CN107532265B - 含多种硬质相的韧性和耐磨铁合金 - Google Patents

含多种硬质相的韧性和耐磨铁合金 Download PDF

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Abstract

本文公开了耐磨铁合金的实施方案。在一些实施方案中，铁合金可以具有包括近球状和过共晶硼化物和/或硼碳化物的基质，同时避免形成棒状硼化物和/或硼碳化物。在一些实施方案中，耐磨铁合金可以用作涂层，例如表面硬化层，以增加对不同部件的保护。

Description

含多种硬质相的韧性和耐磨铁合金
通过参考任何优先权申请的引入
本申请要求2015年12月16日提交的题为“含多种硬质相的韧性和耐磨铁合金”第62/092672号美国临时申请的权益，2015年3月2日提交的题为“含多种硬质相的韧性和耐磨铁合金”第62/127128号美国临时申请的权益，和2015年7月8日提交的题为“含多种硬质相的韧性和耐磨铁合金”第62/189904号美国临时申请的权益，其全部公开内容通过引用并入本申请。
技术领域
所公开的技术通常涉及耐磨铁合金。更具体地，本公开内容涉及耐磨铁合金，其制成为块体(bulk)产品、块体焊接覆盖层、电线、粉末，并且应用了各种表面硬化(hardfacing)和焊接方法，例如：GMAW、GTAW、SAW、OAW、PTAW和激光熔覆。
背景技术
用于高磨损应用的材料经常由于磨损、侵蚀和冲击而失效。目前，耐磨合金和金属陶瓷使用高比例的硬质相来提供耐磨性。然而，这些硬质相的形态导致较差的韧性和较差的抗冲击性能。因此，需要将高比例的硬质相和良好形态结合的新材料来形成耐磨和抗冲击合金。
发明内容
本文公开了一种耐磨铁合金的实施方案，其中合金基质包括近球状和过共晶硼化物和/或硼碳化物，其中近球状和过共晶硼化物和/或硼碳化物的体积分数≥5％，其中近球状相的长宽比≤2:1，长宽比被定义为近球状和过共晶硼化物和/或硼碳化物的横截面长轴与正交直径之间的比率，其中横截面的最大尺寸≥50μm以及长宽比大于2:1的过共晶和棒状相的体积分数≤5％。
在一些实施方案中，近球状和过共晶硼化物和/或硼碳化物可以包含M2(C,B)或者M3(C,B)2，其中M包含Fe、Cr、Mo和/或W，并且其中M≥15重量％Mo+W。在一些实施方案中，基质中的所有硬质相可以具有横截面的最大尺寸≤50μm。在一些实施方案中，该合金还可以进一步包含在1％到25％之间的体积分数的从液体形成的碳化物，其中所述的碳化物具有≥75％的以下一种或多种的金属成分：Ti、V、Zr、W、Mo、Hf。在一些实施方案中，该合金还可以含有≤15％的体积分数的在液体中形成的具有以下一个或多个通式的硼碳化物：M23(C,B)6、M7(C,B)和M3(C,B)。
本文公开的合金的实施方案中可以通过GMAW、GTAW、OAW、SAW、PTAW、块体焊接(bulk welding)、激光焊接、铸造或任何其它焊接或涂覆工艺应用为表面硬化层。在一些实施方案中，该合金可用于粉碎、耐磨包覆、SAG磨、AG磨、所有破碎和研磨过程、用于石油钻井的井下工具、破碎机齿、接地工具、耐磨板、振动筛、浆料管、农业工具以及其中磨损和/或冲击是材料失效的来源的任何其它过程。
本发明还公开了一种耐磨铁合金的实施方案，该合金的基质包含在液相线处的≥2％的摩尔分数的M2B或M3B2，其中M包括Fe、Cr、Mo和/或W，并且其中M≥15重量％Mo+W，和包含在液相线处的摩尔分数≤5％的过共晶和棒状相，其中在1300K所有硼化物的总摩尔分数≥10％。
在一些实施方案中，所述合金还进一步包含在1300K下1％至25％之间的摩尔分数的碳化物，并且其中所述碳化物具有≥75重量％的以下一种或多种的金属成分：Ti、V、Zr、W、Mo、Hf。在一些实施方案中，在scheil凝固或平衡条件下，所述合金可进一步包括在固相线处的≤15％的摩尔分数的具有以下一个或多个通式的硼化物或硼碳化物：M23(C,B)6、M7(C,B)3和M3(C,B)。
在一些实施方案中，所述合金可以通过GMAW、GTAW、OAW、SAW、PTAW、块体焊接、激光焊接、铸造或任何其它焊接或涂覆工艺施用作为表面硬化层。在一些实施方案中，所述合金可用于粉碎、耐磨包覆、SAG磨、AG磨、所有破碎和研磨过程、用于石油钻井的井下工具、破碎机齿、接地工具、耐磨板、振动筛、浆料管、农业工具以及其中磨损和/或冲击是材料失效来源的任何其它过程。
本文还公开了在焊接或铸造状态的合金的实施方案，其具有≤0.3g的ASTM G65磨损损失、≥30HRC的硬度，并且在20J下经受≥500次冲击而不失效。
在一些实施方案中，所述合金具有包含近球状和过共晶硼化物和/或硼碳化物的基质，其中近球状和过共晶硼化物和/或硼碳化物的体积分数≥5％，其中近球状相的长宽比≤2:1，长宽比被定义为近球状和过共晶硼化物和/或硼碳化物的横截面的长轴与正交ferret直径之间的比率，其中具有横截面最大尺寸≥50um和长宽比大于2:1的过共晶和棒状相的体积分数≤5％，并且其中硼化物和硼碳化物的总体积分数≥10％。
本文公开了一种耐磨铁合金的实施方案，其中合金基质包含铁素体、奥氏体、马氏体、珠光体和/或贝氏体中的一种或多种，其中具有≥75重量％铁加铬的金属成分的硼化物的体积分数≥5％，其中含有≥75重量％的Nb、Ti、V、Zr、W、Mo、Hf中一种或多种的金属成分的一种或多种碳化物、硼化物和/或硼碳化物的体积分数≥5％，其中在凝固期间由液体形成的具有≥75重量％铁加铬的金属成分的初级碳化物或硼碳化物的体积分数≤5％，并且其中具有最大尺寸＞50μm、在液相线之前形成并且具有≥75重量％铁加铬的金属成分的硼化物的体积分数≤15％。
在一些实施方案中，相同的硼化物可以满足所有标准。在一些实施方案中，相同的硼化物可以满足一个或多个标准。在一些实施方案中，不同的硼化物可满足不同的标准。
在一些实施方案中，合金可包含铁以及按重量％计的下列组分：
X16-B:2.62 C:1.84 Cr:20.7 Si:1.2 Ti:4.2 W:4.6；
X36-B:1.56 C:2.01 Cr:18.8 Si:1.2 Zr:14；
X37-B:1.91 C:2.57 Cr:21.1 Si:1.2 Ti:3.8 Zr:5.7；
X38-B:1.2 C:1.94 Cr:16.7 Si:1.36 Zr:12；
X39-B:3.16 C:2.15 Cr:14.9 Si:1 Ti:7.5 Zr:6.5；
X40-B:1.3 C:2.16 Cr:18.5 Zr:10.7；
X42-B:1.68 C:1.65 Cr:21.6 Ti:4.93；或
X42-MW-B:1.1 C:1.46 Cr:19.4 Ti:4.57。
在一些实施方案中，合金可包含Fe以及按重量％计的下列组分：
B:1.1-2.62；
C:1.46-2.57；
Cr:14.9-21.6；
Si:0-1.36；
Ti:0-7.5；
W:0-4.6；和
Zr:0-14。
本发明还公开了一种耐磨铁合金的实施方案，其中合金基质包含铁素体、奥氏体、马氏体、珠光体和/或贝氏体中的一种或多种，其中在1300K下测量的具有≥75重量％铁加铬的金属成分的硼化物的摩尔分数≥5％，其中在1300K下测量的含有≥75重量％的Nb、Ti、V、Zr、W、Mo、Hf中一种或多种的金属成分的一种或多种碳化物、硼化物和/或硼碳化物的摩尔分数≥5％，其中在凝固期间在固相线测量的含有≥75重量％铁加铬的金属成分的碳化物或硼碳化物的凝固摩尔分数≤5％，并且其中(在液相线前形成)为过共晶并且含有≥75重量％铁加铬的金属成分的硼化物的摩尔分数≤15％。
在一些实施方案中，合金可包含铁以及按重量％计的下列组分：
X16-B:2.62 C:1.84 Cr:20.7 Si:1.2 Ti:4.2 W:4.6；
X36-B:1.56 C:2.01 Cr:18.8 Si:1.2 Zr:14；
X37-B:1.91 C:2.57 Cr:21.1 Si:1.2 Ti:3.8 Zr:5.7；
X38-B:1.2 C:1.94 Cr:16.7 Si:1.36 Zr:12；
X39-B:3.16 C:2.15 Cr:14.9 Si:1 Ti:7.5 Zr:6.5；
X40-B:1.3 C:2.16 Cr:18.5 Zr:10.7；
X42-B:1.68 C:1.65 Cr:21.6 Ti:4.93；或
X42-MW-B:1.1 C:1.46 Cr:19.4 Ti:4.57。
在一些实施方案中，合金可包含Fe以及按重量％计的下列组分：
B:1.1-2.62；
C:1.46-2.57；
Cr:14.9-21.6；
Si:0-1.36；
Ti:0-7.5；
W:0-4.6；和
Zr:0-14。
本文还公开了一种耐磨铁合金的实施方案，其中合金基质包含铁素体、奥氏体、马氏体、珠光体和/或贝氏体中的一种或多种，其中具有≥75重量％铁加铬的金属成分的硼化物的体积分数≥5％，其中含有≥75重量％的Nb、Ti、V、Zr、W、Mo、Hf中一种或多种的金属成分的一种或多种碳化物、硼化物和/或硼碳化物的体积分数≥2％，其中M2B和/或M3B2的体积分数为≥5％，其中：a)M2B中的M≥10重量％的以下元素中的每一种元素：Fe，Cr，Mo和W，和M3B2中的M≥15重量％的以下每一种元素：Fe，Mo和W；b)Fe+Cr+Mo+W≥70重量％的M，且其中一部分相体积分数不以共晶结构形成，而是形成近球状的形态，并且在凝固过程中由液体形成的含有≥75重量％铁加铬的金属成分的初级碳化物或硼碳化物的体积分数≤5％。
在一些实施方案中，合金可包含铁以及按重量％计的下列组分：
X26-B:3.68 C:1.76 Cr:17.8 Mo:4.49 Nb:2.79 Ti:2.45 W:6.84；
X30-B:3.33 C:1.81 Cr:18.2 Mo:6.26 Si:3 W:9.5；
X31A-B4.1 C:1.67 Cr:18.9 Mo:10.9 Si:0.97 W:8.84 Zr:3.19；
X35-B:4.6 C:1.51 Cr:19.4 Mo:6.77 Ni:3.47 Si:.33 W:6.65 Zr:3.2；
X41-B:3.31 C:1.49 Cr:16.5 Mo:5.76 Ti:5.34 W:7.69；
X47-B:3.34 C:0.763 Cr:12 Mo:6.42 Ti:2.24 W:8.79；
X47A B:3.76 C:0.992 Cr:10.3 Mo:5.53 Ti:2.57 W:8.86；
X48-B:2.99 C:0.8 Cr:17 Mo:6.47 Ti:7.21 W:8；或
X48A B:3.83 C:0.851 Cr:16.9 Mo:5.82 Ti:6.92 W:10.6.
