CN108350528A - 无铬和低铬耐磨合金 - Google Patents

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Abstract

本文公开了可以具有低铬含量或无铬的表面硬化/耐磨带材料、合金或粉末组合物的实施方案。在一些实施方案中，所述合金可以包含具有特定金属组分重量百分比的过渡金属硼化物和硼碳化物。公开的合金可具有高硬度和ASTM G65性能，使其有利地用于表面硬化/耐磨带应用。

Description

无铬和低铬耐磨合金
通过参考任何优先权申请的引入
本申请要求2015年9月4日提交的题为“无铬和低铬耐磨合金”的第62/214,485号美国临时申请的权益，2016年3月22日提交的题为“无铬和低铬耐磨合金”的第62/311,507号美国临时申请的权益和2016年5月13日提交的题为“无铬和低铬耐磨合金”的第62/335,988号美国临时申请的权益，其全部内容通过引用并入本申请。
技术领域
本公开内容的实施方案一般涉及具有低铬含量或无铬含量的铁合金。
背景技术
磨料磨损和侵蚀性磨损是操作人员在涉及砂、岩石或其它硬介质对表面进行磨损的应用中的主要问题。经历严重磨损的应用通常使用高硬度的材料来抵抗由于严重磨损导致的材料失效。这些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(bulk hardness)。这些材料通常通过各种焊接工艺被应用作称为表面硬化的涂层或被直接铸造成部件。
用于铸造和表面硬化的最常用的耐磨铁材料含有铬作为合金添加剂。铬作为合金元素通常用于两个目的，改善淬透性并形成含铬的碳化物、硼化物和/或硼碳化物。这两个目的都能改善材料的磨损性能。但是，当含铬的合金被铸造或焊接时，释放出致癌的六价铬烟雾。释放的铬的量主要与合金的铬含量有关，随着铬含量的增加导致更大的释放。由这些合金释放的六价铬含量常常超过由OSHA、NIOSH、CARB和其它监管机构设立的标准、建议标准和指南。在制造含铬合金的地区，铬含量经常超过EPA规定的最大值。最近，已经提出了更低的可接受的安全水平，并且需要新材料来促进符合当前和未来的法律法规。
美国专利第8,474,541号和第6,702,905号教导了形成过渡金属硼化物的含铬的Fe基合金，其全部内容均通过引用并入本文。
已经有一些开发无铬且耐磨的铁合金的具体尝试。例如，第2013/0294962号美国公开(“Wallin”)描述了一种无铬的表面硬化消耗品，其全部内容通过引用并入本文。所述申请中描述的合金的耐磨性来自铌或钛的碳化物和硼化物或硼碳化物的结合，其中金属成分大部分包含铁。
相似地，第7,569,286号、第8,268,453号、第4,673,550号、第4,419,130号美国专利教导了包括无铬合金的合金，所述无铬合金的耐磨性实质上依赖于硼化物，其全部内容均通过引用并入本文。这些硼化物主要包含Fe和Ti基的硼化物。
第4,235,630号美国专利(“Babu”)教导了包含硼铁和钼的混合物的耐磨合金，其全部内容通过引用并入本文。Babu教导了硼化物的体积和摩尔分数，其超过本公开内容中描述的标准。此外，Babu描述了其中基质包含大量的共晶Fe-Mo金属间化合物或硼化铁的合金。
发明内容
本申请的实施方案包括但不限于表面硬化/耐磨带(hardbanding)材料，用于制造这种表面硬化/耐磨带材料的合金或粉末组合物，形成表面硬化/耐磨带材料的方法以及包含这些表面硬化/耐磨带材料的或由这些表面硬化/耐磨带材料保护的部件或基体。
本文公开了低铬或无铬铁合金的实施方案，所述合金包含小于或等于约3重量％的铬，其中所述合金被形成或被配置以形成在平衡凝固条件下包含过渡金属硼化物和硼碳化物的总摩尔分数大于或等于约5重量％的材料，其中过渡金属硼化物和硼碳化物的金属组分包含大于或等于约15重量％的Ti+W+Mo+V。
在一些实施方案中，孤立(isolated)碳化物的摩尔分数可以在5至40％之间，其中碳化物的金属组分包含大于50重量％的钒。
在一些实施方案中，合金可以包含小于或等于约0.5重量％的铬。在一些实施方案中，合金可以包含小于或等于约0.01重量％的铬。在一些实施方案中，合金可以不包含铬。
在一些实施方案中，材料可以包含在1300K下平衡时的总硬质相摩尔分数大于或等于约10％，其中硬质相选自硼化物、硼碳化物、氮化物、碳化物、氧化物、硅化物、laves相、铝化物和碳氮化物。在一些实施方案中，所述材料中脆化硬质相可以包含Fe2B、M23(C，B)6、M7(C，B)3和M3(C，B)，当在基质固相线温度测量时，其摩尔分数小于或等于约10％，其中M是大于或等于约75重量％的Fe。
在一些实施方案中，在平衡凝固条件下，材料的FCC-BCC转变温度可以小于或等于约1300K。在一些实施方案中，在平衡凝固条件下，材料的熔化范围可以小于或等于约250℃，熔化范围被定义为第一硬质相到凝固的形成温度与基质液相线温度之间的差。
在一些实施方案中，材料可以具有大于或等于约55HRC的沉积硬度(depositedhardness)。在一些实施方案中，奥氏体化和淬火后材料的硬度可以大于或等于约55HRC。在一些实施方案中，奥氏体化和淬火后材料的硬度可以大于或等于约60HRC。
在一些实施方案中，材料可以包含具有规定的ASTM G65性能的合金。在一些实施方案中，材料可以包含在奥氏体化、淬火和回火工艺后具有规定的ASTM G65性能的合金。
在一些实施方案中，所述合金可以是粉末。在一些实施方案中，所述合金可以形成为表面硬化层。
本文还公开了低铬或无铬铁合金的实施方案，所述合金包含小于或等于约3重量％的铬，其中所述合金被形成或被配置以形成包含过渡金属硼化物和硼碳化物的总体积分数在5至50％之间的材料，其中硼化物和硼碳化物的金属组分包含大于或等于约15重量％的Ti+W+Mo+V。
在一些实施方案中，合金可以包含小于或等于约0.5重量％的铬。在一些实施方案中，合金可以包含小于或等于约0.01重量％的铬。在一些实施方案中，合金可以不包含铬。
在一些实施方案中，材料的总硬质相体积分数可以大于或等于约10％，其中硬质相是硼化物、硼碳化物、氮化物、碳化物、氧化物、硅化物、laves相、铝化物和碳氮化物。在一些实施方案中，材料的脆化硬质相的体积分数可以小于或等于约10％，其中脆化硬质相包含M23(C，B)6、M7(C，B)3和M3(C，B)，其中M是大于或等于约75重量％Fe。在一些实施方案中，所述材料可以具有大于或等于约5％体积分数的孤立碳化物，其中孤立碳化物包含MC型碳化物，所述MC型碳化物包含一种或多种以下元素：V、Ti、Nb、Zr、Hf、W、Mo。
在一些实施方案中，材料可以具有大于或等于约60HRC的沉积硬度(as depositedhardness)。在一些实施方案中，材料可以具有小于或等于约0.16克的ASTM G65程序A质量损失。
在一些实施方案中，所述合金可以是粉末。在一些实施方案中，合金可以形成为表面硬化层。
本文还公开了低铬或无铬合金的实施方案，所述合金包含以重量百分比计的下列元素：B：约0.8至约4，C：约0至约3，Cr：约0至约3，Mo+W：约2.1至约25，Ni：约0至约5，和V：约0至约20，其中余量为铁和杂质，其中Nb、Ti、Zr和/或Hf可以1:1比率代替V，使Nb、Ti、Zr、V和Hf的总量在约0至约20之间。
在一些实施方案中，合金可以进一步包含以重量百分比计的下列元素，B：约0.9至约1.8，C：约1.0至约2.2，Cr：约0至约1.0，Mo：约6.0至约14.0，Ni：约0至约2，和V：约6.0至约9.0，其中余量为铁和杂质，其中Nb、Ti、Zr和/或Hf可以1:1的比率代替V，使Nb、Ti、Zr、V和Hf的总量在约6.0至约9.0之间。在一些实施方案中，合金可以进一步包含以重量百分比计的下列元素，B：约0.95至约1.4，C：约1.4至约2.0，Cr：约0至约0.5，Mo：约9.0至约14.0，Ni：约0至约2，和V：约6至约8.5，其中余量为铁和杂质，其中Nb、Ti、Zr和/或Hf可以1:1的比率代替V，使Nb、Ti、Zr、V和Hf的总量在约6至约8.5之间。在一些实施方案中，合金可以进一步包含以重量百分比计的下列元素，B：约1.1，C：约1.7，Cr：约0，Mo：约9.5至约12，Ni：约1至约2，和V：约6.5至约8，其中余量为铁和杂质。在一些实施方案中，合金可包含小于或等于约0.1重量％的铬。
在一些实施方案中，合金可以进一步包含以重量百分比计的下列元素：B：约0.3至约0.95，C：约1.2至约2.1，Cr：约0至约3，Mo：约3至约9，Ni：约0至约3，和V：约4至约9，其中余量是铁和杂质。
在一些实施方案中，合金可以进一步包含以重量百分比计的下列元素：B：约1.6至约2.2，C：约2至约2.8，Cr：约0至约3，Mn：约0至约3，Mo：约12.5至约19.5，Ni：约0至约4，和V：约8至约14，其中余量是铁和杂质。在一些实施方案中，合金可以包含小于约1.5重量％的铬。
本文还公开了以化学组成范围描述的低铬或无铬合金的实施方案，其满足在本公开其它地方的热力学标准和微观结构标准。
在一些实施方案中，合金可以被配置以形成具有大于或等于约55HRC的沉积硬度的材料。在一些实施方案中，合金可以被配置以形成ASTM G65程序A质量损失小于或等于约0.16克的材料。
在一些实施方案中，所述合金可以形成为表面硬化层。在一些实施方案中，所述合金可以是粉末。
在一些实施方案中，合金可以形成为或被配置以形成在平衡凝固条件下过渡金属硼化物和硼碳化物的总摩尔分数大于或等于约5重量％的材料，其中过渡金属硼化物和硼碳化物的金属组分包含大于或等于约15重量％Ti+W+Mo+V。在一些实施方案中，合金可以形成为或被配置以形成在平衡凝固条件下总硬质相的摩尔分数大于或等于约10％的材料，其中硬质相选自硼化物、硼碳化物、氮化物、碳化物、氧化物、硅化物、laves相、铝化物和碳氮化物。在一些实施方案中，合金可以形成为或被配置以形成，在基质固相线温度测量时，在平衡凝固条件下包含脆化硬质相(M23(C，B)6、M7(C，B)3和M3(C，B))的摩尔分数小于或等于约10％的材料，其中M是大于或等于约75重量％的Fe。在一些实施方案中，合金形成为或被配置以形成在平衡凝固条件下材料中的孤立碳化物的摩尔分数大于或等于约5％的材料，其中孤立碳化物包含MC型碳化物，其包含一种或多种以下元素：V、Ti、Nb、Zr、Hf、W、Mo。在一些实施方案中，合金可以形成为或被配置以形成在平衡凝固条件下FCC-BCC转变温度小于或等于约1300K的材料。在一些实施方案中，合金可以形成为或被配置以形成在平衡凝固条件下熔化范围小于或等于约250℃的材料，其中熔化范围被定义为第一硬质相固化的形成温度和基质液相线温度之间的差。
本文还公开了形成表面硬化层的方法的实施方案，其包括热施加一层前述权利要求中任一项所述的合金。
