КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ И ИЗДЕЛИЕ, ИМЕЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ
COMPOSITION FOR SURFACE STRENGTHENING AND ITEM WITH COATING FOR SURFACE STRENGTENING

Настоящее изобретение относится к композиции для поверхностного упрочнения, а также и к изделию, имеющему покрытие для поверхностного упрочнения. Более конкретно, настоящее изобретение имеет отношение к композиции для поверхностного упрочнения, которую обычно наносят, используя стержень для поверхностного упрочнения, а также к изделию, имеющему покрытие для поверхностного упрочнения, где покрытие для поверхностного упрочнения характеризуется микроструктурой с улучшенной устойчивостью, а также и улучшенными свойствами, включающими в себя характеристики износа, такие как, например, устойчивость к истиранию и устойчивость к эрозии.
Инструменты, применяемые при земляных работах, такие как, например, вращающееся конусное долото, обычно работают в условиях окружающей среды, которые способствуют износу инструментов, такому как эрозионное изнашивание и абразивное изнашивание. Для нормального функционирования таких инструментов важным оказывается их способность противостоять износу, включающему в себя эрозию и истирание.
К настоящему времени известна технология нанесения композиции для поверхностного упрочнения на поверхность изделия (или основу), посредством чего поверхностное упрочнение обеспечивает улучшенные свойства и в особенности характеристики износа изделия, включающие в себя эрозионную стойкость и устойчивость к истиранию. Типичные изделия включают в себя наконечник бурового инструмента для земляных работ (например, стальную шарошку с фрезерованными зубьями для буровой коронки), которая показана и описана в европейском патенте №0909869 В1, представленном Camco International Inc., и в европейском патенте №053375 B1, представленном Camco International Inc., в патенте США №5944127, представленном Liang et al., и в патенте США №6659206, представленном Liang et al., каждый из которых раскрывает головку бура для бурения твердых пород, который имеет покрытие для поверхностного упрочнения. Таким образом, следует понимать, что поверхностное упрочнение используют для увеличения продолжительности службы буровых коронок (к примеру, вращающегося конусного долота) и других скважинных инструментов, используемых в нефтегазовой промышленности.
Нанесение поверхностного упрочнения можно обычно определить как нанесение слоя твердого, абразивно-стойкого вещества на поверхность менее абразивно-стойкой основы, такой как, например, сталь, путем осаждения, сварки, распыления или других хорошо известных способов нанесения. Карбид вольфрама и его различные сплавы иногда используют в качестве веществ для поверхностного упрочнения. Поверхностное упрочение обычно представляет собой смесь твердого, износоустойчивого вещества, заключенного в матричном покрытии, которое предпочтительно наплавляют на поверхность основы с образованием химических связей металлического типа, обеспечивая при этом однородное сцепление поверхностного упрочнения с основой.
2
Широкое разнообразие веществ для поверхностного упрочнения удовлетворительно использовалось в буровых коронках и других длинных инструментах. Часто используемое вещество для поверхностного упрочнения содержит спеченные частицы карбида вольфрама в матричном покрытии из легированной стали. Другие типы частиц карбида вольфрама могут включать в себя гранулы карбида моновольфрама (WC), карбида дивольфрама (WC) и/или макрокристаллический карбид вольфрама и/или измельченное литье карбида вольфрама. Кроме того, другие карбиды и/или нитриды металлов в дополнение к карбиду вольфрама могут быть использованы для образования поверхностного упрочнения. Удовлетворительные связующие вещества для поверхностного упрочнения могут включать в себя вещества, такие как кобальт, железо, никель, сплавы железа, а также и другие металлические сплавы.
Макрокристаллический карбид вольфрама является по существу стехиометрическим WC, который присутствует, по большей части, в виде монокристаллов. Некоторые большие кристаллы макрокристаллического карбида вольфрама находятся в виде бикристаллов. В патенте США №3379503 раскрыт способ получения макрокристаллического карбида вольфрама. В патенте США №4834963 также раскрыт способ получения макрокристаллического карбида вольфрама.
Измельченный спеченный цементированный (кобальтом) макрокристаллический карбид вольфрама содержит маленькие частицы карбида вольфрама, связанные вместе в металлической матрице. Может быть осуществлен синтез измельченного спеченного, монтированного (кобальтом) макрокристаллического карбида вольфрама посредством измельчения ранее спеченного карбида в виде глыбообразной и неглыбообразной формы, где находится этот измельченный спеченный цементированный (кобальтом) макрокристаллический карбид вольфрама. Одним источником получения измельченного спеченного цементированного (кобальтом) карбида вольфрама является Kennametal Inc., Latrobe Pennsylvania 15650, где указанное вещество продают под названием Kenface.
Для получения цементированных гранул карбида-кобальта, частицы карбида вольфрама, порошок кобальта и смазочное вещество, перемешивают вместе для получения смеси. Указанную смесь гранулируют, и способом прокатки смесь карбида вольфрама, кобальта и смазочного вещества прокатывают в виде гранул.
