(57)【要約】  マトリックス内に硬質粒子を組み込んで部材の表面を形成することが、耐摩耗性を著しく増大させることができる。炭素構造は、７００℃を超える温度の空気中で分解されて黒鉛になるため、工業の適用分野におけるダイヤモンドの実用は制限される。溶融鉄に露出されるとき、ダイヤモンド表面はまた、化学反応して鉄に溶解する可能性がある。ダイヤモンドを被覆する金属化合物は、その構造を劣化させる元素とのダイヤモンド表面の接触を制限する１つまたは複数の保護層を提供することができる。被覆はまた、処理中、マトリックス内の粒子の保持を改善するため、溶融されたマトリックスに対して湿潤性の表面を提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄マトリックス内の含有のための摩耗粒子であって、
ダイヤモンド粒子と、
前記ダイヤモンドの表面上の内層と、
前記鉄マトリックスに結合するための外層とを含む摩耗粒子。
【請求項２】
前記内層および前記外層がそれぞれ金属化合物を含む、請求項１に記載の摩耗粒子。
【請求項３】
前記内層が金属炭化物である、請求項１または２に記載の摩耗粒子。
【請求項４】
前記外層が金属窒化物である、請求項１から３のいずれか一項に記載の摩耗粒子。
【請求項５】
前記外層の組成物が、溶融されたマトリックスによる前記摩耗粒子の濡れを促進する、請求項１から４のいずれか一項に記載の摩耗粒子。
【請求項６】
前記内層と外層と間に第３の層をさらに含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の摩耗粒子。
【請求項７】
前記外層が、濡れを促進するための準化学量論的な窒化物である、請求項１から６のいずれか一項に記載の摩耗粒子。
【請求項８】
各層が、ケイ素、タングステン、チタン、ニッケル、ホウ素、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデン、およびアルミニウムの１つまたは複数を含む金属化合物を含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の摩耗粒子。
【請求項９】
前記内層が金属化合物であり、前記外層が、前記内層とは異なる金属を組み込む金属化合物である、請求項１から８のいずれか一項に記載の摩耗粒子。
【請求項１０】
ダイヤモンド粒子を組み込む鋳造摩耗部材であって、前記ダイヤモンド粒子が、
前記ダイヤモンドの表面上の１次の層と、
前記鋳造摩耗部材の金属に結合する３次の層とを含む、鋳造摩耗部材。
【請求項１１】
前記摩耗部材が鉄材料である、請求項１０に記載の鋳造摩耗部材。
【請求項１２】
前記１次の層が炭化物である、請求項１０に記載の鋳造摩耗部材。
【請求項１３】
前記３次の層が窒化物である、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の鋳造摩耗部材。
【請求項１４】
前記３次の層が、前記摩耗部材が溶融したマトリックスによる前記摩耗粒子の濡れを促進する、請求項１０から１３のいずれか一項に記載の鋳造摩耗部材。
【請求項１５】
前記３次の層が、濡れを促進するための準化学量論的な窒化物である、請求項１０から１４のいずれか一項に記載の鋳造摩耗部材。
【請求項１６】
各層が、ケイ素、タングステン、チタン、ニッケル、ホウ素、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデン、およびアルミニウムの１つまたは複数を含む金属化合物を含む、請求項１０から１５のいずれか一項に記載の鋳造摩耗部材。
【請求項１７】
前記部材が、作業部分および取付け部分を有し、前記作業部分内にダイヤモンドが優先的に分散される、請求項１０から１６のいずれか一項に記載の鋳造摩耗部材。
【請求項１８】
前記取付け部分にダイヤモンドが実質上ない、請求項１７に記載の鋳造摩耗部材。
【請求項１９】
摩耗部材の鋳造中にダイヤモンドを組み込む方法であって、
前記ダイヤモンドの表面上に保護被覆を堆積させるステップと、
前記保護被覆上に被覆を堆積させるステップとを含む方法。
【請求項２０】
被覆を堆積させるステップが、化学気相成長を含む、請求項１９に記載のダイヤモンドを組み込む方法。
【請求項２１】
被覆を堆積させるステップが、物理蒸着を含む、請求項１９または２０に記載のダイヤモンドを組み込む方法。
【請求項２２】
前記被覆が、ケイ素、タングステン、チタン、ニッケル、ホウ素、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデン、およびアルミニウムの１つまたは複数を含む金属化合物を含む、請求項１９から２１のいずれか一項に記載のダイヤモンドを組み込む方法。
【請求項２３】
前記保護被覆が金属炭化物である、請求項１９から２２のいずれか一項に記載のダイヤモンドを組み込む方法。
【請求項２４】
前記保護被覆が、鉄マトリックスとの接触による前記ダイヤモンドの劣化に耐える、請求項１９から２３のいずれか一項に記載のダイヤモンドを組み込む方法。
【請求項２５】
前記保護被覆上の前記被覆が金属窒化物である、請求項１９から２４のいずれか一項に記載のダイヤモンドを組み込む方法。
【請求項２６】
前記保護被覆上の前記被覆が金属炭窒化物である、請求項１９から２４のいずれか一項に記載のダイヤモンドを組み込む方法。
【請求項２７】
前記溶融金属による前記被覆されたダイヤモンドの濡れを促進するための準化学量論的な金属窒化物である第３の被覆を堆積させるステップをさらに含む、請求項１９から２６のいずれか一項に記載のダイヤモンドを組み込む方法。
【請求項２８】