W-X47A:B:3.15 C:0.86 Cr:12.8 Mo:5.97 Ti:1.92 W:8.75
W-X47B:B:2.76 C:0.8 Cr:12.1 Mo:5.79 Ti:1.86 W:8.9
W-X47C:B:4.41 C:1.14 Cr:15.9 Mo:8.1 Ti:2.8 W:10.9
W-X47D:B:4 C:1.1 Cr:12 Mo:5.6 Ti:1.9 W:7.75
MW-X47A-4:B:1.95 C:0.57 Cr:8.66 Mo:4.04 Ti:1.78 W:6.17
MW-X47B:B:1.73 C:0.5 Cr:7.94 Mo:3.99 Ti:1.76 W:5.97
MW-X47C-1:B:2.57 C:0.94 Cr:11.5 Mo:5.56 Ti:2.16 W:7.73
MW-X47C-3:B:2.94 C:0.87 Cr:12.6 Mo:5.88 Ti:2.21 W:8.52
MW-X47C-4:B:2.52 C:0.79 Cr:11.9 Mo:5.32 Ti:1.92 W:7.97
MW-X47C-6:B:2.51 C:0.76 Cr:10.9 Mo:5.14 Ti:2 W:7.55
MW-X47D-1:B:2.43 C:0.8 Cr:8.04 Mo:3.81 Ti:1.66 W:6.1
X50:B:3.97 C:.96 Cr:8.97 Mo:3.91 Ti:2.5 W:12.9
X51:B:4.27 C:1.2 Cr:15 Mo:7.21 Ti:3.07 W:14.8
X52:B:5.02 C:0.36 Cr:14.3 Mo:4.57 Ti:2.37 W:19
X53:B:4.34 C:1 Cr:11.9 Mo:4.45 Ti:2.76 W:14
X53.1:B:3.98 C:0.95 Cr:8.59 Mo:4.22 Ti:2.47 W:11
X54:B:4.95 C:0.98 Cr:7.88 Mo:3.02 Ti:2.24 W:11.7
X55:B:4.04 C:1.01 Cr:1.52 Mo:9.61 Ti:2.26 W:17.5
X55.1:B:3.89 C:1.46 Cr:1.95 Mo:10 Ti:2.8 W:19
X58:B:2.66 C:0.84 Cr:11.1 Mo:5.24 Ti:1.68 W:10.5
X71:B:2.96 C:2.08 Cr:12.3 Mo:4.56 Ti:4.78 W:7.42
X72:B:2.53 C:2 Cr:14.1 Mo:6.12 Ti:5.79 W:7.95
X73:B:3.91 C:1.88 Cr:22 Mo:8.18 Ti:5.32 W:19.2
X74:B:2.54 C:0.83 Cr:24 Mo:8.95 Ti:4.13 W:19.1
X47A 14:B:3.25 C:1.08 Cr:16.3 Mo:6.32 Ti:2.2 W:9.95
W-X47A-D:B:2 C:0.6 Cr:8.1 Mo:4.22 Ti:1.53 W:6.24
W-X47C-D:B:2.57 C:.766 Cr:10.7 Mo:4.87 Ti:1.8 W:7.6
W-X47D-D:B:2.39 C:0.70 Cr:8.0 Mo:3.95 Ti:1.62 W:6.81。
在一些实施方案中，合金可包含Fe以及按重量％计的下列组分：
B:1.95-5.02；
C:0.5-2.08；
Cr:1.52-24；
Mo:2.9-10；
Ti:0-7.21；
W:3.19-19.2；
Nb:0-1.86；和
Zr:0-3.2。
本文还公开了一种耐磨铁合金的实施方案，其合金基质中含有铁素体、奥氏体、马氏体、珠光体和/或贝氏体中的一种或多种，其中具有≥75重量％铁加铬的金属成分的硼化物的摩尔分数≥5％，其中含有≥90重量％的Nb、Ti、V、Zr、W、Mo、Hf中的一种或多种金属成分的一种或多种碳化物、硼化物和/或硼碳化物的摩尔分数≥2％，其中M2B和/或M3B2的摩尔分数为≥5％，且其中：a)M2B中的M≥10重量％的以下元素中的每一种元素：Fe，Cr，Mo和W，且M3B2中的M≥15重量％的以下每一种元素：Fe，Mo和W；b)Fe+Cr+Mo+W≥70重量％的M；和c)在基质液相线之前形成M2B和/或M3B2的一种或多种的一部分，并且含有≥75重量％铁加铬金属成分的在凝固过程中由液体形成的初级碳化物或硼碳化物的摩尔分数≤5％。
在一些实施方案中，合金可包含铁以及按重量％计的下列组分：
X26-B:3.68 C:1.76 Cr:17.8 Mo:4.49 Nb:2.79 Ti:2.45 W:6.84；
X30-B:3.33 C:1.81 Cr:18.2 Mo:6.26 Si:3 W:9.5；
X31A-B4.1 C:1.67 Cr:18.9 Mo:10.9 Si:0.97 W:8.84 Zr:3.19；
X35-B:4.6 C:1.51 Cr:19.4 Mo:6.77 Ni:3.47 Si:.33 W:6.65 Zr:3.2；
X41-B:3.31 C:1.49 Cr:16.5 Mo:5.76 Ti:5.34 W:7.69；
X47-B:3.34 C:0.763 Cr:12 Mo:6.42 Ti:2.24 W:8.79；
X47A B:3.76 C:0.992 Cr:10.3 Mo:5.53 Ti:2.57 W:8.86；
X48-B:2.99 C:0.8 Cr:17 Mo:6.47 Ti:7.21 W:8；或
X48A B:3.83 C:0.851 Cr:16.9 Mo:5.82 Ti:6.92 W:10.6.
W-X47A:B:3.15 C:0.86 Cr:12.8 Mo:5.97 Ti:1.92 W:8.75
W-X47B:B:2.76 C:0.8 Cr:12.1 Mo:5.79 Ti:1.86 W:8.9
W-X47C:B:4.41 C:1.14 Cr:15.9 Mo:8.1 Ti:2.8 W:10.9
W-X47D:B:4C:1.1 Cr:12 Mo:5.6 Ti:1.9 W:7.75
MW-X47A-4:B:1.95 C:0.57 Cr:8.66 Mo:4.04 Ti:1.78 W:6.17
MW-X47B:B:1.73 C:0.5 Cr:7.94 Mo:3.99 Ti:1.76 W:5.97
MW-X47C-1:B:2.57 C:0.94 Cr:11.5 Mo:5.56 Ti:2.16 W:7.73
MW-X47C-3:B:2.94 C:0.87 Cr:12.6 Mo:5.88 Ti:2.21 W:8.52
MW-X47C-4:B:2.52 C:0.79 Cr:11.9 Mo:5.32 Ti:1.92 W:7.97
MW-X47C-6:B:2.51 C:0.76 Cr:10.9 Mo:5.14 Ti:2 W:7.55
MW-X47D-1:B:2.43 C:0.8 Cr:8.04 Mo:3.81 Ti:1.66 W:6.1
X50:B:3.97 C:.96 Cr:8.97 Mo:3.91 Ti:2.5 W:12.9
X51:B:4.27 C:1.2 Cr:15 Mo:7.21 Ti:3.07 W:14.8
X52:B:5.02 C:0.36 Cr:14.3 Mo:4.57 Ti:2.37 W:19
X53:B:4.34 C:1 Cr:11.9 Mo:4.45 Ti:2.76 W:14
X53.1:B:3.98 C:0.95 Cr:8.59 Mo:4.22 Ti:2.47 W:11
X54:B:4.95 C:0.98 Cr:7.88 Mo:3.02 Ti:2.24 W:11.7
X55:B:4.04 C:1.01 Cr:1.52 Mo:9.61 Ti:2.26 W:17.5
X55.1:B:3.89 C:1.46 Cr:1.95 Mo:10 Ti:2.8 W:19
X58:B:2.66 C:0.84 Cr:11.1 Mo:5.24 Ti:1.68 W:10.5
X71:B:2.96 C:2.08 Cr:12.3 Mo:4.56 Ti:4.78 W:7.42
X72:B:2.53 C:2 Cr:14.1 Mo:6.12 Ti:5.79 W:7.95
X73:B:3.91 C:1.88 Cr:22 Mo:8.18 Ti:5.32 W:19.2
X74:B:2.54 C:0.83 Cr:24 Mo:8.95 Ti:4.13 W:19.1
X47A 14:B:3.25 C:1.08 Cr:16.3 Mo:6.32 Ti:2.2 W:9.95
W-X47A-D:B:2 C:0.6 Cr:8.1 Mo:4.22 Ti:1.53 W:6.24
W-X47C-D:B:2.57 C:0.766 Cr:10.7 Mo:4.87 Ti:1.8 W:7.6
W-X47D-D:B:2.39 C:0.70 Cr:8.0 Mo:3.95 Ti:1.62 W:6.81。
在一些实施方案中，合金可包含Fe以及按重量％计的下列组分：
B:1.95-5.02；
C:0.5-2.08；
Cr:1.52-24；
Mo:2.9-10；
Ti:0-7.21；
W:3.19-19.2；
Nb:0-1.86；和
Zr:0-3.2。
本文还公开了一种耐磨铁合金的实施方案，其合金基质中含有铁素体、奥氏体、马氏体、珠光体和/或贝氏体中的一种或多种，其中具有≥75重量％铁加铬的金属成分的硼化物的体积分数≥5％，其中从液体形成的碳化物和/或硼碳化物的体积分数≤5％，其中M2B和/或M3B2的体积分数为≥5％，且其中：a)M2B中的M≥10重量％的以下元素中的每一种元素：Fe、Cr、Mo和W，M3B2中的M≥15重量％的以下每一种元素：Fe、Mo和W；和b)Fe+Cr+Mo+W≥70重量％的M，且其中一部分相体积分数不以共晶结构形成，而是形成近球状的形态。
在一些实施方案中，合金可包含铁以及按重量％计的下列组分：
X56:B:3 C:0.6 Cr:4 Mo:14 W:16
X57:B:3.08 C:0.4 Mo:7.56 W:8.61
X59:B:3.43 Mo:10.4 W:10.6
X60:B:4.48 Cr:7.62 Mo:4.6 W:9.48
X61:B:3.73 C:0.14 Cr:5.47 Mo:3.94 W:7.58
X62:B:4.16 C:0.04 Cr:6.59 Mo:4.51 W:8.22
X76:B:3 C:0.29 Cr:11.7 Mo:5.35 W:7.87
P42-X85:B3.5 C0.85 Cr8 Mo5 Ti3.2 W10.5
P42-X86:B3.5 C0.85 Cr8 Ti3.2 W15
P42-X87:B3.8 C1.1 Cr8 Ti4.25 W17
P42-X88:B4.0 C1.15 Cr8 Ti4 W17
P42-X89:B3.9 C1.15 Cr8 Ti3.5 W18.5
P42-X90:B3.8 C1.1 Cr8 Mo13.5 Ti3.6 W3
P42-X91:B4 C1.15 Cr8 Mo16.5 Ti3.7 W3
P42-X92:B4.1 C1.15 Cr8 Mo16.5 Ti3 W3
P42-X93:B4.4 C1.2 Cr8 Mo16.5 Ti3 W3
P42-X93B:B4.1 C1.09 Cr7.5 Mn0.7 Mo12.05 Si0.35 Ti3.5
P42-X47F:B3 C0.8 Cr11.25 Mo10.15 Ti2
P42-X47G:B3 C0.8 Cr7.5 Mo10.15 Ti2
P42-X47H:B3 C0.8 Cr7.5 Mo10.15 Ti2.6
P42-X97:B4 C0.55 Cr7.5 Mo12.5
P42-X98:B4 C1.15 Cr7.5 Mo12.5 Nb6
P42-X99:B4.4 C1.2 Cr7.5 Mo13 Nb4
P42-X99MOD:B4.4 C1.2 Cr7.5 Mo13 Nb6
P42-X47I:B3.25 C0.88 Cr7.5 Mo10.15 Ti2
P42-X47J:B3.5 C0.95 Cr7.5 Mo10.15 Ti2
P42-X93D:B4.1 C1.1 Cr7.5 Mo13 Ti2
P42-X47C5-B4.9 C1.1 Cr16.3 Mo8.2 Ti3.1 W13
P42-X47C6 B5.2 C1.15 Cr16.3 Mo8.2 Ti3.1 W13
P42-X47C7-B5.2 C1.18 Cr14.9 Mo8.2 Ti5 W13
P42-X93MOD-B6.15 C1.65 Cr12.8 Mo21 Ti6.45 W3.2
P42-X47E-B4.25 C1.07 Cr14.8 Mo7.1 Ti4 W11.5
X93B 0.063-B5.85 C1.55 Cr10.7 Mn1 Mo17.2 Si0.5 Ti4.95
X93B 0.109-B6.8 C1.8 Cr13.35 Mn1 Mo22 Si0.5 Ti5.8
X93C-B5.85 C1.55 Cr10.7 Mn1 Mo18 Si0.5 Ti4.95
X93C MOD-B5.5 C1.47 Cr11.45 Mn1 Mo16.3 Si0.5 Ti4.7
P42-X84-B4 C0.76 Cr10.7 Ti2.8 W15.8
X47I-B5 C1.35 Cr11.5 Mn1 Mo15.5 Si0.5 Ti3.4
X47I MOD-B5.1 C1.1 Cr11.5 Mn1 Mo15.5 Si0.5 Ti2.6
X47I MOD2-B5 C1.35 Cr11.5 Mn1 Mo15.5 Nb2.5 Si0.5 Ti1.5。
在一些实施方案中，合金可包含Fe以及按重量％计的下列组分：
B:3-4.48
C:0-0.6
Cr:0-11.7
Mo:3.94-14
W:7.58-16。
本文还公开了一种耐磨铁合金的实施方案，其合金基质中含有铁素体、奥氏体、马氏体、珠光体和/或贝氏体中的一种或多种，其中具有≥75重量％铁加铬的金属成分的硼化物的摩尔分数≥5％，其中在固相线之前形成的碳化物和/或硼碳化物的摩尔分数≤5％，其中M2B和/或M3B2的摩尔分数≥5％，且其中：a)M2B中的M≥10重量％的以下元素中的每一种元素：Fe、Cr、Mo和W，M3B2中的M≥15重量％的以下每一种元素：Fe、Mo和W；b)Fe+Cr+Mo+W≥70重量％的M；和c)在基质液相线之前形成M2B和/或M3B2中的一种或多种的一部分。
在一些实施方案中，合金可包含铁以及按重量％计的下列组分：