2
Измельченный литой карбид вольфрама образует два карбида, а именно карбид моновольфрама (WC) и карбид дивольфрама (WC). Может иметь место непрерывная область изменения составов между карбидом моновольфрама и карбидом дивольфрама. Эвтектическая смесь содержит примерно 4,5 массовых процентов углерода. Коммерчески доступный литой карбид вольфрама, обычно используемый в качестве матричного порошка, как правило, характеризуется доэвтектическим содержанием углерода, примерно равным 4 массовым процентам. Литой карбид вольфрама обычно получают охлаждением из расплавленного состояния и измельчают до требуемого размера частиц для получения измельченного литого карбида вольфрама.
Один способ нанесения покрытия для поверхностного упрочнения заключается в использовании стержня для поверхностного упрочнения. В патенте США №5250355 раскрыто использование стержня для поверхностного упрочнения с целью нанесения покрытия для поверхностного упрочнения. В то время как могут существовать некоторые разновидности, в общих чертах стержень для поверхностного упрочнения включает в себя полую трубу или стержень, который содержит твердые частицы. Твердые частицы наносят на поверхность изделия или основы с помощью марочных способов для образования покрытия для поверхностного упрочнения. Покрытие для поверхностного упрочнения включает в себя матрицу (например, сталь или подобное), которая образуется непосредственно из основы или от сварочного прутка или полого стержня. Указанный способ нанесения покрытия для поверхностного упрочнения упоминается иногда как «сварка трубчатым стержнем».
Хотя эти указанные ранние композиции для поверхностного упрочнения, включающие покрытия для поверхностного упрочнения, сформированные из этих указанных композиций с использованием стержней для поверхностного упрочнения, функционировали удовлетворительным образом, все еще существует возможность их усовершенствования. Таким образом, было бы желательно получить улучшенное покрытие для поверхностного упрочнения на изделии, в котором устранены недостатки, характерные для современных композиций для поверхностного упрочнения, содержащих твердые частицы, и современных покрытий для поверхностного упрочнения на изделии.
Например, в современных композициях для поверхностного упрочнения, содержащих твердые частицы, характер распределения частиц по размерам для твердых частиц обладает рядом недостатков. Более конкретно, распределение частиц по размерам в современных композициях для поверхностного упрочнения характеризуется наличием так называемых разрывов в картине распределения частиц по размерам. Вышеизложенное означает, что композиция для поверхностного упрочнения не содержит твердых частиц, имеющих размеры, находящиеся в пределах некоторых диапазонов распределения частиц по размерам. Отсутствие указанных частиц создает обрывы в гладком распределении твердых частиц по всей области спектра возможных значений распределений частиц по размерам. Поскольку эти разрывы (или отсутствие частиц с такими размерами) могут вызвать определенные проблемы для используемого стержня для поверхностного упрочнения перед его применением, а также и для покрытия для поверхностного упрочнения, наносимого на изделие, то было бы желательно обеспечить улучшенную композицию для поверхностного упрочнения, содержащую твердые частицы, для которых уменьшены или устранены разрывы в распределении частиц по размерам.
Одним из недостатков, связанных с присутствием разрывов в распределении частиц по размерам в композиция для поверхностного упрочнения, и особенно в отношении стержня для поверхностного упрочнения, является возможность твердых частиц изменять свое расположение внутри стержня для поверхностного упрочнения при столкновениях или ударах или иных плотных контактах во время обработки до спекания, и такое изменение в расположении также может произойти даже после спекания. Указанные перемещения твердых частиц происходят из-за отсутствия механической поддержки для всех твердых частиц, и особенно тех частиц, которые имеют размер несколько меньший, чем у частиц, отсутствующих в распределении частиц по размерам, которые и вызывают появление разрыва в распределении частиц по размерам. Перемещение твердых частиц в стержне для поверхностного упрочнения может привести в результате к покрытию для поверхностного упрочнения, которое будет иметь неустойчивую микроструктуру, которая может в результате обладать пониженными значениями параметров по сравнению с оптимизированными параметрами, характеризующими свойства износостойкости. Также предполагается, что указанная нестабильность сама по себе создает проблемы во время применения стержня для поверхностного упрочнения из-за присутствия карманов в нанесенном веществе вместо нанесения на поверхность гомогенной смеси. Таким образом, было бы желательно обеспечить улучшенную композицию для поверхностного упрочнения (включая улучшенный стержень для поверхностного упрочнения), содержащую твердые частицы, для которых картина распределения частиц по размерам не содержит разрывов, для уменьшения или устранения перемещения частиц в результате столкновений частиц в стержне для поверхностного упрочнения, а также довести до максимума указанное распределение с целью увеличения характеристик износа.