前記溶融金属による前記被覆されたダイヤモンドの濡れを促進するための準化学量論的な金属炭窒化物である第３の被覆を堆積させるステップをさらに含む、請求項１９から２６のいずれか一項に記載のダイヤモンドを組み込む方法。
【請求項２９】
前記保護被覆の前記金属および前記保護被覆上の前記被覆の前記金属が、異なる金属である、請求項１９から２８のいずれか一項に記載のダイヤモンドを組み込む方法。
【請求項３０】
鋳造金属内に前記ダイヤモンドを組み込むステップが、前記摩耗部材に対する溶融金属を注入する前に、被覆されたダイヤモンド粒子を鋳型内に懸濁させるステップを含む、請求項１９から２９のいずれか一項に記載のダイヤモンドを組み込む方法。
【請求項３１】
被覆されたダイヤモンド粒子が、前記摩耗部材に対する前記溶融金属と同時に鋳型内へ導入される、請求項１９から３０のいずれか一項に記載のダイヤモンドを組み込む方法。
【請求項３２】
前記ダイヤモンドを１つまたは複数の元素でドープして前記ダイヤモンドの導電性を変えるステップをさらに含む、請求項１９から３１のいずれか一項に記載のダイヤモンドを組み込む方法。
【請求項３３】
金属体と、前記金属体内の硬質粒子とを含み、前記硬質粒子がそれぞれ、超研磨材コアと、前記超研磨材コアを少なくとも部分的に被覆する第１の金属炭化物層と、前記第１の金属炭化物層を少なくとも部分的に被覆する第２の金属窒化物層とを含む、研磨環境向けの物品。
【請求項３４】
前記金属体が鉄である、請求項３３に記載の物品。
【請求項３５】
前記第２の層上に外層を含み、前記外層の組成物が準化学量論的な窒化物である、請求項３４に記載の物品。
【請求項３６】
各層が、ケイ素、タングステン、チタン、ニッケル、ホウ素、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデン、およびアルミニウムの１つまたは複数を含む金属化合物を含む、請求項３３または３５に記載の物品。
【請求項３７】
金属体と、前記金属体内の硬質粒子とを含み、前記硬質粒子がそれぞれ、金属窒化物層によって少なくとも部分的に被覆された超研磨材コアを含む、研磨環境向けの物品。
【請求項３８】
鉄ベースの合金から構成された金属体と、前記金属体内に含有されたダイヤモンド粒子とを含み、前記ダイヤモンド粒子が、内側の金属炭化物層および外側の金属窒化物層によって被覆される、研磨環境向けの物品。
【請求項３９】
前記内側の金属層が、前記ダイヤモンド粒子を完全に覆う、請求項３８に記載の物品。
【請求項４０】
前記外側の金属層が、前記内側の金属層を完全に覆う、請求項３８または３９に記載の物品。
【請求項４１】
各層が、ケイ素、タングステン、チタン、ニッケル、ホウ素、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデン、およびアルミニウムの１つまたは複数を含む金属化合物を含む、請求項３８から４０のいずれか一項に記載の物品。
【請求項４２】
鉄ベースの合金から構成された金属体と、前記金属体内に含有されたダイヤモンド粒子とを含み、前記ダイヤモンド粒子が、金属窒化物層によって被覆される、研磨環境向けの物品。
【請求項４３】
前記金属窒化物層が、前記ダイヤモンド粒子を完全に覆う、請求項４２に記載の物品。
【請求項４４】
外側の準化学量論的な金属化合物層が、前記金属窒化物層を被覆する、請求項４２または４３に記載の物品。
【請求項４５】
各層が、ケイ素、タングステン、チタン、ニッケル、ホウ素、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデン、およびアルミニウムの１つまたは複数を含む金属化合物を含む、請求項４２から４４のいずれか一項に記載の物品。
【請求項４６】
土木工事機器に取り付けるための基部と、土質材料に接触する摩耗面とを有する摩耗可能本体を含み、前記摩耗面の少なくとも一部分が、被覆されたダイヤモンド粗粒を含む、前記土木工事機器向けの摩耗部品。
【請求項４７】
前記摩耗可能本体が、バケツ用の歯またはシュラウドである、請求項４６に記載の土木工事機器向けの摩耗部品。
【請求項４８】
前記摩耗可能本体が、浚渫機用の歯である、請求項４６に記載の土木工事機器向けの摩耗部品。
【請求項４９】
前記摩耗可能本体が、破砕機内に設置される、請求項４６に記載の土木工事機器向けの摩耗部品。
【請求項５０】
研磨環境向けの物品を製造するプロセスであって、被覆されたダイヤモンド粗粒を鋳型内の鋳造面に固定するステップと、溶融鉄ベースの合金を前記鋳型内へ供給し、その結果前記溶融鉄ベースの合金が前記被覆されたダイヤモンド粗粒を受け取って前記物品を形成するステップと、前記物品から前記鋳型を除去するステップとを含むプロセス。
【請求項５１】
前記ダイヤモンド粗粒が、メッシュもしくは布、金属リボン、金属発泡体、またはセラミック発泡体などの犠牲媒体を使用して前記鋳造面に固定される、請求項５０に記載の製造するプロセス。
【請求項５２】
前記ダイヤモンド粗粒が、前駆体マトリックス材料で前記鋳造面に固定される、請求項５０に記載の製造するプロセス。
【請求項５３】
研磨環境向けの物品を製造するプロセスであって、第１の金属炭化物層および第２の金属窒化物層で被覆された超研磨材コアを含む硬質粒子を鋳型内の鋳造面に固定するステップと、前記硬質粒子を受け取る鉄の溶融金属を前記鋳型内へ供給するステップと、前記物品から前記鋳型を除去するステップとを含むプロセス。
【請求項５４】
前記超研磨材コアが、前記鋳造面上に塗装される、請求項５３に記載の製造するプロセス。
【請求項５５】