X56:B:3 C:0.6 Cr:4 Mo:14 W:16
X57:B:3.08 C:0.4 Mo:7.56 W:8.61
X59:B:3.43 Mo:10.4 W:10.6
X60:B:4.48 Cr:7.62 Mo:4.6 W:9.48
X61:B:3.73 C:0.14 Cr:5.47 Mo:3.94 W:7.58
X62:B:4.16 C:0.04 Cr:6.59 Mo:4.51 W:8.22
X76:B:3 C:0.29 Cr:11.7 Mo:5.35 W:7.87。
在一些实施方案中，合金可包含Fe以及按重量％计的下列组分：
B:3-4.48
C:0-0.6
Cr:0-11.7
Mo:3.94-14
W:7.58-16。
本文公开一种铁合金的实施方案，所述铁合金被配制形成包含近球状和过共晶硼化物和/或硼碳化物的基质，其中近球状和过共晶硼化物和/或硼碳化物的体积分数≥5％，其中近球状相的长宽比≤2:1，长宽比被定义为近球状和过共晶硼化物和/或硼碳化物的横截面长轴与正交直径之间的比率，其中横截面的最大尺寸≥50μm以及长宽比大于2:1的过共晶和棒状相的体积分数≤5％，并且其中硼化物和硼碳化物的总体积分数≥10％。
在一些实施方案中，近球状和过共晶硼化物和/或硼碳化物可以包含M2(C,B)或M3(C,B)2，其中M包括Fe、Cr、Mo和/或W，并且其中M≥15重量％Mo+W。在一些实施方案中，基质中的所有硬质相可具有的横截面最大尺寸≤50μm。
在一些实施方案中，基质可进一步含有体积分数在1％至25％之间的从液体形成的碳化物，其中所述碳化物具有≥75重量％的Ti、V、Zr、W、Mo、Hf、Nb中一种或多种的金属成分。在一些实施方案中，基质可以进一步含有体积分数≤15％的从液体中形成的具有通式M23(C,B)6、M7(C,B)3和M3(C,B)中一个或多个的硼碳化物：。
在一些实施方案中，合金可包含Fe以及按重量％计的下列组分：
B:1.95-5.5，
C:0-2.08，
Cr:1.52-24，
Mo:2.9-22，
Ti:0-7.21，
W:0-19.2，
Nb:0-6，和
Zr:0-3.2。
本文还公开了一种由本文公开的合金形成的耐磨层的实施方案。在一些实施方案，该耐磨层可以通过GMAW、GTAW、OAW、SAW、PTAW、块体焊接、激光焊接、铸造或任何其它焊接或涂覆工艺形成。在一些实施方案中，所公开的合金可用于粉碎、耐磨包覆、SAG磨、AG磨、所有破碎和研磨过程、用于石油钻井的井下工具、破碎机齿、接地工具、耐磨板、振动筛、浆料管、农业工具以及其中磨损和/或冲击是材料失效的来源的任何其它过程。
本文还公开了一种耐磨铁合金的实施方案，所述合金在液相线处包含≥5％摩尔分数的M2B或M3B2，其中M包括Fe、Cr、Mo和/或W，并且其中M≥15重量％Mo+W，和液相线处的过共晶和棒状相的摩尔分数≤5％，其中在1300K下所有硼化物和硼碳化物的总摩尔分数≥10％。
在一些实施方案中，硼化物和硼碳化物的总摩尔分数可以≥10％。在一些实施方案中，合金可进一步包含在1300K下摩尔分数在1％到25％之间的碳化物，且其中所述的碳化物具有≥75重量％的Ti、V、Zr、W、Mo、Hf、Nb中的一种或多种的金属成分。在一些实施方案中，在Scheil和平衡凝固的条件下，所述合金可进一步含有在固相线处≤15％的摩尔分数的具有通式M23(C,B)6、M7(C,B)3和M3(C,B)中一个或多个的硼化物和硼碳化物。
在一些实施方案中，合金可包含Fe以及按重量％计的下列组分：B:1.95-5.5,
C:0-2.08,Cr:1.52-24,Mo:2.9-22,Ti:0-7.21,W:0-19.2,Nb:0-6,和Zr:0-3.2。在一些实施方案中，Mo+W可以大于或等于8(或约8)。
本文还公开了一种由本文公开的合金形成的耐磨层的实施方案。在一些实施方案中，所述合金可用于粉碎、耐磨包覆、SAG磨、AG磨、所有破碎和研磨过程、用于石油钻井的井下工具、破碎机齿、接地工具、耐磨板、振动筛、浆料管、农业工具以及其中磨损和/或冲击是材料失效来源的任何其它过程。
本文还公开了一种铁合金的实施方案，该铁合金被配制成形成含有铁素体、奥氏体、马氏体、珠光体和/或贝氏体中的一种或多种的基质，其中具有≥75重量％的铁加铬金属成分的硼化物在1300K下测量的摩尔分数≥5％，其中具有≥75重量％的Nb、Ti、V、Zr、W、Mo、Hf中一种或多种的金属成分的一种或多种碳化物、硼化物和/或硼碳化物在1300K下测量的摩尔分数≥5％，且其中(在液相线前形成)为过共晶并且具有≥75重量％铁加铬的金属成分的硼化物的摩尔分数≤15％。
在一些实施方案中，在凝固期间在固相线处进行测量，具有≥75重量％铁加铬的金属成分的硼化物或硼碳化物的摩尔分数可以≤5％。在一些实施方案中，合金可包含铁以及按重量％计的下列组分：
B:2.62 C:1.84 Cr:20.7 Si:1.2 Ti:4.2 W:4.6；
B:1.56 C:2.01 Cr:18.8 Si:1.2 Zr:14；
B:1.91 C:2.57 Cr:21.1 Si:1.2 Ti:3.8 Zr:5.7；
B:1.2 C:1.94 Cr:16.7 Si:1.36 Zr:12；
B:3.16 C:2.15 Cr:14.9 Si:1 Ti:7.5 Zr:6.5；
B:1.3 C:2.16 Cr:18.5 Zr:10.7；
B:1.68 C:1.65 Cr:21.6 Ti:4.93；或
B:1.1 C:1.46 Cr:19.4 Ti:4.57。
在一些实施方案中，合金可包含Fe以及按重量％计的下列组分：
B:1.1-2.62
C:1.46-2.57
Cr:14.9-21.6
Si:0-1.36
Ti:0-7.5
W:0-4.6
Zr:0-14和
Nb:0-10。
附图说明
图1示出了本公开内容的一个实施方案(X47)的平衡凝固图，所述实施方案含有按重量％计：B：3.2，C：0.8，Cr：10.75，Mo：5，Ti：2，W：8，Fe：平衡量。
图2示出了合金(X47)的一个实施方案的SEM显微照片。
图3示出了合金(MW-X47C)的一个实施方案的SEM显微照片。
图4示出了合金(X78)的一个实施方案的SEM显微照片。
图5示出了对照合金R1的平衡凝固图，所述合金含有按重量％计：B:3.6，C:1，Cr:20.3，Mn:2.3，Mo:4.9，Si:1.4，W:6.4，Fe:平衡量。
图6示出了本公开内容的一个实施方案的平衡凝固图，所述实施方案含有：Fe:平衡量,B:1.2,C:1.6,Cr:18,Ti:5。
图7示出了合金(X42)的一个实施方案的SEM显微照片。
图8示出了合金(X8)的一个实施方案的SEM显微照片。
图9示出了合金(X53)的一个实施方案的SEM显微照片。
图10示出了本公开内容的一个实施方案的平衡凝固图，所述实施方案含有：B:2.2C:0.8Cr:12Mo:4.8Ti:1.7W:6.8。
具体实施方式
本文公开了既有韧性又有耐磨性的合金的多个实施方案。具体地，本公开内容的一些实施方案描述了含有近球状硼化物和/或硼碳化物(例如具有近球状相)而不含大的脆化棒状相的合金，该合金既有高韧性又有高耐磨性，使得它们作为涂覆型材料是有利的。因此，在这些实施方案中的合金可以包含近球状和过共晶硼化物和/或硼碳化物相，而不形成棒状形态。这种结构可以通过微观结构、热力学和性能性质来定义。这些合金是独特的，因为其特性使得它们具有优异韧性和耐磨性。此外，本公开内容的实施方案描述了具有铁铬硼化物((Fe,Cr)硼化物)和一种或多种其它硬质相的铁合金，所述其它硬质相不含在液体中形成的初级Fe基和/或Cr基碳化物或硼碳化物。这使得通过控制每种相的形态和化学性质来提高韧性和耐磨性。本公开内容描述了一种合金空间，其没有计算冶金方法，将导致形成许多不希望得到的相。通过消除这些相并控制形成的相，已经设计了新的组成。
在一些实施方案中，可以使用计算冶金学来探索合金的组成范围，其中可以控制各相的形态、相分数和组成来获得特定的微观结构和性能。例如，四维Fe-Cr-B-C体系是足够复杂的，使得控制各相的分数、类型、组成和形态即使对于本领域技术人员来说也不是显而易见的，尽管我们在本公开内容中不局限于此体系。通过添加以下元素V，Ti，Zr，Hf，W，Mo，Si，Mn，Ni中的一种或多种，这变得更具挑战性。利用计算冶金学，可以严密地控制含有这些元素的合金的热力学特性以及因此微观结构和物理性能。
表面硬化和耐磨合金通常基于Fe-Cr-C体系，最近一些人努力尝试加入一些其它碳化物形成元素来改善其耐磨性。第6669790号美国专利就是一个例子，其全部内容通过引用并入本文，其描述了含有络合铁-铬碳化物和来自钒、铌和/或钛的碳化物的合金。与第6669790号专利相反，本公开内容的实施方案描述了属于特定的热力学和微观结构标准的合金系列，这些合金可能已经减少或可能不含铁铬碳化物，其可以允许更精确的微观结构控制。
还曾经努力在Fe-Cr-C-B体系中加入其它的硬质相形成元素，例如美国专利号8704134，其全部内容通过引用并入本文。该专利描述了在奥氏体或铁素体铁基质中使用硼碳化物得到特定磨损性能和硬度的组成范围。美国专利号8704134还教导了一种焊接方法，其在基板上形成含有玻璃组合物的沉淀物，如美国专利号8704134公开内容中所证明的，所述沉淀物趋向于形成长的针状硼碳化物结构。尽管这些结构提供优异的耐磨性，但它们可降低焊接覆盖层的韧性。与第8704134号专利相反，本公开内容的实施方案描述了允许对性能、微观结构和热力学标准进行精确控制的标准。具体来说，这可以通过控制化学来减少或完全排除具有有害性能影响的碳化物和硼碳化物来完成。这种排除可以控制参考技术中未提到的韧性、耐磨性和硬度。
美国专利号4365994描述了含硼化物的合金，其全部内容通过引用并入本文。然而，它没有描述本公开内容中提到的热力学标准、相和形态。此外，它没有描述特别掺入铁铬硼化物和不是主要由铁或铬组成的碳化物或硼化物的另一相的合金空间。此外，与合金控制相反，通过过程控制，特别是粉末和/或带材加工过程，来实现微观结构中精细级的硼化物。
美国专利号7935198描述了形成含铌玻璃的合金，其具有的临界冷却速率足够小以形成纳米级或无定形微观结构，该专利全部内容通过引用并入本文。相比之下，本公开内容的实施方案描述了一种不含铌的成分范围，其不依赖低的临界冷却速率来开发设计的微观结构。相反，描述了晶态合金的热力学和微观结构标准。此外，美国专利号7935198采用富铬的硼碳化物以取得提高的耐磨性。如将在下面的公开内容所示，富铬的硼碳化物倾向于形成长的针状结构，其降低了材料的韧性。
美国专利号7553382描述了含铌和铁基玻璃态(glass)合金，其全部内容通过引用并入本文。具体来说，这些合金被描述为含有非玻璃态元素和M23(C,B)6和/或M7(C,B)3。本公开内容描述了被设计成不含M23(C,B)6和/或M7(C,B)3的合金，并且不依赖于玻璃态的形成来开发材料的最终性能。如下所示，M23(C,B)6和/或M7(C,B)3相的形成趋向于形成长针状结构，这可降低合金的韧性。本公开内容的实施方案还特别地在一些实施方案中将铌从组成中排除，因为其性价比较低。
如本公开内容所公开的，术语合金可以指用于形成所需组分的粉末的化学组合物、粉末自身(例如原料)、例如通过加热和/或粉末沉积形成的金属成分的组合物，和金属成分自身。
组成
在一些实施方案中，可以通过特定的化学组成范围来充分描述合金。
例如，在一些实施方案中，组合物可以包括Fe和按重量％计的以下成分：
B：1.7至4.2(或约1.7至约4.2)
C：0至2.4(或约0至约2.4)
Cr：0至25(或约0至约25)
Mo：0至16(或约0至约16)
Mn：0至0.5(或约0至约0.5)
Ti：0至6(或约0至约6)
V：0至12(或约0至约12)
W：0至20(或约0至约20)。
在一些实施方案中，组合物可以包括Fe和按重量％计的以下成分：
B：1.95-5.5(或约1.95至约5.5)
C：0-2.08(或约0至约2.08)
Cr：1.52-24(或约1.52至约24)
Mo：2.9-22(或约2.9至约22)
Ti：0-7.21(或约0至约7.21)
W：0-19.2(或约0至约19.2)
Nb：0-6(或约0至约6)
Zr：0-3.2(或约0至约3.2)。
在一些实施方案中，合金可以通过使用Nb和/或V代替Ti的化学组合物来描述。在一些实施方案中，对于特定的焊接工艺(例如埋弧焊)避免使用Ti是有利的。在下面的实施例中对这两个特征进行了讨论。
在一些实施方案中，组合物可以包括Fe和按重量％计的以下成分：
B：1.7至4.4(或约1.7至约4.4)
C：0至2.4(或约0至约2.4)
Cr：0至25(或约0至约25)
Mo：0至16(或约0至约16)
Nb：0至6(或约0至约6)
V：0至12(或约0至约12)
W：0至20(或约0至约20)。
在一些实施方案中，合金可以通过消除或减少使用W以降低合金成本的化学组合物来描述。
在一些实施方案中，组合物可以包括Fe和按重量％计的以下成分：
B：约1.7至约4.4(或约1.7至约4.4)
C：0至约2.4(或约0至约2.4)
Cr：0至约25(或约0至约25)
Mo：0至约16(或约0至约16)
Nb：0至约6(或约0至约6)
V：0至约12(或约0至约12)。
在上面公开的合金范围的一些实施方案中，Mo+W可以大于或等于8(或约8)。
在一些实施方案中，组合物可以包括Fe和按重量％计的以下成分：
X16-B:2.62 C:1.84 Cr:20.7 Si:1.2 Ti:4.2 W:4.6
X36-B:1.56 C:2.01 Cr:18.8 Si:1.2 Zr:14
X37-B:1.91 C:2.57 Cr:21.1 Si:1.2 Ti:3.8 Zr:5.7
X38-B:1.2 C:1.94 Cr:16.7 Si:1.36 Zr:12
X39-B:3.16 C:2.15 Cr:14.9 Si:1 Ti:7.5 Zr:6.5
X40-B:1.3 C:2.16 Cr:18.5 Zr:10.7
X42-B:1.68 C:1.65 Cr:21.6 Ti:4.93
X42-MW-B:1.1 C:1.46 Cr:19.4 Ti:4.57
X26-B:3.68 C:1.76 Cr:17.8 Mo:4.49 Nb:2.79 Ti:2.45 W:6.84