本文还公开了低铬或无铬铁的表面硬化层的实施方案，所述表面硬化层包含小于或等于约3重量％的铬，并且过渡金属硼化物和硼碳化物的总摩尔分数大于或等于约5重量％，其中过渡金属硼化物和硼碳化物的金属组分包含大于或等于约15重量％的Ti+W+Mo+V。本文还公开了低铬或无铬铁表面硬化层的实施方案，所述表面硬化层包含小于或等于约3重量％的铬，并且过渡金属硼化物和硼碳化物的总体积分数大于或等于约5％，其中硼化物和硼碳化物的金属组分包含大于或等于约15重量％的Ti+W+Mo+V。
本文公开了低铬或无铬铁合金的实施方案，所述铁合金包含小于或等于约3重量％的铬，其中所述合金形成为或被配置以形成在平衡凝固条件下过渡金属硼化物和硼碳化物的总摩尔分数在约5至约50％之间的材料，其中所述过渡金属硼化物和硼碳化物的金属部分包含大于或等于约15重量％的W+Mo，并且所述材料中孤立碳化物的摩尔分数在约5至约40％之间，其中孤立碳化物被定义为具有一种或多种以下元素：V、Ti、Nb、Zr、Hf、W、Mo的MC型碳化物。
在一些实施方案中，孤立碳化物可具有大于或等于约50重量％的钒的金属组分。在一些实施方案中，合金可以包含小于或等于约0.01重量％的铬。在一些实施方案中，当在基质固相线温度测量时，材料中包含Fe2B、M23(C，B)6、M7(C，B)3和M3(C，B)的脆化硬质相的摩尔分数可小于或等于约10％，其中M是大于或等于约75重量％的Fe。在一些实施方案中，过渡金属硼化物和硼碳化物的金属部分可以包含大于或等于约35重量％的W+Mo。在一些实施方案中，在平衡凝固条件下，材料的FCC-BCC转变温度可以小于或等于约1300K。在一些实施方案中，在平衡凝固条件下，材料的熔化范围可以小于或等于约250℃，其中熔化范围被定义为第一硬质相凝固的形成温度与基质液相线温度之间的差。在一些实施方案中，材料可具有大于或等于约55HRC的沉积硬度，并且其中在奥氏体化和淬火后材料的硬度大于或等于约55HRC。
在一些实施方案中，可以将公开的合金制造成粉末、线材、铸件和/或用于磨损保护的表面硬化层。
在一些实施方案中，合金可以以重量百分比计包含：Fe和B：约0.5至约4，C：约0至约3，Cr：约0至约3，Mo+W：约2.1至约25，和V：约0至约20，其中Ti、Nb、Ta、Zr和/或Hf可以以约1:1的摩尔比代替V，和其中Mo+1.9*W与B的重量比为6至10.25之间。在一些实施方案中，合金可以以重量百分比计包含：Fe和B：1.64，C：2，Mo：13.6，V：8.5，B：1.8，C：2.2，Mo：15，V：9.35，B：2.2，C：2.8，Mo：17.7，V：12，B：2.05，C：2.6，Mo：16.3，V：11.1，B：1.1，C：2.85，Mo：10，V：11.7，B：0.95，C：2.45，Mo：8.6，V：10，B：1.64，C：2，Mn：1，Mo：13.6，Ni：1.3，Si：0.5，V：8.5，B：1.8，C：2.2，Mn：1，Mo：15，Ni：1.5，Si：0.5，V：9.35，B：2.2，C：2.8，Mn：1，Mo：17.7，Ni：1.7，Si：0.5，V12，B：2.05，C：2.6，Mn：1，Mo：16.3，Ni：1.6，Si：0.5，V11.1，B：1.1，C：2.85，Cr：1，Mn：1.2，Mo：10，Ni：1.4，Si：0.6，V11.7，B：0.95，C：2.45，Cr：0.8，Mn：1，Mo：8.6，Ni：1.2，Si：0.5，V：10，B：2.0，C：2.8，Mo：18，V：13，B：2.0，C：2.8，Mo：18，V：11.5，B：1.85，C：2.6，Mo：18，V：12，B：2.0，C：2.8，Mn：0.5，Mo：18，Ni：1.5，Si：0.5，V：13，B：2.0，C：2.8，Mn：0.5，Mo：18，Ni：1.5，Si：0.5，V：11.5，B：1.85，C：2.6，Mn：0.5，Mo：18，Ni：1.5，Si：0.5，V：12，或B：0.65，C：1.7，Cr：0.5，Mn：0.7，Mo：6，Ni：0.8，Si：0.4，V：7，其中Ti、Nb、Ta、Zr和/或Hf可以以约1:1的摩尔比代替V，并且其中W可以以约1:1的摩尔比代替Mo。
本文还公开了可以结合本文公开的合金用于磨损保护的采矿设备。在一些实施方案中，采矿设备可以包括接地工具、作业工具、唇缘护罩(lip shrouds)、切削刃(cuttingedges)、刀片、耐磨板和粉碎设备(comminution equipment)。
本文进一步公开了低铬或无铬铁合金的实施方案，所述铁合金包含小于或等于约3重量％的铬，其中所述合金形成为或被配置以形成过渡金属硼化物和硼碳化物的总体积分数在约5至约50％之间的材料，其中所述过渡金属硼化物和硼碳化物的金属部分包含大于或等于约15重量％的W+Mo，并且所述材料中孤立碳化物的体积分数在约5至约40％之间，其中孤立碳化物被定义为包含一种或多种以下元素：V、Ti、Nb、Zr、Hf、W、Mo的MC型碳化物。
在一些实施方案中，MC型碳化物可具有大于或等于约50重量％的钒的金属组分。在一些实施方案中，合金可以包含小于或等于约0.01重量％的铬。在一些实施方案中，材料的脆化硬质相的体积分数可小于或等于约10％，其中脆化硬质相包含Fe2B、M23(C，B)6、M7(C，B)3和M3(C，B)，其中M是大于或等于约75重量％的Fe。在一些实施方案中，材料可具有大于或等于约55HRC的沉积硬度，并且其中在奥氏体化和淬火后材料的硬度大于或等于约55HRC。
在一些实施方案中，合金可以以重量百分比计包含：Fe和B：约0.5至约4，C：约0至约3，Cr：约0至约3，Mo+W：约2.1至约25，和V：约0至约20，其中Ti、Nb、Ta、Zr和/或Hf可以以约1:1的摩尔比代替V，和其中Mo+1.9*W与B的重量比为6至10.25。
在一些实施方案中，合金可以重量百分比计包含：Fe和B：1.64，C：2，Mo：13.6，V：8.5，B：1.8，C：2.2，Mo：15，V：9.35，B：2.2，C：2.8，Mo：17.7，V：12，B：2.05，C：2.6，Mo：16.3，V：11.1，B：1.1，C：2.85，Mo：10，V：11.7，B：0.95，C：2.45，Mo：8.6，V：10，B：1.64，C：2，Mn：1，Mo：13.6，Ni：1.3，Si：0.5，V：8.5，B：1.8，C：2.2，Mn：1，Mo：15，Ni：1.5，Si：0.5，V：9.35，B：2.2，C：2.8，Mn：1，Mo：17.7，Ni：1.7，Si：0.5，V12，B：2.05，C：2.6，Mn：1，Mo：16.3，Ni：1.6，Si：0.5，V11.1，B：1.1，C：2.85，Cr：1，Mn：1.2，Mo：10，Ni：1.4，Si：0.6，V11.7，B：0.95，C：2.45，Cr：0.8，Mn：1，Mo：8.6，Ni：1.2，Si：0.5，V10，B：2.0，C：2.8，Mo：18，V：13，B：2.0，C：2.8，Mo：18，V：11.5，B：1.85，C：2.6，Mo：18，V：12，B：2.0，C：2.8，Mn：0.5，Mo：18，Ni：1.5，Si：0.5，V：13，B：2.0，C：2.8，Mn：0.5，Mo：18，Ni：1.5，Si：0.5，V：11.5.B：1.85，C：2.6，Mn：0.5，Mo：18，Ni：1.5，Si：0.5，V：12，或B：0.65，C：1.7，Cr：0.5，Mn：0.7，Mo：6，Ni：0.8，Si：0.4，V：7，其中Ti、Nb、Ta、Zr和/或Hf可以以约1:1的摩尔比代替V，和其中W可以以约1:1的摩尔比代替Mo。
本文进一步公开了低铬或无铬合金的实施方案，所述合金以重量百分比计包含：Fe和B：约0.5至约4，C：约0至约3，Cr：约0至约3，Mo+W：约2.1至约25，和V：约0至约20，其中Mo+1.9*W与B的重量比在6至10.25之间，并且其中Ti、Nb、Ta、Zr和/或Hf可以以约为1:1的摩尔比代替V。
在一些实施方案中，合金可以以重量百分比计包含：Fe和B：约0.6至约2.4，C：约1.6至约3，Mo：约5.5至约20，和V：约6.5至约14。在一些实施方案中，合金可以进一步以重量百分比计包含：Mn：约0至约3，Ni：约0至约3，和Si：约0至约1.5。
在一些实施方案中，合金可以以重量百分比计包含：Fe和B：1.64，C：2，Mo：13.6，V：8.5，B：1.8，C：2.2，Mo：15，V：9.35，B：2.2，C：2.8，Mo：17.7，V：12，B：2.05，C：2.6，Mo：16.3，V：11.1，B：1.1，C：2.85，Mo：10，V：11.7，B：0.95，C：2.45，Mo：8.6，V：10，B：0.65，C：1.7，Mo：6，V：7，B：1.64，C：2，Mn：1，Mo：13.6，Ni：1.3，Si：0.5，V：8.5，B：1.8，C：2.2，Mn：1，Mo：15，Ni：1.5，Si：0.5，V：9.35，B：2.2，C：2.8，Mn：1，Mo：17.7，Ni：1.7，Si：0.5，V12，B：2.05，C：2.6，Mn：1，Mo：16.3，Ni：1.6，Si：0.5，V11.1，B：1.1，C：2.85，Cr：1，Mn：1.2，Mo：10，Ni：1.4，Si：0.6，V11.7，B：0.95，C：2.45，Cr：0.8，Mn：1，Mo：8.6，Ni：1.2，Si：0.5，V10，B：0.65，C：1.7，Cr：0.5，Mn 0.7，Ni：0.8，Si：0.4，Mo：6，V：7，B：2.0，C：2.8，Mo：18，V：13，B：2.0，C：2.8，Mo：18，V：11.5，B：1.85，C：2.6，Mo：18，V：12，B：2.0，C：2.8，Mn：0.5，Mo：18，Ni：1.5，Si：0.5，V：13，B：2.0，C：2.8，Mn：0.5，Mo：18，Ni：1.5，Si：0.5，V：11.5，B：1.85，C：2.6，Mn：0.5，Mo：18，Ni：1.5，Si：0.5，V：12，或B：0.65，C：1.7，Cr：0.5，Mn：0.7，Mo：6，Ni：0.8，Si：0.4，V：7，其中Ti、Nb、Ta、Zr和/或Hf可以以约1:1的摩尔比代替V，和其中W可以以约1:1的摩尔比代替Mo。
附图说明
图1示出了公开的合金(X1)的实施方案的示例平衡凝固图。
图2示出了具有组成(B：2.2，C：2.2，Mo：12，Ni：2，V：8)的公开的合金的实施方案的示例平衡凝固图。
图3示出了本公开内容之外的合金(B：3.8，C：0.8，Mn：1.8，Nb：3，Ni：1.9，Si：0.6，W：0.8)的示例平衡凝固图。
图4示出了公开的合金(X1)的实施方案的示例显微照片。
图5示出了本公开内容之外的合金的实施方案的示例显微照片。
具体实施方式
