(57)【要約】耐摩耗性の複合材料を形成するシステム及び方法は、金型キャビティ内に多孔質耐摩耗性充填材を配置することと、マトリックス材料を溶融するのに十分な温度に加熱することによってマトリックス材料と充填材料を浸透させることと、耐摩耗性複合材料を形成するためにアセンブリを冷却することとを含む。システム及び方法は、掘削装置または他の機械的部分の一部として基板の表面に耐摩耗性複合材料を形成するために使用することができる。一つの好適なマトリックス材料は、ダクタイル鋳鉄合金の多様のいずれであってもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
方法であって、
金型は、表面が金型のキャビティと連通するように、基板の表面は、近接して位置決めすることと、
表面に近接して、キャビティ内に多孔質摩耗性材料を配置することと、
キャビティと連通する金属マトリックス材料を配置することと、
マトリックス材料の融点以上の温度まで金型およびマトリックス材料を加熱し、基板の表面を溶融形態で耐摩耗材料に浸潤し、接触するマトリックス材料のための十分な時間、融点以上の温度に保持することと、を備える、方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、
マトリックス材料のダクタイル鉄は、３．０−４．０重量パーセントの組成物を有する、方法。
【請求項３】
請求項１記載の方法において、
耐摩耗性材料からなる群から選択される１つ以上の材料を含む、方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法において、
ＷＣ、ＴｉＣ、ＳｉＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＶＣ、ＺｒＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、（Ｗ、Ｔｉ）Ｃ、Ｂ４Ｃ、Ｍｏ２Ｃおよびそれらの組み合わせのいずれか一つからなる、方法。
【請求項５】
請求項３記載の方法において、
耐摩耗性材料からなる群から選択される一つ以上の窒化物を含む、方法。
【請求項６】
請求項３記載の方法において、
チタン、ホウ化クロム、ホウ化タングステン、ホウ化ニッケル、ホウ化ジルコニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化タンタル、ホウ化ニオブ、ホウ化バナジウムホウ化モリブデン、ホウ化ケイ素、ホウ化アルミニウム、ホウ化物、遷移金属の他のホウ化物、及びこれらの組み合わせの耐摩耗性材料からなる群から選択される一つ以上のホウ化物を含む、方法。
【請求項７】
請求項３記載の方法において、
耐摩耗性材料は遷移金属の一つ以上のシリサイドを含む、方法。
【請求項８】
請求項１記載の方法において、
耐摩耗性材料が湿潤互換性のあるコーティングを有する、方法。
【請求項９】
請求項１記載の方法において、
複合コーティングは、基板の複数の面上に形成されている、方法。
【請求項１０】
請求項１記載の方法において、
複合コーティングが基材の表面の一部のみに形成されている、方法。
【請求項１１】
請求項１記載の方法において、
多孔耐摩耗材が多孔質プリフォームを形成するために一緒に結合して粒子状材料で形成された多孔質母材の形態である、方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の方法において、
粒状材料が焼結によって互いに結合される、方法。
【請求項１３】
請求項１１記載の方法において、
粒状材料は、温度が加熱中に粒状材料からポリマー材料を除去する、方法。
【請求項１４】
請求項１記載の方法において、
金型は、シェルがシェルの外部への開口部を有し、空洞を画定するために基板に接続されたシートメタルシェルを含み、多孔質の耐摩耗性材料はキャビティ内に配置される、方法。
【請求項１５】
請求項１記載の方法において、
多孔耐摩耗材が粒子状物質の形態である、方法。
【請求項１６】
請求項１記載の方法において、
加熱炉チャンバ内で行われる、方法。
【請求項１７】
請求項１６記載の方法において、
前記方法は  マトリックス材料の融点に達する温度まで前室を排気する、方法。
【請求項１８】
請求項１６記載の方法において、
金型は、多孔質摩耗性の材料をさらに含み、透過性部分と接点を有する、方法。
【請求項１９】
システムであって、
表面を有する基板と、
基板の表面に近接して配置された金型と、
表面に近接したキャビティ内の耐熱材料と、
ダクタイル鉄を含むマトリックス材料と、を備え、
金型およびマトリックス材料の融点より高い温度にマトリックス材料を加熱し、溶融状態における耐摩耗材料に浸透し、基材の表面に接触するマトリックス材料のための十分な時間、温度を保持する、システム。
【請求項２０】
請求項１９記載のシステムにおいて、
マトリックス材料のダクタイル鉄は、約３．０から４．０の重量パーセントである、システム。
【請求項２１】
請求項１９記載のシステムにおいて、
耐摩耗性材料からなる群から選択される１つ以上の材料を含む、システム。
【請求項２２】
請求項２１記載のシステムにおいて、
ＷＣ、ＴｉＣ、ＳｉＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＶＣ、ＺｒＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、（Ｗ、Ｔｉ）Ｃ、Ｂ４Ｃ、Ｍｏ２Ｃおよびそれらの組み合わせのいずれか一つからなる、システム。
【請求項２３】
請求項２１記載のシステムにおいて、
耐摩耗性材料からなる群から選択される一つ以上の窒化物を含む、システム。
【請求項２４】
請求項２１記載のシステムにおいて、
チタン、ホウ化クロム、ホウ化タングステン、ホウ化ニッケル、ホウ化ジルコニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化タンタル、ホウ化ニオブ、ホウ化バナジウムホウ化モリブデン、ホウ化ケイ素、ホウ化アルミニウム、ホウ化物、遷移金属の他のホウ化物、及びこれらの組み合わせの耐摩耗性材料からなる群から選択される一つ以上のホウ化物を含む、システム。
【請求項２５】
請求項２１記載のシステムにおいて、
耐摩耗性材料は遷移金属の一つ以上のシリサイドを含む、システム。
【請求項２６】
請求項１９記載のシステムにおいて、
多孔耐摩耗材が多孔質プリフォームを形成するために一緒に結合して粒子状材料で形成された多孔質母材の形態である、システム。
【請求項２７】
請求項１９記載のシステムにおいて、
多孔耐摩耗材が粒子状物質の形態である、システム。
【請求項２８】
製造物品であって、
結合耐摩耗性の複合コーティングの表面を有する金属基板を備え、
結合耐摩耗性の複合コーティングは、
多孔質耐摩耗材料と、
混合金属マトリックス材料と、を有し、
マトリックス材料はさらに、金属マトリックス材料がダクタイル鉄を含む、製造物品。
【請求項２９】
請求項２８記載の製造物品において、
マトリックス材料のダクタイル鉄は、約３．０から４．０の重量パーセントである、製造物品。
【請求項３０】
請求項２９記載の製造物品において、
金属マトリックス材料の組成は、３７重量％のニッケルを含む、製造物品。
【請求項３１】
請求項２９記載の製造物品において、
金属マトリックス材料の組成は、５．５重量％のクロムを含む、製造物品。
【請求項３２】
請求項２９記載の製造物品において、
金属マトリックス材料の組成は、５．５重量％のケイ素を含む、製造物品。
【請求項３３】
請求項２８記載の製造物品において、
コーティングは、少なくとも７．５インチの厚さを有する、製造物品。
【請求項３４】
