構(gòu)件冷卻至室溫。
12.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述硬微粒物質(zhì)包括直徑為約0.5mm～約5mm的顆粒。
13.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其中所述硬微粒物質(zhì)是經(jīng)燒結(jié)的碳化鎢。
14.如權(quán)利要求1～12任一項(xiàng)所述的方法，其中所述硬微粒物質(zhì)是粗晶碳化鎢。
15.一種在將硬化表面附著在鋼構(gòu)件上之后對(duì)所述構(gòu)件進(jìn)行硬化和回火的方法，該方法包括通過(guò)以下步驟對(duì)構(gòu)件進(jìn)行硬化的步驟-將所述構(gòu)件加熱至超過(guò)鋼的奧氏體化溫度的溫度；和-通過(guò)將其在水性溶液中淬火來(lái)冷卻所述構(gòu)件；隨后通過(guò)以下步驟進(jìn)行將所述構(gòu)件回火的步驟-將所述構(gòu)件加熱至適宜的回火溫度；和-冷卻所述構(gòu)件。
16.如權(quán)利要求15所述的對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行硬化和回火的方法，其中該方法包括在將所述硬化表面附著在所述構(gòu)件上之前將所述構(gòu)件回火的步驟。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述回火溫度為約550℃～約700℃。
18.如權(quán)利要求16或17所述的方法，其中所述回火溫度為約600℃～約650℃。
19.如權(quán)利要求15～18任一項(xiàng)所述的對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行表面硬化的方法，其中所述硬化和回火步驟的其它方面如權(quán)利要求6～11任一項(xiàng)所定義。
20.如權(quán)利要求15～19任一項(xiàng)所述的方法，其中所述硬化表面包括焊接合金基質(zhì)和位于所述基質(zhì)中的硬微粒物質(zhì)，所述基質(zhì)可以通過(guò)焊接附著在所述構(gòu)件上，其中所述基質(zhì)具有與所述構(gòu)件相似的組成。
21.如權(quán)利要求15～20任一項(xiàng)所述的方法，其中所述硬化表面包括焊接合金基質(zhì)和位于所述基質(zhì)中的硬微粒物質(zhì)，所述基質(zhì)可以通過(guò)焊接附著在所述構(gòu)件上，其中所述硬微粒為球形和/或基本為球形。
22.如權(quán)利要求15～21任一項(xiàng)所述的方法，其中所述硬化表面包括焊接合金基質(zhì)和位于所述基質(zhì)中的硬微粒物質(zhì)，所述基質(zhì)可以通過(guò)焊接附著在所述構(gòu)件上，其中所述硬微粒具有基本均勻的尺寸。
23.一種處理鋼構(gòu)件的方法，該方法包括下列步驟-在對(duì)所述構(gòu)件進(jìn)行表面硬化之前在約550℃～約700℃的溫度下通過(guò)下述步驟對(duì)所述構(gòu)件進(jìn)行回火-將硬化表面附著在所述構(gòu)件上，該硬化表面包括焊接合金基質(zhì)和位于所述基質(zhì)中的硬微粒物質(zhì)，可以通過(guò)焊接將所述基質(zhì)附著在所述構(gòu)件上；隨后-通過(guò)熱處理對(duì)構(gòu)件進(jìn)行硬化和回火。
24.如權(quán)利要求23所述的處理鋼構(gòu)件的方法，其中在表面硬化前回火所使用的溫度為約600℃～約650℃。
25.如權(quán)利要求23或24所述的處理鋼構(gòu)件的方法，其中所述硬化和回火步驟的其它方面如權(quán)利要求6～11任一項(xiàng)所定義。
26.如權(quán)利要求23～25任一項(xiàng)所述的處理鋼構(gòu)件的方法，其中所述基質(zhì)和/或所述硬微粒的其它方面如權(quán)利要求20～22任一項(xiàng)所定義。
27.一種鋼構(gòu)件，該鋼構(gòu)件通過(guò)用包括將硬化表面附著在所述構(gòu)件上的步驟的方法進(jìn)行了表面硬化，所述硬化表面包括焊接合金基質(zhì)和位于所述基質(zhì)中的硬微粒物質(zhì)，所述焊接合金基質(zhì)可以通過(guò)焊接附著在所述構(gòu)件上，其中所述基質(zhì)具有與所述構(gòu)件相似的組成。