X30-B:3.33 C:1.81 Cr:18.2 Mo:6.26 Si:3 W:9.5
X31A-B4.1 C:1.67 Cr:18.9 Mo:10.9 Si:0.97 W:8.84 Zr:3.19
X35-B:4.6 C:1.51 Cr:19.4 Mo:6.77 Ni:3.47 Si:.33 W:6.65 Zr:3.2
X41-B:3.31 C:1.49 Cr:16.5 Mo:5.76 Ti:5.34 W:7.69
X47-B:3.34 C:0.763 Cr:12 Mo:6.42 Ti:2.24 W:8.79
X47A B:3.76 C:0.992 Cr:10.3 Mo:5.53 Ti:2.57 W:8.86
X48-B:2.99 C:0.8 Cr:17 Mo:6.47 Ti:7.21 W:8
X48A B:3.83 C:0.851 Cr:16.9 Mo:5.82 Ti:6.92 W:10.6
W-X47A:B:3.15 C:0.86 Cr:12.8 Mo:5.97 Ti:1.92 W:8.75
W-X47B:B:2.76 C:0.8 Cr:12.1 Mo:5.79 Ti:1.86 W:8.9
W-X47C:B:4.41 C:1.14 Cr:15.9 Mo:8.1 Ti:2.8 W:10.9
W-X47D:B:4 C:1.1 Cr:12 Mo:5.6 Ti:1.9 W:7.75
MW-X47A-4:B:1.95 C:0.57 Cr:8.66 Mo:4.04 Ti:1.78 W:6.17
MW-X47B:B:1.73 C:0.5 Cr:7.94 Mo:3.99 Ti:1.76 W:5.97
MW-X47C-1:B:2.57 C:0.94 Cr:11.5 Mo:5.56 Ti:2.16 W:7.73
MW-X47C-3:B:2.94 C:0.87 Cr:12.6 Mo:5.88 Ti:2.21 W:8.52
MW-X47C-4:B:2.52 C:0.79 Cr:11.9 Mo:5.32 Ti:1.92 W:7.97
MW-X47C-6:B:2.51 C:0.76 Cr:10.9 Mo:5.14 Ti:2 W:7.55
MW-X47D-1:B:2.43 C:0.8 Cr:8.04 Mo:3.81 Ti:1.66 W:6.1
X50:B:3.97 C:.96 Cr:8.97 Mo:3.91 Ti:2.5 W:12.9
X51:B:4.27 C:1.2 Cr:15 Mo:7.21 Ti:3.07 W:14.8
X52:B:5.02 C:0.36 Cr:14.3 Mo:4.57 Ti:2.37 W:19
X53:B:4.34 C:1 Cr:11.9 Mo:4.45 Ti:2.76 W:14
X53.1:B:3.98 C:0.95 Cr:8.59 Mo:4.22 Ti:2.47 W:11
X54:B:4.95 C:0.98 Cr:7.88 Mo:3.02 Ti:2.24 W:11.7
X55:B:4.04 C:1.01 Cr:1.52 Mo:9.61 Ti:2.26 W:17.5
X55.1:B:3.89 C:1.46 Cr:1.95 Mo:10 Ti:2.8 W:19
X58:B:2.66 C:0.84 Cr:11.1 Mo:5.24 Ti:1.68 W:10.5
X71:B:2.96 C:2.08 Cr:12.3 Mo:4.56 Ti:4.78 W:7.42
X72:B:2.53 C:2 Cr:14.1 Mo:6.12 Ti:5.79 W:7.95
X73:B:3.91 C:1.88 Cr:22 Mo:8.18 Ti:5.32 W:19.2
X74:B:2.54 C:0.83 Cr:24 Mo:8.95 Ti:4.13 W:19.1
X47A 14:B:3.25 C:1.08 Cr:16.3 Mo:6.32 Ti:2.2 W:9.95
W-X47A-D:B:2 C:0.6 Cr:8.1 Mo:4.22 Ti:1.53 W:6.24
W-X47C-D:B:2.57 C:.766 Cr:10.7 Mo:4.87 Ti:1.8 W:7.6
W-X47D-D:B:2.39 C:0.70 Cr:8.0 Mo:3.95 Ti:1.62 W:6.81
X56:B:3 C:0.6 Cr:4 Mo:14 W:16
X57:B:3.08 C:0.4 Mo:7.56 W:8.61
X59:B:3.43 Mo:10.4 W:10.6
X60:B:4.48 Cr:7.62 Mo:4.6 W:9.48
X61:B:3.73 C:0.14 Cr:5.47 Mo:3.94 W:7.58
X62:B:4.16 C:0.04 Cr:6.59 Mo:4.51 W:8.22
X76:B:3 C:0.29 Cr:11.7 Mo:5.35 W:7.87
P42-X85:B3.5 C0.85 Cr8 Mo5 Ti3.2 W10.5
P42-X86:B3.5 C0.85 Cr8 Ti3.2 W15
P42-X87:B3.8 C1.1 Cr8 Ti4.25 W17
P42-X88:B4.0 C1.15 Cr8 Ti4 W17
P42-X89:B3.9 C1.15 Cr8 Ti3.5 W18.5
P42-X90:B3.8 C1.1 Cr8 Mo13.5 Ti3.6 W3
P42-X91:B4 C1.15 Cr8 Mo16.5 Ti3.7 W3
P42-X92:B4.1 C1.15 Cr8 Mo16.5 Ti3 W3
P42-X93:B4.4 C1.2 Cr8 Mo16.5 Ti3 W3
P42-X93B:B4.1 C1.09 Cr7.5 Mn0.7 Mo12.05 Si0.35 Ti3.5
P42-X47F:B3 C0.8 Cr11.25 Mo10.15 Ti2
P42-X47G:B3 C0.8 Cr7.5 Mo10.15 Ti2
P42-X47H:B3 C0.8 Cr7.5 Mo10.15 Ti2.6
P42-X97:B4 C0.55 Cr7.5 Mo12.5
P42-X98:B4 C1.15 Cr7.5 Mo12.5 Nb6
P42-X99:B4.4 C1.2 Cr7.5 Mo13 Nb4
P42-X99MOD:B4.4 C1.2 Cr7.5 Mo13 Nb6
P42-X47I:B3.25 C0.88 Cr7.5 Mo10.15 Ti2
P42-X47J:B3.5 C0.95 Cr7.5 Mo10.15 Ti2
P42-X93D:B4.1 C1.1 Cr7.5 Mo13 Ti2。
在一些实施方案中，组合物可以包括Fe和按重量％计的以下成分：
B：1.1-2.62(或约1.1至约2.62)
C：1.46-2.57(或约1.46至约2.57)
Cr：14.9-21.6(或约14.9至约21.6)
Si：0-1.36(或约0至约1.36)
Ti：0-7.5(或约0至约7.5)
W：0-4.6(或约0至约4.6)
Zr：0-14(或约0至约14)。
在一些实施方案中，组合物可以包括Fe和按重量％计的以下成分：
B：1.95-5.02(或约1.95至约5.02)
C：0.5-2.08(或约0.5至约2.08)
Cr：1.52-24(或约1.52至约24)
Mo：2.9-10(或约2.9至约10)
Ti：0-7.21(或约0至约7.21)
W：3.19-19.2(或约3.19至约19.2)
Nb：0-1.86(或约0至约1.86)
Zr：0-3.2(或约0至约3.2)。
在一些实施方案中，组合物可以包括Fe和按重量％计的以下成分：
B：3-4.48(或约3至约4.48)
C：0-0.6(或约0至约0.6)
Cr：0-11.7(或约0至约11.7)
Mo：3.94-14(或约3.94至约14)
W：7.58-16(或约7.58至约16)。
在一些实施方案中，对于从0-X列出的上述元素，该合金可以含有非零量的该元素。
本公开内容的合金可以将上述元素组分合计到总共为100重量％。在一些实施方案中，合金可以包括、可以局限于、或可以基本上由上述元素组成。在一些实施方案中，合金可以包括2％或更少的杂质。杂质可以理解为由于包含在原料组分中而可能通过在制造过程中引入包含在合金中的元素或组合物。
此外，在上述段落中描述的所有组合物中确定的Fe含量是上述组合物的余量，或者可替代地，组合物的余量(或剩余)可以包含Fe和其它元素。在一些实施方案中，余量可以基本上由Fe组成，并且可以包括附带的杂质。
热力学标准
在一些实施方案中，可以通过平衡热力学模型充分描述合金。
使用三种特定的热力学标准来描述本文所述的含硼化物的耐磨铁合金：1)在冷却期间从液态形成的硼化物的总摩尔分数；2)形成棒状形态的过共晶硼化物、硼碳化物和碳化物的摩尔分数；和3)形成近球状的硼化物例如在液相线之前形成过共晶相的M2B和M3B2的摩尔分数。
在一些实施方案中，也可以使用两种其它热力学标准：1)在Scheil凝固模型或平衡条件下，在固相线之前形成的具有主要含Fe和/或Cr的金属成分的M23(C,B)6、M7(C,B)3和M3(C,B)的摩尔分数；和2)主要包含V、Ti、Zr、Hf、W、Mo元素中一种或多种的碳化物的摩尔分数。示例凝固图如图1所示，其中示出了本公开内容描述的所有平衡热力学标准。
在一些实施方案中，合金可以具有包括高的球状硼化物浓度和低的过共晶棒状硼化物摩尔分数的热力学特性。同时拥有这两种特性的合金可以具有特定的微观结构，反过来又可以具有如本公开内容中概述的有利的性能特点。这种类型的合金存在于一个狭窄的组成范围中，所述范围只有利用先进的计算冶金技术才能有效地发现。例如，当硼在合金中增加时，形成过共晶棒状硼化物的倾向可能增加。因此，现有的高硼合金可以含有过共晶棒状硼化物。所以，只有通过仔细的合金控制，才可以消除过共晶棒状硼化物，同时产生高比例的球状硼化物。
第一个热力学标准是冷却过程中从液态形成的硼化物的总摩尔分数。该标准可以表明合金的耐磨损性能，其中硼化物分数的增加使耐磨损性能提高。
该标准作为在1300K(或约1300K)下在平衡凝固图中所有存在的硼化物相的总和测量。该标准将缩写为：总硼化物分数。在图1中，总硼化物分数为42％，其等于Cr2B[101]的浓度，约30％，和M3B2[106]的浓度，约12％。在给定合金的固相线温度和1300K之间，由于硼在所有凝固的铁相中的溶解度低，硼化物的相分数可能几乎没有变化。
在一些实施方案中，总硼化物分数可以为≥10％(或≥约10％)。在一些实施方案中，总硼化物分数可以为≥15％(或≥约15％)。在一些实施方案中，总硼化物分数可以为≥20％(或≥约20％)。在一些实施方案中，总硼化物分数可以为≥30％(或≥约30％)。
第二个热力学标准是形成棒状形态的过共晶相的摩尔分数。这些相可包括(Fe,Cr)2B、M7(C,B)3、M3(C,B)和M23(C,B)6，其中M表示金属种类。该标准可作为材料韧性的指标，随着摩尔分数增加而韧性降低。
该标准作为在液相线温度时这些相的摩尔分数测量。液相线被定义为高于基质相的第一形成温度的一个温度阶段，所述基质相在这种情况下为FCC或BCC铁[102]。这个标准将被称作为：脆化过共晶相。
在一些实施方案中，脆化过共晶相的摩尔分数可以为≤5％(或≤约5％)。在一些实施方案中，脆化过共晶相的摩尔分数可以为≤2％(或≤约2％)。在一些实施方案中，脆化过共晶相的摩尔分数可以为0％(或约0％)。
脆化过共晶相的计算可以通过图1中的实施例来证明。如图1所示，在高于FCC奥氏体相[102]的形成温度1600K的温度下存在一种相。该相是(Mo,W)2B，已知其不形成棒状形态，因此不会对脆化过共晶相分数有贡献。因此，在图1的示例中，脆化过共晶的摩尔分数为0％。这些实施例突出了符合本公开内容中定义的热力学标准的化学。
为了验证脆化过共晶的计算，计算参考合金R1并且示于图5。R1的组成在下表5以及7,935,198B2公开内容中提供，7,935,198B2的全部内容通过引用并入本文。脆化相被计算为在一个温度阶段存在的Cr2B[501]的相分数，在该温度阶段以上时存在任何基质相，无论是奥氏体还是铁素体。在这种情况下，基质相是奥氏体[502]并且在1500K开始形成，即在1550K时基质相的摩尔分数仍为0％。因此，脆化过共晶被计算为在1600K时Cr2B[501]相摩尔分数，并且等于约38％。
第三个热力学标准是形成近球状形态的过共晶硼化物的摩尔分数。这些硼化物可以包括M2B和M3B2，其中M包括Fe、Cr、Mo和/或W，其中Mo+W为≥15重量％(或≥约15重量％)。该标准可以用作材料的耐磨性的指标，随着分数的增加，其硬度和耐磨性提高而且不显著降低韧性。
该标准作为在图1所示的合金[102]的液相线温度时形成近球状硼化物相的摩尔分数。该标准将缩写为：球状硼化物。
在图1中，已知形成球状硼化物的相包含(Mo,W)2B[104]和(Mo,W)3B2[103]。因此，球状硼化物的分数是在液相线温度[102]之上的温度阶段下的这些相的总和。在图1中，(Mo,W)2B是在液相线温度以上形成的唯一已知的球状硼化物相。在液相线温度下以约25％的摩尔分数存在，因此球状硼化物浓度为约25％。
在一些实施方案中，球状硼化物的摩尔分数可以为≥2％(或≥约2％)。在一些实施方案中，球状硼化物的摩尔分数可以为≥5％(或≥约5％)。在一些实施方案中，球状硼化物的摩尔分数可以为≥10％(或≥约10％)。
在一些实施方案中，另一个在Scheil凝固模型或在平衡条件下测量的热力学标准是从液体形成脆化相的碳化物或硼碳化物的摩尔分数。该相分数预测了热裂和韧性，分数的增加导致韧性降低。这些相包括：M23(C,B)6、M7(C,B)3和M3(C,B)，其中M≥75重量％(或≥约75重量％)的Fe和/或Cr。这个标准将缩写为：脆化共晶。
该标准作为在固相线温度[105]下这些相的总和被测量。
在一些实施方案中，脆化共晶的摩尔分数可以为≤10％(或≤约10％)。在一些实施方案中，脆化共晶的摩尔分数可以为≤5％(或≤约5％)。在一些实施方案中，脆化共晶的摩尔分数可以为0％(或约0％)。
在一些实施方案中也可以使用另一种热力学标准。其中含有≥90重量％(或≥约90重量％)的元素V、Ti、Zr、Hf、W、Mo中一种或多种的金属成分的硼化物、硼碳化物和/或碳化物的摩尔分数可以给出材料耐磨性的指示。该标准将缩写为：孤立(isolated)碳化物的分数。孤立碳化物分数的量的增加可以与增加耐磨性相关，而不降低韧性。
