抗开裂硬面堆焊合金的制作方法

本申请要求2014年6月9日提交的美国临时申请第62/009758号，题为“CRACK RESISTANT HARDFACING ALLOYS”的权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开内容一般性涉及用于保护部件免受磨损的硬面堆焊覆盖物。

背景技术：

硬面堆焊和/或焊接覆盖物通常用于多种不同的应用中，以保护部件免受磨损性环境中的过度材料损失。在某些应用中，可能希望在焊接处理完成之后，硬面堆焊覆盖物保持无开裂。这并非典型的硬面堆焊合金，因为在焊接期间或紧接在焊接之后由于合金固有的低韧性而存在很多应力释放开裂。硬面堆焊合金通常非常硬，超过50HRC，并且对于冶金学领域的技术人员而言众所周知的是硬度通常与韧性成反比。在某些应用中，还希望在原始的磨损掉的堆焊硬质表面层上进行焊接，并且希望这样做不会在原始或二次焊接覆盖物中产生开裂。在这样的应用中，随着现有堆焊硬质表面层上发生磨损，通常希望在磨损的层上反复连续进行焊接，以连续修复并重建堆焊硬质表面层。在以这种方式重建堆焊硬质表面层的过程中，通常将一种类型的硬面堆焊合金焊接在第二种不同类型的堆焊硬质表面层上。通常希望能够这样做而不会在性能方面导致任何损失。

已知堆焊硬质表面层中通常发生两种类型的开裂。第一种，应力开裂，非常常见且容易检测。这些开裂发生是因为焊道在冷却时收缩，导致焊缝中累积的热应力达到在焊缝中产生开裂的水平。第二种，热撕裂，较不常见，由于其不会在焊接过程中产生响亮的开裂声“砰”而较不易检测。当合金在较大温度下凝固，并且焊道的边缘开始凝固并收缩而焊道的中心尚未完全凝固时，热撕裂发生。外部焊道的收缩将焊道中心的液相拉离。这种机理也为冶金学领域的技术人员所知。

应力开裂和热撕裂问题经常发生的具体应用的实例有环形加硬(hardbanding)。环形加硬是通常以沉积在工具接头上的两个或更多个焊道的形式保护钻杆的方法。通常并且也希望在磨损的环形加硬层上沉积额外的覆盖物以重建耐磨表面。由于钻杆通常被出租到各种钻井场，因此通常也将一种类型的环形加硬合金施用到不同类型的第二环形加硬合金上。当前可选择的环形加硬合金相对多样；很多经由碳化物形成来产生耐磨性，而其他很多经由硼化物形成来产生耐磨性。在形成硼化物的合金上焊接形成碳化物的合金产生重建层极可能应力开裂或热撕裂的情况。

高度抗热撕裂但是易经受应力开裂的合金的一个实例示于美国专利第8647449号中：Fe：余量；Cr：5；Nb：4；V：0.5；C：0.8；B：0.9；Mo：3.5；Ti：0.2；Si：0.5；Mn：1中，其在此通过引用整体并入。这种合金可以作为单层焊接，但是愈加可能在随后的重建层中应力开裂。一般类型的表现出这类行为的材料可以形成一次碳化物或硼化物，并且还形成超过15体积％的共晶碳化物或硼化物。这种分类基于本研究中进行的广泛研究。这样的合金的实例示于图1(左图)中，其中碳化物[101]和硼化物[102]二者存在于铁素体基体[103]中，但是存在约20体积％的共晶碳化物。