研磨環境向けの物品を製造するプロセスであって、内側の金属炭化物層および外側の金属窒化物層によって被覆された硬質粒子を鋳型の内面に固定するステップと、金属ベースの粉末を前記鋳型内へ供給するステップと、前記鋳型を加熱して前記粉末を焼結し、前記硬質粒子を含有する固体にするステップと、前記鋳型を除去するステップとを含むプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[1]本発明は、硬度を増大させかつ表面の浸食を制限するために埋め込まれた摩耗粒子を有する構成要素摩耗面に関する。
【背景技術】
【０００２】
[2]工業の適用分野では、器具を研磨材料に周期的に接触させ、研磨材料によって器具の表面を除去することが多い。器具の耐用寿命にわたって、研磨材料は、器具が交換されることが必要になるまで、露出された器具表面を摩耗および浸食する。器具に対するより硬質の表面は、動作中の摩耗率を低減させることによって、器具の耐用寿命を延ばすことができる。
【０００３】
[3]摩耗器具は、鋳造、粉末冶金溶浸、または他の技法によって製造することができる。器具材料の硬度を修正する方法には、合金化、表面硬化、および熱処理が含まれる。また、部品の形成中に器具の本体内へ耐摩耗性粒子または材料を組み込むことで、動作中の浸食を制限して、増大された耐用寿命を提供することができる。
【０００４】
[4]鋳造材料中の硬質摩耗粒子の導入および優先的な配置を可能にする材料の準備および製造プロセスは、摩損に露出された器具および他の部品に対して改善された摩耗および耐用寿命を提供することができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
[5]摺動または衝撃により他の材料に接触する摩耗器具および摩耗部材の表面は、浸食を受けやすい。例には、地表および鉱石を貫く採鉱において、さらなる処理のために材料を分離するために使用される地面係合器具が含まれる。地面係合器具は、摩耗率が非常に高く、頻繁に交換されなければならない。例にはまた、岩を破壊することによってボアホールを進めるダウンホール・ドリル・ビットなどの回転式の器具が含まれる。孔の材料は、ビットの本体の周りに流されて、ビットの表面を研磨する。他の例には摩耗部品が含まれ、斜水溝、トラックの荷台などに取り付けられたものなど、土質材料が、摩耗部品の上を通過する。本発明は、地面に係合する器具または部品によく適しているが、他の研磨環境でも、より長い寿命を提供するために使用することができる。
【０００６】
[6]より硬質の材料は、より軟質の材料に比べて、摩耗および浸食に対する耐性が強い。器具および器具表面を硬化させる多くの方法が、器具および器具表面の耐浸食性をより強くするために使用される。材料の選択、合金化、および熱処理は、器具にとって最も広い硬性を提供する。表面硬化は、追加の硬度を提供することができる。耐摩耗性のある硬質粒子はまた、浸食をさらに制限するために、器具の表面の中または上に組み込むことができる。
【０００７】
[7]器具材料内に組み込まれた硬質粒子は、炭化ホウ素、炭化バナジウム、窒化ホウ素、炭化タングステン、炭化チタン、または他の化合物などの１つまたは複数の超研磨材を含むことができる。最も硬質のバルク材料はダイヤモンドである。ダイヤモンド構造は、７００℃を超える温度の空気中で分解されて黒鉛になる可能性があるため、工業の適用分野におけるダイヤモンドの実用は制限される。溶融鉄に露出されるとき、ダイヤモンド表面はまた、化学反応して鉄に溶解する可能性がある。ダイヤモンドを被覆する金属化合物は、その構造を劣化させる元素とのダイヤモンド表面の接触を制限する１つまたは複数の保護層を提供することができる。一般的な慣行によれば、被覆は、高い鋳造温度および侵略的な化学的侵食からダイヤモンドを保護することができないため、鉄の鋳物内に多重被覆されたダイヤモンドを埋め込むことを避けるように教示している。
【０００８】
[8]米国特許第５２２４９６９号は、樹脂またはフェノール・ホルムアルデヒドを含む支持マトリックス内のダイヤモンド粒子の保持を改善するためのダイヤモンド粒子の被覆について論じている。ダイヤモンド上に第１の層としてクロムが堆積されて炭化物層を形成し、それに続いて、異なる金属の第２の層の堆積が行われ、次いで窒化される。窒化された層上に第３の層が堆積されて、カプセル化されたダイヤモンドをマトリックスが把持するための付着または結合層を提供する。
【０００９】
[9]本発明は、溶融金属、特に鉄ベースの合金内の含有またはそれに対する露出を可能にするために金属窒化物層または金属炭化物および金属窒化物層で被覆された摩耗粒子とも呼ばれる硬質粒子に関する。本発明は、普通なら部品の使用を妨げるはずの過度の劣化なく、溶融金属を伴う他の製造プロセスによって鋳造または作製される部品の中または上に硬質粒子（たとえば、ダイヤモンド粒子）が含まれることを可能にする。そのような硬質粒子のこの新しい使用は、摩損に露出されるすべての種類の製品に対して、より長い有用寿命を提供することができる。
【００１０】
[10]本発明の一実施形態では、鉄マトリックス内に埋め込まれる摩耗粒子は、金属炭化物で被覆されたダイヤモンド粒子である。金属炭化物層を化学的劣化から保護するために、炭化物層上に金属窒化物層が堆積される。
【００１１】
[11]金属窒化物被覆が溶融鉄マトリックスに対して十分な濡れを有していない合金に対して、窒化物層は、準化学量論的な金属窒化物として形成することができ、または内側部分では、表面に位置する外側の準化学量論的な金属窒化物層に遷移する金属原子と窒素原子との化学量論的な比として形成することができる。準化学量論的な金属窒化物は、溶融されたマトリックスとより良好に相互作用することができ、したがって粒子は、固体のマトリックス内でより良好に保持される。
【００１２】