本公开描述了可以提供与含铬材料相比相同的或更好的耐磨性，而不含或含有最少量的铬的铁合金的实施方案。具体而言，本文描述的合金的实施方案可以形成在硬质铁基质中含有显著比例的钨和/或钼的复合共晶硼化物和/或硼碳化物，使它们适合作为耐磨带/表面硬化合金，而没有铬或具有低含量的铬。另外，这些合金可以形成MC型的孤立碳化物，这增加了它们的耐磨性，同时抗冲击性或韧性几乎没有降低。
此外，本文讨论的合金的实施方案具体描述了对于磨损性能避免形成金属间化合物或硼化铁的合金。相反，本公开的实施方案中的合金由其中金属成分包含大部分的钨和/或钼的硼化物和/或硼碳化物得到它们的磨损性能。由于若干原因，这些硼化铁通常是不需要的。硼化铁一般比钼和/或钨的硼化物软得多，对于给定相分数的硼化物降低磨损性能。此外，它们倾向于形成针状的形态，特别是当以过共晶相存在时，降低韧性和抗冲击性。因为钛非常容易在焊接或其它加工步骤过程中经历的高温下氧化，因此含硼化钛的合金常常具有差的可焊性和显著的氧化物夹杂或多孔性。因此，本公开中描述的一些实施方案的合金的耐磨性可以不依赖于钛。
如本文公开的，术语耐磨带/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制：磨耗、冲击、侵蚀、刨削等的坚硬层的目的。本公开的实施方案可涉及表面硬化/表面硬化层和被由本文所述的合金制成的表面硬化/表面硬化层保护的部件。在此公开中描述的合金通常涉及耐磨材料。这些合金可用作表面涂层或经过铸造、烧结、热压、锻造或用于制造金属部件的任何其它制造工艺加工生成散装材料(bulk material)。
如本文公开的，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/或沉积粉末形成的金属部件的组合物。此外，合金可以是线材、铸件或其它块体合金(bulk alloy)。
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，其中可以控制相的形态、相分数和组成来获得特定的微观结构和性能。Fe-B-C-W-Mo体系足够复杂，即使对于本领域技术人员来说，控制相的分数、类型、组成和形态也不是显而易见的。添加一种或多种以下元素：V、Ti、Zr、Hf、Si、Mn、Ni、Nb，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的微观结构和物理性质。
金属合金组成
本公开的实施方案可以由它们的具体的金属合金组成定义。如所述，本文公开的实施方案的合金可以没有或含有有限的铬含量。由于至少这些以下原因，对合金中铬的含量设定了限制：1)无铬合金可以以沉积施加在含铬材料上，导致由于稀释而在合金中掺入铬。由这种方法释放的铬烟雾(fumes)仍然会低于由较高的铬沉积释放的铬烟雾，2)低含量的铬可能会被掺入合金中，并且与标准合金相比，仍然提供显著降低铬排放。这种降低可能足以满足至少以下监管标准：OSHA-1910.1026、1915.1026、1926.1026，其全部内容通过引用并入本文，以及3)通过各种途径可能将无意的铬杂质掺入到合金中。
在一些实施方案中，低铬合金可以包含≤3重量％(或≤约3重量％)的铬。在一些实施方案中，低铬合金可以包含≤2重量％(或≤约2重量％)的铬。在一些实施方案中，低铬合金可以包含≤1.5重量％(或≤约1.5重量％)的铬。在一些实施方案中，低铬合金可以包含≤1重量％(或≤约1重量％)的铬。在一些实施方案中，低铬合金可以包含≤0.5重量％(或≤约0.5重量％)的铬。
在一些实施方案中，无铬合金可以包含≤0.5重量％(或≤约0.5重量％)的铬。在一些实施方案中，无铬合金可以包含≤0.25重量％(或≤0.25重量％)的铬。在一些实施方案中，无铬合金可以包含≤0.1重量％(或≤0.1重量％)的铬。在一些实施方案中，无铬合金可以包含≤0.05重量％(或≤0.05重量％)的铬。在一些实施方案中，无铬合金可以包含≤0.01重量％(或≤0.01重量％)的铬。在一些实施方案中，无铬合金可以包含0重量％(或约0重量％)的铬。
在一些实施方案中，具有低铬或无铬的合金可以通过以重量％计的具体的组成来描述，其中Fe作为余量。已经使用计算冶金学确定了并成功地实验制得了表1中列出的合金。在一些实施方案中，表1的合金代表最终焊接化学成分。这些合金满足本公开中描述的特定的热力学和微观结构的实施方案。还包括后面会进一步讨论的硬度和ASTM G65程序A磨损测试结果。
表1：以Fe为余量按重量％计制造的锭的合金组成
在一些实施方案中，可以用化学成分范围来描述低铬或无铬合金。可以使用这个范围来描述用于制造线材或粉末的原料化学物质或描述最终的合金化学成分。例如，在一些实施方案中，所述合金可以由以重量百分比计的下列元素制成，其中余量为铁、杂质和来自以含铬基体稀释的铬：
B：0.8-4(或约0.8至约4)；
C：0-3(或约0至约3)；
Cr：0-3(或约0至约3)；
Mo+W：2.1-25(或约2.1至约25)；
Ni：0-5(或约0至约5)；
V：0-20(或约0至约20)；
或
B：0.5-4(或约0.5至约4)；
C：0-3(或约0至约3)；
Cr：0-3(或约0至约3)；
Mo+W：2.1-25(或约2.1至约25)；
V：0-20(或约0至约20)。
在一些实施方案中，钛、铌、锆、钽和/或铪可以以1:1(或接近1:1或约1:1)的摩尔比代替钒。在一些实施方案中，钒、钛、铌、锆、钽和/或铪的总量在0-20(或约0至约20)之间。这些元素都是强碳化物/硼化物形成者，可以互换使用，以进一步改善微观结构形态和磨损性能。
在一些实施方案中，合金可以进一步包含以铁作为余量按重量百分比计的下列元素：
B：0.9-1.8(或约0.9至约1.8)；
C：1.0-2.2(或约1.0至约2.2)；
Cr：0-1.0(或约0至约1.0)；
Mo：6-14.0(或约6.0至约14.0)；
Ni：0-2(或约0至约2)；和
V：6.0-9.0(或约6.0至约9.0)。
在一些实施方案中，合金可以进一步包含以铁作为余量按重量百分比计的下列元素：
B：0.95-1.4(或约0.95至约1.4)；
C：1.4-2.0(或约1.4至约2.0)；
Cr：0-0.5(或约0至约0.5)；
Mo：9.0-14.0(或约9.0至约14.0)；
Ni：0-2(或约0至约2)；和
V：6.0-8.5(或约6.0至约8.5)。
在一些实施方案中，合金可以进一步包含以铁作为余量按重量百分比计的下列元素：
B：0.3-0.95(或约0.3至约0.95)；
C：1.2-2.1(或约1.2至约2.1)；
Cr：0-3(或约0至约3)；
Mo：3.5-9.0(或约3.5至约9.0)；
Ni：0-3(或约0至约3)；和
V：4.0-9(或约4.0至约9)。
在一些实施方案中，合金可以进一步包含以铁作为余量按重量百分比计的下列元素：
B：1.6-2.2(或约1.6至约2.2)；
C：2.0-2.8(或约2.0至约2.8)；
Cr：0-3(或约0至约3)；
Mn：0-4(或约0至约4)；
Mo：12.5-19.5(或约12.5至约19.5)；
Ni：0-4(或约0至约4)；
Si：0-3(或约0至约3)；和
V：8.0-14.0(或约8.0至约14)。
在一些实施方案中，合金可以进一步包含以铁作为余量按重量百分比计的下列元素：
B：0.6-2.4(或约0.6至约2.4)
C：1.6-3(或约1.6至约3)
Mo：5.5-20(或约5.5至约20)
V：6.5-14(或约6.5至约14)
在一些实施方案中，合金可以进一步包含以铁作为余量按重量百分比计的下列元素：
Cr：0-3(或约0至约3)
Mn：0-3(或约0至约3)
Ni：0-3(或约0至约3)
Si：0-1.5(或约0至约3)
在一些实施方案中，合金可以包含以铁作为余量按重量百分比计的下列元素：
B：1.6-2.3(或约1.6至约2.3)
C：2-3(或约2至约3)
Cr：0-3(或约0至约3)
Mo：13-20(或约13至约20)；
Mn：0-3(或约0至约3)
Ni：0-3(或约0至约3)
Si：0-1.5(或约0至约1.5)
V：8-14(或约8至约14)。
在一些实施方案中，Mo+1.9*W与B的重量比可以在6至10.25之间(或在约6至约10.25之间)。在一些实施方案中，Mo+1.9*W与B的重量比可以在7.75至10之间(或在约7.75至约10之间)。
在一些实施方案中，可以将锰、硅、钛和/或铝加入到任何所述组合物中以用作脱氧剂并改变熔体的性质。通常，可以添加少于5重量％(或少于约5重量％)的锰、硅和/或铝。可以添加更多的钛以形成碳化物。在一些实施方案中，可以添加少于6重量％(或少于约6重量％)的钛。
在上述段落中描述的所有组合物中确定的Fe含量可以是如上所述的组合物的余量，或者可选地，组合物的余量可以包含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。
在一些实施方案中，可以将本公开中描述的合金制造成用于以PTA或激光熔覆的雾化粉末，并且用于其它粉末冶金加工成最终部件。这些粉末本身可以通过表2中所示的它们的化学成分充分描述。表2中的合金和由所述合金制成的焊接件至少满足本公开的一些热力学、微观结构、性能和其它实施方案。焊接工艺可以涉及用基体材料稀释以实现冶金结合。结果，焊接件的化学成分可能会改变不同于上面列出的那些成分，但仍然能够满足下面讨论的一些或全部标准。
表2：以Fe为余量按重量％计制造的粉末的合金组成
合金 B C Mn Mo Ni Si V
P1 2 2.8 0.5 18 1.5 0.5 11.5
P2 2 2.8 0.5 18 1.5 0.5 13
P3 1.8 2.2 1 15 1.5 .5 9.35
P4 1.85 2.6 .5 18 1.5 .5 12
在一些实施方案中，可以通过具体的化学成分描述制造成实心或包芯线材(coredwire)用于焊接或用作另一个工艺的原料的合金。表3描述了已经制造并且能够满足本公开的一些或全部具体标准的包芯线材。如上所述，当焊接时，可能存在一定程度的所涉及的基体的稀释。当在钢和/或其它铁基基体上焊接时，特定的和稀释的化学成分都描述了这些合金并满足本公开中其它地方描述的热力学和微观结构的实施方案。稀释通常可以是0％至60％(或约0％至约60％)的范围。
表3：以Fe为余量按重量％计制造的线材的合金组成
在一些实施方案中，公开的合金的焊接沉积物也可以通过使用一系列光谱技术直接测量的具体组成来描述。表4列出了使用辉光放电光谱(GDS)测量的在基体上沉积状态的(as-deposited)合金的化学成分，其可以满足本公开的热力学、微观结构和其它实施方案中的一些或全部。任何光谱技术都存在一定程度的不准确性，其精确性取决于各种因素，因此对于每个元素在报告值中都存在误差范围。
表4：以Fe为余量按重量％计沉积的焊接化学成分的合金组成
在一些实施方案中，公开的合金的焊接沉积物也可以通过使用一系列光谱技术直接测量的具体组成来描述。表5列出了符合本公开中描述的标准的合金化学成分。使用ICP、Leco C和/或XRF光谱技术测量这些化学成分。任何光谱技术都存在一定程度的不准确性，其精确性取决于各种因素，因此对于每个元素在报告值中都存在误差范围。