高度抗应力开裂但是易经受热撕裂的合金的一个实例示于WO 2014/127062(其要求2013年11月4日提交的US 61/889548的优先权)中：Fe：余量；C：1；Cr：5；Mn：1.1；Mo：0.75；Ni：0.1；Si：0.77；Ti：3，WO 2014/127062和US 61/889548在此通过引用整体并入。可以无限地将这种合金重建在相似类型的磨损层上而没有应力开裂或热撕裂。然而，当将这种合金焊接在磨损的包含B的环形加硬层上时，其将会热撕裂。一般类型的表现出这类行为的材料形成一次碳化物或硼化物(在奥氏体基体相之前从液体中析出的碳化物或硼化物)，但是不会形成碳化物和硼化物二者。易经受热撕裂的合金的实例示于图1(右图)中，其中一次碳化物[104]埋置在马氏体基体[105]中；显微组织中没有任何共晶碳化物或硼化物且没有硼化物导致热撕裂的可能性增加。

现有技术的硬面堆焊材料为落在这两种一般类别的任一种中的合金。因此，需要一类抵抗应力开裂和热撕裂这两种失效形式的硬面堆焊材料。

技术实现要素：

在一些实施方案中，可以使用计算冶金学来开发满足以下几个热力学标准的合金组成范围：1)在未稀释状态下，总晶界碳化物/硼化物分数可以小于15体积％(或小于约15体积％)，2)在未稀释状态和稀释状态下，晶界碳化物/硼化物形成温度可以不低于基体相的液相温度减去80K(或约80K)，3)基体中的最低C水平可以大于0.6重量％(或大于约0.6重量％)，4)合金可以包含C和B二者。当满足这组热力学标准时，所得的合金可以高度抗应力开裂和热撕裂。显微组织可以主要具有马氏体基体，在马氏体基体中具有碳化物和硼化物析出物二者，其中存在不超过15体积％的共晶碳化物和/或硼化物。这种材料的用途可以为高度耐磨损的硬面堆焊合金，并且可以无开裂地作为单层沉积和作为重建层沉积在其自身上，沉积在含碳硬面堆焊材料上，以及沉积在含硼硬化材料上，而无应力开裂或热撕裂。

本文中公开了可以用作硬面堆焊覆盖物的原料的制品的实施方案，由此所述制品包括50HRC或更大的宏观硬度，以及当作为单层焊接或焊接在磨损的现有堆焊硬质表面层上时高的抗应力开裂和热撕裂的能力，其中磨损的堆焊硬质表面层的特征在于：包含碳和/或硼的总和最高达3重量％的任何合金。

在一些实施方案中，合金可以具有特征在于ASTM G65A质量损失小于0.5克的高耐磨性。在一些实施方案中，所得的硬面堆焊沉积物可以包含碳化物和硼化物析出物二者。

在一些实施方案中，所得的硬面堆焊沉积物可以包含大于0体积％的晶界碳化物和/或硼化物，但小于15体积％的晶界析出物。在一些实施方案中，当呈现完全未稀释和完全稀释状态，所得的硬面堆焊沉积物可以包含大于0体积％的晶界碳化物和/或硼化物，但小于15体积％的晶界析出物。

在一些实施方案中，原料合金或层可以以重量％计包含Fe：余量；B：0.6至0.9；C：0.75至1.25；Cr：14.25至26和Nb+Ti+V：3.5至4.5。在一些实施方案中，原料合金或层还可以以重量％计包含Mn：约1.1；Mo：约1；Si：约0.5。

本文中还公开了表面的至少一部分被如下层覆盖的工件的实施方案，其中所述层包括50HRC或更大的宏观硬度，所述层包含碳化物和硼化物二者以及体积分数小于10％的共晶碳化物和/或硼化物。

在一些实施方案中，共晶碳化物和/或硼化物的体积分数可以大于0％。在一些实施方案中，显微组织可以包含富含Nb和/或Ti的一次碳化物。在一些实施方案中，显微组织可以包含富含Cr的共晶硼化物。在一些实施方案中，合金可以具有特征在于ASTM G65A质量损失小于0.5克的高耐磨性。

在一些实施方案中，原料合金或层可以以重量％计包含Fe：余量；B：0.6至0.9；C：0.75至1.25；Cr：14.25至26和Nb+Ti：3.5至4.5。在一些实施方案中，原料合金或层还可以以重量％计包含Mn：约1.1；Mo：约1；Si：约0.5。