[12]別の実施形態では、摩耗粒子が金属窒化物で被覆される。金属窒化物は、溶融金属の元素への露出によるダイヤモンドの劣化を制限する。金属窒化物被覆が溶融鉄マトリックスに対して十分な濡れを有していない場合、摩耗粒子は、準化学量論的な金属窒化物被覆、または窒化物被覆上に堆積された準化学量論的な金属窒化物層を含むことができる。
【００１３】
[13]別の実施形態では、カプセル化された摩耗粒子は、溶融金属の注入前に前駆体マトリックスまたは他の手段を有する鋳型の鋳造面に沿って位置決めされる。鋳型内へ溶融金属を導入する際、マトリックス材料は消費され、カプセル化された摩耗粒子は、鋳造部品の溶融材料中へ分散する。
【００１４】
[14]別の実施形態では、溶接棒を使用するアーク溶接プロセスによって、金属基板上に耐摩耗性表面が堆積される。溶接棒は、結合剤、融剤、および／またはカプセル化された硬質（たとえば、ダイヤモンド）粒子を組み込む金属マトリックス、コア、または周辺部を有する。カプセル化された粒子は、処理中の粒子の劣化を制限するために、１次のカプセル化層および２次のカプセル化層を含む。溶接中、粒子は溶接棒上の結合剤から溶融池へ進み、凝固の際に表面の中または上に組み込まれる。
【００１５】
[15]別の実施形態では、摩耗部材の鋳造中にダイヤモンドを組み込む方法は、ダイヤモンドの表面上に保護被覆を堆積させるステップと、保護被覆上に被覆を堆積させるステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】[16]２つの層内にカプセル化されたダイヤモンドを有し、表面上に露出され、表面内に埋め込まれたダイヤモンドを示す、摩耗面の横断面図である。
【図２】[17]金属注入前の２次のカプセル化されたダイヤモンド含浸マトリックスの鋳型の垂直横断面図である。
【図３】[18]金属注入前の内側鋳型表面上にカプセル化されたダイヤモンド含浸メッシュ層を有する鋳型の垂直横断面図である。
【図４】[19]１つの層内にカプセル化されたダイヤモンドを有し、表面上に露出され、表面内に埋め込まれたダイヤモンドを示す、摩耗面の横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
[20]多くの工業での作業は、研磨材料にさらされる器具および他の部品を伴う。たとえば、採鉱およびドリル動作の器具は、材料との接触によって迅速に摩耗する。工業での作業中の摩耗した器具および構成要素の交換のための休止時間は、動作コストを著しく増大させることがある。浸食を制御するために表面硬度を増大させることによって摩耗部材の耐用寿命を増大させることで、休止時間を制限し、動作効率を増大させることができる。
【００１８】
[21]部材の表面を形成するマトリックス内に硬質粒子を組み込むことで、耐摩耗性を著しく増大させることができる。炭素の極めて硬質の形態であるダイヤモンドは、研削および切断動作で研磨材として一般に使用される。鉄（または他の金属）の鋳造摩耗部材中にダイヤモンド粒子（または他の硬質粒子）を分散させることで、器具または他の部品に有利な摩耗特徴を提供することができるが、過去には、高熱および／または化学反応下のダイヤモンドの劣化のために実行可能ではなかった。表面摩耗は、ダイヤモンド粒子が摩耗部品の表面に沿って少なくとも一部の深さにわたって分散されるとき、追加のダイヤモンド表面を露出させて、器具の耐用寿命にわたって保護を提供する。
【００１９】
[22]本発明について本明細書では、硬質の耐摩耗性のある粒子であるダイヤモンドの点から論じるが、このプロセスは、浸食環境内の摩耗を制限するマトリックス内の他の硬質粒子に適用することもできる。鉄ベースの合金内のダイヤモンド粒子の使用は、ダイヤモンド粒子が耐摩耗性が非常に強く、これらの合金が経済性、強度、および耐久性のために多くの研磨環境で使用されるため、本発明の１つの好ましい実施形態である。それにもかかわらず、本発明は、製造プロセスで鋳造または溶融されるときにダイヤモンドまたは他の硬質粒子を同様に劣化させる非鉄の合金内のダイヤモンドとの使用にも適している。本出願では、本発明について、一例としてのみ、すなわち例示を目的として、地面係合器具（掘削歯など）で使用されるカプセル化されたダイヤモンドの点から説明するが、限定と見なされるべきではない。本発明で使用可能な硬質または摩耗粒子にはまた、たとえば、セラミック、セラミック繊維、セラミック小板、または炭化チタンもしくは立方晶窒化ホウ素などの金属化合物が含まれる。
【００２０】
[23]表面マトリックス内にダイヤモンドを埋め込むことは、器具を形成しまたは器具の表面を仕上げるときに溶融金属内にダイヤモンド粒子を組み込むことを含む。これは、化学反応および／または熱の侵略的な条件にダイヤモンドを露出させる。鋳造によって製造される部品内で、ダイヤモンドは、鋳型内で凝固する前に、溶融材料内へ組み込むことができる。溶浸された部品の場合、ダイヤモンドは、鋳型内に包装することができ、溶融されたマトリックス金属は、ダイヤモンドおよび任意の他の硬質粒子を定位置に結合させる。ダイヤモンドはまた、溶接によって表面に組み込むことができる。
【００２１】
[24]ダイヤモンドは、処理中に鉄、銅、およびニッケル、ならびに他の元素などの溶融金属との接触によって劣化することがある。酸素に露出されたダイヤモンドは、７００℃を上回る処理温度で劣化し、ダイヤモンド構造は、より軟質で耐摩耗性の低い黒鉛に変換される。真空中または不活性で還元性の環境中では、１５００℃を上回ると劣化が始まることがある。ダイヤモンドの構造上の完全性および材料特性を維持するため、各ダイヤモンド粒子は、１つまたは複数の保護層を含むことができる。ダイヤモンド表面上の層は、高温でのダイヤモンドの劣化およびマトリックスの成分による化学的侵食からの保護を提供する。保護層はまた、ダイヤモンドの一部分が露出されて衝突材料に接触するとき、ダイヤモンド表面の濡れ性を提供し、被覆されたダイヤモンド表面に溶融材料が付着することを可能にし、マトリックスからの被覆されたダイヤモンドの抽出を制限する。これは、採掘動作などの部品の使用中に器具の中または上に摩耗粒子がより良好に保持されることを可能にする。
