CN117127077A - 耐磨和耐腐蚀的合金组合物 - Google Patents
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Abstract
本文中描述了合金组合物和相关制品，在一些实施例中，其展现出延展性和加工能力的增强，而不会显著牺牲硬度、耐磨性和/或耐腐蚀性。在一些实施例中，合金包含0‑40wt.％镍、14‑20wt.％铬、24‑35wt.％钼、0‑15wt.％铁、0‑1.5wt.％锰、0.01‑0.1wt.％碳、0‑15wt.％钨以及其余为钴，其中所述合金的构型熵大于1.5R，其中R为通用气体常数。
Description
技术领域
本发明涉及耐磨和耐腐蚀的合金组合物，且确切地说，涉及展现出延展性和加工能力的增强的合金组合物。
背景技术
司太立(Stellite)合金提供机械耐磨性和耐腐蚀性的理想平衡。司太立合金一般是基于钴的，添加有铬、碳、钨和/或钼。低碳合金可以应用于空蚀、滑动磨损或中度磨损，而高碳合金通常经选择用于磨损、严重磨损或低角度冲蚀。除司太立系列之外，还开发了Tribaloy合金组合物，用于极度磨损与高温和腐蚀性环境相结合的应用。取决于最终用途，Tribaloy合金可以是基于钴或基于镍的合金。耐磨的司太立和Tribaloy合金通常形成有各种硬相，如碳化物和金属间化合物。此类硬相可以使合金变脆且易于开裂和/或出现其它失效机制。合金脆性还可以产生加工问题，包括在热喷射、焊接或铸造应用期间的降解。
发明内容
鉴于前述缺点，本文中描述了合金组合物和相关制品，在一些实施例中，其展现出延展性和加工能力的增强，而不会显著牺牲硬度、耐磨性和/或耐腐蚀性。在一些实施例中，合金包含0-40wt.％镍、14-20wt.％铬、24-35wt.％钼、0-15wt.％铁、0-1.5wt.％锰、0.01-0.1wt.％碳、0-15wt.％钨、0.5-5.5wt.％硅以及其余为钴，其中所述合金的构型熵大于1.5R，其中R为通用气体常数。在一些实施例中，所述构型熵为至多1.7R。在另一方面，合金包含0-40wt.％镍、14-20wt.％铬、24-35wt.％钼、0-15wt.％铁、0-1.5wt.％锰、0.01-0.1wt.％碳、0-15wt.％钨、0.5-5.5wt.％硅以及其余为钴，其中所述合金的磁导率(μ)低于1.005。
在另一方面，提供了包含本文所描述的合金的制品。在一些实施例中，制品包含由合金形成的一个或多个区域，所述合金包含富含钴的固溶体基质相和分散于所述基质相中的金属间沉淀物，所述金属间沉淀物具有不连续的树枝状微观结构，其中所述合金包含0-40wt.％镍、14-20wt.％铬、24-35wt.％钼、0-15wt.％铁、0-1.5wt.％锰、0.01-0.1wt.％碳、0-15wt.％钨、0.5-5.5wt.％硅以及其余为钴。在一些实施例中，金属间沉淀物包含莱夫斯(Laves)相。
在以下详细说明中进一步描述这些和其它实施例。
附图说明
图1A为绘示根据一个实施例的本文所描述的铸造合金的莱夫斯相的扫描电子显微照片(SEM)。
图1B和图1C分别为以与图1A相同的放大率获取的铸造T-700合金和T-800合金的SEM。
图2绘示根据一些实施例的本文所描述的合金相对于司太立6的硬度。
图3绘示根据一些实施例的具有本文所描述的组合物的合金涂层相对于司太立6和Tribaloy T-800的耐磨测试。
图4绘示根据一些实施例的本文所描述的合金相对于司太立6的滑动耐磨性测试。
图5绘示根据一些实施例的本文中的合金相对于司太立6和T-800的粘着耐磨性。
具体实施方式
本文描述的实施方案可通过参考以下具体实施方式和实施例以及其先前描述和以下描述而更容易地理解。然而，本文描述的元件、装置和方法不限于具体实施方式和实施例中呈现的具体实施方案。应当认识到，这些实施方案仅仅说明本发明的原理。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，许多修改和改变对于本领域技术人员来说将是显而易见的。
