耐磨部件及其製造方法與流程
2023-10-23 21:14:17 4
相關申請的交叉引用
本申請主張2011年4月6日提交的美國臨時專利申請第61/472,470號的優先權，且該申請的全部內容在此通過引用結合入本文並作為其中的一部分。
技術領域
本發明涉及使用滲透硬焊或另一硬焊技術形成的供研磨環境用表面硬化式部件的各種實施例。更特別地，本發明涉及有關這些表面硬化式部件的產品、系統及方法。例如，這些表面硬化式部件可包括用於咬入地面機械(例如挖掘機的尖端)的耐磨工具、例如用於雙輥壓碎機的末端的選礦設備、轉筒篩、或其它研磨應用。
背景技術：
通過滲透硬顆粒產生的耐磨部件的例子公開於美國專利第US4884477、US4949598及US6073518號、及公開文獻US20100278604、GB2041427及WO2008103688中。更一般地說明滲透工藝製造燒結碳化物的更早的文獻包括US1512191及DE420689C(1925,Deutsches Reich)。在此提及的這些及所有其它文獻的內容為此全部通過引用結合入本文。本發明試圖克服這些裝置及其它現有裝置的某些缺陷、及提供迄今未獲得的新特徵。
技術實現要素：
本發明提供一種用於咬入地面機械的咬入地面耐磨部件，包括：
基材，所述基材具有用於附接到咬入地面機械的安裝結構，以及用於在咬入地面機械的操作過程中與土料相互作用的作業部分，所述作業部分具有表面；
結合到基材的所述表面並且在所述表面上形成塗層的耐磨複合材料，所述耐磨複合材料包括以金屬硬焊材料滲透的硬微粒材料；以及
金屬片外殼，所述金屬片外殼通過焊接或硬焊連接到基材以與基材形成模具並在所述表面和外殼之間限定模穴，基材和外殼被協作地構造成在硬微粒材料的滲透過程中容納硬微粒材料，其中，所述複合材料結合到外殼。
根據本發明的一種優選實施方式，外殼圍繞基材的整個外周延伸。
根據本發明的一種優選實施方式，基材具有在所述表面中的孔、以及接收在所述孔中的插入件。
根據本發明的一種優選實施方式，基材包括第一表面和與第一表面相鄰的第二表面，複合材料接收在第一表面上，金屬片外殼固定至第二表面，並且第一表面相對於第二表面凹陷使得複合材料與第二表面大致齊平。
根據本發明的一種優選實施方式，安裝結構包括用於將基材安裝在咬入地面機械上的凹腔。
根據本發明的一種優選實施方式，作業部分包括窄段以促進挖掘，並且金屬片外殼和複合材料位於所述窄段的至少一部分上。
根據本發明的一種優選實施方式，基材包括面向不同方向的多個表面，所述多個表面中每個表面被複合材料至少部分地覆蓋。
根據本發明的一種優選實施方式，複合材料為基材的所述表面上的連續且非間斷塗層。
根據本發明的一種優選實施方式，基材的作業部分包括前端，所述前端在面向咬入泥土設備的操作過程中耐磨部件相對於土料的運動方向，複合材料和外殼位於所述前端上並且覆蓋所述前端。
本發明還提供一種用於咬入泥土設備的耐磨部件，包括：
基材，所述基材包括用於附接到咬入泥土設備的安裝結構、在咬入泥土設備的操作過程中咬入地面的操作部分、第一表面以及鄰近所述第一表面的第二表面，所述操作部分包括至少第一表面，並且第一表面相對於第二表面凹陷；
金屬外殼，所述金屬外殼通過焊接或硬焊連接到基材的第二表面以在基材的第一表面與外殼之間限定模穴；以及
複合材料，所述複合材料大致填充模穴並在基材的第一表面上形成塗層，所述複合材料包括結合到第一表面和外殼的以金屬硬焊材料滲透的硬微粒材料，所述複合材料包括與第二表面大致齊平的外表面。
根據本發明的一種優選實施方式，外殼包括與基材的第二表面面對面接觸並且圍繞外殼的整個外周的共形帶，並且所述外殼通過至少沿共形帶的焊接或硬焊連接到基材。
根據本發明的一種優選實施方式，外殼具有與第二表面的至少一部分一致的共形帶。
根據本發明的一種優選實施方式，基材的第一表面包括面向不同方向的多個壁，所述多個壁中每個壁被複合材料至少部分地覆蓋。
根據本發明的一種優選實施方式，複合材料為第一表面上的連續且非間斷塗層。
根據本發明的一種優選實施方式，外殼由金屬片形成。
根據本發明的一種優選實施方式，外殼大致圍繞基材。
根據本發明的一種優選實施方式，安裝結構包括用於將耐磨部件安裝在咬入泥土設備上的凹腔。
根據本發明的一種優選實施方式，操作部分包括窄段以促進挖掘。
根據本發明的一種優選實施方式，基材包括前端，所述前端面向在咬入泥土設備的操作過程中耐磨部件相對於土料的運動方向，並且複合材料和外殼位於所述前端上並且覆蓋所述前端。
本發明還提供一種用於咬入泥土設備的耐磨部件，包括：
基材，所述基材具有基座部分以附接到咬入泥土設備，以及作業部分以咬入土料；
外殼，所述外殼包括通過焊接或硬焊直接固定至基材的固定部分，以及與基材間隔開的容納部分，其中，所述外殼與基材限定模具；以及
容納在外殼的容納部分內的複合材料，所述複合材料包括以金屬硬焊材料滲透的硬微粒材料，所述複合材料覆蓋基材的作業部分的至少一部分。
根據本發明的一種優選實施方式，基材的作業部分包括面向不同方向的多個表面，所述多個表面中每個表面被複合材料至少部分地覆蓋。
根據本發明的一種優選實施方式，複合材料為作業部分上的連續且非間斷塗層。
根據本發明的一種優選實施方式，複合材料為作業部分上的連續且非間斷塗層。
根據本發明的一種優選實施方式，外殼由金屬片形成。
根據本發明的一種優選實施方式，外殼大致圍繞基材。
根據本發明的一種優選實施方式，基材包括第一表面和與第一表面相鄰的第二表面，複合材料接收在第一表面上，外殼直接固定至第二表面，並且其中，第一表面相對於第二表面凹陷使得複合材料與第二表面大致齊平。
根據本發明的一種優選實施方式，外殼大致圍繞基材。
根據本發明的一種優選實施方式，基材包括第一表面和與第一表面相鄰的第二表面，複合材料接收在第一表面上，外殼直接固定至第二表面，並且其中，第一表面相對於第二表面凹陷使得複合材料與第二表面大致齊平。
根據本發明的一種優選實施方式，基材的基座部分包括用於將基材安裝在咬入泥土設備上的凹腔。
根據本發明的一種優選實施方式，作業部分包括窄段以促進挖掘。
根據本發明的一種優選實施方式，基材的作業部分包括前端，所述前端面向在咬入泥土設備的操作過程中耐磨部件相對於土料的運動方向，並且複合材料和外殼位於所述前端上並且覆蓋所述前端。
根據本發明的一種優選實施方式，基材的作業部分包括前端，所述前端面向在咬入泥土設備的操作過程中耐磨部件相對於土料的運動方向，並且複合材料和外殼位於所述前端上並且覆蓋所述前端。