【００２２】
[25]マトリックス１４内にカプセル化された摩耗粒子１２を有する摩耗面１０を、全体として図１に示す。摩耗粒子１６、この例ではダイヤモンド上の層は、原寸に比例して描かれていない。ＳｉＣまたはＴｉＣなどの金属炭化物は、溶融金属に露出されたときに劣化からダイヤモンドを保護する１次の層１８をダイヤモンド表面上に形成することができる。ダイヤモンド表面を覆う炭化物層は、ダイヤモンド表面との酸素および他の元素の相互作用を制限する。しかし１次の炭化物層は、溶融されたマトリックスによる劣化を受けやすいことがある。次いで、炭化物層上の２次の窒化物層２０は、鋼、他の鉄ベースの合金、または他の金属などの溶融されたマトリックス材料による化学的侵食から、炭化物およびダイヤモンドを保護することができる。
【００２３】
[26]金属窒化物は、溶融金属で濡れるのが困難なことがある。溶融金属がカプセル化されたダイヤモンドの表面を濡らさない場合、ダイヤモンドは、部品のすべてまたは一部分にわたって分散するのではなく、表面で分離し、または凝集する傾向があることがある。さらに、溶融されたマトリックス内の硬質粒子の不十分な濡れは、溶融金属の凝固の際、特に使用中に、硬質粒子が保持されないことにつながることがある。窒化物層の組成を調整することで、表面が液体とより良好に相互作用することを可能にすることができる。最も安定した状態から修正された金属原子と窒化物原子との比を有する準化学量論的な金属窒化物の組成は、表面の優先的な濡れを提供するために、表面特性を著しく修正することができる。
【００２４】
[27]金属窒化物および／または金属炭化物の金属元素は、チタン、バナジウム、クロム、ケイ素、ホウ素、タングステン、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、ハフニウム、モリブデン、アルミニウム、または他の金属もしくは合金のいずれかとすることができる。作製された金属化合物は、炭化ケイ素、窒化ホウ素、窒化チタン、炭窒化チタン、窒化バナジウム、炭化クロム、および炭化バナジウムを含むことができる。金属化合物はまた、窒化アルミニウム・チタンなどのより複雑な化合物を含むことができる。リストに挙げた元素および化合物は例であり、限定と見なされるべきではない。
【００２５】
[28]ダイヤモンド粒子の被覆は、処理温度での化学反応からのダイヤモンドの劣化を制限し、溶融金属によるカプセル化されたダイヤモンド粒子の表面の濡れを改善して、流体内のカプセル化されたダイヤモンドの移動度を改善する。ダイヤモンド被覆はまた、ダイヤモンドが動作中にマトリックスから容易に抽出されないように、凝固した金属内のダイヤモンドの保持を改善することができる。
【００２６】
[29]カプセル化されたダイヤモンドは、いくつかの技法によって鋳造物内に組み込むことができる。一実施形態では、カプセル化されたダイヤモンドは、鋳造プロセスのために溶融物の原料金属に添加される。このプロセスで、カプセル化されたダイヤモンドは、溶融および鋳造プロセスの持続時間にわたって高温のままであり、より長い期間にわたって劣化することなく安定したままである必要がある。ダイヤモンドは、加熱サイクル、溶融物を最終の処理へ動かす転送時間、および鋳型内への注入にわたって高温のままである。その結果、このプロセスは、いくつかの動作に適していないことがある。さらに鋳造前に溶融物内にダイヤモンド粒子を含む結果、部品全体にわたって粒子が分散する。これは、すべての場合に必要とされるとは限らない。
【００２７】
[30]別法として、カプセル化されたダイヤモンドは、最初の加熱プロセス後、鋳型内へ注入される前に、溶融物に添加することができる。この方法は、より短い期間にわたってダイヤモンドを高温で保つ。溶融物は普通なら、表面付近に残ったりまたは不均一に混合されたりするのではなく、ダイヤモンドを溶融物に均一に分散させるために、撹拌される必要があるはずである。カプセル化されたダイヤモンドは、凝固の際に鋳造部品全体にわたって分散されるはずである。
【００２８】
[31]別の実施形態では、カプセル化されたダイヤモンドは、図２に示すように、溶融金属内に注入する前に鋳型の表面で保持される。これは、いくつかの方法で実現することができる。カプセル化されたダイヤモンドは、前駆体マトリックス材料内へ組み込むことができる。前駆体マトリックス材料は、たとえば粒子を定位置に結合するワックスまたは塗料とすることができる。前駆体マトリックス３４は、選択された表面上でカプセル化されたダイヤモンド３６が保持されるように、鋳型３２の表面上へ塗装することができる。溶融金属が鋳型内へ注入されるとき、前駆体マトリックスは蒸発または酸化し、ダイヤモンドを解放する。ダイヤモンドは分散され、溶融金属内へ移動して作業面を形成する。このプロセスは、溶融金属が冷却の際に迅速に粘性を得て混合および粒子の移動を制限するため、作業部分などの最も必要とされる場所でダイヤモンドを保持し、他の領域（取付け端など）へのダイヤモンドの移動を制限する傾向がある。
【００２９】
