CN107949653A - 用于粉末制造的形成非磁性强碳化物的合金 - Google Patents

Abstract

本文公开了形成非磁性强碳化物的合金的实施方案。特别地，所述合金可以有利地用于粉末制造。本公开内容的实施方案可以具有低的FCC‑BCC转变温度以及具有1000Vickers或更高的硬度的硬质颗粒。所述合金可以与例如钻杆工具接头、钻铤、井下稳定器或油田部件结合使用，特别是作为耐磨带部件。

Description

用于粉末制造的形成非磁性强碳化物的合金

通过参考任何优先权申请的引入

对于在与本申请一起提交的申请数据表中标识的外国或国内优先权权利要求的任何和所有申请在37 CFR 1.57下通过引用并入本文。

技术领域

本公开通常涉及可使用普通金属粉末制造技术生产的非磁性合金，其用作用于等离子体转移弧和激光熔覆表面硬化(hardfacing)工艺的有效原料。

背景技术

磨耗是操作人员在涉及砂、岩石或其它极硬的介质对表面进行磨损的应用中的主要问题。经历严重磨耗的应用通常使用高硬度的材料作为表面硬化涂层。表面硬化材料通常含有碳化物和/或硼化物作为硬质沉淀物，其耐磨并增加材料的散装硬度(bulkhardness)。

冶金学家熟知某些碳化物比其它碳化物硬得多。同样众所周知的是，在潜在的制造工艺过程中，最硬的碳化物和硼化物也倾向于在高温下在液体合金中形成。在粉末制造的情况下，高温碳化物和/或硼化物是不合需要的，因为它们会从液体合金中沉淀出来并沉淀到雾化喷嘴上，带来制造工艺过程中的复杂性，因此使这些类型的合金与此工艺不相容。

许多公开内容涉及用于形成钻探部件使用的非磁性合金，包括美国专利第4,919,728号和美国专利公开号2005/0047952，前者详述了制造非磁性钻柱部件的方法，后者描述了非磁性抗腐蚀高强度钢，其全部内容均通过引用整体并入本文。所述专利和申请均描述了小于1.01的磁导率。所描述的组合物具有最大0.15重量％碳、1重量％硅，且不含硼。上述硬质颗粒形成元素的低含量和不存在表明合金不会沉淀出足够的硬质颗粒，如果有的话。可以进一步预期的是，可能提供用于高磨损环境的不足的耐磨性和硬度。

此外，第4,919,728号美国专利描述了含有碳含量低于0.25重量％的合金，而第2005/0047952号美国专利公开详述了碳含量低于0.1重量％。随着这些碳含量并结合不含硼，几乎不会形成赋予耐磨带耐磨性的硬质颗粒。

第4,919,728号美国专利还公开了用于在各种温度下冷加工以获得某些性质的方法。然而，在如表面硬化的涂层应用中，冷加工是不可能的。零件的尺寸和几何形状需要过度的变形载荷以及均匀地冷加工特殊零件例如工具接头的目前未知的方法。

另外，第2010/0009089号美国专利公开详细描述了用于适用于需要非磁性性质的高磨损应用的涂层的非磁性合金，其全部内容通过引用并入本文。在此公开内容中列出的合金是镍基的，具有预成型碳化钨硬质球形颗粒，其在焊接过程中以30-60重量％的量倒入到熔化的焊接材料内。

同样，第2014/0105780号和第2015/0275341号美国专利公开详述了用于需要非磁性性质的高磨损应用的非磁性涂层，其全部内容均通过引用并入本文。但是，这些合金不能使用粉末雾化工艺进行制造。

提供用于油&气钻探表面硬化应用中的竞争磨损机理的合金化解决方案的公开内容包括但不限于第4,277,108；4,666,797；6,117,493；6,326,582；6,582,126；7,219,727号美国专利和第2002/0054972号美国专利公开。第2011/0220415和2011/004069号美国公开公开了用于钻杆组件的超低摩擦涂层。第6,375,895、7,361,411、7,569,286、20040206726、20080241584和2011/0100720号美国专利公开了用于竞争磨损机理的硬质合金的用途。本段中列出的每个专利和专利申请全部内容通过引用并入本文。