孤立碳化物分数可以在1300K(或约1300K)[106]下测量，因为所述元素在固态铁相中的低的溶解度导致在1300K下的相分数和在室温下在合金中观察到的相分数之间变化很小。在图1中，已知形成孤立碳化物的相是NbC相[106]。在图1的实施例中，在1300K下NbC相分数为约5％。
在一些实施方案中，孤立的硬质相分数可以在0％至25％(或约0％至约25％)之间。在一些实施方案中，孤立的硬质相分数可以在1％至25％(或约1％至约25％)之间。在一些实施方案中，孤立的硬质相分数可以在2％至15％(或约2％至约15％)之间。在一些实施方案中，孤立的硬质相分数可以在2％至10％(或约2％至约10％)之间。在一些实施方案中，孤立的硬质相分数可以在4％至10％(或约4％至约10％)之间。在一些实施方案中，孤立的硬质相分数可以在5％至15％(或约5％至约15％)之间。在一些实施方案中，孤立的硬质相分数可以为≥1％(或≥约1％)。在一些实施方案中，孤立的硬质相分数可以为≥4％(或≥约4％)。
表1提供了本文所公开的合金的实施方案的计算的热力学标准。表1所示的热力学标准是根据制成后测量的化学成分计算出来的。通过辉光放电光谱法测量化学成分。表1包括总硼化物相摩尔分数(总硼化物)，已知在液相线温度下形成棒状相的相的总摩尔分数(棒状)，和已知在液相线温度形成球状相的相的总摩尔分数(球状)。以W(X##)格式给出的合金名称是通过重熔单焊丝制成的。以MW(X##)格式给出的合金名称是熔化极惰性气体保护焊焊缝(mig weld deposits)。否则合金是由各种原料制成的实验锭。
表1：实验合金的热力学标准
Figure GDA0002223919730000271
Figure GDA0002223919730000281
表2列出了许多可满足本文所公开的热力学标准的不同组成。表2包括总的硼化物相摩尔分数(总和)、已知在液相线温度下形成棒状相的相摩尔分数的总和(棒状)，以及已知在液相线温度下形成球状相的相摩尔分数的总和(球状)。
表2：满足本公开内容的热力学实施方案的按重量％计的合金组成、余量为Fe，以及计算标准的列表
Figure GDA0002223919730000291
Figure GDA0002223919730000301
Figure GDA0002223919730000311
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微观结构标准
在一些实施方案中，合金可以由显微结构标准来充分描述。
本公开内容的实施方案教导了一种微观结构，其可以1)由过共晶球状硼化物或硼碳化物组成，2)在Fe基基质中，以及3)其对过共晶、棒状碳化物、硼化物和硼碳化物具有限制。通常，形成过共晶硼化物、碳化物和硼碳化物的合金将会具有包含显著部分的棒状相的显微结构。棒状相会产生不希望的性能特征，例如低韧性、严重开裂和抗冲击性较差。然而，过共晶相可能有利于耐磨性。本文所述的独特合金不包含过共晶棒状相，而是含有形成近球状形态的过共晶硼化物和/或硼碳化物。结果是合金有良好的过共晶硬质相的耐磨性而不具有脆化棒状相。
在第一微观结构标准中，可以含有一个或多个具有近球状形态的硼化物和/或硼碳化物相。这些相可以提高耐磨性而不会显著降低韧性。这种硬质相将被称为：球状硼化物。这种硬质相可具有超过2000HV(或超过约2000HV)的硬度，因此增加相分数可以对耐磨性产生显著影响。此外，该相可以具有近球状形态，因此在保持高韧性同时仍保持耐磨性。
本公开内容中的近球状相形态的横截面的长宽比≤2:1(或约≤2:1)。如图3所示，其中长宽比被定义为长轴[301]和正交ferret直径[302]之间的比率。比例大于2：1的相被称为棒状，其会导致合金脆化。
在图3的示例中，长轴[301]约为17.9μm，正交Ferret直径[302]约为17.0μm。因此长宽比为1.06。
形成近球状硼化物或硼碳化物的相可包括M2B和M3B2，其中1)M包含Fe、Cr、Mo和/或W，其中Mo+W≥15重量％(或≥约15重量％)；和2)Fe+Cr+Mo+W可以≥70重量％(或≥约70重量％)的M。
在一些实施方案中，球状硼化物的体积分数可以为≥5％(或≥约5％)。在一些实施方案中，球状硼化物的体积分数可以为≥10％(或≥约10％)。在一些实施方案中，球状硼化物的体积分数可以为≥15％(或≥约15％)。在一些实施方案中，球状硼化物的体积分数可以在5％至30％(或约5％至约30％)之间。在一些实施方案中，球状硼化物的体积分数可以在10％至25％(或约10％至约25％)之间。
第二微观结构标准是硼化物和硼碳化物的总体积分数。该标准有助于提高耐磨性。图2示出的微观结构以包含(Mo,W)2B[202]和Cr2B[203]的硼化物体积分数≥10％满足这一标准。
这个标准将被称为总硼化物。在一些实施方案中，总硼化物体积分数可以为≥10％(或≥约10％)。在一些实施方案中，总硼化物体积分数可以为≥15％(或≥约15％)。在一些实施方案中，总硼化物体积分数可以为≥20％(或≥约20％)。在一些实施方案中，总硼化物体积分数可以在5％至80％(或约5％至约80％)之间。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物体积分数可以在10％至70％(或约10％至约70％)之间。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物体积分数可以在20％至60％(或约20％至约60％)之间。
在第三个微观结构标准中具有对如图4所示的长宽比大于2:1的超过50μm[403]的过共晶硬质相的体积分数的限制。这些相已知会导致合金脆化。这个标准将被称为：脆化棒状相。
图4中的深灰色相是Cr2B，并且如所示，它们尺寸超过50μm。在突出显示的Cr2B相中，相[403]的长轴测量值约为148μm。该相[404]的正交ferret直径约为25μm。因此，Cr2B相的长宽比为约6:1。相反地，图3所示的合金不含任何大的棒状相。长宽比在2:1以上的各种相较小，其最大尺寸小于50μm。图3所示的Cr2B[303]相的最大尺寸约为10μm。这些小的棒状相不会显著降低材料的韧性。
在一些实施方案中，脆化棒状相的体积分数可以为≤20％(或≤约20％)。在一些实施方案中，脆性棒状相的体积分数可以为≤15％(或≤约15％)。在一些实施方案中，脆化棒状相的体积分数可以为≤10％(或≤约10％)。在一些优选的实施方案中，脆化棒状相可以为0％(或约0％)。
在一些实施方案中，可以存在具有≥90重量％(或≥约90重量％)的Ti、V、Zr、W、Mo、Hf中一种或多种元素的金属成分的一种或多种球状硼碳化物和/或碳化物相[201]。这种硬质相将被称为孤立碳化物。
在一些实施方案中，该孤立碳化物的体积分数可以为≥1％(或≥约1％)。在一些实施方案中，该孤立碳化物的体积分数可以为≥2％(或≥约2％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的体积分数可以为≥3％(或≥约3％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的体积分数可以在1％至10％(或约1％至约10％)之间。在一些实施方案中，孤立碳化物的体积分数可以在1％至5％(或约1％至约5％)之间。
在一些示例性实施方案中，对于具有共晶结构的M7(C,B)3和M23(C,B)6的体积分数可能存在限制。已知这些相在此空间中通过形成互联的网状结构导致合金脆化。该相由EBSD、XRD和其它金相法测定。在图2中该相标记为[204]。
这个标准被称为脆化共晶相。在一些实施方案中，脆化共晶相的体积分数可以为≤20％(或≤约20％)。在一些实施方案中，脆化共晶相的体积分数可以为≤15％(或≤约15％)。在一些实施方案中，脆化共晶相的体积分数可以为≤10％(或≤约10％)。在一些实施方案中，脆化共晶相的体积分数可以为≤5％(或≤约5％)。在一些实施方案中，脆化共晶相的体积分数可以为0％(或约0％)。
表3列出了本公开内容中满足如下微观结构标准的一些实施方案的化学组成：
1)过共晶球状硼化物或硼碳化物，
2)在基于Fe的基质中，
3)其对过共晶、棒状碳化物、硼化物和硼碳化物具有限制。
该表中所示的所有合金均制成锭或焊丝。焊丝随后通过焊接工艺再熔化或沉积。在所有情况下，通过辉光放电光谱法测量列出的所得金属化学成分。使用扫描电子显微镜和图像分析软件来评价微观结构特点以测量球状硼化物相分数、总硼化物相分数和棒状硼化物的体积数量。每种相型的体积分数列于表3中。在某些情况下，制成的金属与之前的合金组成非常相似，以至于微观结构特征不用重新测量，而是本领域技术人员将预期符合本文所述的微观结构标准。在表3中，将合金化学制品制成锭和焊丝，其满足本文公开的硬度和微观结构标准。以W(X##)格式命名的合金是通过重熔单焊丝制成的。以MW(X##)格式命名的合金是熔化极惰性气体保护焊焊缝。否则合金是由各种原料制成的实验锭。
表3：组成和微观结构标准
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性能标准
在一些实施方案中，可以通过性能特点来充分描述合金。可能有利的是，韧性和耐磨合金同时具有1)高耐磨性，2)高抗冲击性，和3)高堆积硬度(bulk hardness)。
合金的耐磨性通常用ASTM G65干砂磨损试验来表征。抗冲击性通过重复地以20J的能量冲击材料的焊接样品来表征。堆积硬度用C级洛氏硬度测试来测量，并作为5个值的平均值报告。
在一些实施方案中，该合金的ASTM G65磨损损失量可以为≤0.3g(或≤约0.3g)。在一些实施方案中，该合金的ASTM G65磨损损失量可以为≤0.2g(或≤约0.2g)。在一些实施方案中，该合金的ASTM G65磨损损失量可以为≤0.15g(或≤约0.15g)。在一些实施方案中，该合金的ASTM G65磨损损失量可以为≤0.1g(或≤约0.1g)。
在一些实施方案中，该合金能承受具有20J能量≥500(或≥约500)次的冲击直到失效。在一些实施方案中，该合金能承受具有20J能量≥1000(或≥约1000)次的冲击直到失效。在一些实施方案中，该合金能承受具有20J能量≥2000(或≥约2000)次的冲击直到失效。
在一些实施方案中，该合金的硬度可以为≥30HRC(或≥约30HRC)。在一些实施方案中，合金的硬度可以为≥40HRC。在一些实施方案中，该合金的硬度可以为≥50HRC(或≥约50HRC)。在一些实施方案中，该合金的硬度可以为≥55HRC(或≥约55HRC)。在一些实施方案中，该合金的硬度可以为≥60HRC(或≥约60HRC)。在一些实施方案中，该合金的硬度可以为≥62HRC(或≥约62HRC)。在一些实施方案中，该合金的硬度可以为≥64HRC(或≥约64HRC)。
表4详细说明了优选的合金实施方案的一些性能特点。所有合金都符合硬度和耐磨性目标(ASTM G65)。
表4：一些实施方案中性能标准的范例，对每种合金以重量％计列举标称化学成分，Fe为余量
Figure GDA0002223919730001181
标准间关联性
在本公开内容中显示本文公开的热力学、微观结构和性能的实施方案相互关联。例如，热力学标准可以准确预测合金的微观结构。此外，合金的微观结构可以准确地预测合金的性能。
表3中列出的组成详述了符合本公开内容独特微观结构实施方案的那些。为了获得显微结构特征和相分数，对制成测试锭或被焊接的合金中的34个进行了充分的分析。34个分析的合金100％符合本公开内容中描述的微观结构标准。
表1列出了这些合金相应的热力学标准。符合微观结构标准的34个总合金中有27个也符合热力学标准。这表明预测率为80％，其显示了热力学和微观结构标准之间具有良好相关性。不符合热力学标准的合金少量地不在规格范围内。热力学标准是使用辉光放电光谱从实验测量出的化学成分中计算出来的。这些合金的所有预期或标称化学成分符合热力学标准，这将表明100％的相关性。标称和测量化学成分之间的差异可能是由于辉光放电光谱仪测量中的误差造成的。该分析表明，符合热力学标准的合金将很可能具有所需的微观结构特征。然而，使用本研究制成的合金以及现有技术可以证明没有表现出规定热力学标准的合金也将不具备所需的微观结构特征。
有几个利用过共晶硬质相来提供耐磨性的表面硬化合金的例子。最常见的被称为碳化铬覆盖层，并且是指不含硼或硼化物的合金，因此不属于本公开内容的范围。然而，也有许多过共晶硼化物合金，看起来类似，但也不属于该专利的特性。几个这样的合金的例子如表5所示，其示出了在7,553,382B2(R1-R10)和7,935,198B2(R11-15)(其各自的公开内容通过引用全部并入本文)中分别呈现的合金组成和合金的计算的热力学标准。根据热力学模型，所有的这些合金都显示高比例的棒状硼化物。此外，每个规范都显示出高长宽比硼化物的微观结构，其在本发明的定义中被定义为棒状。表5再次表明，热力学模型在预测过共晶棒状硼化物相的存在或缺乏方面是准确的。此外，这表明含有高比例的球状过共晶硼化物同时缺乏棒状过共晶硼化物的合金是一种独特的微观结构不固有广泛的组成空间。
表5：现有技术中呈现的合金热力学标准
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Figure GDA0002223919730001201
实施例
以下实施例是说明性和非限制性的。
实施例1
实施例1说明了本公开内容中规定的有利的微观结构特征以及过共晶硼化物相的化学性质是如何指示形态的。
图2示出了合金的一个示例SEM显微照片，所述合金符合热力学、微观结构和性能实施方案，为合金X47。该微观结构表明球状硼化物体积分数≥5％[202]。显微照片表明总硼化物的体积分数≥10％[203]。该合金中脆化棒状相的体积分数为0％。显微照片表明孤立碳化物[201](在这种情况下为(Ti,W)C)的体积分数≥1％。脆化共晶相(在这种情况下为M23(C,B)6)的体积分数≤10％[204]。
除了相分数数据外，还分析了相的元素组成，特别是过共晶硼化物相。如上所述，有利的是过共晶硼化物具有某些化学组分以形成球状而不是棒状。为了分析这些相的化学组分，能量色散光谱可以与扫描电子显微镜同时使用。