[32]別法として、カプセル化されたダイヤモンドは、たとえば、図３に示すように、鋳型の表面を裏打ちするメッシュもしくは布、金属リボン、金属発泡体、またはセラミック発泡体などの別の犠牲媒体内に埋め込むことができる。前駆体マトリックスと同様に、メッシュまたは布３８は、溶融金属が鋳型に入るときに消費され、ダイヤモンド３６は解放されて溶融金属と混合し、その結果、摩耗面にわたって分散される。同様に、２つまたはそれ以上のメッシュ層３８Ａおよび３８Ｂを、鋳型を裏打ちする複数の層とともに使用することができる。ダイヤモンドは、溶融金属の導入の際にライナが順次消費されると、累進的に解放することができる。ダイヤモンドの順次解放は、摩耗部材の表面の中または上にダイヤモンドのより良好な分散を提供することができる。
【００３０】
[33]他の配置方法を使用して、溶融物にわたって、または部品の特定の部分内に、ダイヤモンドを優先的に分散させることもできる。注入の直前または注入と同時に、鋳型内へカプセル化されたダイヤモンドを注入することができる。カプセル化されたダイヤモンドを含むために使用される方法は、鋳造品の形状およびサイズ、鋳造プロセス、ならびに／またはダイヤモンド粒子のサイズによって決定することができる。
【００３１】
[34]動作中、研磨条件に露出される器具または他の部品の作業面は絶えず摩耗し、新しい表面を生じさせる。摩耗器具の作業端を通じて分散されるダイヤモンドは、器具の耐用寿命にわたって新しいダイヤモンド粒子を絶えず提供する。器具は通常、取付け端が摩耗面になる前に交換されるため、器具の取付け端内のダイヤモンドは、器具の耐用寿命を増大させるのに概して効果的ではない。この種の器具に対する取付け端内のダイヤモンドは、器具に不要な費用を加える傾向がある。それにもかかわらず、いくつかの部品が、取付け端内に、かつ／または部品全体にわたって、ダイヤモンドまたは他の硬質粒子を含むことは、有益になることがある。
【００３２】
[35]保護層によるダイヤモンドのカプセル化は、ダイヤモンドの劣化を制限する。適用範囲が最適でない場合、ダイヤモンドの被覆された部分は劣化しないが、ダイヤモンドの被覆されていない部分は劣化することがある。それにもかかわらず、これは、一部の用途に適していることがある。被覆の厚さ、溶融物の温度、高温の時間、および他の要因は、劣化を制限するために必要とされる被覆に影響を及ぼすことがある。ダイヤモンドが設定温度で比較的ゆっくりとした速度で劣化し、ダイヤモンドが短期間だけ設定温度を受ける場合、保護層の厚さは、ダイヤモンドの損傷を制限しかつ処理コストを最小にするように最適化することができる。
【００３３】
[36]好ましくは、各層は、摩耗粒子の劣化を制限するのに必要とされるほど厚いものではなく、したがって意図される用途に適している。堆積された層は、任意の有効な厚さとすることができるが、好ましくは、１〜３０ミクロン（μｍ）の範囲内である。カプセル化された摩耗粒子は、処理または周囲の元素への露出の副生成物である追加の構成要素の残留層を含むことができる。たとえば、処理ステップ間または処理前後に、薄い酸化物層が、露出された表面上に成長することがある。これらの層は、カプセル化されたダイヤモンドの物理的または化学的特性に著しい影響を有すると見なされない。
【００３４】
[37]ダイヤモンド上に金属化合物を構成する層は、少量の追加の金属を組み込むことができる。たとえば、炭化チタンは、測定可能な量のケイ素を含むことができる。概して、金属化合物は、５％の異なる金属を組み込むことができるが、これは化合物の実質的な部分と見なされず、その物理的特性に影響を及ぼさない。
【００３５】
[38]いくつかの技法のいずれかを使用して、ダイヤモンド表面上に層を堆積させることができる。選択された方法は、堆積されている材料および材料がその上に堆積される基板材料に依存することができる。概して、各ダイヤモンド粒子が処理され、保護被覆は、一定の厚さで表面全体に施されるが、厚さおよび適用範囲は、ダイヤモンドの表面の結晶構造との被覆材料の反応度に依存することができる。被覆材料の平坦な堆積を可能にする水または気体の流れの中にダイヤモンド粒が懸濁されるように、流動床が頻繁に用いられる。無電解、電解、化学気相成長（ＣＶＤ）、物理蒸着プロセス（ＰＶＤ）、プレセラミック高分子熱分解、または他の技法を使用して、ダイヤモンドに被覆を塗布することができる。
【００３６】
[39]ダイヤモンド摩耗粒子は、高圧高温合成技法からの人工ダイヤモンド、熱安定性多結晶ダイヤモンド（ＴＳＰ）、ＣＶＤダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）、カッターからの再生ＰＣＤテーブル、変形ダイヤモンド、単結晶、合成、および天然ダイヤモンドを含む任意の形態のダイヤモンドとすることができる。ダイヤモンドは、ホウ素、リン、または他の元素などの元素で最初にドープすることができる。ドーピングは、注入によって、またはダイヤモンドの製造中に、実現することができ、ダイヤモンドの導電性を変えることができる。ドーピング元素は、ダイヤモンド上のカプセル化層の保持を促進することができる。
【００３７】
[40]１つの好ましい実施形態では、流動床内で化学気相成長を使用して、ダイヤモンド粒子の表面に炭化ケイ素（ＳｉＣ）が結合される。ダイヤモンド表面上に１次の層としてケイ素が堆積され、表面上の炭素原子に結合して、炭化ケイ素を形成する。ダイヤモンドの表面上の炭化ケイ素は、劣悪な高温環境でのダイヤモンドの酸化および劣化を制限する。やはり流動床内の化学気相成長によって、炭化ケイ素の表面上に２次の層として窒化チタン（ＴｉＮ）層が堆積される。窒化チタン層は、高温の溶融鋼の動作における鉄（または他の金属）による炭化物層の劣化を制限する。任意選択で、溶融金属によるカプセル化されたダイヤモンドの濡れを改善するために、窒化層上に３次の層が堆積される。３次の層は、準化学量論的な窒化チタンとすることができる。これは、Ｔｉ１−ｘＮｘの形態をとることができ、ｘの値は、０．１〜０．９９であり、たとえばＴｉＮ０．３である。この層により、容易に分離することなく、カプセル化されたダイヤモンドが液体環境によって濡らされ、液体環境内に混合することが可能になる。