請求項２８記載の製造物品において、
コーティングは、基板の厚さよりも大きい厚さを有する、製造物品。
【請求項３５】
請求項２８記載の製造物品において、
地ならし機器のポイントである、製造物品。
【請求項３６】
請求項２８記載の製造物品において、
耐摩耗性材料が粒状物質である、製造物品。
【請求項３７】
請求項２８記載の製造物品において、
炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、遷移金属の金属間化合物、およびそれらの組み合わせの摩耗性材料からなる群から選択される一つ以上の材料を含む、製造物品。
【請求項３８】
請求項３７記載の製造物品において、
ＷＣ、ＴｉＣ、ＳｉＣ、Ｃｒ３Ｃ２、ＶＣ、ＺｒＣ、ＮｂＣ、ＴａＣ、（Ｗ、Ｔｉ）Ｃ、Ｂ４Ｃ、Ｍｏ２Ｃおよびそれらの組み合わせのいずれか一つからなる、製造物品。
【請求項３９】
請求項３７記載の製造物品において、
耐摩耗性材料からなる群から選択される一つ以上の窒化物を含む、製造物品。
【請求項４０】
請求項３７記載の製造物品において、
チタン、ホウ化クロム、ホウ化タングステン、ホウ化ニッケル、ホウ化ジルコニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化タンタル、ホウ化ニオブ、ホウ化バナジウムホウ化モリブデン、ホウ化ケイ素、ホウ化アルミニウム、ホウ化物、遷移金属の他のホウ化物、及びこれらの組み合わせの耐摩耗性材料からなる群から選択される一つ以上のホウ化物を含む、製造物品。
【請求項４１】
請求項３７記載の製造物品において、
耐摩耗性材料は遷移金属の一つ以上のシリサイドを含む、製造物品。
【請求項４２】
請求項２８記載の製造物品において、
表面から外側に延びる複数の突起を有する、製造物品。
【請求項４３】
請求項４２記載の製造物品において、
突起が耐摩耗性の複合コーティング内に埋め込まれている、製造物品。
【請求項４４】
加工部分および複合コーティングを含む土木機器の磨耗部材であって、多孔耐摩耗材と耐摩耗材と混合ダクタイル鋳鉄マトリックス材料を含む、磨耗部材。
【請求項４５】
請求項４４記載の磨耗部材において、
マトリックス材料のダクタイル鉄は、約３．０から４．０の重量パーセントである、磨耗部材。
【請求項４６】
請求項４５記載の磨耗部材において、
金属マトリックス材料の組成は、３７重量％のニッケルを含む、磨耗部材。
【請求項４７】
請求項４５記載の磨耗部材において、
金属マトリックス材料の組成は、５．５重量％のクロムを含む、磨耗部材。
【請求項４８】
請求項４５記載の磨耗部材において、
金属マトリックス材料の組成は、５．５重量％のケイ素を含む、磨耗部材。
【請求項４９】
請求項４４記載の磨耗部材において、
コーティングは、少なくとも７．５インチの厚さを有する、磨耗部材。
【請求項５０】
請求項４４記載の磨耗部材において、
炭化物、窒化物、ホウ化物、ケイ化物、遷移金属の金属間化合物、およびそれらの組み合わせの耐摩耗性材料からなる群から選択される一つ以上の材料を含む、磨耗部材。
【請求項５１】
請求項４４記載の磨耗部材において、
加工部分から外側に延びる複数の突出部を有する、磨耗部材。
【請求項５２】
請求項５１記載の磨耗部材において、
突起がリブ部材の複数を含む、磨耗部材。
【請求項５３】
請求項４４記載の磨耗部材において、
コーティングは、基板の厚さよりも大きい厚さを有する、磨耗部材。
【請求項５４】
請求項４４記載の磨耗部材において、
コーティングが少なくとも７．５インチの厚さを有する、磨耗部材。
【請求項５５】
方法であって、
金型を、キャビティを画定するために、基板の表面に近接して配置することと、
多孔質摩耗性材料を配置することと、
キャビティと連通する金属マトリックス材料を配置することと、
溶融が真空中で行われることを特徴とするマトリックス材料の融点以上の温度に加熱炉チャンバ内で加熱して、溶融したマトリックス材料を形成するためにマトリックス材料を溶融することと、
マトリックス材料を冷却して溶融したマトリックス材料を固化することと、
基板の表面上にマトリックス材料内に埋め込まれた耐摩耗性材料を含む耐摩耗性複合コーティングを形成することと、を備える、方法。
【請求項５６】
請求項５５記載の方法において、
真空溶融マトリックス材料まで、少なくとも維持される、方法。
【請求項５７】
請求項５５記載の方法において、
マトリックス材料後にチャンバ内に不活性ガスを導入する溶融することを更に備える、方法。
【請求項５８】
請求項５５記載の方法において、
不活性ガスは約０．０５０の分圧である、方法。
【請求項５９】
方法であって、
透過性部分を有する金型を、空洞を定義する基板の表面に近接配置することと、
透過性の部分は耐摩耗性材料と接触するように、キャビティ内に多孔質摩耗性材料を配置することと、
キャビティと連通する金属マトリックス材料を配置することと、
不活性ガスの存在下で、マトリックス材料の融点以上の温度に加熱炉チャンバ内の加熱により、溶融したマトリックス材料を形成するためにマトリックス材料を溶融することと、
透過性の部分を通って逃げることができる摩耗内残留ガスに浸透するまで、融点以上の温度を保持することと、
マトリックス材料を冷却して溶融したマトリックス材料を固化し、基板の表面上にマトリックス材料内に埋め込まれた耐摩耗性材料を含む耐摩耗性複合コーティングを形成することと、を備える、方法。
【請求項６０】
請求項５９記載の方法において、
不活性ガスは、約０．０５０の分圧を有する、方法。
【請求項６１】
請求項５９記載の方法において、
チャンバ内に不活性ガスを導入するチャンバを排気することを更に備える、方法。
【請求項６２】
方法であって、
金型を、キャビティを画定するために、基板の表面に近接配置することと、
キャビティ内に多孔質摩耗性材料を配置することと、
キャビティと連通する金属マトリックス材料を配置することと、
耐摩耗材と反対側に変位媒体隣接マトリックス材料を配置することと、
マトリックス材料の融点以上の温度に加熱して、溶融したマトリックス材料を形成するためにマトリックス材料を溶融することと、
変位媒体が溶融マトリックス材料を支持し、溶融マトリックス材料は耐摩耗性材料に浸透するように溶融マトリックス材料を変位させることと、
融点以上の温度を保持することと、
マトリックス材料を冷却して溶融したマトリックス材料を固化し、基板の表面上にマトリックス材料内に埋め込まれた耐摩耗性材料を含む耐摩耗性複合コーティングを形成することと、を備える、方法。
【請求項６３】
請求項６２記載の方法において、
変位材料はセラミックビーズを含む、方法。
【請求項６４】
請求項６２記載の方法において、
変位媒体とマトリックス材料との間にバリアを配置することを更に備える、方法。
【請求項６５】
請求項６２記載の方法において、
基板が管状構造を含み、溶融マトリックス材料は、管状構造の内面に複合コーティングを形成するために横方向外側に浸透し、表面は、管状構造の内側表面である、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれ、本明細書の一部とされる２０１２年１月３１日に出願された米国仮出願第６１／５９３０９１号の優先権を主張し、米国仮出願第６１／５９３０９１号の利益を主張する。
【０００２】
本出願は、概ね、耐摩耗材料を形成するためのシステム及び方法に関し、より具体的には、耐摩耗材料を形成すると共に耐摩耗材料をろう付けによって基板に接続するための浸透技術を利用するシステム及び方法並びにそのシステム及び方法の製品に関する。
【背景技術】
【０００３】