Другим недостатком, связанным с присутствием разрывов в распределении частиц по размерам в композиции для поверхностного упрочнения, и особенно в стержне для поверхностного упрочнения, является тенденция твердых частиц мигрировать в направлении дна жидкой сварочной ванны во время затвердевания сварочной ванны. Как отмечалось выше, разрывы в распределении частиц по размерам твердых частиц приводят к недостаточной механической поддержке твердых частиц. Когда сварочная ванна представляет собой жидкость, эта указанная недостаточность механической поддержки дает возможность твердым частицам мигрировать в направлении дна сварочной ванны.
Перемещение твердых частиц приводит в результате к однородному покрытию для поверхностного упрочнения после затвердевания сварочной ванны, в котором твердые частицы обычно однородно распределены на всем протяжении микроструктуры покрытия для поверхностного упрочнения. Неоднородное покрытие для поверхностного упрочнения ведет к неравномерному износу покрытия для поверхностного упрочнения во время использования. Таким образом, было бы желательно обеспечить улучшенную композицию для поверхностного упрочнения (включая улучшенный стержень для поверхностного упрочнения), содержащую твердые частицы, которая не содержит разрывов в распределении частиц по размерам, и как результат имеет место уменьшение или прекращение перемещения твердых частиц в жидкой сварочной ванне во время сварки.
Еще одним из имеющихся недостатков, вызванных наличием разрывов в распределении частиц по размерам в композиция для поверхностного упрочнения и особенно в стержне для поверхностного упрочнения, является тенденция восстановительного вещества (которое является обычным компонентом композиции для поверхностного упрочнения) к сегрегации в стержне для поверхностного упрочнения. Такая сегрегация потенциально может иметь место, когда получают стержень для поверхностного Упрочнения или же перед спеканием стержня для поверхностного упрочнения. Когда восстановительное вещество является сегрегированным в композиции для поверхностного упрочнения, то существует тенденция к воспрепятствованию эффективного выпуска газов во время сварки, когда сварочная ванна представляет собой жидкость. В результате воспрепятствования эффективному выпуску газов в сварочной ванне образуются карманы из захваченного газа. Присутствие указанных газовых карманов может потенциально служить причиной появления пористости в покрытии для поверхностного упрочнения. Таким образом, было бы желательно обеспечить улучшенную композицию для поверхностного упрочнения (включая улучшенный стержень для поверхностного упрочнения), которая не содержит разрывов в распределении частиц по размерам и таким образом уменьшает или устраняет сегрегацию восстановительного вещества для уменьшения или устранения наличия карманов из захваченного газа в покрытии для поверхностного упрочнения.
В одном из вариантов осуществления изобретении предложена композиция для поверхностного упрочнения, которая содержит множество твердых частиц, в которой твердые частицы характеризуются областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, одной областью распределением частиц по размерам, в которой частицы имеют меньший размер, чем размер частиц в области распределения с частицами модального размера, и другой областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют больший размер, чем размер частиц в области распределения с частицами модального размера. Имеет место существенно сглаженный переход от области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, к одной области распределения частиц по размерам. Имеет место существенно сглаженный переход от области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, к другой области распределения частиц по размерам.
В еще одном варианте осуществления изобретения представлена композиция для поверхностного упрочнения, которая содержит множество, твердых частиц, в которой твердые частицы характеризуются областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, одной областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют меньший размер, чем размер частиц в области распределения с частицами модального размера, и другой областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют больший размер, чем размер частиц в области распределения с частицами модального размера. Имеет место отсутствие любых существенных изменений в распределении частиц по размерам между областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, и одной областью распределения частиц по размерам. Имеет место. отсутствие любых существенных изменений в распределении частиц но размерам между областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, и другой областью распределения частиц по размерам.
Ниже приведено краткое описание фигур, которые являются частью рассматриваемой заявки.
На фигуре 1 приведено изометрическое изображение вращающегося конусного долота с обработанными зубьями, содержащими вещество для поверхностного упрочнения на каждом зубе;
На фигуре 2 приведено поперечное сечение обработанного зуба, изображенного на фигуре 1, содержащего поверхностное упрочнение на поверхности зуба;
На фигуре 3 приведено изометрическое изображение стержня для поверхностного упрочнения;
На фигуре 4 приведена гистограмма, которая показывает теоретическое распределение частиц по размерам для одной типичной композиции для поверхностного упрочнения; и
На фигуре 5 приведена гистограмма, которая показывает теоретическое распределение частиц по размерам для другой типичной композиции для поверхностного упрочнения.
На фигуре 1 изображено вращающееся конусное долото с обработанными зубьями, обычно обозначенное как 10. Такое указанное вращающееся конусное долото приведено и описано в патенте США №5152194, представленном Keshavan et al., тем самым этот патент включен в качестве ссылки в данное описание. Ниже приведено краткое описание вращающегося конусного долота.