发明内容

本申请的实施方案包括但不限于表面硬化材料，用于制造这种表面硬化材料的合金或粉末组合物，形成所述表面硬化材料的方法以及包含这些表面硬化材料的或由这些表面硬化材料保护的部件或基体。

本文公开了包含形成或被配置以形成材料的合金的制品的实施方案，所述材料包含具有约950K或低于约950K的FCC-BCC转变温度的基质和表现出约1000Vickers或更高的硬度的极硬颗粒，所述极硬颗粒具有大于约5摩尔％或更高的极硬颗粒分数，和约200K或更低的极硬颗粒熔化范围。

在一些实施方案中，所述基质可以包含至少约7摩尔％的铬。在一些实施方式中，所述材料可以在基质中包含至少约90％体积分数的奥氏体，极硬颗粒的分数为约5体积％或更大，ASTM G65磨损损失为约1.5g或更小，相对磁导率为约1.03μ或更低，和根据ASTMG31在盐水中的耐腐蚀性为约5mpy或更低，其中所述基质不含任何在大于基质的形成温度以上约200K的温度下开始形成的极硬颗粒。

在一些实施方案中，所述制品可以进一步包含Fe和以重量百分比计的C：约1.8至约6，Cr：约0至约24.7，Mn：约0至约18，V：约6至约20，Mo：约0至约4，W：约0至约5.2，Ti：约0至约1，Nb：约0至约1，以及Ni：约0至约14。

在一些实施方案中，所述制品可以是粉末。本文还公开了钻杆工具接头的实施方案，其中本文描述的制品用作表面硬化层。本文还公开了钻铤(drill collar)的实施方案，其中本文描述的制品用作表面硬化层。本文还公开了井下稳定器的实施方案，其中本文描述的制品用作表面硬化层。本文还公开了在定向钻探应用中使用的油田部件的实施方案，其中本文描述的制品用作表面硬化层。

在一些实施方案中，所述制品可以包含Fe，和以重量百分比计的C：约2.5至约4.5，Cr：约11.5至约16.5，Mn：约8.5至约14.5，和V：约10.0至约16.0。在一些实施方案中，所述制品可以包含Fe和以重量％计的：

C：3.0，Cr：12.0，Mn：12.0，V：15.0；

C：4.0，Cr：16.0，Mn：12.0，V：15.0；

C：4.0，Cr：16.0，Mn：13.4，V：15.1；

C：3.0，Cr：12.1，Mn：9.8，V：14.9；

C：3.8，Cr：16.0，Mn：13.7，V：14.7；

C：2.8，Cr：12.5，Mn：10.4，V：15.3；

C：3.9，Cr：16.1，Mn：14.0，V：15.6；

C：2.9，Cr：12.1，Mn：9.6，V：14.4；

C：2.6，Cr：11.9，Mn：11.6，V：10.0；或

C：2.6，Cr：11.9，Mn：8.5，V：10.6。

本文还公开了包含形成或被配置以形成材料的合金的制品的实施方案，所述材料包含：包含至少约90％体积分数奥氏体的基质，表现出约1000Vickers或更高的硬度的极硬颗粒，所述极硬颗粒具有约5体积％或更高的分数，并且其中所述基质不含任何在大于所述基质的形成温度以上约200K的温度下开始形成的极硬颗粒。

在一些实施方案中，所述基质可以包含至少约7重量％的铬。在一些实施方案中，所述制品可以包含Fe和以重量百分比计的C：约1.8至约6，Cr：约0至约24.7，Mn：约0至约18，V：约6至约20，Mo：约0至约4，W：约0至约5.2，Ti：约0至约1，Nb：约0至约1，和Ni：约0至约14。

在一些实施方案中，所述制品可以是粉末。本文还公开了钻杆工具接头的实施方案，其中本文描述的制品用作表面硬化层。本文还公开了钻铤的实施方案，其中本文描述的制品用作表面硬化层。本文还公开了井下稳定器的实施方案，其中本文描述的制品用作表面硬化层。本文还公开了在定向钻探应用中使用的油田部件的实施方案，其中本文描述的制品用作表面硬化层。