さまざまなタイプの掘削装置は、ポイント、エッジ、サーフェス、繰り返し衝撃やストレスにさらされている他の部分を有し、それは、そのような部品の摩耗又は破損を生じる。従って、高い硬度と優れた靭性と結び付けられた耐摩耗性を有する材料が、そのような用途に望ましい。高い硬度と耐摩耗性を有する材料は、同様の課題が直面しているアプリケーションを含め、他のアプリケーションにおいて有用であり得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
溶融金属を注ぐことによって部分を落としている耐摩耗部品を製造するための一つの一般的な技法は、ハードを中心に（例えば鋳鉄）、鋳造金属部品に耐摩耗材料を接続し、作成するために型に入れにくい素材にする。この方法の主な欠点は、耐摩耗性材料は、この方法によって付着される基板を鋳造するのに適した材料に制限されることである。さらに、耐摩耗性材料は、一般に５−５０％の体積分率の範囲に限定した粒子より大きく、部品は、一般的により少ない６．２５ミリメートルの厚さに限定される（０．２５０インチに制限されている）。さらに、この方法は、溶融合金を過熱する必要があり、炭化物粒子の有意な溶解をもたらし、それによって得られた複合物の特性を劣化させる。そのような鋳造は空気中で行われるため、さらに、そこ硬質粒子とマトリックス金属の両方の酸化のための可能性があり、酸化物が摩耗や機械的性能を複合材料中に包括低下するようになることができる。
【０００５】
耐摩耗性部品を製造するための別の一般的な技術は、ニッケル系合金、銅系合金、および／または両方の純粋なタングステンカーバイドの多孔質塊に鋳鉄と超硬合金粒子の浸潤がある。しかし、ニッケルと銅ベースの合金は高価であり、すべてのアプリケーションのために満足のいくものである靭性を持っていない。ダクタイル鋳鉄は、鋳造可能であり、良好な破壊靭性を持ってはるかに経済的材料を表す。しかしながら、これらの技術のために用いられる条件は、ダクタイル鋳鉄の浸潤には適していない。また、これらの技術に関与溶浸温度は、硬質粒子の有意な分解が起こるほど高い。これらの技術を用いて、球状鋳造炭化物に鋳鉄の浸潤の場合、元の炭化物粒子が完全に崩壊することができる。反応後に残って硬質粒子の比較的大きな部分がまだあるように、硬質炭化物粒子と溶融結合剤金属との間の冶金学的相互作用の結果として、このような技術についての粒子サイズは、典型的には、１．１４ミリメートル（０．０４５インチ）以上に維持されなければならない耐摩耗性を提供する。
【０００６】
従って、特定の既存製品及び方法は、有利な特徴の数を提供しながら、それらはそれにもかかわらず、一定の限界がある。本発明は、これらの制限および従来技術の他の欠点を克服するために特定の、そしてこれまで利用できない新機能を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下に、本発明の基本的な理解を提供するために、本発明の局面の一般的な概要を提示する。この概要は、本発明の広範な概要ではない。本発明の主要または重要な要素を特定し、本発明の範囲を線引きすることを意図するものではない。以下の概要は単に、以下に提供されるより詳細な説明の前置きとして、一般的な形で本発明のいくつかの概念を提示する。
【０００８】
本発明の態様は、基板上に耐摩耗性の複合コーティングを形成する際に使用するための方法に関する。金型は、表面が金型のキャビティと連通するように、基板の表面に近接して配置され、多孔質の耐摩耗性材料は、表面に近接して、キャビティ内に配置される。金属マトリックス材料を、キャビティと連通するように配置され、かつ金型およびマトリックス材料は、マトリックス材料の融点以上の温度に加熱される。温度は、溶融形態で耐摩耗材料に浸透し、基材の表面に接触するマトリックス材料のための十分な時間、融点以上に保持されている。その後、金型およびマトリックス材料は、マトリックス材料を固化させると、基板の表面上にマトリックス材料内に埋め込まれた耐磨耗材料を含む耐摩耗性複合コーティングを形成するために冷却される。マトリックス材料は、一実施形態ではダクタイル鋳鉄であってもよく、ダクタイル鋳鉄は、重量パーセントで、およそ約３．０から４．０パーセントの炭素、約１．８から２．８パーセントのケイ素、約０．１から１．０パーセントのマンガンを含む組成を有していてもよい。
【０００９】
一態様によれば、耐摩耗性材料は、１つまたは複数からなる群から選択される材料を含むことができる。使用することができるホウ化物の例としては、チタン、ホウ化クロム、ホウ化タングステン、ホウ化ニッケル、ホウ化ジルコニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化タンタル、ホウ化ニオブ、ホウ化バナジウム、ホウ化モリブデン、ホウ化ケイ素、ホウ化アルミニウム、ホウ化物、遷移の他のホウ化物を金属、およびこれらの組み合わせが挙げられる。使用することができるシリサイドの例としては、遷移金属のケイ化物を含む。耐摩耗性材料は、湿潤互換性のあるコーティングを有することができる。
【００１０】
別の態様によれば、複合コーティングは、基板の表面に複数の上に形成してもよいし、基材の表面の一部のみに形成してもよい。
【００１１】
さらなる態様によれば、多孔質摩耗性材料は、緩い粒子状物質の形態で、または多孔質プリフォームを形成するために一緒に結合して粒子状材料で形成された多孔質母材の形態であってもよい。プリフォーム中の粒状材料は、焼結などによって、または高分子材料により、いくつかの異なる方法で一緒に結合していてもよい。ポリマー材料は、ボンディングに使用される場合、ろう付け温度が加熱中に粒子状材料からポリマー材料を除去するのに十分であるように、材料を選択することができる。
【００１２】
さらに別の態様によれば、金型はであるか、またはキャビティを画定するために基板に接続されたシートメタル・シェルを含んでもよい。シェルは、シェルの外部への開口部を有していてもよく、多孔質の耐摩耗性材料は開口部を通して挿入することによって、キャビティ内に配置されてもよい。このようなシェルは、基板の厚さよりも有意に低い壁厚を有することができ、基板の外表面に溶接してもよい。
【００１３】
さらに別の態様によれば、マトリックス材料が溶融した後、不活性ガスがチャンバ内に導入することができる。あるいは、溶融は、マトリックス材料が溶融する前にチャンバ内にアルゴンガスを導入し、不活性ガスの存在下で行うことができる。この実施形態では、モールドは、浸潤の間に透過性部分から逃れるために残留ガスを可能にする多孔耐摩耗材と接触している透過性部分を有している。
【００１４】
さらなる態様によれば、マトリックス材料は、耐摩耗性材料に少なくとも部分的に横方向または水平に配置することができる。変位媒体は、溶融マトリックス材料を支持し、溶融マトリックス材料は耐摩耗性材料に浸透するように溶融マトリックス材料を変位させる。バリアはさらに、変位媒体への溶融マトリックス材料の浸透に抵抗するために、変位媒体とマトリックス材料との間に配置することができる。基板が、溶融マトリックス材料が管状構造の内側表面上に複合コーティングを形成するために横方向外側に浸透することができる。この構成では、変位媒体は管状構造の中央に配置され、溶融したマトリックス材料が耐磨耗材料に浸透するように外向きに変位させる。  
【００１５】
本発明のさらなる態様は、基板の表面上に耐摩耗性の複合コーティングを形成する際に使用するためのシステムに関する。システムは、基板の表面に近接して配置型を含むことができる、表面が金型キャビティの表面に近接してキャビティ内の多孔質の耐摩耗材、および金属マトリックス材料中と連通するようなものである。システムは、マトリックス材料のための十分な時間、温度をマトリックス材料の融点以上の温度まで金型およびマトリックス材料を加熱し、保持するように、上述の態様による方法に関連して使用可能であってもよい。上述したように、マトリックス材料は、ダクタイル鋳鉄であってもよい。  