Долото 10, включает в себя корпус 12 долота, который имеет наружную резьбу на конце 14 и режущее лезвие, обычно обозначенное как 16. Каждая опора 13 оснащена вращающимся конусом 18, который вращается, будучи фиксированным на части вала или оси, опирающейся на подшипнике, свободно висящем на каждой из опор (не показаны). Мельничные зубья, обычно обозначенные как 20, простирающиеся из каждого из конусов 18 обычно фрезеруют из стали.
Каждый выступающий буровой зуб 20 содержит гребень 24, основание 22, две боковые поверхности 27 и торцы 29 зуба.
Как отмечалось ранее, вещество для поверхностного упрочнения обычно наносят на каждый зуб 20. В некоторых случаях нанесение поверхностного упрочнения применяют только к режущей стороне зуба, а не к другим боковым поверхностям и торцам зуба.
Долото 10 кроме того содержит проходное отверстие для газожидкостной смеси на конце трубы с наружной резьбой 14, который сообщается с камерой 17 повышенного давления (не показана). Обычно одно или несколько выпускных отверстий 15 установлены внутри корпуса 12. Выпускные отверстия направляют из камеры 17 повышенного давления к основанию буровой скважины. Верхняя часть каждой из опор может иметь смазочный бак 19 для доставки смазки к каждому из вращающихся конусов 18.
Буровой зуб, обычно обозначенный как 20, состоит из, например, стального основания 21, образованного боковыми поверхностями 27, концевыми частями 29 и верхней частью 24. Между скругленными уголками 26 расположена вогнутая часть 25, образованная гребнем 24 зуба. Вогнутая часть 25 дает возможность веществу для поверхностного упрочнения образовать утолщенную часть в середине гребня 24, тем самым, обеспечивая более прочную режущую верхнюю часть 24. Каждый из указанных уголков 26 имеет достаточный радиус, такой, что необходимую толщину вещества для поверхностного упрочнения обеспечивают по мере ее переходов от гребня 24 к концам 29 и боковым поверхностям 27 зуба 20. Вещество для поверхностного упрочнения заканчивается в углублении или плече 23, образованном в основании 22 в каждом зубе 20. Плечо или углубление 23 обеспечивает точку окончания вещества 32 для поверхностного упрочнения по мере его нанесения на концы гребня и боковые поверхности каждого зуба 20.
В результате создания вогнутой части или выемки 25 и скругленных уголков 26 на конце снабженного гребнем зуба вещество для поверхностного упрочнения может быть нанесено в большем количестве в центре гребня и с достаточной толщиной вокруг скругленных уголков 26. Большой радиус уголков обеспечивает большое количество вещества для поверхностного упрочнения в уязвимой области зуба.
На фигуре 3 показан стержень 50 для поверхностного упрочнения, который включает в себя трубу 52, в которой находятся твердые частицы 54.
Сравнительная композиция для поверхностного упрочнения, которая обозначена как сравнительный пример А, представлена в приведенной ниже Таблице 1.
Таблица 1
Композиции для поверхностного упрочнения согласно сравнительному примеру А (первоначальный состав смеси)
Обозначение
масс.%
16/20 гранулы
70
40/80 литье
14
40/80 Kenfase
12
60/170 Si-Mn
2
В Таблице 1, в левой колонке указан тип твердого вещества и пределы изменения частиц по размерам в меш, где, например, 16/20 означает - 16+20 меш. Что касается твердого вещества, то термин гранулы» относится к цементированным гранулам карбида вольфрама-кобальта. Термин «литье» относится к частицам литого карбида вольфрама, а обозначение «Kenface» относится к товарному продукту Kenface в виде измельченного спеченного, цементированного (кобальтом) макрокристаллического карбида вольфрама, полученного от Kennametal Inc. Обозначение Si-Mn относится к восстановительному веществу из кремния и марганца. упомянутые выше обозначения веществ, приведенных в Таблице 1, применимы и к другим таблицам, если эти вещества там указаны. В правой колонке Таблицы 1 приведено содержание твердого вещества в массовых процентах.
В приведенной ниже Таблице 2 представлены данные примера 1 согласно изобретению, которые характеризуют одну композицию для поверхностного упрочнения. Сравнение композиции сравнительного примера А и примера 1 согласно изобретению показало, что распределение частиц по размерам характеризуется расширением для меньших по размерам частиц, в котором присутствует компонент -325 меш частиц карбида вольфрама (WC), и частицы литого карбида вольфрама теперь имеют пределы изменения размера -100+200 меш в добавление к пределам изменения частиц по размерам -40+80 меш.
Также имело место уменьшение разрыва относительно более крупных (-16+20 меш) цементированных гранул карбида вольфрама-кобальта. При этом, количество гранул с -16+20 меш уменьшилось от 70 массовых процентов до 15 массовых процентов, а 55 массовых процентов меньших (-20+30 меш) цементированных гранул карбида вольфрама-кобальта были добавлены в качестве компонента. Размер Kenface-компонента был увеличен от -40/+80 меш до -20/+30 меш.