表5：以Fe为余量按重量％计的合金组成
合金 B C Cr Mn Mo Ni Si V W
合金1 1.92 2.61 .93 16.28 1.48 .56 8.42
合金1焊接的 1.34 1.46 .73 11.26 1.1 .35 7.6
合金2 1.95 2.75 .84 17.28 1.46 .46 9.79
合金2焊接的 1.52 1.74 .83 13.13 1.17 .31 8.3
合金3焊接的 1.62 1.9 1.25 12.43 1.26 .64 8.25
合金4焊接的 1.62 1.84 .94 11.5 1.16 .47 8.37
合金5 1.96 2.72 .56 18.04 1.58 .52 13.06
合金6 1.8 2.19 .99 15.17 1.57 .55 9.64
合金7 1.91 2.7 .56 18 1.6 .7 12
合金8 1.9 2.76 .56 18.35 1.55 .63 12.91
合金9 2.0 1.77 1.83 .83 17.76 2.56 1.44 11.24 .88
在一些实施方案中，本公开中描述的合金可以通过本体工艺焊接。这些合金以其标称粉末和最终化学组成描述于表6。在此工艺的实施方案中，使用粉末合金或者将粉末与其它合金粉末(粉末)混合，使得其本体化学成分(bulk chemistry)达到目标化学成分(最终的)。粉末可沉积在基体上，钢丝可焊接在粉末和基体的上部。因此，最终的化学成分可以是粉末、基体和/或钢丝以及任何使用的电极的组合。这就产生了焊接沉积物，其中焊接化学成分、微观结构、性能和热力学可以由所使用的参数和粉末的化学成分决定。改变这些性能的主要焊接参数是粉末与线材的比率以及熔池与基体的稀释程度。使用所述粉末的粉末与线材比率可以在0.6：1至2.2：1(或约0.6：1至约2.2：1)的范围内。稀释可以在0％至50％(或约0％至约50％)的范围内。
表6：在松装焊接法(bulk welding process)中使用的粉末的合金组成，以及松装焊接法中生成的焊道的最终的化学成分，所有成分按重量百分比计，以Fe为余量
因此，上表1-6中公开的组合物可以是粉末自身的组合物、粉末与其它材料(例如线材和基体)的组合、线材、铸件或焊接本身的最终组合物，并且所述组合物不限于特定的应用。
合金添加物的描述
在本公开中，可以使用某些特定的合金添加物来满足下面描述的各种热力学和微观结构标准。所描述的合金添加物目的是非限制性的并且用作示例。
本公开的实施方案允许形成特定类型的硼化物。硼是在合金中形成硼化物的必须的合金添加物。硼化物，特别是在铁合金体系中形成的过渡金属硼化物会比铁基质相硬。具有较硬的相会改善磨损性能，使得公开的合金的实施方案特别适用于表面硬化应用。这些硼化物与上面讨论的在Wallin中描述的几乎全部包含铁和硼的硼化物不同。
可以将足够量的钨和/或钼添加到合金中以形成具有与大部分包含铁和硼的硼化物不同的化学成分、结构和性质的复合硼化物。这些复合硼化物的性质可以包括：1)较高的硬度，使得以较低的硼化物相分数有相同的磨损性能和较高的韧性；2)没有棒状的相，这是一种不怎么脆的形态，进一步改善了韧性；3)允许精确控制合金中存在的特定类型的硼化物的热力学有利相。
单独的上述三种合金添加物都足以满足本公开的某些实施方案的微观结构和热力学标准。但是，为了要改变材料的性质和/或改善制造和加工的各种原因，可以添加另外的合金化添加物。
由于两个主要原因可以添加碳：1)碳促进马氏体基质的形成，所述马氏体基质比包括铁素体、奥氏体、珠光体和贝氏体的其它基质类型硬；2)碳可以与过渡金属结合形成改善磨损性能的碳化物。
除了碳之外，还可以将钒、钛、铌、锆、铪、钽和钨添加到合金中。这些元素与碳结合形成MC型碳化物，其形成孤立的形态并且极其坚硬，得到坚韧的耐磨合金。相反，其它碳化物如由铁和/或铬形成的那些碳化物不形成孤立的形态并且比上述MC型软得多。在足够高的温度下也会形成MC型碳化物，使得可能在宽范围的凝固条件下控制凝固过程中液体内的碳的量。这使得消除脆化硼碳化物相并进一步控制合金的性能。
在本公开的一些实施方案中，与钛、铌、锆、铪、钽和/或钨相比，钒可优选地用作碳化物形成物。这使得改善了高温下液体合金的流动性，因为主要含有钒的MC型碳化物倾向于在较低的温度下形成，改善粘度。这使得合金更容易雾化成粉末，改善焊接过程中的焊道(bead)形态，并且更容易铸造。
可以将镍和锰添加到合金中以改变FCC-BCC转变温度，使得在不同温度下发生在各种热处理中的奥氏体化步骤。镍还减缓凝固过程中珠光体、铁素体和贝氏体的形成，提高淬透性，从而使得在较低的冷却速率下获得马氏体基质。
硅、锰、铝和/或钛对合金具有脱氧作用，这改善了性能并避免了当在有氧的各种工艺中使用时的多孔性。
通过增加基质的碳当量，镍、硅、锰、钒、钼、硼、碳和铜都可以改善合金的淬透性。
热力学标准
可以通过某些平衡热力学标准来充分描述本公开的合金的实施方案。这些合金可以满足一些或全部所述的热力学标准。
在一些实施方案中，热力学标准是过渡金属硼化物和硼碳化物的总摩尔分数，其中金属组分包含≥15重量％(或≥约15重量％)的W+Mo。在一些实施方案中，热力学标准是过渡金属硼化物和硼碳化物的总摩尔分数，其中金属组分包含≥25重量％(或≥约25％)的W+Mo。在一些实施方案中，热力学标准是过渡金属硼化物和硼碳化物的总摩尔分数，其中金属组分包含≥50重量％(或≥约50重量％)的W+Mo。
在一些实施方案中，热力学标准是过渡金属硼化物和硼碳化物的总摩尔分数，其中金属组分包含≥15重量％(或≥约15重量％)的Ti+W+Mo+V。在一些实施方案中，热力学标准是过渡金属硼化物和硼碳化物的总摩尔分数，其中金属组分包含≥25重量％(或≥约25％)的Ti+W+Mo+V。在一些实施方案中，热力学标准是过渡金属硼化物和硼碳化物的总摩尔分数，其中金属组分包含≥50重量％(或≥约50重量％)的Ti+W+Mo+V。
该标准将被缩写为“复合硼化物”。增加复合硼化物的摩尔分数导致合金的磨损性能的提高。由于这些复合硼化物相比具有大部分包含铁和/或铬的金属组分的硼化物硬，因此获得相当的磨损性能，需要较低的相分数。例如，铁和/或铬硼化物会具有1700HV(或约1700HV)的硬度，而本文所述的硼化物可具有大于2000HV(或大于2000HV)的硬度。在大多数合金中，韧性与硼化物相分数呈反相关，因此以较低的分数提供相同的磨损性能是有利的。
复合硼化物的摩尔分数测量为平衡时所有硼化物的总和。在本公开中，在平衡凝固图中，在1300K(或约1300K)下测量复合硼化物的摩尔分数和化学成分。由于固体铁基质中的硼的溶解度非常小，因此1300K是使用中实际相分数的非常接近的近似值。可满足化学成分要求的相可以包含M2B、M3B2和B2M。在图1中，复合硼化物的相分数为15.6％，测量为1300K下M3B2的摩尔分数[101]。M3B2的金属组分包含约74重量％的Mo，满足化学成分限制。图1中的合金满足最具体的复合硼化物摩尔分数实施方案。
相反，在Wallin中描述的无铬焊接沉积物不满足该标准的实施方案。该合金的凝固图示于图3。硼化物和硼碳化物相都具有<15重量％的W+Mo。
在一些实施方案中，合金的复合硼化物的摩尔分数可以是≥5％(或≥约5％)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的摩尔分数可以是≥10％(或≥约10％)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的摩尔分数可以是≥15％(或≥约15％)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的摩尔分数可以在5％至50％之间(或约5％至约45％之间)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的摩尔分数可以在10％至35％之间(或约10％至约35％之间)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的摩尔分数可以在10％至25％之间(或约10％至约25％之间)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的摩尔分数可以在5％至45％之间(或约5％至约45％之间)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的摩尔分数可以在5％至30％之间(或约5％至约30％之间)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的摩尔分数可以在5％至25％之间(或约5％至约25％之间)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的摩尔分数可以在7.5％至30％之间(或约7.5％至约30％之间)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的摩尔分数可以在7.5％至25％之间(或约7.5％至约25％之间)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的摩尔分数可以在10％至30％之间(或约10％至约30％之间)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的摩尔分数可以在10％至25％之间(或约10％至约25％之间)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的摩尔分数可以在12.5％至25％之间(或约12.5％至约25％之间)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的摩尔分数可以在12.5％至20％之间(或约12.5％至约20％之间)。
在一些实施方案中，热力学标准是孤立碳化物的摩尔分数。孤立碳化物的例子包含MC型碳化物，其含有一种或多种以下元素：V、Ti、Nb、Zr、Hf、W、Mo。由这些元素形成的碳化物可以形成离散的且孤立的形态，这可以降低它们对合金的韧性的影响。M7C3、M23C6和M3C是不形成孤立形态的碳化物的例子。增加的孤立碳化物分数使得可以改善磨损性能而不使合金脆化。
孤立碳化物的摩尔分数测量为平衡时附着于上述组合物的所有碳化物相的总和。这个标准是在1300K测量的。在图1的合金中，唯一的孤立碳化物是VC，因此孤立碳化物的摩尔分数为14.1％[102]。