本發明還提供一種製造用於咬入泥土設備的耐磨部件的方法，包括：
將金屬外殼連接至基材的表面以在外殼和所述表面之間限定模穴；
將硬材料放入模穴內；
使金屬硬焊材料與模穴連通；
將金屬硬焊材料加熱至高於所述金屬硬焊材料的熔點的溫度並保持所述溫度足夠的時間用於所述金屬硬焊材料與所述硬材料接觸，基材的所述表面和外殼處於熔融狀態，其中，所述硬材料和熔融的金屬硬焊材料容納在通過將外殼連接至基材而形成的模穴中；以及
使金屬硬焊材料冷卻以固化所述金屬硬焊材料並使所述硬材料結合至基材的所述表面。
根據本發明的一種優選實施方式，外殼具有通至外殼的外部的開口，容器與外殼連接並且位於模穴外側而與開口連通，並且其中，金屬硬焊材料放置在容器內而與模穴連通。
根據本發明的一種優選實施方式，外殼還包括圍繞外殼的周邊延伸的共形帶，並且其中，連接外殼與基材包括焊接或硬焊共形帶與基材的表面，使得共形帶與基材的圍繞整個共形帶的表面的一部分面對面接觸。
根據本發明的一種優選實施方式，外殼包括前構件及後構件，所述前構件具有從該前構件的後緣橫向延伸的前凸緣，所述後構件具有從該後構件的前緣橫向延伸的後凸緣，其中，所述方法還包括通過將所述前凸緣焊接或硬焊至所述後凸緣來將所述前構件和所述後構件接合在一起以形成外殼。
根據本發明的一種優選實施方式，微粒材料包括碳化鎢，金屬硬焊材料包括Ni-Cr-Si-B硬焊合金，並且其中，硬焊材料被加熱至大約2050℉的溫度大約30至60分鐘的時間。
根據本發明的一種優選實施方式，還包括將多件金屬片焊接或硬焊在一起以形成外殼。
根據本發明的一種優選實施方式，硬材料和金屬硬焊材料形成覆蓋基材的所述表面的複合表面硬化材料。
根據本發明的一種優選實施方式，硬材料具有多孔結構，所述多孔結構被熔融狀態的金屬硬焊材料滲透以形成複合表面硬化材料。
根據本發明的一種優選實施方式，硬材料包括微粒材料，所述微粒材料被熔融狀態的金屬硬焊材料滲透以形成複合表面硬化材料。
根據本發明的一種優選實施方式，外殼由金屬片形成。
在考慮附圖及詳細說明後，將更容易了解本發明的優點。
附圖說明
圖1-4是具有一附接外殼的耐磨部件的一實施例的立體圖。
圖5是如圖1-4所示的具有附接外殼的耐磨部件的實施例的俯視圖。
圖6是如圖1-5所示的具有附接外殼的耐磨部件的實施例的仰視圖。
圖7是如圖1-6所示的具有附接外殼的耐磨部件的實施例的左側視圖。
圖8是如圖1-7所示的具有附接外殼的耐磨部件的實施例的右側視圖。
圖9是如圖1-8所示的具有附接外殼的耐磨部件的實施例的前視圖，且表面硬化材料可在該外殼內看到，且保護一基材。
圖10是以類似於圖9的實施例的視角觀看的耐磨部件的替代實施例的前視圖，且該耐磨部件呈具有附接外殼的完成表面硬化式耐磨部件形態，在圖9中看見的外殼的某些部分已移除。
圖11-17是分別對應於圖1-7的視圖，但顯示圖10的完成表面硬化式耐磨部件。
圖18是具有附加外殼的耐磨部件的另一實施例的立體圖，包括形成為一漏鬥的容器。
圖19顯示另一實施例的兩件式外殼的立體圖，且該外殼系以一豎直方位顯示。
圖20是依據圖19的外殼的實施例的俯視圖，但包括具有附接的兩件式外殼的耐磨部件，且該耐磨部件及該外殼以豎直方位顯示。
圖21是具有附接的兩件式外殼的耐磨部件的圖20所示實施例的左側視圖。
圖21a是圖20與圖21的耐磨部件的左側橫截面圖，顯示具有另一構造的附接兩件式外殼。
圖22是大致沿圖20中的線22-22截取的圖20與圖21的實施例的橫截面圖。
圖23是大致沿圖20與圖21中的線23-23截取的圖20與圖21的實施例的橫截面圖。
圖24是大致沿類似於用以界定圖22的橫截面圖的平面的平面截取的圖18的實施例的橫截面圖，但是以一水平方位顯示基材及外殼。
圖25a-25j顯示大致依據圖19-23的實施例的作為製造耐磨部件的一部分的多個視圖。
圖26與圖27顯示一下方基材的兩不同實施例的立體圖，且該下方基材可被用於製造表面硬化式耐磨部件，在圖26與圖27中，該基材、更詳而言之是一尖端垂直地定向。
圖28是以類似於圖20和圖25c的視角觀看的基材及附接外殼的前視圖，且示意地顯示各包括一硬化插入物及兩間隔件的兩孔。
圖29是與圖28所示基材一起使用的兩硬化插入物的照片。
圖30是圖29所示間隔件的平面圖。
圖31是圖27所示基材的實施例的兩例子的照片，所示的各例子具有一焊接定位且準備好收納一適當量的硬顆粒及滲透硬焊粉末的外殼。
圖32是圖28所示基材及外殼的實施例的兩例子的照片，所示的各例子具有以滲透硬焊粉末填充的外殼。
圖33是載入一爐中的來自圖32的兩例子的照片。
圖34是在該外殼在開始挖掘時已磨損後、來自圖32與圖33的例子中的一例子的照片。
圖35是以類似於圖28的視角觀看的基材及附接外殼的前視圖，且示意地顯示三個孔，並且一中央孔包括一硬化插入物。
圖36是大致沿圖35中的線36-36截取的圖35的實施例的橫截面圖。
圖37是圖36的實施例的橫截面圖，且多個粒狀碳化物顆粒填充一在該基材與該外殼之間界定的模穴。
圖38是圖37的實施例的橫截面圖，且硬焊材料填充一在碳化物顆粒上方的由該外殼形成的容器。
圖39顯示在一滲透硬焊循環後，圖35-38的實施例的橫截面圖，且表面硬化材料圍繞且保護該基材。
圖40是粒狀碳化物在右方，且硬焊合金粉末在左方的照片。
圖41顯示一樣本爐循環圖，且溫度為豎直軸，並且時間為水平軸。
圖42a-42k顯示作為製造一耐磨部件的另一實施例的一部分的多個視圖，不同的圖42a-42k顯示作為滲透表面硬化一雙輥壓碎機尖端的一部分的經選擇加工步驟。
圖43a-43f顯示作為製造一耐磨部件的另一實施例的一部分的多個視圖，不同的圖43a-43f顯示作為使用具有一排氣管的外殼的滲透表面硬化一雙輥壓碎機尖端的一部分的經選擇加工步驟。
圖44顯示一表面硬化式耐磨部件的另一實施例的立體圖，且具有一特別複雜表面形狀的球形結構。
圖45a-45h顯示作為製造一耐磨部件的另一實施例的一部分的多個視圖，不同的圖45a-45h顯示作為滲透表面硬化一供選礦用的轉筒篩的一部分的經選擇加工步驟。
具體實施方式
本發明可以許多不同形式實施，在附圖中顯示且將在此詳細說明本發明的多個優選實施例，本公開內容應被視為本發明的原理的舉例且不是意圖將本發明的各個方面限制於所示及所述的實施例。