【００１６】
一態様によれば、耐摩耗性材料は、１つまたは複数からなる群から選択される材料を含むことができる。
【００１７】
別の態様によれば、多孔質耐摩耗材は、緩い粒子状物質の形態で、または多孔質プリフォームを形成するために一緒に結合して粒子状材料で形成された多孔質母材の形態であってもよい。
【００１８】
本発明のさらなる態様は、システムおよび／または上記または他のシステムおよび／または方法によって説明される態様に係る方法に従って製造することができる製造品に関連する。物品は、表面に結合して耐摩耗性の複合コーティングを有する表面を有する金属基板を含む。耐摩耗性の複合コーティングは、耐摩耗性粒子材料、ならびに一緒に金属マトリックス材接合耐摩耗性粒子材料を含む。コーティングは、連続コーティングであってもよい。マトリックス材料は、さらに、基板に耐摩耗性の複合コーティングを接着する基板の表面に接合される。金属マトリクス材は、上述のように組成を有していてもよいダクタイル鋳鉄であってもよい。この方法は、コーティングは、少なくとも０．００５インチ、典型的にはより大きい０．０４０インチの厚さを有するために使用されてもよい。この方法は、最大６インチまたはいくつかの実施形態ではそれ以上、または最大７．５インチ以上の浸透距離を達成することができるので、コーティングは、６インチ又はそれ以上までのように基板自体よりも大きい厚さを有するために使用することができる。
【００１９】
一態様によれば、耐摩耗性材料は、１つまたは複数からなる群から選択される材料を含むことができる。
【００２０】
別の態様によれば、基板は、表面に接続し、表面から外側に延びる複数の突起を有している。突起は耐摩耗性複合コーティング内に埋め込まれている。一例として、突出部は対称的に、基板の外側表面上に分散リブまたはプレート複数の部材であってもよい。
【００２１】
さらなる態様によれば、物品は、掘削鉱業、または他の土木機器の磨耗部材であってもよく、基板は、複合コーティングが加工部分に重なるように、磨耗部材の作動部分によって形成することができる。
【００２２】
本発明の他の特徴および利点は、添付図面と併せて以下の説明から明らかになる。
【００２３】
本発明のより完全な理解を可能にするために、添付図面を参照しながら、例として説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態によれば、耐摩耗性複合材料を形成するために、上方から垂直浸潤の一例を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態によれば、耐摩耗性複合材料を形成するために、下方から垂直浸潤の一例を示す模式図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態によれば、耐摩耗性複合材料を形成する水平浸潤の一例を示す模式図である。
【図４】図４は、本発明の態様によれば、基板上に耐摩耗性複合材料を形成する方法の一実施形態を示す概略図である。
【図５】図５は、図４に示すような方法を用いて、その上に形成された耐摩耗性複合材料を有する基板を示す模式図である。
【図６】図６は、本発明の態様による、システムおよび外方浸透を用いて基板上に耐摩耗性複合材料を形成する方法の他の実施例を示す概略図である。
【図７】図７は、図６に示すシステムの断面を示す模式図である。
【図８】図８は、本発明の態様によれば、基板上に耐摩耗性複合材料を形成する方法の他の実施例を示す概略図である。
【図９】図９は、本発明の態様によれば、基板上に耐摩耗性複合材料を形成する方法の他の実施例を示す概略図である。
【図１０】図１０はダクタイル鋳鉄マトリックス中に球状鋳造炭化タングステン粒子の一例を示す顕微鏡写真である。
【図１１】図１１は、球状鋳造炭化タングステン／ダクタイル鉄複合体及び本発明の方法を使用して浸透処理後に残った過剰なダクタイル鋳鉄との間のインタフェースを示す顕微鏡写真である。
【図１２】図１２は、本発明の態様によれば、溶浸法を用いて、その上に形成された耐摩耗性複合材料を有する基板の他の実施例を示す概略図である。
【図１３】図１３は、本発明の他の実施形態による、真空条件下での炉内でろう付け材料を有する多孔質摩耗性材料の浸透のためのシステム及び方法の一例を示す模式図である。
【図１４】図１４は、本発明の一実施形態による、ろう付け材料の溶融前に真空条件下炉内でろう付け材料を有する多孔質摩耗性材料の浸透のためのシステム及び方法の一例を示す模式図である。
【図１５】図１５は、図１４のシステムおよび方法の概略図である。
【図１６】図１６は、本発明の別の実施形態による、部分的なアルゴン圧の下で炉内のろう付け材料を有する多孔質摩耗性材料の浸透のためのシステム及び方法の一例を示す模式図である。
【図１７】図１７は、掘削または鉱山機械用の点の形で、本発明の態様による使用のために構成された基板の別の実施形態の斜視図である。
【図１８】図１８は、図１７の基板の断面図である。
【図１９】図１９は、性複合材料を形成するための鋳型として使用するために構成されたシェルの一実施形態の斜視図である。
【図２０】図２０は、図１９のシェルの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明は多くの異なる形態での実施形態が可能であるが、本開示は、例示として考えられるべきで理解し、本発明の好ましい実施形態であること本発明の原理を図示し、説明した実施形態に本発明の広範な局面を限定するものではない。
【００２６】
一般に、本発明の態様は、システム、金型キャビティ内に多孔質耐摩耗性フィラー材料を配置することが含まれる耐摩耗性複合材料を形成するに十分な温度に加熱することによってマトリックス材料と充填材に浸潤する方法に関する。その後、耐摩耗性複合材料を形成するためにアセンブリを冷却する、マトリックス材料を溶融する。得られた複合材料は、充填材と混合し、マトリックス材料の結合を基質に複合体とを一緒に充填材を結合することができる充填材に接着マトリックス材料を含む。システムおよび方法は、鉱業、掘削、または他の土工機器または他の機械的部分の一部として基板の表面に耐摩耗性複合材料を形成するために使用することができる。基板は、マトリックス材料よりも高い融点を有する。例えば、浸透プロセスに適している融点を有する任意の材料とすることができる。このような基材の例としては、鋳造鍛造、および金属材料、並びにセラミック及びそのような金属化セラミックなどのセラミック系材料を生成した粉末が挙げられる。一実施形態では、基板は、炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、又は工具鋼であってもよい。システム及び方法は、耐摩耗性複合材料を形成するために使用することができる。
【００２７】