在一些实施方案中，孤立碳化物的摩尔分数是0％(或约0％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的摩尔分数可以是≥5％且<40％(或≥约5％且<约40％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的摩尔分数可以是≥10％且<40％(或≥约10％且<约40％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的摩尔分数可以是≥15％且<40％(或≥约15％且<约40％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的摩尔分数可以是≥10％且<30％(或≥约10％且<约30％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的摩尔分数可以是≥5％且<45％(或≥约5％且<约45％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的摩尔分数可以是≥5％且<30％(或≥约5％且<约30％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的摩尔分数可以是≥5％且<25％(或≥约5％且<约25％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的摩尔分数可以是≥5％且<20％(或≥约5％且<约20％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的摩尔分数可以是≥7.5％且<30％(或≥约7.5％且<约30％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的摩尔分数可以是≥7.5％且<25％(或≥约7.5％且<约25％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的摩尔分数可以是≥10％且<30％(或≥约10％且<约30％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的摩尔分数可以是≥10％且<25％(或≥约10％且<约25％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的摩尔分数可以是≥12.5％且<25％(或≥约12.5％且<约25％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的摩尔分数可以是≥12.5％且<20％(或≥约12.5％且<约20％)。
在一些实施方案中，孤立碳化物可以大部分包含钒作为金属组分。这些将被称为碳化钒，被定义为MC型碳化物，其中M包含≥50％的钒(或≥约50％)，在较低的温度下形成，有助于粉末、铸件和其它部件的制造。相对于其对耐磨性的贡献，钒也是具有成本效益的合金添加物。
在一些实施方案中，碳化钒的摩尔分数是0％(或约0％)。在一些实施方案中，碳化钒的摩尔分数可以是≥5％且<40％(或≥约5％且<约40％)。在一些实施方案中，碳化钒的摩尔分数可以是≥10％且<40％(或≥约10％且<约40％)。在一些实施方案中，碳化钒的摩尔分数可以是≥15％且<40％(或≥约15％且<约40％)。在一些实施方案中，碳化钒的摩尔分数可以是≥10％且<30％(或≥约10％且<约30％)。在一些实施方案中，碳化钒的摩尔分数可以是≥5％且<45％(或≥约5％且<约45％)。在一些实施方案中，碳化钒的摩尔分数可以是≥5％且<30％(或≥约5％且<约30％)。在一些实施方案中，碳化钒的摩尔分数可以是≥5％且<25％(或≥约5％且<约25％)。在一些实施方案中，碳化钒的摩尔分数可以是≥5％且<20％(或≥约5％且<约20％)。在一些实施方案中，碳化钒的摩尔分数可以是≥7.5％且<30％(或≥约7.5％且<约30％)。在一些实施方案中，碳化钒的摩尔分数可以是≥7.5％且<25％(或≥约7.5％且<约25％)。在一些实施方案中，碳化钒的摩尔分数可以是≥10％且<30％(或≥约10％且<约30％)。在一些实施方案中，碳化钒的摩尔分数可以是≥10％且<25％(或≥约10％且<约25％)。在一些实施方案中，碳化钒的摩尔分数可以是≥12.5％且<25％(或≥约12.5％且<约25％)。在一些实施方案中，碳化钒的摩尔分数可以是≥12.5％且<20％(或≥约12.5％且<约20％)。
下一个平衡热力学标准是总硬质相摩尔分数。在这种情况下，硬质相是硼化物、硼碳化物、氮化物、碳化物、氧化物、硅化物、laves相、铝化物和碳氮化物。在一些情况下，在该合金空间(alloy space)中，具有额外的硬质相以补充复合硼化物会是有利的。这使得可以微调微观结构、热力学和合金性质。例如，可以将碳化物添加到微观结构中以进一步增加硬质相分数，并且因此增加合金的磨损性能而基本上不会改变复合硼化物的形态。这可使得合金具有比单独由复合硼化物提供的更高的磨损性能。
总的硬质相摩尔分数测量为平衡时在1300K下所有硬质相的总和。在图1中，此摩尔分数计算为在1300K下存在的两个硬质相即M3B2 15.6％[101]和VC 14.1％[102]的总和。图1中合金的总的硬质相摩尔分数为29.7％，满足一些实施方案。
在一些实施方案中，总硬质相摩尔分数可以是≥5％(或≥约5％)。在一些实施方案中，总硬质相摩尔分数可以是≥10％。在一些实施方案中，总硬质相摩尔分数可以是≥15％(或≥约15％)。在一些实施方案中，总硬质相摩尔分数可以是≥20％(或≥约20％)。在一些实施方案中，总硬质相摩尔分数可以是≥25％(或≥约25％)。在一些实施方案中，总硬质相摩尔分数可以是≥30％(或≥约30％)。在一些实施方案中，总硬质相摩尔分数可以是≥35％(或≥约35％)。
下一个平衡热力学标准是脆化硬质相的摩尔分数。在本公开中，脆化硬质相是在固相线之前形成的Fe2B、M23(C，B)6、M7(C，B)3和M3(C，B)的总和，并且其中M是≥75重量％的Fe(或≥约75重量％的Fe)。当在凝固过程中由液体形成这些硬质相时，所述硬质相形成相互连接的形态，其可使合金脆化，降低冲击性能和韧性。
脆化硬质相的摩尔分数测量为平衡时在固相线温度下Fe2B、M23(C，B)6、M7(C，B)3和M3(C，B)的总和。在图1中，在固相线上不存在这些相，因此该值为0％。在图2中，这个标准是在固相线上M3(C，B)的摩尔分数，16％[201]。其中所述固相线被定义为低于液相存在的最低温度的一个温度阶段[202]。在此合金中，液相线温度是1300K[202]。
相反，如图3所示，Wallin合金“Wallin#2”具有约57％的总脆化硬质相分数。此摩尔分数计算为在1300K下测得的Fe2B[301]和M3(C，B)[302]的摩尔分数的总和。测得这些值分别为35％和22％。
在一些实施方案中，脆化硬质相的摩尔分数可以是≤10％(或≤约10％)。在一些实施方案中，脆化硬质相的摩尔分数可以是≤5％(或≤约5％)。在一些实施方案中，脆化硬质相的摩尔分数可以是≤3％(或≤约3％)。在一些实施方案中，脆化硬质相的摩尔分数可以是0％(或约0％)。
下一个平衡热力学标准是FCC-BCC转变温度。奥氏体(FCC)和铁素体(BCC)之间的这种转变温度表明当经受各种热处理时合金将如何表现。一个例子是当合金作为涂层被施加到随后会被硬化的钢基体如淬火钢和回火钢上时。用于硬化钢的热循环通常包括将奥氏体转变成马氏体和/或贝氏体。这可以通过在奥氏体化步骤中将合金加热到800℃至1000℃之间，然后在油、水或空气中淬火来完成。该过程的成功可取决于在加热过程中基质至奥氏体的完全转变。如果FCC-BCC转变温度接近或高于热处理循环的奥氏体化温度，则不会发生基质完全转变为奥氏体，并且随后的淬火不会形成马氏体或贝氏体。
FCC-BCC转变温度被定义为在平衡凝固条件下BCC相(铁素体)的第一形成温度之上的一个温度阶段。在图1中，FCC-BCC转变温度是1200K[103]，在图2中它是1050K[203]。
在一些实施方案中，FCC-BCC转变温度可以是≤1350K(或≤约1350K)。在一些实施方案中，FCC-BCC转变温度可以是≤1300K(或≤约1300K)。在一些实施方案中，FCC-BCC转变温度可以是≤1200K(或≤约1200K)。在一些实施方案中，FCC-BCC转变温度可以是≤1150K(或≤约1150K)。在一些实施方案中，FCC-BCC转变温度是≤1100K(或≤约1100K)。在一些实施方案中，FCC-BCC转变温度可以是≤1050K(或≤约1100K)。
下一个附加的平衡热力学标准是合金的熔化范围。合金的熔化范围是图1中第一硬质相形成温度[104]和基质的液相线温度[105]之间的差值。如果在相对于基质的凝固的升高的温度下，碳化物由液体沉淀出来，这会在粉末制造过程中产生许多问题，包括但不限于粉末堵塞、粘度增加、所需粉末尺寸的产率较低以及不适当的颗粒形状。因此，降低极硬颗粒的形成温度可能是有利的。
合金的硬质相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。将该温度与无论奥氏体还是铁素体的铁基质相的液相线温度进行比较，并用于计算熔化范围。粉末制造工艺期望使熔化范围最小。在图1中，硬质相(M3B2)形成温度是1650K[104]和液相线温度[105]是1550K，得到100K的熔化范围。该值在最具体的实施方案的范围内。图2中的合金具有250K的熔化范围[204][205]。
在一些实施方案中，熔化范围可以是≤250K(或≤约250K)。在一些实施方案中，熔化范围可以是≤200K(或≤约200K)。在一些实施方案中，熔化范围可以是≤150K。在一些实施方案中，熔化范围可以是≤100K(或≤约100K)。
在一些实施方案中，硼可以取代MC型碳化物中的一些碳。在一些实施方案中，碳可以取代复合硼化物相中的一些硼。在一些实施方案中，高达10％(或高达约10％)、高达20％(或高达约20％)、高达30％(或高达约30％)、高达40％(或高达至约40％)或高达50％(或高达约50％)的碳可以取代硼。
下表7描述了在本公开中要求保护的43种合金及其相关化学成分，而表8描述了具体的热力学特性。表中还包括两种合金，Wallin#1和#2，其不涵盖在本公开中。可以看出，Wallin合金不满足本公开的具体的热力学标准。
表7-实施例组合物
表8显示了来自表7的上述合金的性质。标记为“1”的列是复合硼化物的摩尔分数，其中金属成分包含Mo+W≥15重量％。标记为“2”的列是复合硼化物的摩尔分数，其中金属成分包含Mo+W≥25重量％。标记为“3”的列是复合硼化物的摩尔分数，其中金属成分包含Mo+W≥50重量％。标记为“4”的列是复合硼化物的金属组分中Mo+W的重量百分比。标记为“5”的列是孤立碳化物的摩尔分数。标记为“6”的列是碳化钒的摩尔分数。标记为“7”的列是总的硬质相摩尔分数。标记为“8”的列是FCC-BCC转变温度。标记为“9”的列是合金的熔化范围。