在一些实施方案中，所述制品可以包含Fe，和以重量百分比计的C：约2.5至约4.5，Cr：约11.5至约16.5，Mn：约8.5至约14.5，和V：约10.0至约16.0。在一些实施方案中，所述制品包含Fe和以重量％计的：

C：3.0，Cr：12.0，Mn：12.0，V：15.0；

C：4.0，Cr：16.0，Mn：12.0，V：15.0；

C：4.0，Cr：16.0，Mn：13.4，V：15.1；

C：3.0，Cr：12.1，Mn：9.8，V：14.9；

C：3.8，Cr：16.0，Mn：13.7，V：14.7；

C：2.8，Cr：12.5，Mn：10.4，V：15.3；

C：3.9，Cr：16.1，Mn：14.0，V：15.6；

C：2.9，Cr：12.1，Mn：9.6，V：14.4；

C：2.6，Cr：11.9，Mn：11.6，V：10.0；或

C：2.6，Cr：11.9，Mn：8.5，V：10.6。

本文还公开了包含形成或被配置以形成材料的合金的制品的实施方案，所述材料包含约1.5g或更小的ASTM G65磨损损失，约1.03μ或更低的相对磁导率，和根据ASTM G31在盐水中的约5mpy或更低的耐腐蚀性。

在一些实施方案中，可以将所述材料形成为焊接状态的表面硬化层不显示任何开裂。

在一些实施方案中，所述制品可以进一步包含Fe和以重量百分比计的C：约1.8至约6，Cr：约0至约24.7，Mn：约0至约18，V：约6至约20，Mo：约0至约4，W：约0至约5.2，Ti：约0至约1，Nb：约0至约1，以及Ni：约0至约14。

在一些实施方案中，所述制品可以是粉末。本文还公开了钻杆工具接头的实施方案，其中本文描述的制品用作表面硬化层。本文还公开了钻铤的实施方案，其中本文描述的制品用作表面硬化层。本文还公开了井下稳定器的实施方案，其中本文描述的制品用作表面硬化层。本文还公开了在定向钻探应用中使用的油田部件的实施方案，其中本文描述的制品用作表面硬化层。

在一些实施方案中，所述制品可以包含Fe和以重量百分比计的：C：约2.5至约4.5，Cr：约11.5至约16.5，Mn：约8.5至约14.5和V：约10.0至约16.0。在一些实施方案中，所述制品可以包含Fe和以重量％计的：

C：3.0，Cr：12.0，Mn：12.0，V：15.0；

C：4.0，Cr：16.0，Mn：12.0，V：15.0；

C：4.0，Cr：16.0，Mn：13.4，V：15.1；

C：3.0，Cr：12.1，Mn：9.8，V：14.9；

C：3.8，Cr：16.0，Mn：13.7，V：14.7；

C：2.8，Cr：12.5，Mn：10.4，V：15.3；

C：3.9，Cr：16.1，Mn：14.0，V：15.6；

C：2.9，Cr：12.1，Mn：9.6，V：14.4；

C：2.6，Cr：11.9，Mn：11.6，V：10.0；或

C：2.6，Cr：11.9，Mn：8.5，V：10.6。

本文进一步公开的是钻杆工具接头、钻铤、井下稳定器或用于定向钻孔应用的油田部件的实施方案，其中本文所公开的制品用作表面硬化层。

附图说明

图1示出了具有组成为Fe：58、C：3、Cr：12、Mn：12和V：15的公开的合金的实施方案的示例性平衡凝固图。

图2示出了来自第2015/0275341号美国专利公开的合金1的平衡凝固图。

图3是具有组成为Fe：58、C：3、Cr：12、Mn：12和V：15的公开的合金的实施方案的微观结构。

具体实施方式

本公开内容的实施方案通常涉及合金及其设计的工艺，当所述合金在表面硬化工艺中用作表面硬化合金时，其形成极硬的碳化物和硼化物，同时保持奥氏体。表面硬化合金通常是指沉积到基体上的一类材料，用于生成耐各种磨损机理：磨耗、冲击、侵蚀、刨削等的坚硬层。本公开内容的实施方案可涉及表面硬化层和由本文所述的合金制成的表面硬化层保护的部件。此外，所述合金可以用于普通的粉末制造技术，如气体雾化、真空雾化以及用于制造金属粉末的其他类似工艺。