一実施形態では、方法は、マトリックス材料としてダクタイル鋳鉄を採用し、優れた耐摩耗性と靭性、緻密で硬い、そしてタフなコンポジットを生成する。加えて、ダクタイル鉄が過剰な加熱なしに溶融を可能にするのに十分に低い融点を有する。すべてのタイプ／ダクタイル鉄のグレードは、参照により本明細書に組み込まれるＡＳＴＭ標準Ａ５３６−８４（再承認２００４）によって定義される範囲内にある任意のダクタイル鉄を含む、本発明に従って使用可能であってもよい。一実施形態では、ダクタイル鋳鉄マトリックス材料は、約３．０から４．０パーセントの炭素組成を有していてもよい。本明細書で使用される場合、「約」という用語は、（組成範囲の例エンドポイント）リストされた公称値の±１０％の変動を指す。別の実施形態において、組成物は、この分散を含まなくてもよい。さらなる実施形態において、上記組成物は、マトリクス材料および／または高温特性、耐食性を向上させる耐摩耗性、例えばＮｉ、Ｃｒおよび／またはＳｉの添加などのさらなる合金添加物を含んでもよい。例えば、Ｎｉは最大３７重量％の量で添加することができ、Ｃｒは、最大５．５重量％の量で添加することができ、および／またはＳｉを約５．５重量％までの量で添加することができる。ダクタイル鋳鉄合金は、パフォーマンスを向上させることができる合金化添加物を含む他の実施形態における合金添加物を含んでもよい。そのような合金化添加物を有するダクタイル鋳鉄合金は高合金ダクタイル鉄として知られており、一般に、参照により本明細書に組み込まれるＡＳＴＭのＡ４３９及びＡ５７１のスコープ内に含まれている。このような合金はまた、本明細書に記載されるシステムおよび方法の実施形態に従って利用され得る。他の実施形態では、任意の合金添加物は、それらが悪影響などの特性を大幅に溶浸温度を増加および／または低下させるように、過剰な方法で特性または微細構造に影響を及ぼさないという条件で、異なる特性および／または微細構造を達成するために利用することができる。方法は、代替の実施形態では、ダクタイル鉄以外の金属マトリックス材料との複合材料を作成するために利用することができる。
【００２８】
マトリックス材料は、さまざまな形態で提供することができる。例えば、一実施形態において、マトリックス材料は、そのような別の実施形態では、モノリシック形態で提供することができる。マトリックス材料は、粉末、繊維、ホイスカーなどの粒子形態で提供することができる。マトリックス材料は、多孔性形態で提供することができる。マトリックス材料は、付加的な実施形態におけるこのような形態の組み合わせで提供されてもよい。
【００２９】
さまざまなハードおよびその他を含むさまざまな炭化物、窒化物、ホウ化物、及びケイ化物などの異なる実施形態、ならびに他の硬質で耐摩耗性材料等の材料の混合物に関連して充填材として使用することができる。このような材料は、バージン形態および／または湿潤互換性を提供する好適なコーティングが施されてもよい。耐磨耗材料粒子は、マトリックス材料と、互換性のある湿潤されていない場合、それらは浸透ろう付けにより複合材料を形成するために使用される前に、例えば、耐磨耗材料粒子は互換性のコーティングで被覆することができる。一実施形態では、充填材として使用することができるホウ化物、チタンのホウ化物、クロムのホウ化物、ホウ化タングステン、ホウ化ニッケル、ホウ化ジルコニウム、ｈａｍｉｕｍ、ホウ化タンタル、ホウ化ニオブ、ホウ化バナジウム、ホウ化モリブデン、ホウ化ケイ素、ホウ化物などの遷移金属のホウ化物を含むホウ化アルミニウムだけでなく、他のホウ化物。充填材として使用され得る遷移金属のケイ化物が含まれる。充填材として使用され得る他の材料としては、遷移金属の金属間化合物が挙げられる。一実施形態において、充填材料は、制限またはろう付け材料中の充填材の溶解を防止するために、溶融したろう付け材料の限定された溶解性を有する材料に基づいて選択することができる。本明細書で使用する用語「マトリックス材料」と「充填材」は、マトリックス材料または充填材は、複合材料の任意の特定の割合を形成することを意味すると考えるべきではない。例えば、マトリックス材料は、大部分または複合材料を複数形成する必要がなく、充填材料は、大部分、またはいくつかの実施形態では、複合材料の複数を形成することができる。
【００３０】
多孔質充填材は、１つまたは複数の異なる形式で提供することができる。一実施形態では、多孔質充填材が等の粉末、繊維、ホイスカーなどの緩い粒子状物質の形態であってもよい。さまざまな実施形態において、一実施形態において、粒子状充填材は、０．１より大きい粒径を有することができる。別の実施形態では、粒子状充填材は、０．１より大きく、５ミリメートルまでの粒径を有することができる。さらなる実施形態において、粒子状充填材は、約５００μｍの平均粒径を有することができる。一実施形態において、充填材料は、充填材のより高い密度及び／又は体積分率を達成するために使用することができる組み合わせとして、複数の粒子サイズで提供されてもよい。充填材料の任意の所与の体積分率で、微粒子のこのような使用は、一般に細孔サイズを微細化につながり、それによって材料の全体的な耐摩耗性を増加させる、これらの孔を充填するマトリックス材料の降伏強さを増加させることができる。粒状材料が金型キャビティ内に配置されると、粒子間の空間は、マトリックス材料により浸潤することができる多孔質構造を形成する。別の実施形態では、多孔質充填材は、多孔質母材の形態であってもよい。多孔質母材の気孔率は５％から１つの実施形態において９５％の範囲とすることができる。例えば、多孔質母材は、高分子バインダーとして、バインダー材料によって一緒に結合している粒子状物質を含んでもよい。プリフォームは、浸透プロセスの間に揮発する接着剤などによって、基板材料に取り付けられてもよい。浸潤すると、溶融マトリックス材料は、マトリックス材料は、粒子間の細孔に加えて、結合剤の除去によって気孔を埋めることができるように（例えば、融解等、揮発などによって）結合剤材料を除去するのに十分な温度を有する。別の例として、多孔質母材は、細孔が粒子間に存在するように、焼結によって互いに結合されている粒子状物質を含んでもよい。一実施形態では、予備焼結プリフォーム部分は、粒子間のネック成長を達成し、いくつかの機械的な取り扱い強度を提供するためにわずかに焼結され得るので、粒子サイズのオーダーである細孔径を有することができる。他の多孔質材料は、織られた繊維マットまたは織物として、同様に使用することができる。さらなる実施形態では、多孔質充填材は、異なる形態の組み合わせで提供されてもよい。例えば、一実施形態では、充填材は、粒状材料によって形成されている。
【００３１】
マトリックス材料による充填材の浸透によるろう付け作業は、一般に、それが接触しているか、そうでなければ充填材と通信して、溶融したマトリックス材料を許可する一方、その融点以上にマトリックス材料を加熱することによって達成することができるフィラー材料と接触し、多孔質充填材に浸透する。充填材料は、一般に、基板に得られた複合材料を接続するための浸透中に基板材料と接触するために、浸透中に基板と通信状態に接触して、または他の方法で配置されている。以下に説明するように、さまざまな金型は、浸潤に関連して利用することができる。図１−３は、それぞれ模式的に金型１２のキャビティ１１に充填材１５を浸透させる溶融マトリックス材料１６を示す。図１は、重力が浸潤を支援する下向きの垂直浸潤を示す。しかし、浸潤は、主に毛細管現象、水平浸潤、上向きの垂直浸潤、外向き／ラジアル浸潤し、重力を利用していないか、重力に逆らって動作する可能性があり、他の浸潤構成によって駆動されている。図２は、上方に垂直浸潤、および図の一例を示す図である。図３は、水平浸潤の一例を示す図である。図６−７は、水平浸潤の他の一例と考えることができる外方に又は半径方向に浸潤の一例を示す図である。任意の非下方浸透の実施形態では、技術は、浸潤が完了するまで、充填材料１５と接触して溶融マトリックス材料１６を維持するために充填材１５を浸透させた溶融マトリックス材料１６を変位させるために利用することができる。例えば、金型１２はマトリックス材料１６、充填材１５、及び適切な接触／連絡している基板を保持する浸潤の間に移動させることができる。別の例として、マトリックス材料１５は、浸潤の間に充填材料と接触して常にあることを保証するために使用することができる。以下に説明すると、図に示すように、さらに別の例では、可動材料は、セラミックビーズなどの、溶浸マトリックス材料を変位させるために使用することができる。
【００３２】