表8-性质
下表9描述了上述合金中的硼化物相的本体(bulk)平衡热力学化学成分。
表9：硼化物相的本体平衡热力学化学成分
表10和表11显示了满足本公开的热力学实施方案的合金列表的化学成分和热力学标准。表10列出了其中孤立碳化物可以包括但不完全由碳化钒组成的合金。碳化钛和碳化钒是潜在的孤立碳化物的非限制性例子。表11列出了其中所有孤立碳化物由碳化钒组成的合金。
标记为“1”的列是复合硼化物的摩尔分数，其中金属成分包含Mo+W≥15重量％。标记为“2”的列是复合硼化物的摩尔分数，其中金属成分包含Mo+W≥25重量％。标记为“3”的列是复合硼化物的摩尔分数，其中金属成分包含Mo+W≥50重量％。标记为“4”的列是复合硼化物的金属组分中Mo+W的重量百分比。标记为“5”的列是孤立碳化物的摩尔分数。标记为“6”的列是碳化钒的摩尔分数。标记为“7”的列是总的硬质相摩尔分数。标记为“8”的列是FCC-BCC转变温度。标记为“9”的列是合金的熔化范围。
表10：用于孤立碳化物的组成和热力学标准
表11：用于碳化钒的组成和热力学标准
微观结构标准
在一些实施方案中，可以通过微观结构标准来充分描述无铬合金。这些合金可以满足一些或全部所述的微观结构标准。
主要的微观结构标准是过渡金属硼化物和硼碳化物的总体积分数，其中金属组分包含≥15重量％(或≥约15重量％)的W+Mo。在一些实施方案中，热力学标准是过渡金属硼化物和硼碳化物的总体积分数，其中金属组分包含≥25重量％(或≥约25％)的W+Mo。在一些实施方案中，热力学标准是过渡金属硼化物和硼碳化物的总体积分数，其中金属组分包含≥50重量％(或≥约50重量％)的W+Mo。
主要的微观结构标准是过渡金属硼化物和硼碳化物的总体积分数，其中金属组分包含≥15重量％(或≥约15重量％)的Ti+W+Mo+V。在一些实施方案中，热力学标准是过渡金属硼化物和硼碳化物的总体积分数，其中金属组分包含≥25重量％(或≥约25％)的Ti+W+Mo+V。在一些实施方案中，热力学标准是过渡金属硼化物和硼碳化物的总体积分数，其中金属组分包含≥50重量％(或≥约50重量％)的Ti+W+Mo+V。
该标准将被缩写为“复合硼化物和硼碳化物”。增加复合硼化物的体积分数会导致合金磨损性能的提高。由于这些复合硼化物相比具有大部分包含铁和/或铬的金属组分的硼化物硬，因此获得相当的磨损性能，需要较低的相分数。在大多数合金中，韧性与硼化物相分数呈反相关，因此以较低的分数提供相同的磨损性能是有利的。
复合硼化物的体积分数测量为满足上述化学成分要求的所有硼化物和硼碳化物的总和。在本公开中，使用定量金相学测量复合硼化物的体积分数。可能满足化学成分要求的相可包含M2B、M3B2和B2M。在图4中，作为亮颜色的M3B2相[401]的体积分数测得的复合硼化物的相分数是20％。复合硼化物相的金属组分包含约25重量％的Mo，满足化学成分限制。图1中的合金满足最具体的复合硼化物体积分数实施方案。
相反，Wallin中描述的无铬焊接沉积物不满足该标准的实施方案。该合金的微观结构图示于图5。包括硼化铁[501]和硼碳化铌[502]的所有的硼化物和硼碳化物相具有<15重量％的W+Mo。由于该沉积物具有许多存在于微观结构中的大的硼碳化物和/或硼化物相，所以该沉积物具有较低的抗冲击性和韧性。这会导致较低的冲击性能，从而降低使用寿命。
在一些实施方案中，合金的复合硼化物的体积分数可以在5至50％之间(或≥约5％)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的体积分数可以在5至35％之间(或≥约10％)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的体积分数可以在10至40％之间(或≥约15％)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的体积分数可以在15％至4％之间(或约5％至约45％)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的体积分数可以在10％至35％之间(或约10％至约35％)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的体积分数可以在5％至45％之间(或约5％至约45％之间)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的体积分数可以在5％至30％之间(或约5％至约30％之间)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的体积分数可以在5％至25％之间(或约5％至约25％之间)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的体积分数可以在7.5％至30％之间(或约7.5％至约30％之间)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的体积分数可以在7.5％至25％之间(或约7.5％至约25％之间)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的体积分数可以在10％至30％之间(或约10％至约30％之间)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的体积分数可以在10％至25％之间(或约10％至约25％之间)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的体积分数可以在12.5％至25％之间(或约12.5％至约25％之间)。在一些实施方案中，合金的复合硼化物的体积分数可以在12.5％至20％之间(或约12.5％至约20％之间)。
下一个微观结构标准是孤立碳化物的体积分数。孤立碳化物的例子包括MC型的那些碳化物，其大部分包含一种或多种以下元素：V、Ti、Nb、Zr、Hf、W、Mo。由这些元素形成的碳化物可以形成离散的且孤立的形态，这降低了它们对合金的韧性的影响。这使得可以增加硬质相分数和磨损性能而不使合金脆化。相反，M23C6、M7C3和M3C是不形成孤立形态的碳化物的所有例子。
孤立碳化物的体积分数测量为在剖面上所有粘附于上述组成的碳化物相的总和。在图4的合金中，唯一的孤立碳化物是(Mo，V)C，因此孤立碳化物的体积分数是13％[402]。
在一些实施方案中，孤立碳化物的体积分数可以是0％(或约0％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的体积分数可以是≥5％且<40％(或≥约5％且<约40％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的体积分数可以是≥10％且<40％(或≥约10％且<约40％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的体积分数可以是≥15％且<40％(或≥约15％且<约40％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的体积分数可以是≥10％且<30％(或≥约10％且<约30％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的体积分数可以是≥5％且<45％(或≥约5％且<约45％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的体积分数可以是≥5％且<30％(或≥约5％且<约30％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的体积分数可以是≥5％且<25％(或≥约5％且<约25％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的体积分数可以是≥5％且<20％(或≥约5％且<约20％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的体积分数可以是≥7.5％且<30％(或≥约7.5％且<约30％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的体积分数可以是≥7.5％且<25％(或≥约7.5％且<约25％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的体积分数可以是≥10％且<30％(或≥约10％且<约30％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的体积分数可以是≥10％且<25％(或≥约10％且<约25％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的体积分数可以是≥12.5％且<25％(或≥约12.5％且<约25％)。在一些实施方案中，孤立碳化物的体积分数可以是≥12.5％且<20％(或≥约12.5％且<约20％)。
在一些实施方案中，孤立碳化物可以主要包含钒作为金属组分。这些将被称为碳化钒，被定义为MC型碳化物，其中M包含≥50％钒(或≥约50％钒)，其在较低的温度下形成，有助于制造粉末、铸件和其它部件。相对于其对耐磨性的贡献，钒也是具有成本效益的合金添加物。
碳化钒的体积分数是作为满足上述化学成分限制的所有MC型碳化物的总和的测量值。使用一系列包括X射线衍射和定量显微的技术来测量此标准，以确定体积分数。
在一些实施方案中，碳化钒的体积分数可以是0％(或约0％)。在一些实施方案中，碳化钒的体积分数可以是≥5％且<40％(或≥约5％且<约40％)。在一些实施方案中，碳化钒的体积分数可以是≥10％且<40％(或≥约10％且<约40％)。在一些实施方案中，碳化钒的体积分数可以是≥15％且<40％(或≥约15％且<约40％)。在一些实施方案中，碳化钒的体积分数可以是≥10％且<30％(或≥约10％且<约30％)。在一些实施方案中，碳化钒的体积分数可以是≥5％且<45％(或≥约5％且<约45％)。在一些实施方案中，碳化钒的体积分数可以是≥5％且<30％(或≥约5％且<约30％)。在一些实施方案中，碳化钒的体积分数可以是≥5％且<25％(或≥约5％且<约25％)。在一些实施方案中，碳化钒的体积分数可以是≥5％且<20％(或≥约5％且<约20％)。在一些实施方案中，碳化钒的体积分数可以是≥7.5％且<30％(或≥约7.5％且<约30％)。在一些实施方案中，碳化钒的体积分数可以是≥7.5％且<25％(或≥约7.5％且<约25％)。在一些实施方案中，碳化钒的体积分数可以是≥10％且<30％(或≥约10％且<约30％)。在一些实施方案中，碳化钒的体积分数可以是≥10％且<25％(或≥约10％且<约25％)。在一些实施方案中，碳化钒的体积分数可以是≥12.5％且<25％(或≥约12.5％且<约25％)。在一些实施方案中，碳化钒的体积分数可以是≥12.5％且<20％(或≥约12.5％且<约20％)。