總體而言，本發明涉及使用硬焊及/或滲透技術，使用金屬外殼在基材的表面上形成複合材料或其它耐磨材料，例如耐磨部件，以及使用這些技術形成的物件及結合這些技術的方法及設備。例如，一種使用這些技術形成的物件(例如表面硬化式耐磨部件)可包括：基材；金屬片外殼，其與該基材連接以在該基材的表面與該外殼之間界定模穴；及複合材料，其填充(或部分地填充)該模穴且在該基材的表面的至少一部分上形成塗層，且該複合材料包括以金屬硬焊材料滲透的硬微粒材料。在更一般性例子中，一種使用這些技術形成的物件可包括：基材；金屬外殼，其與該基材連接以在該基材的表面與該外殼之間界定模穴；硬及/或耐磨材料，其定位在該模穴內；及金屬硬焊材料，其使該硬材料及該基材的表面結合。
呈表面硬化式耐磨部件10形式的物件的一種實施例以採礦尖端的形式顯示在圖1-9中。除非另外指明，否則表面硬化式耐磨部件可包含所述、所示及/或在此加入的結構、組件、功能性及/或變型中的至少一者。表面硬化式耐磨部件10的兩基本組件包括形成結構組件12、或更大致為基材12的主要工具，及形成用於表面硬化材料的模具的外部消耗性金屬外殼14。優選地，基材12由金屬、例如在用於咬入地面工具的技術領域中已知的鋼合金形成，且外殼14由金屬片、例如低碳「軟」鋼製成。該金屬片的外殼14可由可形成或製成特定所需形狀且可在滲透工藝時耐受因該滲透材料或大致因滲透硬焊所需的溫度而溶解、熔化、或不當弱化的任何材料構成。多種其它部件及結構可被用來形成基材12及製造其上具有該表面硬化材料的表面硬化式耐磨部件10。這些部件及結構的例子包括其它種類的尖端、護罩、或轉子；用於挖鬥或疏浚機頭的齒；用於平土機、刮土機的刮板；例如用於滑道或卡車本體的各種應用的耐磨襯墊；例如在採礦、建築、或鑽探中使用的咬入泥土設備；用於例如用於雙輥壓碎機或轉筒篩的尖端的採礦加工設備的部件；及幾乎任何其它所需部件及結構。本發明亦可用於更新破損的部件；破損的部件可以是例如咬入地面工具的耐磨部件或例如挖鬥的唇部的支撐結構。
表面硬化材料與基材12結合併保護基材12，但是因為該表面硬化材料被外殼14封閉，所以該表面硬化材料不容易在圖1-8中看到。通常，該表面硬化材料包括硬材料及使該硬材料與該基材12結合的金屬硬焊材料。該硬材料大致具有比表面硬化的基材12的表面高的硬度。硬材料還可具有比基材12的表面高的耐磨性。如以下更詳細說明地，該表面硬化材料可以是由呈硬顆粒形式的硬材料形成的複合物，且硬顆粒通常以微粒(例如粒狀或粉末狀)形式存在，例如碳化鎢顆粒，且以例如銅基或鎳基硬焊合金的通常以粒狀或粉末狀形式存在的注入金屬硬焊材料滲透。應了解的是「金屬」材料可包括純金屬、以及合金及包括一或多種金屬的其它材料。在另一實施例中，該硬材料可以呈多孔材料形式，其包括微粒材料、多孔預成形物(例如燒結預成形物)、或可被該硬焊材料滲透的其它多孔結構。優選地，這種多孔材料可具有5-50％的孔隙率，但是在其它實施例中可具有不同孔隙率。在又一實施例中，該硬材料可以是實心、單體結構(或多件式結構)，例如瓷磚、板或通過該硬焊材料與該基材12的表面結合的其它單體結構。在這些實施例的各實施例中，該外殼14被用來將該硬材料保持在界定在該外殼14與該基材12的外表面之間的模穴50中在用以硬焊的位置、例如緊靠該基材12的表面處。
外殼14包括：外殼本體16，且開口17通至該外殼本體16外部並且該模穴50由該外殼本體16界定；容器18，其與該開口17連通。在一實施例中，該容器18可與該外殼本體16一體地形成，或在另一實施例中該容器18可分別地形成且與該外殼本體16接合。容器18隻在製造耐磨部件10時使用，且如以下更詳細說明地，可移除(例如切除)或可在操作使用耐磨部件10時簡單地腐蝕掉。外殼14通過共形帶20與基材12接合，且外殼14通過該共形帶20焊接到基材12。該共形帶20可如下所述地與該基材12的一部分面對面接觸、圍繞該外殼及該基材的周邊的一部分或全部。或者，如果用以硬焊外殼14與基材12的任何硬焊材料具有高於用於注入硬焊材料熔點溫度的熔點溫度，則外殼14可硬焊在基材12上。在其它實施例中，該外殼可以另一方式與該基材12連接。例如，該外殼可使用陶瓷氈或布的墊片放在該基材12上以密封該模穴及防止該硬焊材料在硬焊時漏出。
圖9最清楚地顯示外殼14具有顯著地小於基材12的公稱厚度的外殼厚度22。例如，外殼14可具有大約0.105英寸的平均外殼厚度，而在圖1-9中的基材12可在被該外殼覆蓋的區域中具有1.000至3.450英寸範圍內的厚度。在一實施例中，該外殼14可由在16Ga(0.060英寸厚)至10Ga(0.135英寸厚)的範圍內的金屬片構成，其可用於廣泛應用中。在其它實施例中，該外殼14可具有任何其它適當厚度。例如，在另外的實施例中，該外殼14可由具有大約0.25英寸厚度的鋼或其它金屬板構成，或可鑄造或由棒材機械加工，或以不同方式形成。應了解的是該外殼14的不同部分可具有不同厚度。在圖9中亦可看到的是大致以24表示的一層複合表面硬化材料。
當與基材12比較時，外殼14的相對薄度表示外殼14可輕易地、相當便宜地形成。對外殼的簡單形狀而言，相對低成本的外殼14可通過切割多件金屬片、焊接或硬焊這些金屬片在一起來作成。稍微比較複雜的形狀可通過將多件金屬片彎曲成特定構型，且接著焊接該彎曲金屬片來作成。複雜的形狀可通過例如深拉金屬片成形法、通過格林(Guerin)法(橡膠墊成形法)成形、液壓成形法、及/或爆炸成形法來作成。亦可使用精密(「失蠟」)鑄造，但是失蠟法的成本通常是不經濟的。對於特別複雜的形狀而言，該外殼的構件可通過這些方法中的一或多個形成，且接著通過焊接或硬焊接合。
即使對相當大的基材而言，形成一有效模具亦只需要非常少的材料。例如，若為採礦尖端10，則外殼14的重量將只為大約41/2磅而基材12的重量將為224磅。對一特定尺寸尖端而言，採礦尖端和外殼的特定重量只是一個例子。依據用於不同操作的不同尖端的尺寸可有多種大變化。但是，在此披露的所有實施例包括基材及外殼，其中外殼重量顯著地小於該基材。
該外殼是消耗性的，在完成產品中不具有結構性功能且在使用得到的表面硬化式耐磨部件時經常快速地磨損。因此，用以形成外殼14的特殊金屬只需要夠強且足以耐溶解以在滲透硬焊的高溫下繼續存在即可。許多可輕易取得、相對低成本的片鋼可滿足這標準。對224磅基材組合一最小材料量，例如，小於5磅的片鋼，使用可輕易取得的片鋼，及使用相對容易製造技術以製造薄金屬外殼14，意味著當與該所得表面硬化式耐磨部件10的市場價值比較時，外殼14的成本經常是最小的。