I.合金组合物
在一个方面，合金包含0-40wt.％镍、14-20wt.％铬、24-35wt.％钼、0-15wt.％铁、0-1.5wt.％锰、0.01-0.1wt.％碳、0-15wt.％钨、0.5-5.5wt.％硅以及其余为钴，其中所述合金的构型熵大于1.5R，其中R为通用气体常数。在一些实施例中，所述构型熵为至多1.7R。可根据以下等式确定合金组合物的构型熵：
其中R为通用气体常数，且xi为满足以下的合金元素的摩尔浓度：
此外，在一些实施例中，所述合金组合物的磁导率(μ)低于1.005。所述合金组合物的磁导率例如可以在1.000-1.003范围内。根据ASTM A342-弱磁性材料磁导率的标准测试方法测量磁导率。
在另一方面，合金包含0-40wt.％镍、14-20wt.％铬、24-35wt.％钼、0-15wt.％铁、0-1.5wt.％锰、0.01-0.1wt.％碳、0-15wt.％钨、0.5-5.5wt.％硅以及其余为钴，其中所述合金的磁导率(μ)低于1.005。
在本文所描述的合金组合物的一些实施例中，钴和/或镍各自以15-40wt.％的量存在。因此，合金组合物可以是基于钴的或基于镍的。镍例如可以以20-40wt.％或22-35wt％的量存在。另外，在一些实施例中，钼可以以25-33wt.％或29-33wt.％的量存在于合金组合物中。
表I提供具有本文所描述的组成和特性的合金。
表I-合金组合物
| 实例 | Co | Ni | Cr | Mo | Si | Fe | Mn | C | W | 配置熵 |
| 合金1 | Bal. | 1.00 | 17.50 | 25.00 | 3.20 | 14.00 | 0.50 | 0.05 | 0.00 | 1.54R |
| 合金2 | Bal. | 15.00 | 15.00 | 24.00 | 3.00 | 0.50 | 0.50 | 0.05 | 0.00 | 1.50R |
| 合金3 | Bal. | 12.00 | 17.00 | 28.00 | 3.40 | 5.00 | 0.50 | 0.05 | 0.00 | 1.66R |
| 合金4 | Bal. | 2.00 | 16.00 | 25.00 | 3.20 | 2.00 | 0.50 | 0.05 | 10.00 | 1.52R |
| 合金5 | Bal. | 16.00 | 18.00 | 23.00 | 2.70 | 0.20 | 0.30 | 0.05 | 0.00 | 1.51R |
| 合金6 | Bal. | 14.62 | 16.90 | 29.35 | 3.30 | 0.25 | 0.25 | 0.05 | 0.00 | 1.53R |
| 合金7 | Bal. | 19.32 | 16.70 | 29.80 | 3.31 | 0.25 | 0.25 | 0.05 | 0.00 | 1.57R |
| 合金8 | Bal. | 24.03 | 16.50 | 30.25 | 3.33 | 0.25 | 0.25 | 0.05 | 0.00 | 1.58R |
| 合金9 | Bal. | 28.73 | 16.30 | 30.70 | 3.34 | 0.25 | 0.25 | 0.05 | 0.00 | 1.57R |
| 合金10 | Bal. | 33.44 | 16.10 | 31.15 | 3.36 | 0.25 | 0.25 | 0.05 | 0.00 | 1.54R |
| 合金11 | Bal. | 15.30 | 16.90 | 29.35 | 3.30 | 0.50 | - | 0.05 | - | >1.5R |
表1中所提供的合金组合物中的任一种还可以展现出低于1.005的磁导率，包括1-1.003。
II.合金制品