微观结构标准可与热力学标准紧密相关。例如，组成为B：1.4，C：1.9，Mo：14，V：10，Fe：余量的合金的计算的复合硼化物摩尔分数为17％和碳化钒的摩尔分数为18％。使用定量扫描电子显微镜，测得复合硼化物的体积分数为20％和碳化钒的体积分数为14％。
下一个微观结构标准是总硬质相体积分数。在这种情况下，硬质相是硼化物、硼碳化物、氮化物、碳化物、氧化物、硅化物、laves相、铝化物和碳氮化物。在一些情况下，在该合金空间中，具有额外的硬质相以补充复合硼化物可能是有利的。这使得可以微调微观结构和合金性质。例如，可以将碳化物添加到微观结构中以进一步增加硬质相分数，并且因此增加合金的磨损性能而基本上不会改变复合硼化物或其它相的形态。这会使合金具有比仅由复合硼化物或硼碳化物提供的更高的磨损性能。
总硬质相体积分数测量为所有硬质相的总和，其中硬质相是硬度≥1000HV的任何相。在图4中，这被计算为最亮的相20％[401]和最暗的相(Mo，V)C 13％[402]的总和。图4中合金的总硬质相体积分数是33％，满足一些实施方案。
在一些实施方案中，总硬质相体积分数可以是≥5％(或≥约5％)。在一些实施方案中，总硬质相体积分数可以是≥10％(或≥约10％)。在一些实施方案中，总硬质相体积分数可以是≥15％(或≥约15％)。在一些实施方案中，总硬质相体积分数可以是≥20％(或≥约20％)。在一些实施方案中，总硬质相体积分数可以是≥25％(或≥约25％)。在一些实施方案中，总硬质相体积分数可以是≥30％(或≥约30％)。在一些实施方案中，总硬质相体积分数可以是≥35％(或≥约35％)。
下一个微观结构标准是脆化硬质相的体积分数。在本公开中，脆化硬质相是在固相线之前形成的M23(C，B)6、M7(C，B)3和M3(C，B)的总和，并且其中M是≥75重量％的Fe(或≥约75重量％的Fe)。通过EBSD、XRD和/或EDX确定这些相。这些硬质相形成相互连接的形态，其会使合金脆化，降低冲击性能和韧性。
脆化硬质相的体积分数测量为横截面上的Fe2B、M23(C，B)6、M7(C，B)3和M3(C，B)的总和。在图4中，在固相线不存在这些相，因此该值为0％。
在一些实施方案中，脆化硬质相的体积分数可以是≤10％(或≤约10％)。在一些实施方案中，脆化硬质相的体积分数可以是≤5％(或≤约5％)。在一些实施方案中，脆化硬质相的体积分数可以是≤3％(或≤约3％)。在一些实施方案中，脆化硬质相的体积分数可以是0％(或约0％)。
粉末制造
将合金制造成粉末作为在生产散装产品或将涂层施加到基体中的中间步骤常常是有利的。可以通过雾化或其它制造方法制造粉末。对于特定合金，这种工艺可行性常常与合金的凝固行为及因此其热力学特征有关。
为了制造用于诸如PTA、HVOF、激光焊接以及其它粉末冶金工艺的工艺的粉末，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。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。
公开的合金的实施方案可以以高产率制造成粉末，以用于这些工艺。另一方面，许多合金，例如在Wallin中描述的那些和其它常见的耐磨材料，由于它们的性质如其热力学性质，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。
通常以制造工艺过程中生成的预期的粉末尺寸的产率表征可制造性。在一些实施方案中，可以以50％(或约50％)或更高的产率将合金制成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％)或更高的产率将合金制成53-180μm(或约53至约180μm)的粉末尺寸分布。
线材制造
通过GMAW、GTAW、热丝GTAW、OAW、SAW、激光熔覆和其它应用方法将合金制造成线材作为用于保护表面硬化涂层的原料通常是有益的。通常使用包芯线材工艺来生产表面硬化线材，其中将金属条绕合金粉末芯或填充物缠绕。所得到的线材的化学成分可以匹配本公开中其它地方的具体实施方案。
这种制造工艺的价格和可行性与可实现的粉末填充物和金属条的比例有关。该比例根据线材尺寸和其它因素变化。另外，可以使用不同的线材用于不同的应用工艺。通常这些工艺在应用时都会产生可变的稀释范围。
本公开中的合金可以被配制成线材，使得5至50％(或约5至约50％)的稀释范围将生成满足具体的热力学和微观结构的实施方案的合金。在一些实施方案中，5至15％(或约5至约15％)的稀释范围将生成满足具体的热力学和微观结构的实施方案的合金。在一些实施方案中，10至25％(或约10至约25％)的稀释范围将生成满足具体的热力学和微观结构的实施方案的合金。在一些实施方案中，15至35％(或约15至约35％)的稀释范围将生成满足具体的热力学和微观结构的实施方案的合金。在一些实施方案中，20至40％(或约20至约40％)的稀释范围将生成满足具体的热力学和微观结构的实施方案的合金。在一些实施方案中，25至35％(或约25至约35％)的稀释范围将生成满足具体的热力学和微观结构的实施方案的合金。
本公开中的合金也可以被配制以获得可能用于给定的线材尺寸的最大可能填充物。也可以使用铁合金粉末添加物到芯上来配制所述线材，以降低价格。这些铁合金添加物可以包含全部或部分的芯填充物。
性能
通常依据它们在实验室测试中的性能来描述耐磨合金。公开的测试与使用中的耐磨部件紧密相关。
在一些实施方案中，合金的硬度可以是≥55HRC(或≥约55HRC)。在一些实施方案中，合金的硬度可以是≥58HRC(或≥约58HRC)。在一些实施方案中，合金的硬度是≥60HRC(或≥约60HRC)。在一些实施方案中，合金的硬度可以是≥62HRC(或≥约62HRC)。在一些实施方案中，合金的硬度可以是≥64HRC(或≥约64HRC)。
在一些实施方案中，合金具有ASTM G65程序A质量损失≤0.2g(或≤约0.2g)。在一些实施方案中，合金具有ASTM G65程序A质量损失≤0.16g(或≤约0.16g)。在一些实施方案中，合金具有ASTM G65程序A质量损失≤0.12g(或≤约0.12g)。在一些实施方案中，合金具有ASTM G65程序A质量损失≤0.1g(或≤约0.1g)。在一些实施方案中，合金具有ASTM G65程序A质量损失≤0.08g(或≤约0.08g)。
热处理和性能
在许多应用中，特别是在采矿和其它的工业应用中，使淬火和回火类型的钢表面硬化以提供额外的磨损保护会是有利的。表面硬化过程在淬火和回火基体中产生热影响区，会降低基体屈服强度和韧性。韧性的降低会导致部件在工作过程中因冲击或过度应力而失效。
为了克服这种失效机理，本公开中的合金可以被配制成具有与焊接状态的和淬火与回火循环之后都相似的性能。当这些合金经受工业标准ASTM G65测试时，它们保持相似的硬度和高耐磨性。
表12描述了以标称散装线材化学成分B：2.2、C：2.8、Mn：1、Mo：17.7、Ni：1.7、Si：0.5和V：12生产的表面硬化沉积物的磨损测试结果。使该表面硬化层的样品经受一定范围的奥氏体化温度2小时，然后在水中淬火。然后将样品在150℃下回火5小时。对于使用这种原料线生产的表面硬化，参考包括标准ASTM G65范围。这表明可以容易地选择此空间中的合金以在一系列热处理循环之前和之后得到高耐磨性。
表12：磨损测试结果
奥氏体化温度(deg C) ASTM G65质量损失(g)
无(标准范围) 0.056-0.090
850 0.078
875 0.081
900 0.080
925 0.073
950 0.072
在奥氏体化和淬火循环之前和之后，将本公开中描述的合金锭与两种商购可得的含铬合金进行比较。表13描述了每种合金在900℃下奥氏体化2小时然后进行油淬火之前和之后的硬度。以下化学成分是以重量百分比计，其中余量为铁。该图表证实了本公开中的合金在热处理循环之前和之后可具有相同或相似的硬度。表13表明，热处理后硬度的保持不是包含C和B的表面硬化合金的固有特性。
表13：奥氏体化之前和之后的硬度
焊接与性能
本公开中描述的合金可具有比传统的表面硬化材料改善的韧性、冲击和耐磨性。下表14描述了本公开中描述的两种合金I#1和I#2以及两种市售可得的含铬表面硬化材料标准#1和标准#2的测试结果。使用标准焊接程序焊接这些材料，生成25mm宽×6mm厚的沉积物。然后根据ASTM G65测试法测试焊接样品的硬度、耐磨性以及在受到20J冲击能量时直至失效的冲击性。
指定作为合金I#1的线材原料具有如下标称化学成分B：1.8、C：2.2、Mn：1、Mo：15、Ni：1.5、Si：0.5、V：9.35、Fe：余量。合金I#2的线材的标称化学成分为B：2.2、C：2.8、Mn：1、Mo：17.7、Ni：1.7、Si：0.5、V：12、Fe：余量。标准#1线材的标称化学成分为C：5.0、Cr：23、Mn：2.0、Si：1.0、Fe：余量。标准#2以商品名SHS 9192出售，并且使用辉光放电光谱法测得的铬含量为16％。根据SHS 9192的数据表，所述材料的化学成分为：铬<20％，钼<10％，铌<10％，钨<10％，铝<5％，硼<5％，碳<5％，锰<5％，硅<2％，铁为余量。表14表明公开的耐冲击性不是表面硬化合金的固有特性。
表14：性能测试结果
应用
该专利中描述的合金可用于各种应用和工业中。一些非限制性使用的应用实例包括：
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、烃桶和其它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它烘干机、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、线配件、压榨部件、光泽烘缸(M.G.cylinders)、卷纸机、复卷机、真空泵、疏解机和其它纸浆和造纸设备。
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、煤管道和其它发电组件。
农业应用包括下列部件和用于下列部件的涂层：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、甘蔗收割机、甘蔗磨碎操作设备和其它农业应用。
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、混合设备和其它建筑应用。
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它机械元件应用。