在許多應用中，該工具基材會相當大且重，且該工具基材經常在該基材相對於重力呈一特定方位的情形下運送或操作。例如，非常重的基材會被牢固地固持在卸鬥上或在夾具中，且待表面硬化的區域面向上。其它基材可通過基座或特定表面支持，且待表面硬化的區域面向上、向側面、或向下。另外的基材可具有多個待表面硬化的分開區域，面向多個不同方位。
本發明的輕金屬片外殼可輕易地移動以在基材上精確地對齊，且接著與該基材焊接，不論該基材的大多數方位為何。該薄金屬外殼可在不必夾持或夾具的情形下，通過焊接或高溫硬焊與該下方基材輕易地附接，且產生的接面即使在滲透硬焊需要的高溫下亦是液密的。在任一種有關滲透表面硬化的模具中，熔融金屬硬焊材料應留在該模具中。利用本發明的薄金屬外殼，可在不需額外夾持或夾具的情形下達成與基材的可靠附接。所得總成因此更容易放在用於滲透硬焊的爐中，可明顯更容易地滲透表面硬化重型物品。
此外，界定用於該滲透表面硬化的模具的薄金屬外殼可由多個部件可靠地組合，且具有在稍後通過該下方基材配合焊接或高溫硬焊密封的面向側邊的開口及/或面向下的開口。這與用於滲透硬焊的傳統石墨或陶瓷模具非常不同，傳統石墨或陶瓷模具更難以密封在一下方基材上，且通常需要如在US4933240中所示的廣大重迭面積。即使這些傳統石墨或陶瓷模具在室溫被密封在基材上，這些密封亦可會在滲透硬焊所需的高溫失效，特別是在該基材及該模具具有不同熱膨脹係數時。因此，傳統石墨或陶瓷模具經常作成具有該基材必須放入的面向上開口。這意味著在這些現有模具中的基材必須通過該模具支持，或通過夾具或框架懸吊在該模具上方。
由模具支持重基材會是困難的，且可能在更佳地塗覆表面硬化材料的位置需要基材與模具接觸。使用夾具及框架會產生更重及更大的總成，更難將模具及基材的組合放入爐中。本發明的薄金屬外殼不必支持該基材，容許具有多種替代方位的基材及模具、及甚至在單一基材上的多個不同方位的模具的多種實施例。
圖10顯示耐磨部件110，表示在移除容器18後圖9的耐磨部件10。這使耐磨部件110可在不與容器18有任何幹涉的情形下運送及操作。圖11-17對應於圖1-7，且也沒有容器18。為了清楚說明，已在圖10-17中使用對應於圖1-9的部件編號的部件編號，但在前面加上「1」，包括基材112、外殼114、及一層表面硬化材料124。
由圖10-17可看到外殼114的薄度使得完成的耐磨部件110密切地配合供操作使用的耐磨部件的所需最後形狀及重量。例如，採礦尖端的尺寸及形狀作成用以挖入特定種類的土料。外殼114的薄度是特別有利的，因為以消耗性外殼114封閉的新的未使用尖端110具有在外殼114磨損後將以幾乎等同於這耐磨部件110的外形地穿過土料的外形。類似地，採礦設備基於例如鬥部上的尖端的任何附接咬入地面工具的重量以特定的方式操作。以消耗性外殼114封閉的新的未使用尖端110具有在該外殼112磨損後與耐磨部件110的重量幾乎相同的重量。在上述例子中，該外殼具有大約只是該基材重量的2％的重量。在加上該表面硬化材料的重量後，依據本實施例的完成耐磨部件的重量差，在有與沒有該消耗性外殼的情形下，變化小於2％。
在圖1-9的實施例中，容器18顯示為擴口的開口，其與基材12的長軸、以及外殼本體16及外殼14的長軸大致同軸。另一實施例可包括大致垂直於基材的長軸、以及外殼本體及外殼的長軸的容器。這種實施例顯示在圖18中，其中已使用對應於圖1-9的部件編號的部件編號，但在前面加上「2」，包括基材212、外殼214、及與該外殼212的開口217連通的容器218。優選地，容器218大致呈漏鬥狀，且具有大口部218a、但比較小的頸部218b。這可在移除容器218後，使得外殼214中任何產生的汙損最小化，且這可使耐磨部件210在新的時看起來更具吸引力。它亦可如下所述地允許基材212及外殼214在注入硬焊過程中具有不同方位，使得各種形狀的基材及外殼可亦如下所述地被收納在特定加工設備中。最後，當與在注入硬焊時基材12、外殼14及容器18的正常方位比較時，因為在注入硬焊時基材212、外殼214及容器218相對於重力的不同方位，它可在注入硬焊後允許有稍微不同的複合結構。
通常最簡單的是將外殼的任何這種容器部分設置在該外殼的本體上方。該配置通常是最有利的，因為它可讓重力在該滲透工藝時協助毛細作用。重力的效果可通過增加漏鬥的頸部的高度218H、增加包含在對應漏鬥狀容器的熔融硬焊材料的有效「高差」來獲得。但是，在某些情形中僅在硬化顆粒與熔化硬焊材料之間的毛細作用便已足夠，甚至會讓該熔化硬焊材料「向上移動」適當距離。
外殼的另一實施例在圖19中顯示為具有兩件式共形帶320的兩件式外殼314。外殼314的兩件式外殼本體316可最初由前半構件326及後半構件328形成，且該前半構件326具有前凸緣330，該後半構件328具有後凸緣332。前凸緣330由該前半構件326的後緣橫向地延伸且後凸緣332由該後半構件328的前緣橫向地延伸。通過以具有比欲用於滲透的材料高的熔點溫度的硬焊材料焊接或硬焊，前凸緣330可與後凸緣332接合。在某些構造中，兩件式外殼314可比對應單件式外殼更容易地形成。在某些構造中，當與對應單件式外殼的接合比較時，兩件式外殼314亦可更容易地與對應基材接合。
在圖20與圖21中，兩件式外殼314顯示為與呈尖端形式的對應基材312的一部分接合。可看到基材312的外部幾何形狀的細節，因為外殼314顯示為部分透明。基材312的外部幾何形狀可包括主體334，且該主體334界定用以與兩件式共形帶320焊接或硬焊的結合表面335。該基材312可為該硬材料的結合提供至少某些凹部或其它突起。例如，在圖20與圖21所示的實施例中，該基材312具有由主體334的外表面稍微內凹的臺階336，且另一內凹部是谷部338。臺階336可界定突緣340及斜面342。基材312的遠端可成形為界定出帶角度邊緣344及/或圓面346。在另一實施例中，該基材312可不為該硬材料提供任何凹部或其它突起。