В целом, можно заметить, что эти изменения в композиции сравнительного примера А и Примера 1 согласно изобретению приводят в результате к распределению частиц по размерам, в котором имеет место существенно сглаженный переход от области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, к области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют меньший размер (то есть, к одной области распределением частиц по размерам, в которой частицы имеют меньший размер, чем размер частиц в области распределения с частицами модального размера), так же как и имеет место существенно сглаженный переход от области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, к области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют меньший размер (то есть, к одной области распределением частиц по размерам, в которой частицы имеют больший размер, чем размер частиц в области распределения с частицами модального размера). Кроме того, следует отметить, что имеет место отсутствие любых значительных изменений в распределении частиц по размерам между областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, и областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют меньший размер (то есть, к одной области распределением частиц по размерам, в которой частицы имеют меньший размер, чем размер частиц в области распределения с частицами модального размера), а также и между областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, и областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют больший размер (то есть, к одной области распределением частиц по размерам, в которой частицы имеют больший размер, чем размер частиц в области определения с частицами модального размера).
Таблица 2
Композиции для поверхностного упрочнения (в массовых процентах) примера 1 согласно изобретению
Обозначение
масс.%
16/20 гранулы
15
20/30 гранулы
55
20/30 Kenfase
8
40/80 литье
8
100/200 литье
5
60/170 Si-Mn
4
-325 меш WC
5
В Таблице 2, в левой колонке представлены пределы изменения частиц по размерам и тип твердого вещества, а в правой колонке представлена композиция в массовых процентах. В Таблице 2, так же как и в других таблицах, где это сокращение применено, термин «WC» относится к частицам карбида вольфрама.
В приведенной ниже Таблице 3 представлена композиция для поверхностного упрочнения примера 2 согласно изобретению, при этом сравнение данных сравнительного примера А и примера 2 согласно изобретению показало, что содержание цементированных гранул карбида вольфрама-кобальта с -16+20 меш понижено от 70 массовых процентов до 15 массовых процентов, и что распределение частиц по размерам цементированных гранул карбида вольфрама-кобальта включает в себя 23 массовых процента гранул с -20+30 меш и 32 массовых процента гранул с -30+40 меш. Указанное изменение обеспечило существенно более сглаженный переход от частиц, которые имеют модальный размер, к частицам, которые имеют больший размер. Тем самым может быть установлено, что имеет место отсутствие любых существенных изменений в определении частиц по размерам между областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, и областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют больший размер. Вышеизложенное в комбинации с различными формами частиц, которые выбраны так, как изложено выше, будет вызывать положительный эффект, когда структура будет формироваться в результате упаковки во время процесса затвердевания в сварочной ванне.
Баланс компонентов в примере 2 согласно изобретению сравнивали с соответствующими данными примера 1 согласно изобретению и установили, что имеет место существенно более сглаженный переход от области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, к области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют меньший размер. Для композиции в целом, может быть установлено, что имеет место отсутствие любых существенных изменений в распределении частиц по размерам между областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, и областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют меньший размер, также и то, что имеет место отсутствие любых существенных изменений в распределении частиц по размерам между областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, и областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют больший размер.
Таблица 3
Композиции для поверхностного упрочнения (в массовых процентах) примера 2 согласно изобретению
Обозначение
масс.%
16/20 гранулы
15
20/30 гранулы
23
30/40 гранулы
32
40/80 Kenfase
6
40/80 литье
10
100/200 литье
5
60/170 Si-Mn
4
-325 меш WC
5
В приведенном ниже примере 3 согласно изобретению (Таблица 4) представлена композиция для поверхностного упрочнения, в которой для компоненты в виде цементированных гранул карбида вольфрама-кобальта зафиксировано изменение от 70 массовых процентов гранул с -16+20 меш до 20 массовых процентов -20+30 меш и 50 массовых процентов гранул -30+40 меш. Указанное изменение обеспечило существенно более сглаженный переход от частиц, которые имеют модальный размер, к частицам, которые имеют больший размер. Тем самым может быть установлено, что имеет место отсутствие любых существенных изменений в распределении частиц по размерам между областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, и областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют больший размер.
Баланс компонентов сравнивали с соответствующими данными примера 1 согласно изобретению и установили, что имеет место существенно более сглаженный переход от области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, к области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют меньший размер. Для композиции в целом, может быть установлено, что имеет место отсутствие любых существенных изменений в распределении частиц по размерам между областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, и областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют меньший размер, также и то, что имеет место отсутствие любых существенных изменений в распределении частиц по размерам между областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, и областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют больший размер.
Таблица 4
Композиции для поверхностного упрочнения (в массовых процентах) примера 3 согласно изобретению
Обозначение
масс.%
20/30 гранулы
20
30/40 гранулы
50
40/80 Kenfase
6
40/80 литье
10
100/200 литье
5
60/170 Si/Mn
4
-325 меш WC
5
В приведенной ниже Таблице 5 представлена композиция для поверхностного упрочнения, соответствующая сравнительному примеру В.