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、连铸辊和其它钢材轧辊以及其它钢材应用。
本专利中描述的合金可以有效地以多种技术生产和/或沉积。工艺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无铬和低铬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，可以在其它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，其它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 (24)

1.一种低铬或无铬的铁合金，其包含小于或等于约3重量％的铬，其中所述合金被形成为或被配置以形成在平衡凝固条件下包含以下成分的材料：
总摩尔分数为约5至约50％的过渡金属硼化物和硼碳化物，其中过渡金属硼化物和硼碳化物的金属分数包含大于或等于约15重量％的W+Mo；和
材料中摩尔分数为约5至约40％的孤立碳化物，其中孤立碳化物被定义为具有一种或多种以下元素：V、Ti、Nb、Zr、Hf、W、Mo的MC型碳化物。
2.权利要求1所述的合金，其中所述孤立碳化物具有大于或等于约50重量％钒的金属组分。
3.权利要求1所述的合金，其包含小于或等于约0.01重量％的铬。
4.权利要求1所述的合金，其中当在基质固相线温度测量时，材料中包含Fe2B、M23(C，B)6、M7(C，B)3和M3(C，B)的脆化硬质相的摩尔分数小于或等于约10％，其中M是大于或等于约75重量％的Fe。
5.权利要求1所述的合金，其中过渡金属硼化物和硼碳化物的金属部分包含大于或等于约35重量％的W+Mo。
6.权利要求1所述的合金，其中在平衡凝固条件下，材料的FCC-BCC转变温度小于或等于约1300K。
7.权利要求1所述的合金，其中在平衡凝固条件下，材料的熔化范围小于或等于约250℃，熔化范围被定义为第一硬质相到凝固的形成温度与基质液相线温度之间的差。
8.权利要求1所述的合金，其中材料具有大于或等于约55HRC的沉积硬度，并且其中在奥氏体化和淬火后材料的硬度大于或等于约55HRC。
9.权利要求1所述的合金，其被制造成粉末、线材、铸件和/或用于磨损保护的表面硬化层。
10.权利要求1所述的合金，其包含Fe和以重量百分比计的以下元素：
B：约0.5至约4；
C：约0至约3；
Cr：约0至约3；
Mo+W：约2.1至约25；和
V：约0至约20；
其中Ti、Nb、Ta、Zr和/或Hf可以以约1:1摩尔比代替V；且
其中Mo+1.9*W与B的重量比为6至10.25。
11.权利要求1所述的合金，其中所述合金包含Fe和以重量百分比计的以下元素：
B：1.64，C：2，Mo：13.6，V：8.5；
B：1.8，C：2.2，Mo：15，V：9.35；
B：2.2，C：2.8，Mo：17.7，V：12；
B：2.05，C：2.6，Mo：16.3，V：11.1；
B：1.1，C：2.85，Mo：10，V：11.7；
B：0.95，C：2.45，Mo：8.6，V：10；
B：1.64，C：2，Mn：1，Mo：13.6，Ni：1.3，Si：0.5，V：8.5；
B：1.8，C：2.2，Mn：1，Mo：15，Ni：1.5，Si：0.5，V：9.35；
B：2.2，C：2.8，Mn：1，Mo：17.7，Ni：1.7，Si：0.5，V12；
B：2.05，C：2.6，Mn：1，Mo：16.3，Ni：1.6，Si：0.5，V11.1；
B：1.1，C：2.85，Cr：1，Mn：1.2，Mo：10，Ni：1.4，Si：0.6，V11.7；
B：0.95，C：2.45，Cr：0.8，Mn：1，Mo：8.6，Ni：1.2，Si：0.5，V10；
B：2.0，C：2.8，Mo：18，V：13；
B：2.0，C：2.8，Mo：18，V：11.5；
B：1.85，C：2.6，Mo：18，V：12；
B：2.0，C：2.8，Mn：0.5，Mo：18，Ni：1.5，Si：0.5，V：13；
B：2.0，C：2.8，Mn：0.5，Mo：18，Ni：1.5，Si：0.5，V：11.5；
B：1.85，C：2.6，Mn：0.5，Mo：18，Ni：1.5，Si：0.5，V：12；或
B：0.65，C：1.7，Cr：0.5，Mn：0.7，Mo：6，Ni：0.8，Si：0.4，V：7；
其中Ti、Nb、Ta、Zr和/或Hf可以以约1:1摩尔比代替V；和
其中W可以以约1:1摩尔比代替Mo。
12.结合权利要求1所述的合金用于磨损保护的采矿设备。
13.权利要求12所述的采矿设备，其中所述采矿设备包括接地工具、作业工具、唇缘护罩、切削刃、刀片、耐磨板和粉碎设备。
14.一种低铬或无铬的铁合金，其包含小于或等于约3重量％的铬，其中所述合金被形成为或被配置以形成包含以下成分的材料：
总体积分数为约5至约50％的过渡金属硼化物和硼碳化物，其中过渡金属硼化物和硼碳化物的金属部分包含大于或等于约15重量％的W+Mo；和
材料中体积分数为约5至约40％的孤立碳化物，其中孤立碳化物被定义为包含一种或多种以下元素：V、Ti、Nb、Zr、Hf、W、Mo的MC型碳化物。
15.权利要求14所述的合金，其中MC型碳化物具有大于或等于约50重量％钒的金属组分。
16.权利要求14所述的合金，其中所述合金包含小于或等于约0.01重量％的铬。
17.权利要求14所述的合金，其中材料的脆化硬质相的体积分数小于或等于约10％，其中脆化硬质相包含Fe2B、M23(C，B)6、M7(C，B)3和M3(C，B)，其中M是大于或等于约75重量％的Fe。
18.权利要求14所述的合金，其中材料具有大于或等于约55HRC的沉积硬度，并且其中在奥氏体化和淬火后材料的硬度大于或等于约55HRC。
19.权利要求14所述的合金，其包含Fe和以重量百分比计的以下元素：
B：约0.5至约4；
C：约0至约3；
Cr：约0至约3；
Mo+W：约2.1至约25；和
V：约0至约20；
其中Ti、Nb、Ta、Zr和/或Hf可以以约1:1摩尔比代替V；且
其中Mo+1.9*W与B的重量比为6至10.25。
20.权利要求14所述的合金，其中所述合金包含Fe和以重量百分比计的以下元素：
B：1.64，C：2，Mo：13.6，V：8.5；
B：1.8，C：2.2，Mo：15，V：9.35；
B：2.2，C：2.8，Mo：17.7，V：12；
B：2.05，C：2.6，Mo：16.3，V：11.1；
B：1.1，C：2.85，Mo：10，V：11.7；
B：0.95，C：2.45，Mo：8.6，V：10；
B：1.64，C：2，Mn：1，Mo：13.6，Ni：1.3，Si：0.5，V：8.5；
B：1.8，C：2.2，Mn：1，Mo：15，Ni：1.5，Si：0.5，V：9.35；
B：2.2，C：2.8，Mn：1，Mo：17.7，Ni：1.7，Si：0.5，V12；
B：2.05，C：2.6，Mn：1，Mo：16.3，Ni：1.6，Si：0.5，V11.1；
B：1.1，C：2.85，Cr：1，Mn：1.2，Mo：10，Ni：1.4，Si：0.6，V11.7；
B：0.95，C：2.45，Cr：0.8，Mn：1，Mo：8.6，Ni：1.2，Si：0.5，V10；
B：2.0，C：2.8，Mo：18，V：13；
B：2.0，C：2.8，Mo：18，V：11.5；
B：1.85，C：2.6，Mo：18，V：12；
B：2.0，C：2.8，Mn：0.5，Mo：18，Ni：1.5，Si：0.5，V：13；
B：2.0，C：2.8，Mn：0.5，Mo：18，Ni：1.5，Si：0.5，V：11.5；
B：1.85，C：2.6，Mn：0.5，Mo：18，Ni：1.5，Si：0.5，V：12；或
B：0.65，C：1.7，Cr：0.5，Mn：0.7，Mo：6，Ni：0.8，Si：0.4，V：7；
其中Ti、Nb、Ta、Zr和/或Hf可以以约1:1摩尔比代替V；和
其中W可以以约1:1摩尔比代替Mo。
21.一种低铬或无铬合金，其包含Fe和以重量百分比计的以下元素：
B：约0.5至约4；
C：约0至约3；
Cr：约0至约3；
Mo+W：约2.1至约25；和
V：约0至约20；
其中Mo+1.9*W与B的重量比在6至10.25之间；和
其中Ti、Nb、Ta、Zr和/或Hf可以以约1:1摩尔比代替V。
22.权利要求21所述的合金，其中所述合金包含Fe和以重量百分比计的以下元素：
B：约0.6至约2.4；
C：约1.6至约3；
Mo：约5.5至约20；和
V：约6.5至约14。
23.权利要求22所述的合金，其中所述合金还包含Fe和以重量百分比计的以下元素：
Mn：约0至约3；
Ni：约0至约3；和
Si：约0至约1.5。
24.权利要求21所述的合金，其中所述合金包含Fe和以重量百分比计的以下元素：
B：1.64，C：2，Mo：13.6，V：8.5；
B：1.8，C：2.2，Mo：15，V：9.35；
B：2.2，C：2.8，Mo：17.7，V：12；
B：2.05，C：2.6，Mo：16.3，V：11.1；
B：1.1，C：2.85，Mo：10，V：11.7；
B：0.95，C：2.45，Mo：8.6，V：10；
B：0.65，C：1.7，Mo：6，V：7；
B：1.64，C：2，Mn：1，Mo：13.6，Ni：1.3，Si：0.5，V：8.5；
B：1.8，C：2.2，Mn：1，Mo：15，Ni：1.5，Si：0.5，V：9.35；
B：2.2，C：2.8，Mn：1，Mo：17.7，Ni：1.7，Si：0.5，V12；
B：2.05，C：2.6，Mn：1，Mo：16.3，Ni：1.6，Si：0.5，V11.1；
B：1.1，C：2.85，Cr：1，Mn：1.2，Mo：10，Ni：1.4，Si：0.6，V11.7；
B：0.95，C：2.45，Cr：0.8，Mn：1，Mo：8.6，Ni：1.2，Si：0.5，V10；
B：0.65，C：1.7，Cr：0.5，Mn 0.7，Ni：0.8，Si：0.4，Mo：6，V：7；
B：2.0，C：2.8，Mo：18，V：13；
B：2.0，C：2.8，Mo：18，V：11.5；
B：1.85，C：2.6，Mo：18，V：12；
B：2.0，C：2.8，Mn：0.5，Mo：18，Ni：1.5，Si：0.5，V：13；
B：2.0，C：2.8，Mn：0.5，Mo：18，Ni：1.5，Si：0.5，V：11.5；
B：1.85，C：2.6，Mn：0.5，Mo：18，Ni：1.5，Si：0.5，V：12；或
B：0.65，C：1.7，Cr：0.5，Mn：0.7，Mo：6，Ni：0.8，Si：0.4，V：7；
其中Ti、Nb、Ta、Zr和/或Hf可以以约1:1摩尔比代替V；和
其中W可以以约1:1摩尔比代替Mo。
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