在另一方面，提供了包含本文所描述的合金的制品。在一些实施例中，制品包含由合金形成的一个或多个区域，所述合金包含富含钴的固溶体基质相和分散于所述基质相中的金属间沉淀物，所述金属间沉淀物具有不连续的树枝状微观结构，其中所述合金包含0-40wt.％镍、14-20wt.％铬、24-35wt.％钼、0-15wt.％铁、0-1.5wt.％锰、0.01-0.1wt.％碳、0-15wt.％钨、0.5-5.5wt.％硅以及其余为钴。在一些实施例中，制品的合金组合物可以具有选自上文表I的组合物。此外，所述制品的合金可以展现出具有在以上部分I中所描述的值的构型熵和/或磁导率。
在一些实施例中，金属间沉淀物包含莱夫斯相。图1A为绘示根据一个实施例的本文所描述的铸造合金的莱夫斯相的光学显微图。如图1A中所绘示，莱夫斯相展现出精细不连续的树突状微观结构。出于比较目的，图1B和1C分别是铸造T-700合金和T-800合金的光学显微照片。铸造T-700合金和T-800合金的莱夫斯相展现出相对于图1A大得多的结构，且本质上为球状的。本文所描述的合金中的莱夫斯相的精细树枝状性质可增强延展性和加工能力，而不会显著牺牲硬度、耐磨性和/或耐腐蚀性。此外，莱夫斯相和其它金属间沉淀物的精细且分散的微观结构可降低合金的磁导率。
在一些实施例中，金属间沉淀物以50vol.％或更低的量存在于合金中。金属间沉淀物例如可以以30-50vol.％或40-48vol.％的量存在。此外，富含钴的固溶体基质相为面心立方(fcc)。在一些实施例中，所述合金为30-90vol.％fcc。所述合金还可以展现出六角结晶相，包括密排六方(hcp)相。在一些实施例中，合金中的fcc与hcp的比率大于2。在一些实施例中，具有本文所描述的组合物(包括表I中的合金组合物)的合金可以展现出CoMo3Si相。取决于特定组合物，本文所描述的合金可以展现出表II中的相中的一种或多种。
表II-合金相
| Cr1.5Mo1.5Si |
| Fe0.5CoSi0.5 |
| Co3Mo2Si |
| CoMoSi |
| CoNiSi |
| Co3Mo |
| FeMoSi |
| FexNiySi |
| MoxNiySiz |
| CoxMoySiz |
| W2Mo3Si |
| Cr2.5W2.5Si3 |
| CoxMoySiz |
| MoxWySiz |
在一些实施例中，制品的一个或多个合金区域为制品的外部表面。本文所描述的合金可以经由各种技术作为涂层应用，包括经由等离子体转移技术(PTA)的焊接覆层。可以将一层或多层合金涂层施加到制品以用于耐磨性和/或耐腐蚀性。本文所描述的合金组合物也可以铸造。在一些实施例中，整个制品可以由合金组合物形成。
在一些实施例中，形成制品的一个或多个区域的合金可以具有至少55的硬度(HRC)。合金还可以在高温下维持所需硬度。图2绘示根据一些实施例的本文所公开的合金相对于司太立6的硬度。如图2中所提供，合金在广泛高温范围内维持较高硬度。
除硬度之外，形成制品的一个或多个区域的本文所描述的合金还可以展现出所需磨损特征。图3绘示根据一些实施例的具有本文所描述的组合物(本发明合金)的合金涂层相对于司太立6和Tribaloy T-800的耐磨测试。磨损测试根据ASTM G99-17标准测试方法进行的，用于使用销对盘(Pin-on-Disk)装置进行磨损测试。如图3中所说明，合金展现出司太立6与T-800之间的耐磨性。合金还展现出相对于司太立6的更佳滑动耐磨性，如图4中所绘示。磨损测试是在干燥条件下通过旋转SiC盘进行的，且在室温下在销样本上施加4.9N的载荷。圆盘在销处的线速度为0.45m/s，且各磨损测试均使用新圆盘进行。在每100m滑动距离，至多1000m之后，测量销的重量损失。
具有本文所描述的组成和微观结构的合金展现出所需粘着耐磨性。图5绘示根据一些实施例的本文所公开的合金相对于司太立6和T-800的粘着耐磨性。根据ASTM G77-17-使用环块磨损测试对材料的滑动耐磨性进行分级的标准测试方法进行粘着耐磨性测试。如图5中所绘示，合金展现出极少体积损失。