圖20與圖21的實施例的橫截面圖顯示在圖22與圖23中。外殼314平滑地延伸遠離共形帶320，在基材312與外殼314之間界定模穴350。模穴350包括由谷部338界定的凹部、及其中基材312的遠端具有相對外殼314減小的厚度的其它相對凹部。模穴350界定與基材312結合的表面硬化材料的所得厚度，且外殼314的內部幾何形狀界定完成尖端的最終外部幾何形狀。在圖20-23的實施例中，將會與基材312結合的表面硬化材料大致相當平滑地由大致與基材312的外表面齊平且在所得的表面硬化材料後方的基材312的相鄰部分延伸。在圖22與圖23中，外殼314的內側表面與基材312的多個部分齊平。例如，在共形帶320處，這提供與該結合表面335的緊密配合以相對基材312精確地定位外殼314。在其它位置，例如臺階336，因為不需要表面硬化材料、或甚至因為在這些位置不需要表面硬化材料，所以該齊平安裝是簡單的。所得的表面硬化材料324與該基材12的相鄰部分齊平。例如，在所示實施例中，該表面硬化材料324與結合表面335、以及接觸該外殼314的內側表面的基材312的其它表面(如臺階336)齊平。通過不使表面硬化材料324突起比基材312的相鄰表面高，將尖端310推入土料中所需的力量減少。在沒有突出在基材312的圍繞表面上方看起來厚的表面硬化層的情形下，表面硬化的尖端310的外觀亦較佳。但是，在圖21a所示的另一實施例中，外殼314可由共形帶320向外擴大，使得會與該基材結合的表面硬化材料實質地增加該尖端的厚度，且相對該基材312的相鄰部分、包括相對於該(這些)結合表面335加大該尖端的遠端。
圖24是以類似圖22的橫截面圖的視角觀看的圖18的實施例的橫截面圖，但是具有以水平方位顯示的基材212。
圖25a-25j顯示作為製造耐磨部件310的一部分的多個視圖。不同的圖25a-圖25j顯示作為滲透表面硬化採礦鬥尖端的一部分的選擇加工步驟。圖25a顯示在附接任何外殼之前、及在基材312上形成任一層表面硬化材料之前，一種用於採礦鬥類型的呈尖端形式的基材312。
圖25b、25c與25d直接對應於圖19、20與21。基材312依據以上更一般地稱為基材312。只有基材312的一部分顯示在圖25c與圖25d中，且當與圖25a中的基材312的大致水平方位相比時，該部分大致豎直地定向。外殼314形成兩半部，且接著如上所述地沿凸緣焊接在一起。外殼314安裝在基材312上且接著如以上共形帶320所述地沿其底緣焊接定位。或者，外殼314的兩半部可先被夾持定位或以其它方式固持在基材312上，且接著焊接在一起，及/或與基材312焊接，以更佳地配合基材312及外殼314的各種表面幾何形狀。當鋼外殼314與基材312接合時，該鋼外殼及基材在該基材與該外殼之間界定一模穴350。
在圖25e中，呈硬顆粒352形式的硬材料通過灌注通過與模穴350連通的開口317而導入該界定的模穴350中，且容器318的擴口使它更容易灌入硬顆粒352。這些硬顆粒352可只以重力饋送來填充模穴350，或硬顆粒352可被夯實及/或振動，或以其它方式填塞定位在該界定的模穴350內。在另一實施例中，可使用不同種類的硬材料，包括以上所述者。此外，在另一實施例中，顆粒352可依需要不完全填滿該模穴350。如圖25f所示，呈粉末形式的滲透硬焊材料354可接著被灌注在該硬顆粒層上方，且被固持在外殼314的容器318中。在另一實施例中，如下所述地，該硬焊材料354可以呈不同形式(即非粉末狀)。如圖25g所示，如果使用滲透硬焊粉末354基本上填滿容器318，則容器318的尺寸可作成，相對模穴350的界定體積及被固持在模穴350中的硬顆粒層352，界定正確體積的滲透硬焊材料354。在圖25g中包括基材312、外殼314、硬顆粒352層及該滲透硬焊材料354層的整個總成準備好如下所述地進行滲透循環。
在圖25h中顯示的種類的滲透循環在一爐中進行。優選地，該爐是一真空爐，但亦可使用其它種類的爐。圖25g的整個總成被放在這種用於該滲透循環的爐中，在該滲透循環過程中，整個總成被加熱至高到足以熔化滲透硬焊粉末354的溫度。這使熔融硬焊材料滲透硬顆粒352的層，形成以注入有注入金屬硬焊材料354的硬顆粒352構成的複合物324。該注入硬焊材料結合基材312及硬顆粒352。
注入硬焊材料亦可與外殼314結合，但是這不是必要的。因此，在滲透後，外殼314通常與基材312永久地結合。當該所得的耐磨尖端被用於挖掘時，外殼314簡單地磨損，暴露滲透層324以達成其耐磨的功能。
在圖25j中，外殼314的容器部分318已移除，留下一完成產品作為表面硬化式耐磨部件310，且更詳而言之，表面硬化尖端310。
圖26與圖27顯示可被用來製造表面硬化式耐磨部件的下方基材的兩不同實施例。圖26顯示豎直定向的圖25a的基材312。圖27顯示呈一尖端形式的基材412的另一實施例，且兩孔458形成為靠近基材412的挖掘端。
在該實施例中，孔458提供有助於改善在基材412與硬顆粒及硬焊材料的所得複合物之間的結合的多個表面侵入體。在孔458中的所得的滲透硬材料改變所得的表面硬化式耐磨部件如何在使用時磨損。在某些實施例中，在孔458中的所得的滲透硬材料有助於維持「銳利度」及挖掘效率。這本質的其它優點可通過在孔458中安裝預製的硬金屬插入物而獲得。
圖28顯示圖27的實施例，且外殼414與基材412焊接。插入物460示意地顯示出，且被固持在各孔458中。在孔458的內壁與各插入物460之間的適當間隔可由一或多個間隔件462提供。示出兩間隔件462安裝在每個插入物460上。在另一實施例中，可不使用間隔件462。由間隔件462產生的間隔可在該基材412與該插入物460之間提供一過渡段以抵抗由於脹差造成該插入物460的破裂。如果需要，形成在該間隔中的硬焊材料可變形以配合這種膨脹與收縮之差。在又一實施例中，該滲透材料的熱膨脹係數可選擇成在該插入物460的熱膨脹係數與該基材412的熱膨脹係數之間以便如以下類似地說明地協助減少由於脹差造成的破裂。
兩個這種插入物460顯示在圖29中，且優選地由燒結碳化鎢製成。在另一實施例中，該(這些)插入物460可以是燒結形狀的一或多種其它碳化物(例如碳化鉻，碳化鉬，碳化釩等)。在另一實施例中亦可使用各種碳化物的多孔預成形物，包括碳化鎢(WC/W2C)、碳化鉻、碳化鉬、碳化釩及其它碳化物。在一實施例中，這些多孔預成形物可以純碳化物的形式提供。在另一實施例中，該(這些)插入物460可由陶瓷或其它材料形成。如果使用陶瓷，可使用一或多種技術加強該硬焊材料在陶瓷表面上的溼潤及/或結合，包括如下所述的這些技術。優選地，間隔件462由鋼構成且具有開口箍464及多個腿部466，並且開口箍464呈彈簧狀，使得間隔件462在被滑動到其中一個插入物460上時保持定位。一個這種間隔件462詳細顯示在圖30中。