表6示出了对不同的过共晶硼化物类型主导的两种合金X47和X78进行的典型能量色散光谱(EDS)测量。需要注意的是，EDS测量仅示出相的金属成分，并不包括存在的非金属元素，例如硼。根据已知的相结构通过将测量的金属含量插入到通式M2B或M3B2中可以推断最终的金属浓度。球状形态过共晶硼化物相倾向于具有大于15重量％W+Mo。棒状形态倾向于具有小于15重量％W+Mo，并且另外倾向于富含更多Cr。通过EDS测定，X47合金中的过共晶硼化物相具有59.2重量％W+Mo，通过EDS测定，X78中的过共晶硼化物相具有7.1重量％W+Mo。
表6：球状和棒状过共晶硼化物的相化学组分，以重量％计
Figure GDA0002223919730001202
Figure GDA0002223919730001211
图1显示合金X47的凝固图，证明了本公开内容中描述的所有热力学标准。合金X47显示出ASTM G65磨损损失为0.065-0.085g。其硬度为67HRC并且焊接样品平均承受5260次冲击直至失效。
X47合金符合本公开内容的热力学标准、微观结构标准和性能标准。
实施例2
实施例2证明了微观结构对抗冲击性的作用。在本研究中，将P42-X47C和E变体与几种已知的商业合金(其中一些已知含有棒状硼化物)和已知含有棒状碳化物的碳化铬覆盖层进行对比。将每种合金焊接在钢板上以制成试样。得到的试样用具有20J总能量的旋转工具钢锤冲击直到试样失效。失效定义为由于冲击而使至少1克焊接材料从试样剥离或碎裂。通常需要测试几个相同的试样并计算直到失效的平均冲击力，因为高分散是冲击测试固有的。表7示出了比较合金和微观结构类型以平均冲击力直到失效的测试结果。如所示，只有含有球状硼化物微观结构的合金能够承受大于2000次的冲击直至失效。
表7：合金和微观结构对焊接抗冲击性的比较
Figure GDA0002223919730001212
该测试证明了微观结构和抗冲击性之间的相关性。只具有球状过共晶硼化物的合金比还具有棒状过共晶硼化物或碳化物的合金可以具有更高的抗冲击性。
实施例3
实施例3证明了利用热力学模型对合金进行改性以降低合金成本的能力。在该实施例中，W从合金组合物中除去并被Mo替换。该改性不是Mo对W进行简单1:1替换，而是使用热力学建模工具来确认表现出指定标准的无W合金。
此外，还可以对合金进行改性以对某些工艺提高其焊接性。具体来说，通过广泛的实验确定，Ti轴承合金可能导致在埋弧焊(SAW)工艺中不能接受的焊剂粘结。因此，当设计用于SAW工艺的合金时可能有利的是消除Ti。
表8详述了成本降低和SAW加工能力都被考虑的合金组成。除了热力学、微观结构和性能标准之外，添加这些附加约束为系统增加了额外的复杂性，并且需要使用高通量计算冶金学。
表8：进一步设计用于降低成本和提高加工能力的合金
Figure GDA0002223919730001221
表9公开了可以进一步降低成本的合金组成。
表9：进一步设计用于降低成本的合金
Figure GDA0002223919730001222
Figure GDA0002223919730001231
实施例4
实施例4证明了相化学组成对微观结构中碳化物和硼化物的形成形态的作用。具体来说，在任何相中缺少高浓度的铬都表明微观结构形态。表10详述了对示例合金中存在的各相通过EDS测量的相化学组成。应该注意的是，EDS不能测量这些相中大量存在的碳或硼。因此，原子百分数是每次测量得出的，使得测量的金属含量可插入已知相化学计量(例如M3B2)中以了解相的实际化学组成，包括非金属。基质是指马氏体铁，球状是指过共晶球状硼化物颗粒(M3B2或M2B)，孤立是指(Nb,Ti,V)碳化物，共晶1指Cr2B，共晶2指M23(C,B)6。
表10：本研究中制成的示例性合金以原子百分比计的相化学组成
Figure GDA0002223919730001232
Figure GDA0002223919730001241
特定硬质相合金
在一些实施方案中，合金可以由组合物中的某些类型的硬质相定义。
具有两个或更多硬质相的实施方案
在一些实施方案中，合金可含有两个或多个硬质相。
热力学标准
在一些实施方案中，合金可以用热力学模型来描述。四种热力学标准可用于描述本文所述的含硼化物的耐磨合金的实施方案：1)在冷却期间从液态形成的(Fe,Cr)硼化物的摩尔分数；2)在铁基质凝固开始之前形成的(Fe,Cr)硼化物的摩尔分数；3)在材料从熔融状态完全凝固之前形成的具有主要由Fe和/或Cr组成的金属成分/组分的碳化物或硼碳化物的摩尔分数；和4)主要由元素Nb、V、Ti、Zr、Hf、W、Mo中的一种或多种组成的碳化物、硼化物和/或硼碳化物的摩尔分数。示例性凝固图如图6所示，其证明了本公开内容中描述的热力学标准。
在第一个热力学标准中，在冷却过程中从液态形成的(Fe,Cr)硼化物的摩尔分数可以提供关于材料的耐磨性的指征。该标准将缩写为：(Fe,Cr)硼化物max。总体趋势是随着(Fe,Cr)硼化物max的相分数的增加，其耐磨性提高。(Fe,Cr)硼化物定义为金属元素含量≥75重量％(或≥75约重量％)Fe+Cr的硼化物相。实际上(Fe,Cr)硼化物max可以在1300K[601]下测量。由于硼在所有凝固的铁相中的溶解度低，所以(Fe,Cr)硼化物的相分数在给定合金的固相线温度和1300K之间几乎没有变化。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物max可以≥5％(或≥5约％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物的max可以≥7.5％(或≥约7.5％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物的max可以≥10％(或≥约10％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物的max可以为≥15％(或≥15％)。
在第二个热力学标准中，从铁基质[602]凝固开始之前形成的(Fe,Cr)硼化物的摩尔分数可以表明(Fe,Cr)硼化物相的形态并可以与韧性关联。该标准将缩写为：隔离的(Fe,Cr)硼化物分数。总体趋势是随着隔离的(Fe,Cr)硼化物分数的增加，其韧性降低。通过限制隔离的(Fe，Cr)硼化物分数，该标准的韧性降低效果的影响可以最小化到一定水平。在一些实施方案中，隔离的(Fe,Cr)硼化物分数可以≤15％(或≤约15％)。在一些实施方案中，隔离的(Fe，Cr)硼化物分数可以≤10％(或≤约10％)。在一些实施方案中，隔离的(Fe，Cr)硼化物分数可以≤5％(或≤约5％)。在一些实施方案中，隔离的(Fe，Cr)硼化物分数可以为0％(或约0％)。
第三个热力学标准是在材料从熔融状态到完全凝固(固相线)之前可以形成的具有主要(≥75％(或约≥75％))由Fe和/或Cr组成的金属成分的碳化物或硼碳化物的摩尔分数。该标准表明主要Fe和/或Cr的金属成分的任何硬质相将会形成为硼化物。该标准将缩写为：在固相线处(硼)碳化物的分数。图6示出了没有在液体中形成的任何(硼)碳化物的合金。该标准可以对本公开内容中描述的合金的微观结构进行精确控制。具体来说，其允许避免形成初级Fe和/或Cr基碳化物或硼碳化物，并可以确保(Fe，Cr)硼化物的形成。在一些实施方案中，固相线处的(硼)碳化物分数≤5％(或≤约5％)。在一些实施方案中，固相线处的(硼)碳化物分数为0％(或约0％)。
在第四个热力学标准中，其中含有≥90重量％(或≥约90重量％)的元素Nb、V、Ti、Zr、Hf、W、Mo中一种或多种的金属成分的碳化物、硼化物和/或硼碳化物的摩尔分数可以表明材料的耐磨性。该标准将缩写为：孤立硬质相分数。孤立硬质相分数的增加量可能与耐磨性的增加有关。由于这些相的极端硬度以及增加总体硬质相分数同时保持微观结构中希望的细晶粒形态的能力，这一标准可以使合金显示出比Fe-Cr-B-C体系增加的耐磨性。孤立硬质相分数可以在1300K[603]测量，因为所描述元素在固态铁相中的低溶解度导致在1300K下的相分数与在室温下在合金中观察到的相分数之间变化很小。在一些实施方案中，孤立硬质相分数可在0％至25％之间。在一些实施方案中，孤立硬质相分数可在1％至25％(或约1％至约25％)之间。在一些实施方案中，孤立硬质相分数可在2％至20％(或约2％至约20％)之间。在一些实施方案中，孤立硬质相分数可在10％至20％(或约10％至约20％)之间。在一些实施方案中，孤立硬质相分数可在10％至15％(或约10％至约15％)之间。在一些实施方案中，孤立硬质相分数可在5％至15％(或约5％至约15％)之间。在一些实施方案中，孤立硬质相分数可≥5％(或≥约5％)。在一些实施方案中，孤立硬质相分数可≥10％(或≥约10％)。
微观结构标准
在一些实施方案中，合金可以通过其微观结构特征来描述。与热力学标准实施方案一样，这些合金的微观结构可以是具有(Fe,Cr)硼化物以及主要由Nb、V、Ti、Zr、Hf、W、Mo中一种或多种组成的一种或多种其他硬质相的铁基，其不含在凝固期间在液体中形成的初级Fe和/或Cr基碳化物或硼碳化物。这些微观结构标准可以使用三种主要技术进行计算和验证。1)通过扫描电子显微镜(SEM)和/或光学显微镜获得的显微照片的定量金相可用于测定相分数。2)能量色散X射线光谱法(EDX)可用于鉴定每相中存在的大于或等于碳的原子序数的元素的类型和百分比。3)X射线衍射(XRD)可用于验证存在于微观结构中相的晶体结构，并提供另一种测量每种相体积分数的方法。
第一个微观结构标准是合金中(Fe,Cr)硼化物的体积分数。与上述第一个热力学标准类似，(Fe,Cr)硼化物的相分数可与耐磨性的增加有直接的关联。在一些实施方案中，测定的(Fe,Cr)硼化物体积分数可以为≥5％(或≥约5％)。在一些实施方案中，测定的(Fe,Cr)硼化物体积分数可以为≥7.5％(或≥约7.5％)。在一些实施方案中，测定的(Fe,Cr)硼化物体积分数可以为≥10％(或≥约10％)。在一些实施方案中，测定的(Fe,Cr)硼化物体积分数可以为≥15％(或≥约15％)。
第二个微观结构标准是最大单维度超过40μm(或超过约40μm)的硬质相的体积分数。这个标准将被称为：大于40μm硬质相的体积分数。该相是热力学标准“隔离的(Fe,Cr)硼化物相分数”的微观结构类似物。与上述第二热力学标准类似，过量的大于40μm硬质相的体积分数可能对合金的韧性有害，并且会导致差的性能。在一些实施方案中，大于40μm的硬质相体积分数可以为≤15％(或≤约15％)。在一些实施方案中，大于40μm的硬相体积分数可以为≤10％。在一些实施方案中，大于40μm的硬相体积分数可以为≤5％(或≤约5％)。在一些实施方案中，大于40μm的硬相体积分数可以为0％(或约0％)。
第三个微观结构标准是从液体形成的具有≥75重量％(或≥约75重量％)的Fe和/或Cr的金属成分的初级碳化物或硼碳化物的体积分数。在本公开中，初级可以定义为在凝固期间从液体形成的相。该标准将缩写为：初级(硼)碳化物的体积分数。除了上述3种分析技术外，本领域技术人员(技术熟练的冶金学家)可以分析从液体形成的初级(硼)碳化物和从固体形成的次级碳化物之间的区别。例如本领域技术人员可以容易地鉴别的相例如珠光体、粒状珠光体、贝氏体等可以具有主要由Fe和/或Cr组成的金属成分的碳化物。然而，这些相可以在合金完全凝固之后形成，因此不包括在该标准中。在一些实施方案中，初级(硼)碳化物的体积分数可以为≤5％(或≤约5％)。在一些实施方案中，初级(硼)碳化物的体积分数可以为≤2.5％(或≤约2.5％)。在一些实施方案中，初级(硼)碳化物的体积分数可以为0％(或约0％)。
第四个微观结构标准是具有≥90重量％(或≥约90重量％)的元素Nb、V、Ti、Zr、Hf、W、Mo中一种或多种的金属成分的碳化物、硼化物和/或硼碳化物的体积分数。这个标准将被称为：孤立硬质相体积分数。类似于上述第四个热力学标准，由于其硬度、近球状形态和在微观结构中的孤立分布，该相可以提高合金的磨损性能，而对韧性没有不适当的不利影响。在一些实施方案中，孤立硬质相体积分数可以在2％至20％(或约2％至约20％)之间。在一些实施方案中，孤立硬质相体积分数可以在5％至20％(或约5％至约20％)之间。在一些实施方案中，孤立硬质相体积分数可以在5％至15％(或约5％至约15％)之间。在一些实施方案中，孤立硬质相体积分数可以在10％至20％之间。在一些实施方案中，孤立硬质相体积分数可以在5％至10％之间。在一些实施方案中，孤立硬质相体积分数可以在10％至15％之间。在一些实施方案中，孤立硬质相分数可以≥5％。在一些实施方案中，孤立硬质相分数可以≥10％。
满足微观结构实施方案的合金(合金X42)的示例SEM显微照片示于图7。显微照片显示(Fe,Cr)硼化物≥15％的微观结构[701]和孤立硬质相体积分数[702]≥5％。X42还满足使大于40μm的(Fe,Cr)硼化物的体积分数为0％以及初级(硼)碳化物的体积分数为0％的其他标准。
如图8-9所示的X8和X53都与X42有相似的组成，但两者的微观结构不符合上述微观结构标准，这些合金也不符合规定的热力学标准。X8中大于40μm(Fe,Cr)硼化物的体积分数≥10％[801]，并且孤立硬质相体积分数为0％。X53符合微观结构标准1、2和4，但是XRD和本领域技术人员的分析表明，存在初级(硼)碳化物的体积分数≥5％[901]。
具有三个或更多不同的硬质相的实施方案
在一些实施方案中，合金具有三个或更多个硬质相。
热力学标准
在一些实施方案中，可以通过热力学模型充分描述合金。四种热力学标准用于描述本文所述的含硼化物的耐磨合金：1)在冷却期间从液态形成的(Fe,Cr)硼化物的摩尔分数；2)具有通式M2B和/或M3B2的相的摩尔分数，其中M含有规定范围的Fe、Cr、Mo和W；3)在材料从熔融状态完全凝固之前形成的具有主要由Fe和/或Cr组成的金属成分的碳化物或硼碳化物的摩尔分数；和4)主要由元素Nb、V、Ti、Zr、Hf、W、Mo中一种或多种组成的碳化物的摩尔分数。示例凝固图如图10所示，其中示出了本公开内容中所描述的所有热力学标准。