28.一種鋼構(gòu)件，該鋼構(gòu)件通過(guò)用包括將硬化表面附著于構(gòu)件的步驟的方法進(jìn)行了表面硬化，所述硬化表面包括焊接合金基質(zhì)和位于所述基質(zhì)中的硬微粒物質(zhì)，所述焊接合金基質(zhì)可以通過(guò)焊接附著在所述構(gòu)件上，其中所述硬微粒為球形和/或基本為球形。
29.一種鋼構(gòu)件，該鋼構(gòu)件通過(guò)用包括將硬化表面附著于構(gòu)件的步驟的方法進(jìn)行了表面硬化，所述硬化表面包括焊接合金基質(zhì)和位于所述基質(zhì)中的硬微粒，所述焊接合金基質(zhì)可以通過(guò)焊接附著在所述構(gòu)件上，其中所述硬微粒具有基本均勻的尺寸。
30.如權(quán)利要求27～29任一項(xiàng)所述的鋼構(gòu)件，其中所述基質(zhì)和/或所述硬微粒的其它方面如權(quán)利要求12～14任一項(xiàng)所定義。
31.一種鋼構(gòu)件，該鋼構(gòu)件通過(guò)在將硬化表面附著于所述構(gòu)件之后對(duì)所述構(gòu)件進(jìn)行硬化和回火的方法進(jìn)行了表面硬化，所述方法包括通過(guò)下列步驟對(duì)所述構(gòu)件進(jìn)行硬化的步驟-將所述構(gòu)件加熱至超過(guò)鋼的奧氏體化溫度的溫度；和-通過(guò)將其在水性溶液中淬火來(lái)冷卻所述構(gòu)件；隨后通過(guò)以下步驟進(jìn)行將所述構(gòu)件回火的步驟-將所述構(gòu)件加熱至適宜的回火溫度；和-冷卻所述構(gòu)件。
32.如權(quán)利要求31所述的鋼構(gòu)件，其中所述硬化和回火步驟的其它方面如權(quán)利要求6～11任一項(xiàng)所定義。
33.一種鋼構(gòu)件，該鋼構(gòu)件用包括下列步驟的方法進(jìn)行了處理-在對(duì)所述構(gòu)件進(jìn)行表面硬化之前在約550℃～約700℃的溫度下通過(guò)下述步驟對(duì)所述構(gòu)件進(jìn)行回火-將硬化表面附著在所述構(gòu)件上，該硬化表面包括焊接合金基質(zhì)和位于所述基質(zhì)中的硬微粒物質(zhì)，可以通過(guò)焊接將所述基質(zhì)附著在所述構(gòu)件上；隨后-通過(guò)熱處理對(duì)構(gòu)件進(jìn)行硬化和回火。
34.如權(quán)利要求33所述的鋼構(gòu)件，其中所述硬化和回火步驟的其它方面如權(quán)利要求6～11或18任一項(xiàng)所定義。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種對(duì)鋼構(gòu)件進(jìn)行表面硬化的方法，其中將包括焊接合金基質(zhì)和硬微粒物質(zhì)的硬化表面通過(guò)焊接附著在鑄件上。在某些實(shí)施方式中，所述基質(zhì)可以具有與鑄件相似的組成，并且在其它實(shí)施方式中，所述硬微?？梢詾榍蛐魏?或基本為球形，或者具有基本均勻的尺寸。本發(fā)明還描述了在通過(guò)焊接將硬化表面附著在鑄件上之后對(duì)鑄件進(jìn)行硬化和回火的方法。在表面硬化后通過(guò)熱處理對(duì)鑄件進(jìn)行硬化和回火。在一個(gè)實(shí)施方式中，經(jīng)表面硬化的鑄件通過(guò)加熱至超過(guò)鋼的奧氏體化溫度的溫度而進(jìn)行熱處理，然后在水性溶液中通過(guò)淬火冷卻，隨后進(jìn)行回火。在一個(gè)實(shí)施方式中在對(duì)該鑄件進(jìn)行表面硬化之前將鋼鑄件在約550℃～約700℃的溫度下進(jìn)行回火。
文檔編號(hào)C23C30/00GK1812863SQ200480004998
公開(kāi)日2006年8月2日 申請(qǐng)日期2004年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月26日
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