【００３８】
[41]代替実施形態では、ダイヤモンド、炭化タングステン、炭化ケイ素、炭化チタンなどの耐摩耗性粒子は、硬質粒子に強く付着することができる最初の金属炭化物層で被覆される。この最初の層は、黒鉛化または劣化を招く熱および酸化損傷から粒子を保護することができる。最初の炭化物層は、硬質粒子を完全に覆ってその保護を提供する連続被覆とすることができ、または粒子の表面の半分より大きい部分を覆う部分的な被覆とすることができる。第１の金属炭化物層はまた、単一金属の炭化物被覆と比較して破壊靭性を強化することができる金属炭化物の混合物とすることができる。
【００３９】
[42]第２の金属窒化物層は、炭化物層で被覆された硬質粒子に付着して、炭化物層で被覆された硬質粒子を、酸化および溶融された金属マトリックスとの化学反応から保護することができる。第２の層は、ＳｉＣＮおよび／もしくはＴｉ（ＣＮ）などの炭窒化物、または他の炭窒化物とすることができ、この層は、炭化物層で被覆された硬質粒子に付着し、酸化および化学反応からの粒子の保護を提供する。炭窒化物層の炭素の化学的性質は、鉄ベースの溶融された金属マトリックスに濡れおよび付着性を提供することができる。別法として、第２の層は、酸化および化学反応からの保護を提供するために、ＴｉＡｌＮにあるような窒化アルミニウムとすることができる。第２の金属窒化物層は、ＴｉＮを有するＳｉ３Ｎ４などの金属窒化物の混合物とすることができる。このＳｉ３Ｎ４−ＴｉＮの複合物は、単独でのいずれかの窒化物と比較して強化された破壊靭性を有することができる。第２の層の材料は、最初の炭化物層に対して、互いに対する層の付着性を促進することができかつより強い多層被覆をもたらす溶解度を有することができる。
【００４０】
[43]溶融された金属マトリックスとの濡れおよび強い結合を促進するために、第２の金属窒化物の保護層に第３の層が塗布される。この第３の層は、完全な結晶構造を構成するのに十分な窒素原子が存在しない準化学量論的な金属窒化物からなる。事実上、金属窒化物の化学量論的組成は、準化学量論的な結晶構造に変化させることができる。
【００４１】
[44]第２の金属炭窒化物または金属窒化アルミニウム層として使用される材料はどちらも、溶融された金属マトリックスとの化学反応および溶解からの保護または酸化保護を犠牲にすることなく、金属マトリックスに良好な濡れおよび付着性を提供するために、準化学量論的な化学的性質を有する第３の層として使用することができる。
【００４２】
[45]第３の材料層は、上記で論じたような材料の混合物とすることができる。これらの複合材料は、単独でのいずれかの材料と比較して強化された破壊靭性を有することができる。マトリックスとのこの外側被覆の濡れ性を変動させて、金属マトリックスへの付着性を増大または低減させることができる。いくつかの摩耗の適用分野で、
[46]準化学量論的な組成物は、堆積プロセス中に容易に形成することができる。たとえば、堆積させた層の組成物は、化学気相成長中に供給される元素、この場合は窒素の分圧を調整することによって制御することができる。
【００４３】
[47]別の代替実施形態では、摩耗部材内にダイヤモンドを埋め込む処理時間は短く、温度でのダイヤモンドの分解速度は比較的遅く、したがって、炭化物層と炭化物層上の窒化物層はどちらも必要とされず、または制限された厚さもしくは適用範囲とすることができる。この場合、ダイヤモンドの処理時間が短いことは、溶融金属の黒鉛化温度を上回る温度への露出が短いことに対応する。
【００４４】
[48]図４に示すような一実施形態では、ダイヤモンドのカプセル化は、ダイヤモンド表面上に堆積された１つの準化学量論的な窒化物層１８を含む。不活性環境または真空では、ダイヤモンド１２の黒鉛化は、温度が１５００℃を上回るまで始まらない。典型的な溶融鋼の温度は、１４００℃を上回る。鋳型は不活性環境ではないが、溶融鋼の導入の際、鋳型では酸素が欠乏し、黒鉛化の温度は７００℃を超えて上昇する。ダイヤモンド粒子をカプセル化する金属窒化物および／または準化学量論的な窒化物被覆はまた、不活性環境と同様に、酸素からダイヤモンド表面を保護し、黒鉛化温度を上昇させる。この例の場合、黒鉛化に対する臨界温度は１２００℃である。窒化物被覆のみで保護されたダイヤモンドは、鋳型の内側を裏打ちし、溶融鋼内へ移動する。溶融鉄は、鋳型内へ導入された後、鋳型表面で最も迅速に冷却する。ダイヤモンドに対する黒鉛化温度を上回る露出の時間は短く、黒鉛および化学的劣化へのダイヤモンドの変換は制限される。窒化物被覆は、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）などの金属炭窒化物を含むことができる。
【００４５】
[49]別法として、カプセル化は、保護層ではなく結合層として働く炭化物などの１つの１次の層を含むことができ、この１次の層は、ダイヤモンドと窒化物層の両方に結合することができる。２次の準化学量論的な窒化物層は、液体との表面の相互作用を提供することができる。ダイヤモンド表面上に堆積される層は、好ましくは、たとえば、１マイクロメートルから１ミリメートルの範囲であるが、意図される目的に応じてより小さくまたはより大きくすることもできる。ダイヤモンド粒子は、好ましくは、ナノメートルのサイズから最大５ミリメートルの範囲であるが、他のサイズを使用することもできる。
【００４６】
[50]カプセル化されたダイヤモンドは、摩耗構成要素以外の多くの適用分野で有利になる可能性がある。埋め込まれたカプセル化されたダイヤモンド表面は、銃身の裏打ち、装甲板、切断器具、ポンプの羽根表面、軸受、および生体用インプラントを含む適用分野で使用することができる。