如本文所公开的，术语合金可以指形成本文公开的粉末的化学组合物、粉末本身以及通过加热和/或沉积所述粉末形成的金属组分的组合物。

具体而言，在一些实施方案中，使用计算冶金学鉴定在较低温度下形成极硬的碳化物和硼化物但也形成非磁性奥氏体基质的合金。

所公开的合金的实施方案可以用于磨耗应用中，例如原油中的勘探井或天然气领域如定向钻孔等，并且对于公开的合金结合到包括钻杆的钻柱部件中可以有利地由具有磁导率值低于约1.02或可能甚至低于1.01的材料制成(关于钻柱部件的API规范7，其全部内容通过引用并入本文)，以便能够符合井眼(bore hole)的确切位置并且确定并纠正与其预测过程的偏差。

金属合金组成

在一些实施方案中，可以通过具体的组合物来描述所述合金，以重量％计，其中Fe作余量，如表1所示，所述组合物已经使用计算冶金学进行确定并被成功地实验制造。

表1：成功制造成表面硬化非磁性粉末的合金

合金	C	Cr	Mn	V
					1	3.0	12.0	12.0	15.0
2	4.0	16.0	12.0	15.0
					3	4.0	16.0	13.4	15.1
4	3.0	12.1	9.8	14.9
					5	3.8	16.0	13.7	14.7
6	2.8	12.5	10.4	15.3
					7	3.9	16.1	14.0	15.6
8	2.9	12.1	9.6	14.4

在一些实施方案中，所述合金可以通过以重量％计的组成范围来描述，其至少部分基于表2和表3中示出的组合物，所述组合物满足所公开的热力学参数且旨在形成奥氏体基质。

·Fe：余量

·C：1.8至6(或约1.8至约6)

·Cr：0至24.7(或约0至约24.7)

·Mn：0至18(或约0至约18)

·V：6至20(或约6至约20)

·Mo：0至4(或约0至约4)

·W：0至5.2(或约0至约5.2)

·Ti：0至1(或约0至约1)

·Nb：0至1(或约0至约1)

·Ni：0至14(或约0至约14)

在一些实施方案中，所述合金可以用重量％计的组成范围描述。

·Fe：余量

·C：2.5至4(或约2.5至约4)

·Cr：10.8至16(或约10.8至约16)

·Mn：9.5至14(或约9.5至约14)

·V：13.5至15(或约13.5至约15)

在一些实施方案中，所述合金可以用重量％计的组成范围描述。

C：2.5至4.5(或约2.5至约4.5)

Cr：11.5至16.5(或约11.5至约16.5)

Mn：8.5至14.5(或约8.5至约14.5)

V：10.0至16.0(或约10.0至约16.0)

表2：以锭形式制成的实验合金化学成分

表3：对于选定的实验锭，通过辉光放电光谱法测得的合金化学成分

在上述段落中描述的所有组合物中鉴定的Fe含量可能是如上示出的组成的余量，或者可选地，组成的余量可以包含Fe和其它元素。在一些实施方案中，余量可能基本上由Fe组成并且可能包括附带的杂质。

热力学标准

在一些实施方案中，所述合金可以完全由一个或多个热力学标准定义，所述热力学标准用于准确预测其性质、性能和可制造性。图1中展示出了具有组成为Fe：58、C：3、Cr：12、Mn：12和V：15的合金的这些热力学标准。

第一个热力学标准与合金中铁基质的FCC-BCC转变温度有关。所述FCC-BCC转变温度[101]被定义为FCC相(奥氏体)的摩尔分数随着温度降低开始下降并且BCC相(铁素体)的摩尔分数此时大于0摩尔％处的温度。FCC-BCC转变温度是合金的基质的最终相的指标。

在一些实施方案中，所述FCC-BCC转变温度可以等于或低于950K(或等于或低于约950K)。在一些实施方案中，所述FCC-BCC转变温度可以等于或低于900K(或等于或低于约900K)。在一些实施方案中，所述FCC-BCC转变温度可以等于或低于850K(或等于或低于约850K)。