一実施形態では、ダクタイル鋳鉄材料は、マトリックス材料として使用される一実施形態例では、浸潤が２１５０の温度範囲で行うことができる。別の実施形態では、より大きな浸潤の長さは、一般的により長い浸透時間を利用して、１−６０分の一実施形態であってもよい。浸潤は、そのような一実施形態では、融点以上の温度で揮発誘発される溶融金属の飛散を避けることができ、アルゴン（Ａｒ）雰囲気のような一実施形態では、不活性雰囲気中で行うことができる。浸透中のアルゴン圧は、約６．５であってもよい。浸潤に使用され得るさまざまな雰囲気は、以下でより詳細に説明し、図に示されている。次いで、一実施形態において、室温までよりゆっくりと冷却する。いくつかの基板は、いくつか（または任意の）熱処理から利益を得ないことが理解される。機械加工は、または得られる一部の意図される用途に基づいて、所望されなくてもよい
すなわち、毛管圧が浸透前面に作用する。浸潤前線における圧力差は、溶融マトリックス材料の表面張力、フィラー材料に対して溶融マトリックス材料の接触角を含む多くの要因に依存し、充填材料の幾何学的特性（例えば、多孔性、ねじれ、細孔の変化大きさと形状、及び溶融材料の見かけの接触角に及ぼす影響）、及び充填材内の残留ガスの圧力に依存する。これらの要因の多くを制御する自由度は、特定のマトリックス／充填剤系内に限定することができる。残留ガス圧は、少なくとも部分的に制御され、圧力差、毛管作用のための駆動力を最大にすることができる充填材料内の残留ガス圧力の最小化することができる。これは、順番に、マトリックス材料は充填材に浸透し得る潜在的な距離を最大化することができる。充填材の他の形態と比較して、少なくともいくつかの構成では、プリフォームまたはプリフォームの形態の充填材の使用が浸透距離を最大にすることができる。
【００３３】
図１３−１６は、充填材料１５内の残留ガス圧を最小にするために、ろう付け操作中に使用される耐摩耗性複合材料を形成するためのシステムまたはアセンブリを示す。これは、アセンブリは以下にさらに説明するように、モールド１２と通信している基板（図示せず）を含んでもよいことが理解される。ろう付け作業の雰囲気は、約５−７インチ以上の距離として充填材を介してより大きな／より長い距離にわたってマトリックス材料の浸透を駆動するのに十分な毛管圧力勾配を達成するのを助けるように制御することができる。図１３−１６では、チャンバ３１は、実質的にフィラー材料の酸化を避けるために、少なくとも一つの実施形態において好ましい浸透プロセスの初めにマトリックス材料１６の避難の融点まで排気する。
【００３４】
図１３は、浸透は、真空条件下で実施される浸潤のためのシステム５００の一実施形態を示す。この実施形態では、全体のチャンバ３１は、従来のマトリックス材料１６の融点まで排気され、浸透過程を通して真空条件下で維持される。一実施形態では、排気後の気体の圧力は、０．００１−０．０１０トルであり得るか、または別の実施形態において（例えば、０．０００１から０．０１０トル）０．０００１トルと低くてもよく、またはさらなる実施形態では０．０００１トル未満に浸潤を実行することができる。これは、マトリックス材料内の化学物質の揮発による飛散が特定の合金が使用される場合、マトリックス材料は、かなりのマンガン含量このような飛散することができないのみで、特に合金を溶融した後、真空下でシステムを維持することの結果として、遭遇する可能性があることに留意されたい損傷炉３０内の機器だけでなく、ろう付けに使用可能なマトリックス材料１６の量を低減することができる。この飛散はまた、溶融したマトリックス材料１６をチャンバ３１内にＡｒまたは他の非反応性ガスの存在によって回避することができる。
【００３５】
図１４−１５は、Ａｒガス１６が溶融マトリックス材料をチャンバ３１内に導入される浸潤のためのシステム６００の別の実施形態を示す。図１４に示すように、チャンバ３１は排気される。図に示すように、一例では、システムを使用する。図１４−１５は、マトリックス材料１６は、２１８０で浸潤中の充填材１５の少なくとも７．５インチに浸潤することが見出された。これは、充填材１５内の残留ガスは、毛管作用を介して達成することができる浸透の長さを制限することができることを示している。
【００３６】
図１６は、Ａｒガス３２は、従来と同様に、図２に関して上述したマトリックス材料１６の溶融チャンバ３１内に導入される浸潤のためのシステム７００の別の実施形態を示す。システムはほぼマトリックス材料１６の溶融温度に達するまで加熱プロセスの間に前述のように、図１４に示すように、本実施形態では、チャンバ３１が排気されている。浸透を制限する充填材中の残留ガス圧を回避するために、金型１２は、多孔質または他のガス透過性であってもよい透過性部分と接触して透過部３３が設けられており、残留ガスを許可するマトリックス材料１６の透過部３３の浸透を制限しないようにマトリックス材料１６の被覆を避けるために、マトリックス材料１６の反対側に一般的に設けられていてもよい、浸潤の間に充填材１５から脱出するか、または透過性部分３３を封止することを防ぐ。上述したように、Ａｒガスの存在は、図２に示すように、システムを使用する一例において、溶融マトリックス材料１６の飛散を抑制することができる。これにより、チャンバ３１内の雰囲気と通信浸潤前面を維持する充填材１５内の残留ガスが毛細管現象駆動力に有することができること制限効果を減少させることができることを示している。
【００３７】
図４−５は、システムや耐摩耗性複合材料を形成するためのアセンブリ１００の一実施例示しており、この実施例では、モールド１２は、モールド１２の内面１３と基板１０の外面１４との間のキャビティ１１内の容積を捕捉するように、金型１２のキャビティ１１に配置されている。前記基板１０は、例えば、油またはグリース状物質及び／又はグリット基板１０にように、マトリックス材料の結合を十分に粒状表面に酸化スケールを除去して行うことを除去するための洗浄、乾燥などにより、あらかじめ調製してもよい。金型１２は、高融点金属材料、セラミック材料、またはグラファイトなどの任意の適切な材料から作ることができる。可能な場合は、金型１２は、溶接、ろう付け、または他のそのような一実施形態では、Ｐ点における溶接などによって基板１０の外面１４に接続することができ、モールド１２は、基板に溶接されている鋼シェルであるキャビティ１１を作成し、そしてグリット１１の実施形態は、以下でより詳細に説明する。図に示すように、充填材１５は、金型キャビティ１１に接触するか、そうでなければそのような粒状材料またはプリフォームの形態と同様に、基板１０の外側表面１４と連通している内に挿入される。前記マトリックス材料１６が充填材料１５と基板の外側表面１４と連通するように配置される。図に示すように、マトリックス材料１６は、単に固体状の充填材１５の上にマトリックス材料１６を配置することなどによって、金型キャビティ１１内に配置することができる。一実施形態では４は、マトリックス材料１６は、ブロック又はビレットの形態であってもよい。別の実施形態では、マトリックス材料１６は、フィーダまたは注射構造に配置することができる。トレイまたは同様の容器は、ステンレス鋼のトレイとして炉内のシステム１００をサポートするために使用することができる。浸透の間に、マトリックス材料１６が溶融し、最終的に基板１０の外面１４に接触する。
【００３８】