具有本文所描述的组成和微观结构的合金还提供相对于脆性合金(例如，T-800)的较高延展性和更佳加工。当通过各种技术(包括PTA和浇铸)应用于衬底时，本文所描述的合金不会开裂或对开裂具有抗性。
已在本发明的各种目的的实现中描述了本发明的各种实施方案。应当认识到，这些实施方案仅仅说明本发明的原理。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，其许多修改和改变对于本领域技术人员来说将是显而易见的。
Claims (27)
1.一种合金，其包含：
0-40wt.％镍、14-20wt.％铬、24-35wt.％钼、0-15wt.％铁、0-1.5wt.％锰、0.01-0.1wt.％碳、0-15wt.％钨、0.5-5.5wt.％硅以及其余为钴，其中所述合金的构型熵大于1.5R，其中R为通用气体常数。
2.根据权利要求1所述的合金，其中所述构型熵为至多1.7R。
3.根据权利要求1所述的合金，其具有低于1.005的磁导率(μ)。
4.根据权利要求1所述的合金，其中钼以25-33wt.％的量存在。
5.根据权利要求1所述的合金，其中钼以29-33wt.％的量存在。
6.根据权利要求1所述的合金，其中铁以2-15wt.％的量存在。
7.根据权利要求1所述的合金，其中镍以15-40wt.％的量存在。
8.一种合金，其包含：
0-40wt.％镍、14-20wt.％铬、24-35wt.％钼、0-15wt.％铁、0-1.5wt.％锰、0.01-0.1wt.％碳、0-15wt.％钨、0.5-5.5wt.％硅以及其余为钴，其中所述合金的磁导率(μ)低于1.005。
9.根据权利要求8所述的合金，其中钼以25-33wt.％的量存在。
10.根据权利要求8所述的合金，其中钼以29-33wt.％的量存在。
11.根据权利要求8所述的基于钴的合金，其中铁以2-15wt.％的量存在。
12.根据权利要求8所述的合金，其中铁以5-15wt.％的量存在。
13.根据权利要求8所述的合金，其中镍以15-40wt.％的量存在。
14.一种制品，其包含：
由合金形成的一个或多个区域，所述合金包含富含钴的固溶体基质相和分散于所述基质相中的金属间沉淀物，所述金属间沉淀物具有不连续的树枝状微观结构，其中所述合金包含0-40wt.％镍、14-20wt.％铬、24-35wt.％钼、0-15wt.％铁、0-1.5wt.％锰、0.01-0.1wt.％碳、0-15wt.％钨、0.5-5.5wt.％硅以及其余为钴。
15.根据权利要求14所述的制品，其中所述金属间沉淀物包含莱夫斯(Laves)相。
16.根据权利要求14所述的制品，其中所述金属间沉淀物以低于所述基于钴的合金的50vol.％的量存在。
17.根据权利要求14所述的制品，其中所述金属间沉淀物以所述基于钴的合金的30-50vol.％的量存在。
18.根据权利要求14所述的制品，其中所述合金包含CoMo3Si相。
19.根据权利要求14所述的制品，其中所述合金的磁导率(μ)低于1.005。
20.根据权利要求19所述的制品，其中铁以2-15wt.％的量存在。
21.根据权利要求14所述的制品，其中所述合金的构型熵大于1.5R，其中R为通用气体常数。
22.根据权利要求20所述的制品，其中所述构型熵为至多1.7R。
23.根据权利要求14所述的制品，其中所述富含钴的固溶体基质相为面心立方。
24.根据权利要求14所述的制品，其中30-90vol.％的所述合金为面心立方。
25.根据权利要求24所述的制品，其中所述合金中的立方相与六方相的比率大于2。
26.根据权利要求14所述的制品，其中所述制品为工具。
27.根据权利要求14所述的制品，其中所述一个或多个区域包含涂层。
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