Таблица 5
Композиции для поверхностного упрочнения (в массовых процентах) согласно сравнительному примеру №В (первоначальный состав смеси)
Обозначение
масс.%
30/40 гранулы
71,5
40/80 литье
15,5
40/80 Kenfase
13,5
60/170 Si-Mn
4
В Примере 4 согласно изобретению (Таблица 6 приведена ниже) исходная композиция для поверхностного упрочнения, соответствующая сравнительному примеру В, была расширена включением в нее больших веществ. В Таблице 6 представлена композиция, соответствующая примеру 4 согласно изобретению.
Более конкретно, распределение частиц по размерам для цементированных гранул карбида вольфрама-кобальта изменилось от 71,5 массовых процентов для гранул с -30+40 меш к более широкому распределению для частиц с большими размерами. При этом гранулы включают 4 массовых процента гранул с -10+24 меш, 8 массовых процентов гранул с -18+35 меш, 18 массовых процентов гранул с -20+30 меш и 30 массовых процентов гранул с -30+40 меш. Также присутствует компонента в виде гранул с -100+325 меш.
Распределение частиц по размерам для компоненты в виде литого карбида вольфрама становилось более уширенным, и имело Место изменение от 15,5 массовых процентов с -40+80 меш до -40+80 меш (5 массовых процентов) и -100+200 меш (5 массовых процентов). Содержание Kenface-компонента в виде 13,5 массовых процентов с -40+80 меш также становилось более уширенным, и имело место изменение до -20+40 меш (10 массовых процентов) и -40+80 меш (7 массовых процентов). Также были добавлены частицы карбида вольфрама с -325 меш.
В целом, может быть установлено, что эти изменения в композиции между сравнительным примером В и примером 4 согласно изобретению в результате приводят в распределению частиц по размерам, при котором имеет место существенно более сглаженный переход от области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, к области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют меньший размер, так же как и существенно более сглаженный переход от области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, к области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют больший размер. Кроме того, имеет место отсутствие любых существенных изменений в распределении частиц по размерам между областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, и областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют меньший размер, так же как и отсутствие любых существенных изменений в распределении частиц по размерам между областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, и областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют больший размер.
Таблица 6
Композиции для поверхностного упрочнения (в массовых процентах) примера 4 согласно изобретению
Обозначение
масс.%
10×24 гранулы
4
18×35 гранулы
8
20/30 гранулы
18
30/40 гранулы
30
100×325 гранулы
5
20/40 Kenfase
10
40/80 Kenfase
7
40/80 литье
5
100/200 литье
5
60/170 Si/Mn
4
-325 меш WC
4
В приведенной ниже Таблице 7 представлены данные, полученные согласно проведенному тестированию В611.
Таблица 7
Образцы для испытаний поверхностного упрочнения - новые исходные вещества (В611)
Модифицированные стержни для улучшенной свариваемости
Тяжелая нагрузка (В611)
Обозначение
Масса<sub>1</sub>
Масса<sub>2</sub>
Потеря массы
плотность (г/см<sup>3</sup>)
В611
Нормализованная величина d#*
Сравнительный пример А
67,9047
65,7206
2,1841
10,77
4,93
2,40
Сравнительный пример А
66,1836
64,0425
2,1411
10,77
5,03
2,45
Пример 1
68,2208
65,9646
2,2562
10,04
4,45
2,23
Пример 1
75,0237
72,7629
2,2608
10,04
4,40
2,20
Пример 2
71,7112
69,4847
2,2265
10,34
4,64
2,32
Пример 2
64,9833
62,8694
2,1139
10,34
4,89
2,45
Пример 3
65,4763
63,1830
2,2933
11,07
4,82
2,41
Пример 3
69,9478
67,6469
2,3009
11, 07
4,81
2,41
Сравнительный пример В
63,5756
61,2661
2,3095
10,96
4,75
2,31
Сравнительный пример В
69,9833
67,1394
2,8439
10,96
3,85
1,88
*Большее значение соответствует большей износостойкости
Очевидно, что посредством сглаживания распределения частиц по размерам можно оказать влияние на характеристики износа, а также и на сварочные характеристики, для нанесенного поверхностного упрочнения без осуществления существенных изменений основного состава композиции. Можно достигнуть баланса в отношении применяемой технологии, включающей легкость нанесения поверхностного упрочнения в зависимости от металлургических преимуществ (например, характеристик износа) поверхностного упрочнения. Например, наличие области распределения твердых частиц с уменьшенными размерами может сделать возможным такую текучесть, что окажется возможным применить поверхностное упрочнение с большей легкостью во время кислородоэтиленового способа, но такое поверхностное упрочнение не окажется столь же хорошим по характеристикам износа по сравнению с использованием стержня с более крупными твердыми частицами.