在第一个热力学标准中，在冷却过程中从液态形成的(Fe,Cr)硼化物的摩尔分数可以对材料的耐磨性提供一个指示。该标准将缩写为：(Fe,Cr)硼化物max。总体趋势是随着(Fe,Cr)硼化物max相分数的增加其耐磨性增加。(Fe,Cr)硼化物可以定义为具有≥75％(或≥约75％)Fe+Cr的金属元素含量的硼化物相。出于实用的目的，(Fe,Cr)硼化物max在1300K[1001]下测量。由于硼在所有凝固的铁相中的低溶解度，在给定合金的固相线温度和1300K之间(Fe,Cr)硼化物的相分数几乎没有变化。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物max可以为≥2％(或≥约2％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物max可以为≥5％(或≥约5％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物max可以为≥10％(或≥约10％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物max可以为≥15％(或≥约15％)。
第二个热力学标准是含有通式M2B和/或M3B2的相的摩尔分数，其中这些相中的一个或多个的一部分在基质的液相线之前形成[1002]。这些相可以有一种组成，使得M2B中的M包含≥10重量％(或≥约10重量％)的Fe、Cr、Mo和W中的每一种；M3B2中的M可以包含≥15重量％(或≥约15重量％)的Fe、Mo和W中的每一种；并且对于这两相，Fe+Cr+Mo+W可以≥70重量％(或≥约70重量％)的M。该相缩写为(Fe,Cr,Mo,W)硼化物。出于实用的目的，该相的摩尔分数可以在1300K下测量[1003]。在一些实施方案中，(Fe,Cr,Mo,W)硼化物的摩尔分数≥5％(或≥约5％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr,Mo,W)硼化物的摩尔分数≥10％(或≥约10％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr,Mo,W)硼化物的摩尔分数≥15％(或≥约15％)。
第三个热力学标准是在材料从熔融状态完全凝固(固相线)之前形成的具有主要(≥75重量％或≥约75重量％)由Fe和/或Cr组成的金属成分的碳化物或硼碳化物的摩尔分数。当该标准为0％(或约0％)时，可没有铁和/或铬基碳化物或硼碳化物从液体生成。该标准将缩写为：在固相线处的(硼)碳化物分数。图10示出了不含有任何在液体中形成的(硼)碳化物的合金。该标准可以精确控制本专利中描述的合金的微观结构。具体来说，其可以允许避免形成初级Fe和/或Cr基碳化物或硼碳化物，并可以确保(Fe,Cr)硼化物的形成。在一些实施方案中，在固相线处的(硼)碳化物分数可以为≤5％(或≤约5％)。在一些实施方案中，在固相线处的(硼)碳化物分数可以为0％(或约0％)。
在第四个热力学标准中，具有≥90重量％(或≥约90重量％)的以下元素Nb、V、Ti、Zr、Hf、W、Mo中的一种或多种的金属成分的硼化物、硼碳化物和/或碳化物的摩尔分数可以显示材料的耐磨性。该标准将缩写为：孤立碳化物分数。孤立碳化物分数量的增加可以与耐磨性的增加有关。由于这些相的极端硬度以及在保留微观结构的特定细晶粒形态的同时提高总体硬质相分数的能力，这一标准可以使合金表现出比Fe-Cr-B-C体系中更高的耐磨性。孤立碳化物分数可以在1300K测量[1004]，因为所述元素在固态铁相中的低溶解度导致在1300K下的相分数与在室温下在合金中观察到的相分数之间变化很小。在一些实施方案中，孤立硬质相分数可以在0％至25％(或约0％至约25％)之间。在一些实施方案中，孤立硬质相分数可以在1％至25％(或约1％至约25％)之间。在一些实施方案中，孤立硬质相分数可以在2％至15％(或约2％至约15％)之间。在一些实施方案中，孤立硬质相分数可以在2％至10％(或约2％至约10％)之间。在一些实施方案中，孤立硬质相分数可以在4％至10％(或约4％至约10％)之间。在一些实施方案中，孤立硬质相分数可以在5％至15％(或约5％至约15％)之间。在一些实施方案中，孤立硬质相分数可以为≥1％(或≥约1％)。在一些实施方案中，孤立硬质相分数可以为≥4％(或≥约4％)。
微观结构标准
以下描述的微观结构标准可以定义显示出优异的韧性和优异耐磨性的合金空间。所描述的铁合金可以由至少3种不同的从液体形成并且可以遵循以下微观结构标准的硬质相组成。
在一些实施方案中，可以有一种或多种具有≥90重量％(或≥约90重量％)的以下元素Nb、Ti、V、Zr、W、Mo、Hf中一种或多种的金属成分的碳硼化物、硼碳化物和/或碳化物相。这种硬质相将被称为孤立碳化物。在一些实施方案中，该孤立碳化物具有的体积分数可以为≥1％。在一些实施方案中，该孤立碳化物具有的体积分数可以为≥2％(或≥约2％)。在一些实施方案中，孤立碳化物具有的体积分数可以为≥3％(或≥约3％)。在一些实施方案中，孤立碳化物具有的体积分数可以在1％至10％(或约1％至约10％)之间。在一些实施方案中，孤立碳化物具有的体积分数可以在1％至5％(或约1％至约5％)之间。
在一些实施方案中，可以有具有通式M2B和/或M3B2的一个或多个硼化物相，其中这些相具有3个特定性质。1)M2B中的M可以由≥10重量％(或≥约10重量％)以下元素Fe、Cr、Mo和W中的每一种组成，以及M3B2中的M可以由≥15重量％(或≥约15重量％)以下Fe、Mo和W中的每一种组成。2)Fe+Cr+Mo+W可以≥70重量％(或≥约70重量％)的M。3)一个或多个相体积分数的一部分可能不是以共晶结构形成，而是近球状形态。这种硬质相将被称为(Fe,Cr,Mo,W)硼化物。这种硬质相可以具有超过2000HV(或超过约2000HV)的硬度，并因此增加的相分数可以对耐磨性产生显著的影响。此外，该相可以具有近球状形态，因此在可保持高韧性同时仍保持耐磨损性能。在一些实施方案中，(Fe,Cr,Mo,W)硼化物的体积分数可以为≥5％(或≥约5％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr,Mo,W)硼化物的体积分数可以为≥10％(或≥约10％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr,Mo,W)硼化物的体积分数可以为≥15％(或≥约15％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr,Mo,W)硼化物的体积分数可以在5％至30％(或约5％至约30％)之间。在一些实施方案中，(Fe,Cr,Mo,W)硼化物的体积分数可以在10％至25％(或约10％至约25％)之间。
在一些实施方案中，可以存在其中Fe+Cr≥75重量％(或≥约75重量％)金属成分的硼化物相。这将被称为(Fe,Cr)硼化物。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物的体积分数可以为≥2％(或≥约2％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物的体积分数可以为≥5％(或≥约5％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物的体积分数可以为≥10％(或≥约10％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物的体积分数可以在2％至25％(或约2％至约25％)之间。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物的体积分数可以在5％至20％(或约5％至约20％)之间。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物的体积分数可以在10％至20％之间。
在一些实施方案中，可能不存在具有Fe+Cr≥75重量％(或≥约75重量％)的金属成分的初级碳化物或硼碳化物。这个标准可以允许精确地控制所述合金的类型和化学和因此合金中的每一个相。
在一些实施方案中，最大尺寸超过50μm(或约50μm)的硬质相的体积分数可以为≤25％(或≤约25％)。在一些实施方案中，最大尺寸超过50μm(或约50μm)的硬质相的体积分数可以为≤20％(或≤约20％)。在一些实施方案中，最大尺寸超过50μm(或约50μm)的硬质相的体积分数可以为≤15％(或≤约15％)。在一些实施方案中，最大尺寸超过50μm(或约50μm)的硬质相的体积分数可以为≤10％(或≤约10％)。在一些实施方案中，没有硬质相在其最大尺寸上可能超过50μm(或约50μm)。
满足微观结构实施方案的合金(合金X47)的示例SEM显微照片如图2所示。显微照片显示存在体积分数≥1％的孤立碳化物[201](在此情况下为(Ti,W)C)。这种微观结构显示(Fe,Cr,Mo,W)硼化物的体积分数≥5％[202]。显微照片显示(Fe,Cr)硼化物的体积分数≥5％[203]。
不含初级碳化物或硼碳化物以及含两种或更多不同硬质相的实施方案
在一些实施方案中，合金可以具有两种或更多种硼化物硬质相，并且没有在凝固期间从液体形成的初级碳化物和/或硼碳化物。
热力学标准
在一些实施方案中，可以通过热力学模型充分描述合金。四种热力学标准用于描述本文所述的含硼化物的耐磨合金：1)在冷却期间从液态生成的(Fe,Cr)硼化物的摩尔分数；2)具有通式M2B和/或M3B2的相的摩尔分数，其中M含有规定范围的Fe、Cr、Mo和W；和3)在材料从熔融状态完全凝固之前形成的碳化物或硼碳化物的摩尔分数。
在第一个热力学标准中，在冷却期间从液态形成的(Fe,Cr)硼化物的摩尔分数可以指示材料耐磨性。该标准将缩写为：(Fe,Cr)硼化物max。总体趋势是随着(Fe,Cr)硼化物max的相分数提高其耐磨性增加。(Fe,Cr)硼化物可以定义为具有≥75％(或≥约75％)的Fe+Cr的金属元素含量的硼化物相。出于实用的目的，(Fe,Cr)硼化物max在1300K下测量(501)。由于硼在所有凝固铁相中的低溶解度，在给定合金的固相线温度和1300K之间(Fe,Cr)硼化物的相分数可几乎没有变化。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物max可以≥2％(或≥约2％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物max可以≥5％(或≥约5％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物max可以≥10％(或≥约10％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物max可以≥15％(或≥约15％)。
第二个热力学标准是具有通式M2B和/或M3B2的相的摩尔分数，其中这些相中的一个或多个的一部分在基质的液相线之前形成[1002]。这些相有一种组成，使得M2B中的M包含≥10重量％(或≥约10重量％)的Fe、Cr、Mo和W中的每一种；和M3B2中的M可以包含≥15重量％(或≥约15重量％)的Fe、Mo和W中的每一种；和对于这两相，Fe+Cr+Mo+W可以为≥70重量％(或≥约70重量％)的M。该相缩写为(Fe,Cr,Mo,W)硼化物。出于实用的目的，该相的摩尔分数可以在1300K下测量[1003]。在一些实施方案中，(Fe,Cr,Mo,W)硼化物的摩尔分数≥5％(或≥约5％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr,Mo,W)硼化物的摩尔分数≥10％(或≥约10％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr,Mo,W)硼化物的摩尔分数≥15％(或≥约15％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr,Mo,W)硼化物的摩尔分数≥20％(或≥约15％)。
第三个热力学标准是在从熔融状态材料完全凝固(固相线)之前形成的具有主要由组成的金属成分的碳化物或硼碳化物的摩尔分数。当该标准为0％(或约0％)时，没有碳化物或硼碳化物可从液体生成。该标准将缩写为：在固相线处的(硼)碳化物分数。该标准可以允许精确控制本专利中描述的合金的微观结构。具体来说，可以允许避免形成初级碳化物或硼碳化物，并可以确保(Fe,Cr)硼化物的形成。在一些实施方案中，在固相线处的(硼)碳化物分数可以≤5％(或≤约5％)。在一些实施例中，在固相线处的(硼)碳化物分数可以为0％(或约0％)。
微观结构标准
以下描述的微观结构标准可以定义显示出优异的韧性和优异耐磨性的合金空间。所描述的铁合金可以由至少2种不同的可以从液体形成并且可以遵循以下微观结构标准的硬质相组成。
在一些实施方案中，可以存在具有通式M2B和/或M3B2的一个或多个硼化物相，其中这些相具有3个特定性质。1)M2B中的M可以由≥10重量％(或≥约10重量％)的以下元素Fe、Cr、Mo和W中的每一种组成，以及M3B2中的M可以由≥15重量％的(或≥约15重量％)以下Fe、Mo和W中的每一种组成。2)Fe+Cr+Mo+W可以≥70重量％(或≥约70重量％)的M。3)一个或多个相体积分数的一部分可能不是以共晶结构形成的，而是近球状形态。这种硬质相将被称为(Fe,Cr,Mo,W)硼化物。这种硬质相可以具有超过2000HV(或超过约2000HV)的硬度，并因此增加的相分数可以对耐磨性产生显著的影响。此外，该相可以具有近球状形态，因此在可保持高韧性同时仍保持耐磨损性能。在一些实施方案中，(Fe,Cr,Mo,W)硼化物的体积分数可以为≥5％(或≥约5％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr,Mo,W)硼化物的体积分数可以为≥10％(或≥约10％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr,Mo,W)硼化物的体积分数可以为≥15％(或≥约15％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr,Mo,W)硼化物的体积分数可以在5％至30％(或约5％至约30％)之间。在一些实施方案中，(Fe,Cr,Mo,W)硼化物的体积分数可以在10％至25％(或约10％至约25％)之间。