第二个热力学标准与微观结构中的极硬颗粒的总浓度有关。极硬颗粒可以定义为碳化物、硼化物或硼碳化物。随着极硬颗粒的摩尔分数[102]增加，合金的散装硬度增加，因此耐磨性也会增加，并且可有利于表面硬化应用。为了本公开的目的，极硬颗粒被定义为表现出1000Vickers(或者约1000Vickers)或更高硬度的相。极硬颗粒的总浓度定义为满足或超过1000Vickers(或约1000Vickers)在合金中1300K(或约1300K)下热力学稳定的所有相的总摩尔％。

在一些实施方案中，硬质颗粒分数可以是5摩尔％(或约5摩尔％)或更高。在一些实施方案中，硬质颗粒分数可以是10摩尔％(或约10摩尔％)或更高。在一些实施方案中，硬质颗粒分数可以是15摩尔％(或约15摩尔％)或更高。

第三个热力学标准与由100％液态的凝固过程中极硬颗粒的形成温度有关。所述极硬颗粒在升高的温度下从液体中沉淀出来，这在粉末制造工艺中产生各种问题，包括但不限于粉末堵塞、增加粘度、所需粉末尺寸的产率较低以及颗粒形状不适当。因此，对于粉末制造目的，降低极硬颗粒的形成温度会是有利的。

极硬颗粒的形成温度被定义为硬质相在合金中热力学存在的最高温度。将该温度与铁基质相的形成温度进行比较，并用于计算熔化范围。所述熔化范围[103]简单地定义为极硬颗粒的形成温度减去基质形成温度。对于粉末制造工艺，使熔化范围最小化会是有利的。

在一些实施方案中，熔化范围可以是200K(或约200K)或更低。在一些实施方案中，熔化范围可以是150K(或约150K)或更低。在一些实施方案中，熔化范围可以是100K(或约100K)或更低。

图2展示了第2015/0275341号美国专利公开中公开的合金的热力学相图。如图所示，该合金的熔化范围[201]远大于本文公开的熔化范围热力学标准。因此，该合金可能难以用于粉末雾化工艺。

在一些实施方案中，合金具有增加的耐腐蚀性会有利地防止锈形成。在这样的实施方案中，可以使用附加的热力学标准。这个标准是1300K(或约1300K)处铁基基质相中的铬含量。该标准被指定为基质铬含量。在一些实施方案中，所述基质铬含量可以是7摩尔％(或约7摩尔％)或更高。在一些实施方案中，所述基质铬含量可以是10摩尔％(或约10摩尔％)或更高。在一些实施方案中，所述基质铬含量可以是12摩尔％(或约12摩尔％)或更高。

表4示出了满足一些或全部上述热力学标准的本公开内容的大量不同的示例性组合物。如表中所示，对于组合物以重量％计为：C：2-4，Cr：7-16.6，Fe：37-71.8，Mn：0-18，Mo：0-10，Ni：0-14，V：8-20，W：0-10，和热力学性质：FCC-BCC转变温度(A列)：700-950K，基质Cr含量摩尔％(B列)：7.0-17.0，硬质相摩尔％(C列)：5.3-34.8，和硬质相熔化范围(D列)：-50-200K。

表4：合金组合物和热力学标准

微观结构标准：

在一些实施方案中，合金可以通过其具有的一种或多种微观结构特征来描述。与以热力学材料描述的概念相似，希望具有含高分数的极硬颗粒的FCC(奥氏体)Fe基基质相，以增加耐磨性。这些微观结构标准示于图3。

第一个微观结构标准与主要是奥氏体的Fe基基质相[301]，铁或钢的非磁性形式有关。铁素体和马氏体是这种合金空间中两种最常见和可能的基质相形式。两者都是高磁性，并且如果存在足够的量，就会阻止表面硬化合金满足磁性能要求。在一些实施方案中，基质可以是至少90％体积分数的奥氏体(或至少约90体积％奥氏体)。在一些实施方案中，基质可以是至少95％体积分数的奥氏体(或至少约95体积％奥氏体)。在一些实施方案中，基质可以是至少99％体积分数的奥氏体(或至少约99体积％奥氏体)。