圖31是另一替代實施例的兩例子的圖，各例子包括呈尖端形式的基材512，且所示各例子具有焊接定位的外殼514，且該外殼514大致如上所述地準備好收納適當量的硬顆粒及滲透硬焊材料。圖32顯示準備好進行滲透循環的兩總成，且各總成具有填充硬顆粒(未顯示)及硬焊材料554的尖端512及外殼514。可選地，夾具568與各尖端512可分離地附接，以在操作時及在載入爐及由該爐卸載時協助穩定各尖端512，如圖33所示。
依據圖31-33的實施例的呈表面硬化尖端510形式的完成、部分磨損基材顯示在圖34中。表面硬化尖端510是通過將圖32與33的總成放在爐中且接著加熱及冷卻作為如下所述的滲透循環的一部分而製成。所得的表面硬化尖端10被用於挖掘而磨損消耗性外殼514，在圖34中不再看得見。圍繞表面硬化尖端510的灰色背景是測量在使用表面硬化尖端510時有多少材料磨損的可移除的量具。如圖所示，表面硬化尖端510已表面硬化，使得表面硬化材料524在尖端512的主表面「上方」，因此具有由尖端512前進至表面硬化材料524上、以524a表示的外表面的銳利角過渡段。在某些應用中，該角表面構型可提供特殊優點。特別地，其中表面硬化材料524置於尖端512的圍繞表面上方的所得的尖端的加大挖掘端可在不需要表面硬化材料的費用或重量的情形下，通過遮蔽效應有效地保護相鄰未表面硬化表面。選擇性地添加表面硬化材料可保護受到實質磨損的區域，且在該尖端的其它區域上可不需要這種表面硬化材料。
本發明的薄金屬外殼在將表面硬化材料添加至已通過砂模鑄造產生的尖端時特別有用。典型的是用於使用溼砂工藝的採礦尖端鑄模以具有明顯尺寸變化，例如在本發明的外殼將附接的對應於在此所述共形帶的區域中會改變0.060英寸的厚度。因此這種溼砂鑄造尖端特別難以用例如陶瓷模具及石墨模具的不可彎曲模具密封。但是，在此披露的各種外殼的薄金屬可依需要輕易地變形及彎曲以便讓該薄金屬外殼與溼砂鑄造尖端適當地焊接。
又一實施例示意地顯示在圖35中，包括呈具有三個孔658的尖端形式的基材612，但是只有單一插入物660在孔658的中央孔中，且沒有任何間隔件。以硬顆粒與硬焊材料的混合物填充外殼614，且接著通過滲透循環加熱及冷卻該總成產生表面硬化式耐磨部件。圖36-39顯示通過這些孔658的中央孔的截面，且顯示多個加工步驟，並且硬金屬插入物660通過這些加工步驟與孔658結合，同時對基材612施加外部表面硬化。這些步驟顯示在圖36-39的橫截面圖中，且圖39顯示包括圍繞且保護基材612的遠端的一層表面硬化材料624的完成表面硬化式耐磨部件610的橫截面。在其它實施例中，該插入物660可被收納在不同孔658中及/或該基材612可包括在多個孔中的多個插入物660。
基材612、外殼614及表面硬化材料624層的近似相對厚度顯示在圖39中。例如，厚度672是用於表示基材612的，厚度674是用於表示外殼614的，且厚度676是用以表示表面硬化材料624層的。厚度676亦表示模穴650的厚度。這些厚度的樣本值如下：
靠近共形帶的基材厚度672：3.450英寸
整個外殼的外殼厚度674：0.105英寸
表面硬化厚度676：0.438英寸
圖40顯示兩粉末，包括在右方的粒狀碳化物52及在左方的硬焊合金粉末54。
碳化鎢是特別適用於作為依據本發明製成的表面硬化式耐磨部件的一部分的硬顆粒的一個例子。可使用例如WC或WC/W2C的純碳化物、及各種碳化物的混合物。而且，適當粒狀材料可由粉碎燒結碳化物材料、例如回收的機械工具插入物製成。該微粒材料的最適合尺寸依據該耐磨部件的預定用途來決定，但是在-50網目至+70網目的範圍內的尺寸適用於許多應用。已發現以下的碳化鎢、碳化鈦及鈷的合金可產生特別有效的表面硬化式耐磨部件，例如採礦尖端或工具尖端：
可作為在該複合材料中的硬顆粒使用的其它碳化物包括鑄造碳化鎢(WC/W2C)、一氧化碳鎢(WC)、碳化鉻、碳化鈦、碳化鉬、碳化釩、碳化鈳、鉻白鐵珠或粒、以及包括這些材料的混合物。如上所述，該硬材料可以不同形式使用，例如多孔預成形物、單體構件、或其它結構。在另一實施例，該硬材料可由陶瓷材料形成。如果使用陶瓷，可加入一或多種技術以加強通過硬焊材料對陶瓷表面的溼潤及/或結合。例如，該陶瓷的表面可塗覆金屬材料或其它材料以加強通過硬焊材料的溼潤。作為另一個例子，可使用活性硬焊技術，其中該硬焊材料包括沉積在該陶瓷表面上的材料(例如鈦)以加強該硬焊材料與該陶瓷表面的溼潤及結合。在其它實施例中可使用其它種類的硬材料。如上所述，該硬材料可優選地具有對該硬材料結合的基材的表面的較高硬度及較佳耐磨性。
硬焊合金粉末的特殊良好選擇包括按照AWS A5.18符合Class BNi-2的Ni-Cr-Si-B硬焊合金粉末。
可使用其它種類的硬焊材料，只要這些材料可與該基材及硬顆粒均可兼容，且這些材料適用於特定硬焊方法即可。硬焊材料可包括例如銅或銀的純金屬，但是可為具有鎳基、銅基或銀基的更典型標準硬焊合金。硬焊材料亦可包括其它富銅合金、及低熔點銅鎳合金。可使用的其它種類的硬焊材料類型包括純銅、矽青銅、鈦銅、鉻銅、離相青銅(spinodal bronze)、錫青銅、市售鎳基硬焊合金(BNi-1，BNi-2等)、市售鈷基硬焊合金(例如BCo-1)、或包括貴金屬及合金的其它種類的硬焊金屬。如上所述，在一實施例中，該硬焊材料可以粉末狀或其它微粒形式提供。在另一實施例中，該硬焊材料可呈不同(例如非粉末狀)形式。例如，在一實施例中，該硬焊材料可呈一或多個鑄造或鍛造材料塊形態。這些塊可以製成預定重量，以用於特定硬焊應用並提供在該總成中快速及有效安裝該硬焊材料。
圖41顯示使用包括碳化鎢及Ni-Cr-Si-B硬焊合金粉末的硬材料的用於該硬焊操作的爐循環的一例，且溫度為豎直軸。總體而言，用於該硬焊操作的熱循環包括先加熱至稍低於該硬焊材料的熔點溫度的溫度且保持以穩定在整個總成(包括厚與薄段)中的溫度。接著，該總成被加熱(最好快速地)至高於該硬焊材料的熔點的溫度以熔化該硬焊材料且讓它可滲透在硬顆粒之間的空間。這時間可相對地短，例如在一實施例中30分鐘至1小時。接著該溫度降低至剛好低於該硬焊材料的固態溫度，以便讓該硬焊材料可固化及與硬顆粒及該基材結合，且保持直到該溫度在整個總成上穩定為止。最後，該溫度降低使得該部件可由該爐移除。應了解的是，溫度必須保持以在整個總成上穩定的時間長度會受到該基材及/或該外殼的尺寸及幾何形狀影響，因為較大/較厚組件會需要較長時間加熱或冷卻。如圖所示，該爐及鑄件(例如基材、外殼、硬顆粒及硬焊材料的總成)的溫度增加且接著在一段時間後減少。圖41的樣本爐循環如沿該水平軸表示地花費大約7小時，且該硬焊步驟可在一實施例中以大約2050℉進行30-60分鐘。