システム１００は、図１に示すように、外面１４上の複合コーティング１８を有する部分１７が形成され、冷却された。一実施形態では、マトリックス材料１６によって基板１０に接続され、充填材１６は別の実施形態において、複合材料１８に５−９５％の体積分率を有していてもよく、充填材１６は、３０の体積分率を有していてもよい。いくつかの実施形態では、部分１７は、そのようにするためのベースとして機能する複合コーティング１８１９を意図的に作成され、部分１７上に残されてもよい余剰材料の外側の少なくとも一部に過剰なマトリックス材料１９を有していてもよい溶接または別の部分を取り付ける。余分な材料１９は、存在する場合、代わりに、機械加工などにより、除去することができる。複合コーティング１８は、所望の用途に応じて、広い範囲の厚さで形成することができる。一実施形態では、部分１７は、多種多様な用途に使用可能な、複合コーティング１８が形成されてもよい。複合コーティング１８の耐摩耗性及び靭性は、このようなアプリケーションのパフォーマンスを強化する。発掘／採鉱設備は、ここにおいて説明されるシステム及び方法に従って生成部１７のためのアプリケーションの一例を表している。図１２は、基板を形成する加工部分を有する土工機器（例えば、鋼採掘ポイント）のための磨耗部材の形で、本明細書で説明されるシステム及び方法の一実施形態に従って製造された部品１７のさらなる実施形態を示す。
【００３９】
図１７−１８は、図に示すように、システムまたはアセンブリ１００に関連して使用することができる（例えば、掘削又は採鉱工具の点）基板１０の別の実施形態を示す。図１７−１８では、基板１０は、突起２８が塑性応答して変形することにより、基板１０と被覆１８の間のＣＴＥの違いに起因する問題を緩和するのを助けることができる外表面にリブ状に突出部２８が設けられている。一実施形態では、突起２８が塑性変形を容易にするために、比較的低い降伏強度と良好な延性を有する材料で形成することができる。突起が鋼基板１０に接合として突起２８のための材料を選択する際の他の考慮事項は、使用するのに適した材料のコーティング１８の一例とその（溶接または他の技術によって）基板１０に接続するための互換性と接着するためのもの適切な材料の他の例は、３０４ステンレス鋼、ＡＩＳＩ１０１８およびＡＩＳＩ１０１０を含むことができるようなＡＩＳＩなどの軟鋼である。突起２８は、コーティング１８の接着のための追加の表面を提供するため、更なるコーティング１８と同様に図３に示す基板１０との間の結合を強化することができる。
【００４０】
突起部２８の外面と実質的に同一平面とすることができる。図１７−１８は、基板１０の外面１４から外側に延び、長さとその厚さよりも有意に大きい高さを有するリブまたは板の形態である。一例では、突起部２８は、（基板１０の表面に平行）約１〜２インチの長さ、約０．２５インチ（コーティング１８の厚さ方向に平行）の高さ、及び厚さを有することができる。また、本実施形態における突起２８は、基板１０の外面１４のすべての面でかなり均等かつ対称に分布し、突起２８は、厚さ、長さ、及び幅を有することができる。一実施形態では、各突出部の長さが高さよりも大きくすることができる突起部２８の変形によって収容されるように選択される。突起部２８によって追加の潜在的接合領域２８があってもよい突起２８の寸法は突起で覆われた基板１０の電位の接着面積よりも大きくなるように、この寸法関係を用いて、突起２８は、コーティング１８のための潜在的な接合面積を増加させるコーティングおよび基板の寸法の厚さに応じて変更された。突起２８の間の距離は、基板１０の位置および形状に依存することができる。他の実施形態では、突出部２８は、等棒、円錐、ペグのような異なる形状を有していてもよいし、異なる方法で、分散および／または配向することができる。図１７は、グリットブラスト溶接後であってもよい基板１０の外面１４に溶接される。基板１０に凸部２８を接続するための他の技術は、他の実施形態で使用することができる。なお、突起２８は、基板１０と同じ材料で形成され、一体的に、一実施形態では、基板１０に形成され得ることが理解される
図６−９は、本発明の態様による耐摩耗性複合材料を作成するための他のシステムおよび方法を示す。図６−７は、外向き又は半径方向の浸潤を介して基板１０の内面２０上に複合材料を形成するためのシステム２００を例示する。この実施形態において、基板１０は、形状の筒状であり、基板１０は、任意の適切で形成することができる基板１０の板２１の内側モールドキャビティ１１を作成するために、モールド１２とプレート２１と一緒に使用される。板２１は、モールド１２、および／または基板１０が溶接可能な材料で作られている場合、これらのコンポーネントのいずれかは、溶接が不要であり、溶接により接続されてもよい。また、浸潤の間にマトリックス材料１６を変位させる位置に、金型キャビティ１１内に配置した。これは、マトリックス材料１６の浸潤は、セラミックビーズ２２によって及ぼされるのではなく、力は、他の変位技術を使用してもよい。図中の実施形態では、材料１６は、管状形で金型キャビティ１１内に配置することができるマトリックスが充填材をＩＳと接触してもよい。別の実施形態では、充填材１５の周囲に円形に配列ビレットを複数として提供するこの構成では、セラミックビーズ２２は、管状のマトリックス材料１６の内径の内側に配置され、そして２２の移動方向外側にビードは代わりに、他の浸潤マトリックス材料１６を変位させる変位技術を使用してもよい。
【００４１】
図８は、水平および鉛直浸潤を介して基板１０の外面１４上に複合材料を形成するためのシステム３００を示す。この実施形態では、基板１０の一部が金型キャビティ１１の内部に配置され、プレート２１は、金型キャビティ１１２１は、任意の適切な材料で形成することができるプレートを囲むように金型１２とともに使用される。追加の部材２３および／または浸潤を終了するための目的をシールするために使用することができる。多孔質充填材１５は、複合材料を形成する位置で基板１０の外表面１４上に配置され、マトリックス材料１６が接触するように配置されるか、そうでなければ、充填材１５と通信する。図８に示すように、マトリックス材料１６は、下方への浸潤のために、水平浸潤のための充填材１５と一緒に充填材１５の上に配置されている。図８に示すように、マトリックス材料１６は、この構成では、充填材料１５内に水平方向および垂直方向に浸潤充填材１５の周りに金型キャビティ１１内に配置されており、セラミックビーズ２２はマトリックス材料１６の周りに水平に配置される。システム３００は、炉内に配置し、浸潤を完了するために上記のように処理することができる。
【００４２】
図９は、水平および鉛直浸潤を介して基板１０の外面１４上に複合材料を形成するためのシステム４００を示す。上記の任意の材料を含む、この実施形態では、基板１０の一部が金型キャビティ１１の内部に配置され、プレート２１は、任意の適切な材料で形成することができるプレートを囲むように金型１２とともに使用される。追加の部材２３および／または浸潤を終了するための目的をシールするために使用することができる。多孔質充填材１５は、複合材料を形成する位置で基板１０の外表面１４上に配置され、マトリックス材料１６が接触するように配置されるか、そうでなければ、充填材１５と通信する。図９に示すように、マトリックス材料１６は、下方への浸潤のために、水平浸潤のための充填材１５と一緒に充填材１５の上に配置されている。図９に示すように、マトリックス材料１６は、この構成では、充填材料１５内に水平方向および垂直方向に浸潤充填材１５の周りに金型キャビティ１１内に配置されており、セラミックビーズ２２は、マトリックス材料１６の周りに水平および垂直に配置されている。
【００４３】
シェル３１４は、複合コーティング１８と同様に利用され得る。一実施形態では、充填材１５は、シェル３１４の開口３１７を通して注ぐことができ、マトリックス材料１６は、その後として同様に図に示すように、充填材１５の上に配置することができる。前記開口３１７は、シェル３１４上の他の場所に配置することができる開口部を有することができるろう付け中に異なる方向に配置されている。
【００４４】