第二个微观结构标准与极硬颗粒的总测量体积分数[302]有关。在一些实施方案中，合金可以具有至少5体积％(或至少约5体积％)的极硬颗粒。在一些实施方案中，合金可以具有10体积％(或至少约10体积％)的极硬颗粒。在一些实施方案中，合金可以具有15体积％(或至少约15体积％)的极硬颗粒。

在一些实施方案中，合金具有增加的耐腐蚀性会是有利的。众所周知，为了提高耐腐蚀性，基质中必须含有高重量％的铬。例如，可以使用能量色散光谱仪测定基质中铬的重量百分比[303]。在一些实施方案中，基质中铬的含量可以是7重量％(或约7重量％)或更高。在一些实施方案中，基质中铬的含量可以是10重量％(或约10重量％)或更高。在一些实施方案中，基质中铬的含量可以是12重量％(或约12重量％)或更高。

性能标准：

在一些实施方案中，可以通过满足一个或多个有利的性能特征描述合金。表面硬化合金的耐磨性通常以ASTM G65干砂磨损试验进行表征，其全部内容通过引用并入本文。可制造性通常以制造工艺过程中生成的预期粉末尺寸的产率进行表征。为了确定合金是否是非磁性的，通常使用磁导率测试来表征材料。材料的耐腐蚀性通常使用ASTM G31标准进行表征，其全部内容通过引用并入本文。材料的抗裂性通常使用ASTM E1417标准进行表征，其全部内容通过引用并入本文。

在一些实施方案中，表面硬化合金层可以具有小于1.5克(或小于约1.5克)的ASTMG65磨损损失。在一些实施方案中，表面硬化合金层可以具有小于1.25克(或小于约1.25克)的ASTM G65磨损损失。在一些实施方案中，表面硬化合金层可以具有小于1.1克(或小于约1.1克)的ASTM G65磨损损失。

在一些实施方案中，表面硬化合金可以具有1.03μ或更小(或约1.03μ或更小)的相对磁导率。在一些实施方案中，表面硬化合金可以具有1.02μ或更小(或约1.02μ或更小)的相对磁导率。在一些实施方案中，表面硬化合金可以具有1.01μ或更小(或约1.01μ或更小)的相对磁导率。

在一些实施方案中，合金可以呈现出每平方英寸焊接状态的硬化表面(hardfacing)2英寸或更少(或约2英寸或更少)的横向开裂。在一些实施方案中，合金可以呈现出每平方英寸焊接状态的硬化表面1.5英寸或更小(或者约1.5英寸或更小)的横向开裂。在一些实施方案中，合金可以呈现出每平方英寸焊接状态的硬化表面1英寸或更小(或者约1英寸或更小)的横向开裂。

在一些实施方案中，合金可以具有依据ASTM G31在盐水中5mpy或更小(或约5mpy或更小)的耐腐蚀性。在一些实施方案中，合金可以具有依据ASTM G31在盐水中3mpy或更小(或约3mpy或更小)的耐腐蚀性。在一些实施方案中，合金可以具有依据ASTM G31在盐水中1mpy或更小(或约1mpy或更小)的耐腐蚀性。

此外，将合金制造成粉末通常是有益的，作为生产散装(bulk)产品或施加涂层到基体上的中间步骤。通过雾化或其他制造方法制造粉末。这种工艺用于特定合金的可行性通常是合金的凝固行为及因此其热力学特征的函数。

为了制造用于诸如等离子体转移弧(PTA)、高速氧燃料(HVOF)、激光焊接的工艺以及其他粉末冶金工艺的粉末，有利地是能够高产率地制造上述指定的尺寸范围内的粉末。所述制造工艺可以包括形成合金熔体，迫使熔体通过喷嘴形成材料流，并且在生成的熔体流处喷射水或空气以将其凝固成粉末形式。然后筛分粉末以消除不符合具体尺寸要求的任何颗粒。

所公开的合金的实施方案可以以高产率制造成粉末，用于这样的工艺。另一方面，许多合金，例如其它常见的耐磨材料，由于它们的性质例如其热力学性质，当被雾化成粉末时，会具有低产率。因此，它们不适用于粉末制造。