圖42a-42k顯示作為製造耐磨部件710的另一實施例的一部分的多個視圖。不同的圖42a-42k顯示作為滲透表面硬化雙輥壓碎機尖端的一部分的經選擇加工步驟。所得的表面硬化輥壓碎機尖端具有實質分開但通過注入的複合表面硬化材料結合在一起的基材及薄金屬外殼，且在該基材與該薄金屬外殼之間的接觸極少。
圖42a顯示通過機械加工、鑄造或鍛造製備的基材712。多個外殼間隔孔780鑽設、形成、或成形在基材712中，如圖42b所示，且呈銷782形式的對應外殼間隔件安裝在孔780中，如圖42c所示。銷782將被用來將基材712懸吊在薄金屬外殼內，且在基材712與該外殼之間的所需間隔由銷782的長度界定。銷782的主要目的是保持外殼714與基材712適當地分開直到以硬顆粒752填充模穴750為止。銷782隻需要大到足以在此披露的方法的該填充步驟後仍存在即可。因此，銷782可由範圍由軟鋼銷至預製硬化燒結碳化鎢銷的各種材料製成。
圖42d顯示可通過如在形成金屬片模具技術領域中已知的深拉法、液壓成形法、及/或切割及焊接來製備的金屬片外殼714。接著，將具有突出銷782的基材712放在外殼714內，如圖42e所示。請參閱圖42f，硬顆粒752可放置在界定在基材712與外殼714之間的模穴750中，且選擇性地夯實、振動或以其它方法填塞在模穴750中，以在基材712與外殼714之間界定硬顆粒層。在圖42g中，滲透材料粉末754顯示為被放在該硬顆粒層上方，被收容在容器718的預定體積內，且優選地形成為外殼714的一體部分。容器718的尺寸可相對模穴750作成提供最佳量的滲透材料754，以滲透及結合硬顆粒752成為複合表面硬化層。這以圖顯示在圖42h中，且總成準備好進行滲透循環。
圖42i顯示諸如如上所述地準備好進行滲透循環的爐。圖42j顯示在滲透循環完成(j)後的圖42i的總成，且容器718仍就位。優選地，容器718通過切割或其它技術從外殼714移除，留下一完成的耐磨複合產品710，如圖42k所示。
雖然外殼714顯示為具有通常需要被固持在夾具中的球形下表面，但是類似形狀的外殼的其它實施例可自行支持。此外，如果基材712通過亦將外殼714相對於基材712定位在一所需位置的耐熱合金夾具固持，則可省略外殼間隔銷782。因此，基材712在該滲透工藝時被懸吊在金屬片外殼714上方且在金屬片外殼714內。在其它實施例中，任何將外殼714相對於基材712定位在所需位置的這種夾具可在硬顆粒752被填塞就位後移除。硬顆粒752通常不會在該滲透工藝時溶解或熔化，因此硬顆粒752將在該滲透工藝時可靠地支持基材712。這讓這些夾具可在將例如基材712、外殼714、硬顆粒752及滲透材料754的總成的組件的任一總成放在爐中之前移除。其它實施例可將外殼714懸掛在基材712上。例如，外殼714可作成懸掛在形成為基材712的一部分的轂部的柄中的未顯示溝槽上。
依據本發明的方法可供使用氫、氬環境，或其它類型還原或惰性環境的爐或甑使用，而不是真空爐。當在這種非真空爐中硬焊時，最好的是防止氣體在滲透進行時被截留在硬顆粒內。硬焊粉末可完全同時地熔化，向下滲出成為連續熔融層，通過硬顆粒。在該薄外殼中的低位置增加通氣口使被捕捉在硬顆粒中的氣體可在熔融硬焊材料向下滲出時逸出。優選地，一個通氣管或多個通氣管在適當低位置與該薄金屬外殼附接，且該管或這些管向上延伸至比熔融硬焊材料在滲透硬焊的最後階段時的最後高度高的高度。
供非真空爐中使用的鋼外殼814的一實施例顯示在圖43a-43f中。通氣管884由外殼814的低位置延伸以防止在硬焊滲透時氣體截留。通氣管884在發生氣體截留的一位置或多個位置與外殼814附接。圖43b顯示基材812、外殼814及通氣管884的橫截面圖。將硬微粒材料852灌注入模穴850，且在基材812與外殼814之間，如圖43c所示。接著將滲透材料854添加在硬顆粒層852上方，如圖43d所示。在圖43e中，所示的熔融滲透材料854部分地穿過硬顆粒層852，且氣體由通氣管884逸出。在冷卻後，該硬顆粒層及滲透材料形成複合物824，且至少某些滲透材料854填充通氣管884，如圖43f所示。通氣管884及滲透材料854通常能被容易地從得到的表面硬化式耐磨部件810切掉。
圖44顯示具有特別複雜表面形狀的球形結構。該耐磨部件不是要代表任一特定工具，而是顯示可依據在此披露的內容表面硬化的複雜工具。例如，它可表示具有特別複雜外形的滲透表面硬化研磨球。完成耐磨複合產品910包括多個預製表面硬化燒結碳化鎢插入物，其中兩個預製表面硬化燒結碳化鎢插入物以虛線960示意地顯示，且通過注入的複合表面硬化材料與下方基材結合。使用已知技術製造研磨球910將需要可能使用石墨或陶瓷材料製成的複雜的多件式模具。薄金屬片模具、預成形基材、硬化碳化物顆粒、及滲透硬焊的組合產生用以製造具有複雜表面幾何形狀的表面硬化工具的更經濟方法。
圖45a-45h顯示作為製造耐磨部件1010的另一實施例的一部分的多個視圖。不同的圖45a-45h顯示作為滲透表面硬化供選礦用的轉筒篩的一部分的經選擇加工步驟。所得的表面硬化轉筒篩可具有實質分開但通過注入的複合表面硬化材料結合在一起的基材及薄金屬外殼，且在該基材與該薄金屬外殼之間的接觸極少。或者，該基材及薄金屬外殼可在選擇的位置接觸，且在滲透循環時該外殼支持該基材。例如，多個肩部(未顯示)可形成在外殼1014的選擇位置處，且基材可放置這些肩部上且被這些肩部支持。在其它例子中，外殼1014的共形帶或共形部分(未顯示)可與基材1012焊接。
圖45a顯示通常通過機械加工、鑄造或鍛造製備的基材1012。圖45b顯示對應外殼1014，且在圖45c中基材1012顯示為被支持在外殼1014中。多個銷(未顯示)可被用來將基材1012懸吊在薄金屬外殼1014內，且在基材1012與外殼1012之間的所需間隔類似於圖42所示地由銷(未顯示)的長度界定。
圖45d顯示硬顆粒1052被灌注在基材1012上。硬顆粒1052可被推進至界定在基材1012與外殼1014之間的模穴1050中，且選擇性地夯實、振動或以其它方法填塞在模穴1050中，以在基材1012與外殼1014之間界定硬顆粒層。在圖45e中，滲透材料粉末1054顯示為被放在容器1018中、在硬顆粒層1052上方。圖45f顯示準備好進行滲透循環的爐。圖45g顯示在以適當量的滲透材料粉末完全加載後且在通過完整滲透循環加熱及冷卻後的圖45e的總成。優選地，該金屬片的選擇的部分通過切割或其它技術從外殼1014移除，留下完成的耐磨複合產品1010，如圖45h所示。例如，圍繞壁的上緣1018a可以被切除，且界定多個貫穿孔的上蓋1018b可被切除。