Было также предложено использование полученного распределения частиц по размерам согласно изобретению вместе с различными сплавами. Такие композиции для поверхностного упрочнения могут использовать сплавы типа сплава Invar или сплава Inconel или сплава Monel. Invar представляет собой зарегистрированную торговую марку Imphy S.A. Corporation of Paris, France. Композиция (в массовых процентах) коммерчески доступного сплава Invar имеет состав 31% никеля - 5% кобальта - 64% железа. Inconel представляет собой зарегистрированную торговую марку Huntington Alloy Corporation. Композиция коммерчески доступного сплава Inconel имеет состав 76% никеля - 17% хрома - 7% железа. Monel представляет собой зарегистрированную торговую марку Huntington Alloy Corporation. Композиция коммерчески доступного сплава Monel имеет состав 28% меди - 67% никеля - 3% железа - 2% марганца. Предполагается, что указанные композиции для поверхностного упрочнения обеспечат композиции для поверхностного упрочнения свойствами, обусловленными добавлением указанных коррозионно-стойких к высоким температурам сплавов, такие как, например, способность сварочной ванны сохранять цементированный (кобальтом) карбид вольфрама без повреждений (или по меньшей мере предотвращать их полное растворение), в тех случаях, когда сварщики перегрели сварочную ванну во время образования покрытия для поверхностного упрочнения.

3
-6
В приведенной ниже Таблице 8 представлена базисная композиция примера 5 согласно изобретению, за исключением того, что содержание каждого из приведенных компонентов уменьшали на 3 процента, чтобы оказалось возможным суммарное добавление 3 процентов сплава. Указанные сплавы могут быть единственными или несколькими из вышеупомянутых сплавов или включать в себя одну компоненту или несколько из любых компонент в виде никеля, Invar, Inconel и Monel. Сплавы Invar, Inconel, Monel уже были описаны выше. Что касается никеля, то он представляет собой NI-124 со следующими свойствами: 100/325 меш сферический с высокой плотностью, чистота 99,9%, плотность равна 8,903 грамма/см, твердость по Brinnell после отжига равна 75, и коэффициент расширения при 20 градусах Цельсия равен 13,3×10, электрическое удельное сопротивление равно 6,844 микроом-см, и металлическая структура характеризуется кубической гранецентрированной решеткой.
Таблица 8
Композиции для поверхностного упрочнения (в массовых процентах) примера 5 согласно изобретению
Обозначение
масс.%
10×24 гранулы
4
18×35 гранулы
8
20/30 гранулы
18
30/40 гранулы
30
100×325 гранулы
5
20/40 Kenfase
10
40/80 Kenfase
7
40/80 литье
5
100/200 литье
5
60/170 Si/Mn
4
-325 меш WC
4
Как можно установить, исходя из раскрытых выше композиций для поверхностного упрочнения согласно изобретению, что по существу отсутствуют разрывы в распределении по размерам твердых частиц в примерах согласно изобретению. Вышеизложенное означает, что изменения в распределении частиц по размерам при переходе от области с наиболее встречающимися размерами частиц к области с наименее встречающимися размерами частиц были минимизированы и уменьшены по сравнению с теми, которые прежде были доступны.
В связи с этим на фигуре 4 приведена гистограмма, на которой показано теоретическое распределение частиц по размерам для одной типичной композиции для поверхностного упрочнения. На вертикальной оси отложены массовые проценты, а на горизонтальной оси представлено распределение частиц по размерам во всей области изменения частиц по размерам. Поскольку указанное распределение частиц по размерам является теоретическим, нет никаких определенных массовых процентов или размеров частицы, приведенных на гистограмме. Однако следует понимать, что общий массовый процент соответствует ста массовым процентов, а пределы изменения частиц по размерам являются пределами изменения частиц, которые были бы подходящими для использования в качестве поверхностного упрочнения.
В представленной на фигуре 4 гистограмме, самое плотное распределение частиц по размерам соответствует модальному размеру. См. Randall M. German, Powder Metallurgy Science, Metal Powder Industries Federation, Princeton, New Jersey (1984), включая текст на странице 28. Как можно заметить, в то время как форма распределения частиц по размерам не соответствует в точности кривой нормального распределения, в ней по существу отсутствуют значительные изменения в распределении частиц по размерам между областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, и областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют наименьший размер, или областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, и областью распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют наибольший размер. Другими словами, можно сказать, что имеет место существенно сглаженный переход от области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер (то есть, от самого плотного распределения частиц по размерам), к области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют наименьший размер, и по существу гладкий переход от области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, к области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют наибольший размер.