在一些实施方案中，可以以50％(或约50％)或更高的产率将表面硬化合金制成53-180μm(或约53至约180μm)的粉末尺寸分布。在一些实施方案中，可以以60％(或约60％)或更高的产率将表面硬化合金制成53-180μm(或约53至约180μm)的粉末尺寸分布。在一些实施方案中，可以以70％(或约70％)或更高的产率将表面硬化合金制成53-180μm(或约53至约180μm)的粉末尺寸分布。

实施例：

以下实施例旨在是说明性的而非限制性的。

实施例1

为了将其用作等离子体转移弧焊接和激光熔覆的原料，通过商业雾化工艺成功地将表1中列出的合金3-8制成53-180μm的尺寸。合金1和2是对于表1中列出的制成的粉末的标称(nominal)化学成分。这些粉末用于等离子体转移弧焊接工艺，具有表5中提供的参数以制造表面硬化层。

表5：用于制造作为表面硬化层的合金3-8的等离子体转移弧焊接参数。

电压	电流强度	粉末进料	横移速率	宽度	厚度
						28V	180A	34g/min	46mm/min	24mm	3mm

根据本公开内容中的热力学标准表征制成的粉末。每种合金的热力学性质的结果示于表6。

表6：用于表征合金3-8的热力学性质。

横剖表面硬化层，并根据本公开内容中的微观结构标准表征微观结构。每种合金的微观结构性质的结果列于表7。

表7：用于表征合金3-8的微观结构性质。

另外，根据本公开内容中的性能标准表征每个表面硬化层。100％的符合热力学标准的制成的合金，使得到符合微观结构标准的微观结构。因此，所公开的热力学标准是微观结构的良好指标。表8列出了每种合金的性能特性。

表8：用于表征合金3-8的性能特性。

100％的符合微观结构标准的制成的合金也符合性能标准。因此，所公开的微观结构标准是性能的良好指标。至于粉末的可制造性，这涉及追溯到硬质相熔化范围的热力学标准。

应用

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。

下游石油和天然气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。

上游石油和天然气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(M.G.cylinders)、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、混合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。

本专利中描述的合金可以有效地以多种技术制造和/或沉积。工艺的一些非限制性例子包括：

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、本体焊接、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、渗硼、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、机械加工、研磨、冷加工、加工硬化和焊接。

从上述描述中，将理解的是公开了对于非磁性合金的发明的产品和方法。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。

在各自实施的背景中，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，在单个实施的背景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语境中以其它方式理解，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所述特征、元素和/或步骤。

除非另有明确规定或在所使用的语境中以其它方式理解，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在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公开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)