在一些实施方案中，可以存在其中Fe+Cr≥75重量％(或≥约75重量％)的金属成分的硼化物相。这将被称为(Fe,Cr)硼化物。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物的体积分数可以为≥2％(或≥约2％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物的体积分数可以为≥5％(或≥约5％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物的体积分数可以为≥10％(或≥约10％)。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物的体积分数可以在2％至25％(或约2％至约25％)之间。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物的体积分数可以在5％至20％(或约5％至约20％)之间。在一些实施方案中，(Fe,Cr)硼化物的体积分数可以在10％至20％之间。
在一些实施方案中，从液体形成的初级碳化物或硼碳化物的体积分数可以为≤5％。在一些实施方案中，可能不存在初级碳化物或硼碳化物。
在一些实施方案中，最大尺寸超过50μm(或约50μm)的硬质相的体积分数≤25％。在一些实施方案中，最大尺寸超过50μm(或约50μm)的硬质相的体积分数≤20％。在一些实施方案中，最大尺寸超过50μm(或约50μm)的硬质相的体积分数≤15％。在一些实施方案中，最大尺寸超过50μm(或约50μm)的硬质相的体积分数≤10％。在一些实施方案中，没有硬质相的最大尺寸可能超过50μm(或约50μm)。
应用和使用过程：
该专利中描述的合金可用于各种应用和工业中。一些非限制性应用实例包括：
露天开采应用包括下列部件和用于下列部件的涂层：用于浆料管道的耐磨套管和/或耐磨表面硬化层、泥浆泵部件包括泵壳或叶轮或用于泥浆泵部件的表面硬化层，矿石进料槽组件包括槽块或槽块的表面硬化层，分离筛包括但不限于旋转破碎筛、香蕉筛和振动筛，用于自动研磨机和半自动研磨机的衬层，接地工具和接地工具的表面硬化层，用于铲斗和自卸车衬层的耐磨板，垫块和用于采矿铲上的垫块的表面硬化层，平地机叶片和平地机叶片的表面硬化层、堆取料机、分级破碎机、采矿部件和其它粉碎部件的一般性耐磨包装。
石油和天然气下游应用包括下列部件和用于下列部件的涂层：井下套管和井下套管，钻杆和用于钻杆包括耐磨带的涂层，泥浆管理组件，泥浆马达，压裂泵套筒，压裂叶轮，压裂搅拌机泵，止动环，钻头和钻头组件，定向钻井设备和用于包括稳定器和扶正器的定向钻井设备的涂层，防喷器和用于防喷器和包括剪切闸板的防喷器组件的涂层，石油工业用管材和用于石油工业用管材的涂层。
石油和天然气上游应用包括下列部件和用于下列部件的涂层：过程容器和用于包括蒸汽发生设备、胺容器、蒸馏塔、旋风分离器、催化裂化器、一般精炼管道、绝缘保护下的腐蚀、硫回收装置、对流罩、酸汽提管线、洗涤器、烃桶和其他精炼设备和容器的过程容器的涂层。
纸浆和纸张应用包括下列部件和用于下列部件的涂层：造纸机械中使用的辊筒，其包括杨克烘缸和其他烘干机、压延辊、机械辊、压榨辊、蒸煮器、纸浆混合机、碎浆机、泵、锅炉、碎纸机、薄纸造纸机、卷和打捆机、刮刀、蒸发器、磨浆机、流浆箱、电线配件、压榨部件、光泽烘缸、卷纸机、复卷机、真空泵、疏解机和其他纸浆和造纸设备。
发电应用包括下列部件和用于下列部件的涂层：锅炉管、沉淀器、火箱、涡轮机、发电机、冷却塔、冷凝器、管槽、螺旋推运器、集尘室、管道、引风机、煤管道和其他发电组件。
农业应用包括下列部件和用于下列部件涂层：滑槽、底切割机刀片、饲料槽、一次风机叶片、二次风机叶片、螺旋推运器和其他农业应用。
建筑应用包括下列部件和用于下列部件的涂层：水泥滑槽、水泥管道、集尘室、搅拌设备和其他建筑应用。
机械元件应用包括下列部件和用于下列部件的涂层：轴颈、纸辊、齿轮箱、驱动辊、叶轮、通用回收和尺寸恢复应用以及其他机械元件应用。
钢材应用包括下列部件和用于下列部件的涂层：冷轧机、热轧机、线材轧机、镀锌线、连续酸洗线、连铸辊和其他钢材轧辊以及其他钢材应用。
该专利中描述的合金可以有效地以各种技术生产和/或沉积(deposit)。该过程的一些非限制性实例包括：
热喷涂工艺包括使用例如双丝电弧、喷涂、高速电弧喷涂、燃烧喷涂的线材原料的工艺以及使用例如高速氧气燃料、高速空气喷涂、等离子体喷涂、爆炸喷涂和冷喷的粉末原料的工艺。线材原料可以是金属芯线、实心线或药芯焊丝的形式。粉末原料可以是单一的均匀合金或多种合金粉末的组合，当熔化在一起时其产生所需的化学。
焊接工艺包括使用线材原料的那些，包括但不限于金属惰性气体(MIG)焊、钨惰性气体(TIG)焊、电弧焊、埋弧焊、明弧焊、块体焊接、激光熔覆，以及使用粉末原料的那些，包括但不限于激光熔覆和等离子体转移弧焊。线材原料可以是金属芯线、实心线或药芯焊丝的形式。粉末原料可以是单一的均匀合金或多种合金粉末的组合，当熔化在一起时其产生所需的化学。
铸造工艺包括生产铸铁的典型工艺包括但不限于砂型铸造、永久模铸造、冷硬铸造、熔模铸造、消失模铸造、压铸、离心铸造、玻璃铸造、流铸，和生产锻钢产品的典型工艺包括连续铸造工艺。
后处理技术包括但不限于轧制，锻造，表面处理如渗碳、渗氮、碳氮共渗、热处理，包括但不限于奥氏体化处理、正火、退火、消除应力、回火、老化、淬火、深冷处理、火焰淬火、感应淬火、差别硬化、表面硬化、脱碳、机加工、研磨、冷加工、加工硬化和焊接。
从上述描述中，将理解的是公开了发明的铁合金。虽然已经描述了一些具有一定特殊性的部件、技术和方面，显而易见的是在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下对上面描述的具体设计、结构和方法可以做出许多改变。
在各自实施的上下文中，在本公开内容中描述的某些特征也可以在单个实施中组合实现。相反，在单个实施的上下文中描述的各种特征也可以分开地或以任何合适的子组合在多个实施中实现。此外，虽然以上可以将特征描述为以某些组合的方式起作用，但是在一些情况下，来自所要求保护的组合的一个或多个特征可以从组合中切离，并且该组合可以作为任何子组合或任何子组合的变体要求保护。
此外，虽然方法可以在附图中描绘或者以特定顺序在说明书中描述，但是这些方法不必以所示的特定顺序或按顺序次序执行，并且不必执行所有方法，来实现期望的结果。没有示出或描述的其它方法可以并入示例性方法和过程中。例如，一个或多个附加方法可以在所描述的任何方法之前、之后、同时或之间执行。此外，可以在其他实施中重新排列或重新排序方法。而且，上述实施中的各种系统组件的分离不应被理解为在所有实施中需要这样的分离，并且应当理解为所描述的组件和系统通常可以集成在单个产品中或者被打包成多个产品。另外，其他实施也在本公开内容的范围内。
除非另有明确说明或在所使用的上下文中以其它方式理解，条件语言例如“可以”、“能”、“可能”或“也许”，通常旨在表达某些实施方案包括或不包括某些特征、元素和/或步骤。因此，这种条件语言通常不意图暗示以任何方式对于一个或多个实施方案需要特征、元素和/或步骤。
除非另有明确规定或在所使用的上下文中以其它方式理解，例如短语“X、Y和Z中的至少一个”这样的连接语言通常表达项目、术语等可以是X、Y或Z。因此，这样连接语言通常不旨在暗示某些实施方案需要至少一个X、至少一个Y和至少一个Z的存在。
如本文所使用的程度语言，例如本文使用的术语“约”、“大约”、“通常”和“基本上”代表接近所述值、数量或特性的一个值、数量或特性，其仍然执行期望的功能或达到期望的结果。例如，术语中“约”、“大约”、“通常”和“基本上”可以指的这个数量是所述量的小于或等于10％，小于或等于5％，小于或等于1％，小于或等于0.1％，以及小于或等于0.01％的范围内。如果所述量为0(例如，无，没有)，则上述范围可以是特定范围，而不在该值的特定百分比内。例如，在所述量的小于或等于10重量/体积％，小于或等于5重量/体积％，小于或等于1重量/体积％，小于或等于0.1重量/体积％，小于或等于0.01重量/体积％的范围内。
一些实施方案已经结合附图被描述。这些图是按比例绘制的，但是这种比例不应该受到限制，因为超出显示范围的尺寸和比例是设想的并在所公开的发明的范围内。距离、角度等仅仅是说明性的，并不一定与所示设备的实际尺寸和布置具有确切的关系。组件可以添加、删除和/或重新排列。此外，本文中公开的与各种实施方案相关的任何特定特征、方面、方法、性质、特性、质量、属性，元素等可以用于本文所阐述的所有其它所有实施方案中。另外，应当认识到本文所述的任何方法可以使用适用于执行所述步骤的任何装置来实践。
尽管已经详细描述了许多实施方案及其变体，但使用它们的其它修改和方法对本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，应当理解为在不脱离本文的独特和发明内容或权利要求的范围的情况下，各种应用、修改、材料和替换可以由等同内容组成。

Claims (19)

1.一种铁合金，所述铁合金被配置以形成一种基质，所述基质包括：
近球状的过共晶硼化物和/或硼碳化物；
其中所述近球状的过共晶硼化物和/或硼碳化物的体积分数≥5％，其中近球状相的长宽比≤2:1，长宽比被定义为近球状的过共晶硼化物和/或硼碳化物的横截面的长轴与正交直径之间的比率；
其中横截面最大尺寸≥50um和长宽比大于2:1的过共晶棒状相的体积分数≤5％；
其中硼化物和硼碳化物的总体积分数≥10％；
其中所述合金包含Fe以及按重量％计的下列组分：
B:1.95-5.5；
C:0-2.08；
Cr:1.52-24；
Mo:2.9-22；
Ti:0-7.21；
W:0-19.2；
Nb:0-6；和
Zr:0-3.2。
2.权利要求1的合金，其中所述近球状的 过共晶硼化物和/或硼碳化物包含M2(C,B)或M3(C,B)2，其中M包括Fe、Cr、Mo和/或W，且其中M≥15重量％Mo+W。
3.权利要求1的合金，其中所述铁合金的基质中的所有硬质相具有≤50μm的横截面最大尺寸。
4.权利要求1的合金，所述基质进一步包含体积分数在1％至25％之间的从液体形成的碳化物，其中所述碳化物具有≥75重量％的Ti、V、Zr、W、Mo、Hf、Nb中一种或多种的金属成分。
5.权利要求1的合金，所述基质进一步包含体积分数≤15％的在液体中形成的具有式M23(C,B)6、M7(C,B)3和M3(C,B)中一个或多个的硼碳化物，其中M为Fe和/或Cr。
6.权利要求1的合金，其中Mo+W大于或等于8。
7.权利要求1的合金，用于粉碎、耐磨包覆、SAG磨、AG磨、用于石油钻井的井下工具、破碎机齿、接地工具、耐磨板、振动筛、浆料管、农业工具以及任何其它过程，在所述任何其它过程中磨损和/或冲击是材料失效来源。
8.一种由权利要求1的合金形成的耐磨层。
9.权利要求8的耐磨层，其中通过GMAW、GTAW、OAW、SAW、PTAW、块体焊接、激光焊接、铸造或任何其它焊接或涂覆工艺形成所述层。
10.一种耐磨铁合金，其包含：
摩尔分数≥5％的在液相线处的M2B或M3B2，其中M包括Fe、Cr、Mo和/或W，并且其中M≥15重量％Mo+W；和
摩尔分数≤5％的在液相线处的过共晶棒状相；
其中在1300K下所有硼化物和硼碳化物的总摩尔分数≥10％；和
其中所述合金包含Fe以及按重量％计的下列组分：
B:1.95-5.5；
C:0-2.08；
Cr:1.52-24；
Mo:2.9-22；
Ti:0-7.21；
W:0-19.2；
Nb:0-6；和
Zr:0-3.2。
11.权利要求10的合金，其中硼化物和硼碳化物的总摩尔分数≥10％。
12.权利要求10的合金，其进一步包含在1300K下摩尔分数在1％至25％之间的碳化物，并且其中所述碳化物具有≥75重量％的Ti、V、Zr、W、Mo、Hf、Nb中一种或多种的金属成分。
13.权利要求10的合金，其进一步包含有在Scheil和平衡凝固下，摩尔分数≤15％的在固相线处的具有式M23(C,B)6，M7(C,B)3和M3(C,B)中一个或多个的硼化物或硼碳化物，其中M为Fe和/或Cr。
14.权利要求10的合金，用于粉碎、耐磨包覆、SAG磨、AG磨、用于石油钻井的井下工具、破碎机齿、接地工具、耐磨板、振动筛、浆料管、农业工具以及任何其它过程，在所述其它任何过程中磨损和/或冲击是材料失效来源。
15.一种由权利要求10的合金形成的耐磨层。
16.一种铁合金，所述铁合金被配置以形成一种基质，所述基质包括：
铁素体、奥氏体、马氏体、珠光体和/或贝氏体中的一种或多种；
其中在1300K下测量，具有≥75重量％的铁加铬金属成分的硼化物的摩尔分数≥5％；
其中当在1300K下测量，具有≥75重量％的Nb、Ti、V、Zr、W、Mo、Hf中一种或多种的金属成分的一种或多种碳化物、硼化物和/或硼碳化物的摩尔分数≥5％；和
其中在液相线前形成的过共晶并且具有≥75重量％铁加铬的金属成分的硼化物的摩尔分数≤15％；
所述合金包含Fe以及按重量％计的下列组分：
B:1.1-2.62；
C:1.46-2.57；
Cr:14.9-21.6；
Si:0-1.36；
Ti:0-7.5；
W:0-4.6；
Zr:0-14；和
Nb:0-10。
17.权利要求16的合金，其中在凝固期间在固相线处测量的具有≥75重量％的铁加铬的金属成分的碳化物或硼碳化物的摩尔分数≤5％。
18.权利要求16的合金，其中所述合金包含铁以及按重量％计的下列组成：
B:2.62C:1.84Cr:20.7Si:1.2Ti:4.2W:4.6；
B:1.56C:2.01Cr:18.8Si:1.2Zr:14；
B:1.91C:2.57Cr:21.1Si:1.2Ti:3.8Zr:5.7；
B:1.2C:1.94Cr:16.7Si:1.36Zr:12；
B:1.3C:2.16Cr:18.5Zr:10.7；
B:1.68C:1.65Cr:21.6Ti:4.93；或
B:1.1C:1.46Cr:19.4Ti:4.57。
19.一种由权利要求16的合金形成的耐磨层。
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