【００４７】
[51]摩耗構成要素はまた、粉末冶金溶浸技法で作製されてきた。溶浸は、制限された溶解性を有しており概して合金を形成しない対照的な特性を有する材料を組み合わせる。より軟質の材料のマトリックス内に硬質粒子を分散させることで、硬質粒子を定位置に結合する。油およびガス向けのドリル・ビットは、典型的には、鋳型内に炭化タングステン粒子を包装することによって作られる。充填された鋳型を焼結して、炭化タングステン粒子をともに結合することができる。カプセル化されたダイヤモンドは、追加の摩耗保護のために、炭化タングステン粒子内に含むことができる。次いで、溶融されたマトリックス材料は、焼結炭化タングステンおよびダイヤモンド内へ流れ、その結果、硬質粒子間の隙間を充填し、粒をともに結合する。
【００４８】
[52]焼結炭化タングステンを溶浸するために使用されるマトリックス材料には、銅、アルミニウム、鉄、およびニッケル、またはこれらの材料およびその他の材料の合金が含まれる。マトリックス材料は、溶融温度まで加熱されて、焼結炭化タングステン内へ流れる。立方晶窒化ホウ素、炭化チタン、または他の硬質粒子を含む溶浸の適用分野では、炭化タングステン以外の摩耗粒子を使用することができる。カプセル化されたダイヤモンド摩耗粒子は、全体として参照により本明細書に組み込まれている米国特許出願公開第２０１２０２５８２７３号に開示されているように、摩耗部材上に点を生成および復元するなどの他の適用分野に適用することができる。
【００４９】
[53]溶浸は、より軟質のマトリックス材料内に埋め込まれた耐摩耗性のある非常に硬質の１次の材料を提供する。１次の材料を定位置に保持するマトリックス材料は摩耗し、炭化タングステンおよびダイヤモンド粒子を摩耗面として露出させる。
【００５０】
[54]溶浸処理温度は概して鋳造プロセスより低いが、マトリックス材料の溶融温度程度で、溶浸材料との化学的相互作用が、ダイヤモンド構造を劣化させることがある。ダイヤモンドを被覆することで、化学的相互作用およびダイヤモンドの劣化を制限する。
【００５１】
[55]カプセル化されたダイヤモンドはまた、より軟質の本体に表面硬化面を塗布するために使用されるアーク溶接プロセスに適合していることがある。溶接棒は、概して、上塗り層を有する金属棒を含み、上塗り層は、ケイ酸ナトリウムなどの融剤および／または酸素除外材料を含むことができる。この代替実施形態では、溶接棒の金属コアの周りの上塗り層は、カプセル化されたダイヤモンド粒子を含むことができる。溶接中、ダイヤモンドは、棒が消費されるにつれてコア金属を有する溶融池内へ進む。溶融池は、器具の表面硬化の構成要素としてダイヤモンドとともに凝固する。
【００５２】
[56]被覆されたダイヤモンドおよび／または他の硬質粒子を銅などの管内に組み込み、溶接棒として使用することができる。硬質粒子とともに追加の融剤材料を管内に組み込むこともできる。別法として、被覆されたダイヤモンドを、トラフとして構成された鋳型内に配置することができ、それらの粒子の上に結合材料および／または融剤を注入して、それらをともに結合させ、溶接棒を形成することができる。
【００５３】
[57]ダイヤモンドははるかに短い期間だけ高温になるため、溶接プロセスは、溶融金属の鋳造よりずっと困難でないものとすることができる。ダイヤモンド被覆は、溶接プロセス中にダイヤモンドを化学的侵食および黒鉛化から保護することができる。溶接棒は、溶融池および表面硬化に組み込まれたダイヤモンドの代わりに、またはダイヤモンドに加えて、他の硬質粒子を組み込むことができる。
【００５４】
[58]カプセル化されたダイヤモンドは、同様に、プラズマ移行アーク溶接（ＰＴＡＷ）、エレクトロスラグ・サーフェシング、プラズマ溶射、または他のサーフェシング技法とともに使用することができる。別法として、ダイヤモンドは、溶接棒とは別個に溶融池内へ導入することができる。たとえば、ダイヤモンド粒子を溶融池内に吹き込みまたは注入することができる。
【００５５】
[59]代表的なカプセル化された摩耗粒子の選択された実施形態を本明細書に開示するが、本開示の範囲から逸脱しないこれらの実施形態の多数の変形形態を当業者であれば考えることができることを理解されたい。カプセル化されたダイヤモンドに対する本開示の方法および構成は、多くのタイプの摩耗粒子に対する用途に向いており、その結果得られる硬化された表面も、摩耗部材以外の様々な適用分野によく適している。
【００５６】
[60]本明細書に記載の開示は、独立した有用性のある複数の異なる発明を包含すると考えられる。これらの発明はそれぞれ、その好ましい形態で開示されているが、多数の変形形態が可能であるため、本明細書に開示および例示されるようなその特有の実施形態は、限定的に見なされるべきでない。各例は、上記の開示に開示される一実施形態を定義するが、どの１つの例も、最終的に特許請求することができるすべての特徴または組合せを必ずしも包含するとは限らない。本説明で「ａ」付きもしくは「第１」の元素またはその均等物を示す場合、そのような説明は、１つまたは複数のそのような元素を含み、２つ以上のそのような元素を必要とするものでも除外するものでもない。さらに、特定された元素に対する第１、第２、または第３などの序数の指示語は、これらの元素を区別するために使用されるものであり、別途具体的に記載しない限り、そのような元素の必要とされる数または制限される数を示すものではなく、そのような元素の特定の位置または順序を示すものでもない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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