一例では、シェル３１４は、低炭素「軽度」鋼で形成することができる。例えば、シェル３１４は、約０．１０５での平均シェル厚さを有し得る。一実施形態では、シェル３１４は、１６Ｇａの範囲の板金で作ることができる。対照的に、図２０は、１．０００からシェルによってカバーされる領域における３．４５０インチの範囲の厚さを有することができる。他の実施形態では、シェル３１４は、任意の他の適切な厚さを有することができる。例えば、さらなる実施形態において、シェル３１４は、約０．２５インチの厚さを有する鋼または他の金属板で作ることができる。これは、シェル３１４の異なる部分が異なる厚さを有してもよいことが理解される。
【００４５】
シェル３１４の相対的な薄さは、比較的安価に、容易に形成することができることを意味する。もう少し複雑な形状は、特定の構成のシート金属片を曲げ、その後、一緒に曲がったシートメタル片を溶接することによって製造することができる。複雑な形状は、ゲラン処理（ゴムパッド形成）、ハイドロフォーミング、および／または爆発によって形成し、そのような深絞りなどの処理を構成する板金により作製することができる。特に複雑な形状の場合、外殻の片は、これらのプロセスのうちの１つ以上によって形成することができる。
【００４６】
図１９−２０に示されるように、シェル３１４を有する、二部分等角バンド３２０のシェル３１４の３１６は、最初に前半部片３２６及び後半片３２８から形成することができる二部シェル本体を有する。フロントフランジ３３０は、ろう材が持つ溶接またはろう付けによって後部フランジ３３２に接合することができる。シェル３１４は、シェル３１４の全周囲の周りに基板３１２の表面の一部と表面対表面接触して配置されるように構成されたコンフォーマルなバンド３２０を有していてもよい。他の実施形態では、シェル３１４は一体形成されてもよい。そのような対応する一液型シェルとの接合と比較した場合、二部シェル３１４は、より簡単に、対応する基板に接合されてもよい。
【００４７】
シェル３１４は、基板３１２の部分に接合されて示されている。基板３１２のための２０の外側の幾何学的形状は、一次体硬質材料の接合に、少なくともいくつかの凹部又はその他の救済を提供することができ、コンフォーマルバンド３２０基板３１２に溶接またはろう付け用の接着面を含むことができる。図に見られるように。シェル３１４は、基板３１２との間に空洞３５０を画定し、キャビティ３５０は、基板３１２に接着コーティング（図示せず）の結果として生じる厚さの内側の形状を画定するシェル３１４を定義する。
【００４８】
図に示すように、薄い金属シェルは、クランプ又は固定具を必要とせずに、溶接または高温ろう付けにより下地基板に確実に取り付けることが容易であり、作成された関節にも浸透ろう付けに必要な高温で流体密である。金型を伴う浸潤表面硬化の任意のタイプでは、溶融金属ろう材は、金型内部に残るべきである。本開示の薄い金属シェルで、基板への確実な取り付けは、余分なクランプや治具ことなく達成される。
【００４９】
なお、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００の数字、ならびに上述した図示のシステムのさまざまな特徴は交換されてもよいことが理解される。変形の技術のいずれかは、その１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００のシステムのいずれかと関連して利用することができる。
【００５０】
図１０−１１は、図１のシステム１００と同様のシステムを使用して形成された複合材料１８の顕微鏡写真を示している。図１０−１１は、複合材料１８と過剰のマトリックス材料１９との間の界面２６を示す図である。
【００５１】
複合コーティングは、ここに優れた耐摩耗性と靭性を示し、説明されるシステムおよび方法に従って製造される。一例では、試料は、図１のシステム１００と同様のシステムを使用して調製された。ＷＣ球状キャストを使用して、鋳造ＷＣを粉砕した。キャストのサンプルは比較のために用意された。Ｄ２鋼はまた、比較のために使用した。乾燥砂ゴム車輪（ＤＳＲＷ）摩耗試験（ＡＳＴのＧ６５）は、ＡＳＴＭ  Ｇ６５の手順Ａに基づき、これらの試料上で実施した。試験条件は以下の通りであった。
【００５２】
合計回転数：６０００
試料上のロード：３０ポンド
砂流量：３００−４００ｇ／分
２つの連続したＤＳＲＷテストは同じ摩耗痕領域と第２のテスト中の質量損失に行われた、材料の摩耗損失を代表とした。それは以下の表１から分かるように、破砕キャストタングステンカーバイド／ダクタイル鋳鉄に続く球状鋳造炭化タングステン／ダクタイル鉄は、他の材料に比べて優れた耐摩耗性を示した。試料は、コーティングとして調製し、基板を検査するための基板に近い表面を露出させるために、機械加工及び研削加工によって除去した。
【００５３】
【表１】
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【００５４】
上記表１の結果から明らかなように、他の組み合わせと比較して、球状キャストＷＣ及び破砕されたキャストＷＣと組み合わせたダクタイル鋳鉄を使用すると、低質量と体積損失となった。さらに、ＷＣとダクタイル鋳鉄の組み合わせが他の組み合わせに匹敵した硬さを持っていた。さらに、ダクタイル鋳鉄は、試験した他のマトリックス合金、特にＮｉ及びＣｕの合金よりもかなり安価である。したがって、この試験は、本発明の実施形態によるシステムおよび方法を使用してダクタイル鋳鉄マトリックス材料とＷＣフィラー材料から作られた複合材料の有利な使用を示している。
【００５５】
得られた複合製品は、優れた耐摩耗性および靭性を示し、経済的に製造することができる。別の例として、システムおよび方法は、セラミックスやセラミックス溶射などの鍛造、鋳造、粉末冶金用金属基板などの異なる基板、並びに非金属、基板の多種多様に耐摩耗性材料を適用するために使用することができる。別の例として、ろう付け技術の使用は、単一の工程で達成される基板の材料の形成および接着を可能にする。したがって、他の表面硬化プロセスと比較して、システムおよび他のプロセスよりも低い過熱（例えば鋳造）を利用することができる方法は、その結果、マトリックス材料のより大きな降伏強さと複合材料のより大きな全体的な耐摩耗性をも達成することができ、上述したように硬質充填材の密度が達成され得る。さらに他の利益および利点は、当業者によって認識される。
【００５６】
いくつかの代替実施形態および実施例は、本明細書に図示および記載されている。当業者は、個別の実施形態の特徴および可能な組み合わせ及び構成要素のバリエーションを理解するであろう。当業者は、さらなる実施形態のいずれかは、本明細書に開示された他の実施形態との任意の組み合わせで提供され得ることを理解するであろう。本発明は、その精神または中心的特徴から逸脱することなく他の特定の形態で実施され得ることが理解される。本実施例および実施形態は、したがって、例示であり、限定的ではないすべての点で考えられるべきであり、そして本発明は、本明細書に与えられた詳細に限定されるものではない。例えば、本明細書で使用される「上部」、「底部」などの相対語は、説明のみを目的としたものであり、いかなる方法でも実施形態を制限するものではない。具体的には、特許請求の範囲に記載のない限り、順序内の構造は、本発明の範囲に含まれる。また、本明細書で使用される用語「複数」は、無限の数まで、必要に応じて、１よりも大きい任意の数を示している。特定の実施形態を図示し説明してきたが、多数の変形が本発明の精神及び保護範囲から逸脱することなく添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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