如果對於用於工具的基材材料該外殼材料及該硬焊材料、以及在該表面硬化層中的微粒材料的種類及尺寸分布適當地選擇，則可以配合熱及轉變應變以防止該表面硬化層、及任何硬金屬插入物的破裂。在一實施例中，該硬焊工藝可設計成使得該滲透材料具有在硬顆粒的熱膨脹係數與該基材的熱膨脹係數之間的總體熱膨脹係數。例如，在此披露的許多實施例包括具有鋼基材及軟鋼外殼的產品，且該產品具有滲透鑄造碳化鎢顆粒的表面硬化層。與對於AISI 1008鋼類似的，某些鋼具有在低於奧氏體範圍的溫度每英寸每℉大約6.5微英寸的熱膨脹係數。選擇銅或銅基合金作為該滲透材料及選擇提供50％鑄造碳化鎢的粒徑分布將在該滲透材料中產生每英寸每℉6.1微英寸的平均熱膨脹係數。提供具有相對類似於用於下方基材及金屬片外層的熱膨脹係數的平均熱膨脹係數的滲透材料意味著所有組件將以大約類似的速度膨脹及收縮。這抑制該滲透材料破裂及剝落的傾向，特別是在該滲透循環後冷卻時、或在可在稍後發生的加熱時、在使用該表面硬化工具時。
例如圖45h所示的例子的轉筒篩的長度及寬度尺寸會經常超過1米。如此的物品提供本發明可提供關於克服在該滲透工藝時的熱膨脹問題的明顯優點的清楚說明。可為了耐磨而選擇的硬材料可具有熱膨脹特性，且該熱膨脹特性與可作為基材使用的硬化鋼材料、可作為消耗性外殼使用的低碳鋼材料、或可作為硬焊材料使用的銅鎳硬焊合金的熱膨脹特性明顯不同。當這些物品變大時，例如長度與寬度為1米時，不同組件的熱膨脹速度變得更為重要。
陶瓷及石墨模具具有與通常作為用於耐磨部件的基材使用的多種鋼合金的熱膨脹速度非常不同的熱膨脹速度。這會導致例如完成部件的扭曲、表面硬化厚度的意外變化、或甚至在該熱工藝時該模具總成的各種部件的分離而讓該熔融滲透材料漏出至該爐中等問題。本發明的低碳鋼材料更可能具有更類似於通常作為這種基材使用的多種鋼合金的熱膨脹速度的熱膨脹速度。因此，鋼合金基材、低碳鋼薄金屬外殼、具有提供大約50％鑄造碳化鎢的粒徑分布的硬顆粒、及作為滲透材料的銅提供優於需要使用陶瓷及石墨模具的已知鋼基材的表面硬化的明顯優點。
下表提供用於選擇硬材料、用於低碳鋼(典型外殼材料)、及銅(典型硬焊材料)的熱膨脹係數的數個例子。應了解的是，該表為了說明提供例子且可使用其它材料作為硬材料、外殼、硬焊材料等。
鋼基材、薄金屬外殼、及具有特定尺寸分布的適當選擇的硬顆粒混合物、及滲透材料的組合產生相當多優點。特別是當與傳統石墨或陶瓷模具比較時，該組合提供可配合熱及變形應變及得到的尺寸變化的較大能力。本發明的產品及方法產生較小的翹曲風險、較少的在該所得的表面硬化中的不必要厚度變化的風險、及較少的在滲透循環時破損模具於爐內漏出熔融金屬硬焊材料的風險。
此外，例如鋼的材料進行伴隨尺寸變化的相變化。例如，當處理碳與低合金鋼時，鋼隨著溫度增加而膨脹。但是，在大約1333℉，鋼開始轉變成不同結晶結構。該轉變導致尺寸減少直到該轉變完成為止且接著隨著溫度進一步增加該材料再次膨脹(以一不同速度)。在冷卻時，再次發生轉變，且伴隨尺寸的相關膨脹-收縮-膨脹，直到該滲透循環完成。利用使用薄金屬外殼作為模具的所披露的方法比當使用石墨模具或陶瓷模具時更容易配合所有這些膨脹及收縮。利用本發明的方法，待表面硬化的基材及收容該表面硬化材料的組件的模具二者均由鋼構成，因此該基材及該外殼均將經歷類似的轉變、膨脹及收縮。雖然關於熱膨脹係數及轉變溫度可有某些變化，但是薄金屬模具及金屬基材的這些變化比石墨模具或陶瓷模具及金屬基材的這些變化小很多。因此非常難以在沒有該表面硬化塗層破裂及/或剝落的相當大風險的情形下，與金屬基材一起使用石墨模具或陶瓷模具來製造例如圖45h所示例子的大的平面轉筒篩。
此外，如果該微粒材料意圖執行耐磨功能，則會需要考慮粒徑分布以提供適當耐磨性。通常，對這些情形而言，該尺寸分布必須使得顆粒之間的間隔小於在應用中遇到的磨粒的尺寸。這防止硬顆粒損壞及喪失。在一實施例中，-50至+70網目的粒徑(如上所述)可對於例如如果在應用中的磨粒未明顯地小於70網目的大部分應用是足夠的。對於更細的磨粒而言，該粒徑分布應在尺寸上作成大致等於或小於該研磨尺寸。
所披露的實施例亦可被用以更新或整修磨損的先前使用過的表面硬化式耐磨部件。例如，在一實施例，如上所述的外殼與呈表面硬化式耐磨部件形式的基材連接，且該硬材料(例如硬顆粒)被加入該外殼內而緊靠該基材。該硬材料可接著如上所述地通過硬焊與該基材結合。應了解的是，該硬焊材料可與該先存在(磨損)的表面硬化材料、下方原始基材、或兩者結合。在一實施例中，該硬材料及/或該硬焊材料可以與在該原始表面硬化材料中使用者相同。
數個所披露實施例顯示了用以形成耐磨部件的鋼基材，且硬材料覆蓋該耐磨部件的全部或基本上全部外部操作表面(例如該咬入地面表面)。這可容許使用較軟鋼，因為表面硬化材料保護該鋼的全部。這些實施例提供優點，特別是如果較軟鋼具有較佳的耐破裂性，例如較軟鋼具有比其它較硬鋼高的韌性時。較軟基材材料亦可具有較佳焊接性。此外，較軟基材材料通常更容易製成待表面硬化的初始基材，且因此製造這些由較軟鋼構成的初始基材比製造由較硬鋼構成的類似形狀初始基材更便宜。
應了解的是，在任一所披露的實施例中的外殼不一定需要緊密地符合該基材的精確形狀。例如，該外殼可形成為可在例如尖端的角隅或角邊緣的高磨損位置提供較大的厚度。類似地，在工具的基材上的特定位置可通過所得的表面硬化層產生「肋」或「葉片」。這些肋或葉片可有助於控制其中該組件可操作的研磨材料的流動，或導引受到所得複合耐磨工具撞擊的土料的運動。
亦應了解的是，除非另外明白地指出，否則對於在此的一實施例說明的任一特徵、組件、結構、技術等可配合在此所述的任意其它實施例使用或利用。
相信在此提出的內容包含具有獨立實用性的多個不同的發明。雖然這些發明的每一個已以其較佳形式披露，但是因為可多種變化，所以如在此披露及顯示的其特定實施例不應被視為有限制的意味。各例子界定在前述內容中披露的實施例，但是任一例子不一定包含可最後請求的所有特徵及組合。當該說明述及「一」或「第一」組件或其等效物，該說明包括一或多個這些組件，不需要亦不排除兩個或兩個以上這些組件。此外，用於標記組件的一般標識，例如第一、第二或第三被用來區別這些組件，且除非另外特別聲明，不表示需要或限制這些組件的數目，並且不表示這些組件的特定位置或順序。