В качестве другого примера на фигуре 5 приведена гистограмма, на которой показано теоретическое распределение частиц по размерам для другой типичной композиции для поверхностного упрочнения. На вертикальной оси отложены массовые проценты, а на горизонтальной оси представлено распределение частиц по размерам во всей области изменения частиц по размерам. Поскольку указанное распределение частиц по размерам является теоретическим, нет никаких определенных массовых процентов или размеров частицы, приведенных на гистограмме. Однако, следует понимать, что общий массовый процент соответствует ста массовым процентов, а пределы изменения частиц по размерам являются пределами изменения частиц, которые были бы подходящими для использования в качестве поверхностного упрочнения.
На приведенной гистограмме, подобно приведенной на фигуре 4, самое плотное распределение частиц по размерам соответствует модальному размеру. Как можно заметить, в то время как форма распределения частиц по размерам отличается от кривой распределения на фигуре 4, в ней по существу все еще отсутствуют существенные изменения в распределении частиц по размерам от области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, к области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют наименьший, размер, и от области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, к области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют наибольший размер. Другими словами, можно сказать, что имеет место существенно сглаженный переход от области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер (то есть, от самого плотного распределения частиц по размерам), к области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют наименьший размер, и сглаженный переход от области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют модальный размер, к области распределения частиц по размерам, в которой частицы имеют наибольший размер.
Как изложено выше, одно из преимуществ, связанное с композицией для поверхностного упрочнения, содержащей твердые частицы, для которых отсутствуют разрывы (то есть, отсутствуют существенные изменения) в распределении частиц по размерам, является снижение или устранение возможности перемещения твердых частиц к дну жидкой сварочной ванны во время нанесения. Было обнаружено, что покрытие для поверхностного упрочнения согласно любому из примеров согласно изобретению обеспечивает покрытие для поверхностного упрочнения, которое демонстрирует устойчивость, при которой твердые частицы не мигрируют в направлении дна жидкой сварочной ванны. При этом предположили, что твердые частицы (например, литые частицы карбида вольфрама и сцементированные (кобальтом) гранулы карбида вольфрама) более однородно распределены по всей микроструктуре покрытия для поверхностного упрочнения. Предполагалось, что малоразмерные цементированные (кобальтом) гранулы карбида вольфрама останутся поврежденными в покрытии для поверхностного упрочнения.
В приведенных выше примерах карбид вольфрама или материал на основе карбида вольфрама являлся основным важным компонентом композиции. Следует понимать, что другие виды твердых веществ могут быть подходящими для использования в указанных композициях для поверхностного упрочнения. Типичными веществами могут быть алмазы, металлокерамики и, возможно, даже керамики.
Следует понимать, что композиции для поверхностного упрочнения согласно изобретению содержат твердые частицы, которые демонстрируют распределение частиц по размерам, в котором отсутствуют (или по меньшей мере они там минимальны) разрывы или какие-либо существенные изменения в распределении частиц по размерам. Посредством создания композиции для поверхностного упрочнения, которая содержит твердые частицы, для которых имеет место отсутствие или минимальные разрывы, или отсутствуют существенные изменения в распределении частиц по размерам (то есть, твердые частицы имеют размеры, которые находятся внутри определенных областей распределения частиц по размерам так, что отсутствуют разрывы в гладком распределении твердых частиц во всей области доступных распределений частиц по размерам), были устранены известные в настоящее время недостатки.
Следует понимать, что посредством композиции для поверхностного упрочнения согласно изобретению, содержащей твердые частицы, представлена улучшенная композиция для поверхностного упрочнения (включая улучшенный стержень для поверхностного упрочнения), которая не содержит разрывов в распределении частиц по размерам для уменьшения или устранения перемещения частиц из-за столкновений в стержне для поверхностного упрочнения. Кроме того, также следует понимать, что посредством композиции для поверхностного упрочнения согласно изобретению, содержащей твердые частицы, была представлена улучшенная композиция для поверхностного упрочнения (включая улучшенный стержень для поверхностного упрочнения), содержащая твердые частицы, для которых отсутствуют разрывы в распределении частиц по размерам, и в результате уменьшено или устранено перемещение твердых частиц в жидкой сварочной ванне во время сварки. Кроме того, становится очевидным, что посредством композиции для поверхностного упрочнения согласно изобретению, содержащей твердые частицы, получена улучшенная композиция для поверхностного упрочнения (включая улучшенный стержень для поверхностного упрочнения), в которой отсутствуют разрывы в распределении частиц по размерам, и таким образом уменьшена или устранена сегрегация восстановительного вещества для уменьшения или устранения наличия карманов с уловленным газом в покрытии для поверхностного упрочнения.
Патенты, заявки на выдачу патентов и другие документы, использованные в настоящем документе, таким образом, включены в качестве ссылки в данное описание.
Другие варианты реализации изобретения будут очевидны для специалистов области техники при практическом осуществлении раскрытого в данном описании изобретения. Предполагается, что осуществленное описание изобретения и примеры предназначены только для иллюстрации изобретения и что сущность и возможности изобретения представлены в соответствии с прилагаемой формулой изобретения.