1.一种制品，其包含形成或被配置以形成材料的合金，所述材料包含：

具有等于或低于约950K的FCC-BCC转变温度的基质；和

表现出约1000Vickers或更高的硬度的极硬颗粒，所述极硬颗粒具有：

大于约5摩尔％或更大的极硬颗粒分数；和

约200K或更低的极硬颗粒熔化范围。

2.权利要求1所述的制品，其中所述基质包含至少约7摩尔％的铬。

3.权利要求1所述的制品，所述材料包含：

在基质中至少约90％体积分数的奥氏体；

极硬颗粒的分数为约5体积％或更大；

约1.5g或更小的ASTM G65磨损损失；

约1.03μ或更低的相对磁导率；和

根据ASTM G31在盐水中约5mpy或更小的耐腐蚀性；

其中所述基质不含任何在高于所述基质的形成温度之上约200K的温度下开始形成的极硬颗粒。

4.权利要求1所述的制品，还包含Fe和以重量百分比计的：

C：约2.5至约4.5；

Cr：约11.5至约16.5；

Mn：约8.5至约14.5；和

V：约10.0至约16.0。

5.权利要求1所述的制品，其中所述制品是粉末。

6.权利要求1所述的制品，其中形成所述制品的粉末原料包含Fe和以重量％计的：

C：3.0，Cr：12.0，Mn：12.0，V：15.0；

C：4.0，Cr：16.0，Mn：12.0，V：15.0；

C：4.0，Cr：16.0，Mn：13.4，V：15.1；

C：3.0，Cr：12.1，Mn：9.8，V：14.9；

C：3.8，Cr：16.0，Mn：13.7，V：14.7；

C：2.8，Cr：12.5，Mn：10.4，V：15.3；

C：3.9，Cr：16.1，Mn：14.0，V：15.6；

C：2.9，Cr：12.1，Mn：9.6，V：14.4；

C：2.6，Cr：11.9，Mn：11.6，V：10.0；或

C：2.6，Cr：11.9，Mn：8.5，V：10.6。

7.一种钻杆工具接头、钻铤、井下稳定器或用于定向钻探应用的油田部件，其具有用作表面硬化层的权利要求1的制品。

8.一种制品，其包含形成或被配置以形成材料的合金，所述材料包含：

包含至少约90％体积分数奥氏体的基质；和

表现出约1000Vickers或更高的硬度的极硬颗粒，所述极硬颗粒具有约5体积％或更大的分数；

其中所述基质不含任何在高于所述基质的形成温度之上约200K的温度下开始形成的极硬颗粒。

9.权利要求8所述的制品，其中所述基质包含至少约7重量％的铬。

10.权利要求8所述的制品，其还包含Fe和以重量百分比计的：

C：约2.5至约4.5；

Cr：约11.5至约16.5；

Mn：约8.5至约14.5；和

V：约10.0至约16.0。

11.权利要求8所述的制品，其中所述合金是粉末。

12.权利要求8所述的制品，其中形成所述制品的粉末原料包含Fe和以重量％计的：

C：3.0，Cr：12.0，Mn：12.0，V：15.0；

C：4.0，Cr：16.0，Mn：12.0，V：15.0；

C：4.0，Cr：16.0，Mn：13.4，V：15.1；

C：3.0，Cr：12.1，Mn：9.8，V：14.9；

C：3.8，Cr：16.0，Mn：13.7，V：14.7；

C：2.8，Cr：12.5，Mn：10.4，V：15.3；

C：3.9，Cr：16.1，Mn：14.0，V：15.6；

C：2.9，Cr：12.1，Mn：9.6，V：14.4；

C：2.6，Cr：11.9，Mn：11.6，V：10.0；或

C：2.6，Cr：11.9，Mn：8.5，V：10.6。

13.一种钻杆工具接头、钻铤、井下稳定器或用于定向钻探应用的油田部件，其具有用作表面硬化层的权利要求8的制品。

14.一种制品，其包含形成或被配置以形成材料的合金，所述材料包含：

约1.5g或更低的ASTM G65磨损损失；

约1.03μ或更低的相对磁导率；和

根据ASTM G31在盐水中约5mpy或更小的耐腐蚀性。

15.权利要求14所述的制品，其中形成为焊接表面硬化层的材料不显示任何开裂。

16.权利要求14所述的制品，还包含Fe和以重量百分比计的：

C：约2.5至约4.5；

Cr：约11.5至约16.5；

Mn：约8.5至约14.5；和

V：约10.0至约16.0。

17.权利要求14所述的制品，其中所述制品是粉末。

18.权利要求14所述的制品，其中形成所述制品的粉末原料包含Fe和以重量％计的：

C：3.0，Cr：12.0，Mn：12.0，V：15.0；

C：4.0，Cr：16.0，Mn：12.0，V：15.0；

C：4.0，Cr：16.0，Mn：13.4，V：15.1；

C：3.0，Cr：12.1，Mn：9.8，V：14.9；

C：3.8，Cr：16.0，Mn：13.7，V：14.7；

C：2.8，Cr：12.5，Mn：10.4，V：15.3；

C：3.9，Cr：16.1，Mn：14.0，V：15.6；

C：2.9，Cr：12.1，Mn：9.6，V：14.4；

C：2.6，Cr：11.9，Mn：11.6，V：10.0；或

C：2.6，Cr：11.9，Mn：8.5，V：10.6。

19.一种钻杆工具接头、钻铤、井下稳定器或用于定向钻探应用的油田部件，其具有用作表面硬化层的权利要求14的制品。