本文中还公开了形成涂覆工件的方法的实施方案，所述方法包括在工件的至少一部分上沉积合金层，其中所述合金包括以下热力学特征：1300K下小于10摩尔分数的碳化物和/或硼化物，1300K下至少一个碳化物和至少一个硼化物相，以及不低于铁素体或奥氏体铁基体相的液相温度减去80K下的共晶碳化物和/或硼化物。

在一些实施方案中，液相中的最低碳含量可以为0.5重量％。在一些实施方案中，在完全稀释状态下，合金在不低于铁素体或奥氏体铁基体相的液相温度减去80K下可以包含共晶碳化物和/或硼化物。在一些实施方案中，合金可以具有特征在于ASTM G65A质量损失小于0.5克的高耐磨性。

在一些实施方案中，原料合金或层可以以重量％计包含Fe：余量；B：0.6至0.9；C：0.75至1.25；Cr：14.25至26和Nb+Ti：3.5至4.5。在一些实施方案中，原料合金或层还可以以重量％计包含Mn：约1.1；Mo：约1；Si：约0。

本文中公开了金属合金组合物的实施方案，所述金属合金组合物包含基于Fe的合金，所述基于Fe的合金包含合金元素硼、碳、铬以及铌、钛和/或钒，其中合金的最大共晶碳化物/硼化物相分数为约15摩尔％，其中合金的最大晶界形成温度差(grain boundary formation temperature gap)为约80K，其中液体中的最低碳水平为约0.5重量％，以及其中合金包含碳化物和硼化物二者，并且碳化物在等于或高于奥氏体或铁素体基体相的液体温度减去约80K的温度下是热力学稳定的。

在一些实施方案中，合金可以主要是马氏体的。在一些实施方案中，碳化物和硼化物析出物可能不超过约15体积％。在一些实施方案中，合金可以作为硬面堆焊覆盖物提供。在一些实施方案中，合金可以作为部件上的单层提供。在一些实施方案中，合金可以作为磨损堆焊硬质表面层上的多层来提供。

本文中还公开了用作硬面堆焊覆盖物的原料的制品的实施方案，其中所述制品包含合金，所述合金具有50HRC或更大的宏观硬度，以及当作为单层焊接或焊接在磨损的现有堆焊硬质表面层上时高的抗应力开裂和热撕裂的能力，其中所述磨损的现有堆焊硬质表面层的特征在于：包含碳和/或硼的总和高至3重量％的任何合金。

在一些实施方案中，所述合金可以具有特征在于ASTM G65A质量损失小于0.5克的高耐磨性。在一些实施方案中，得到的所述合金在所述磨损的现有堆焊硬质表面层上的硬面堆焊沉积物可以包含碳化物和硼化物析出物二者。在一些实施方案中，得到的所述合金在所述磨损的现有堆焊硬质表面层上的硬面堆焊沉积物可以包含大于0体积％的晶界碳化物和/或硼化物，但小于15体积％的晶界析出物。在一些实施方案中，当呈现完全未稀释和完全稀释状态时，得到的所述合金在所述磨损的现有堆焊硬质表面层上的硬面堆焊沉积物可以包含大于0体积％的晶界碳化物和/或硼化物，但小于15体积％的晶界析出物。

在一些实施方案中，所述合金可以包含Fe，以及，以重量％计：

B：0.6至0.9；

C：0.75至1.25；

Cr：14.25至26；和

Nb+Ti+V：3.5至4.5。

在一些实施方案中，所述合金还可以包含，以重量％计：

Mn：约1.1；

Mo：约1；和

Si：约0.5。

本文中还公开了表面的至少一部分被层覆盖的工件的实施方案，其中所述层包含宏观硬度为50HRC或更大的合金，所述合金包含碳化物和硼化物二者，并且其中所述合金包含体积分数小于10％的共晶碳化物和/或硼化物。

在一些实施方案中，共晶碳化物和/硼化物的体积分数可以大于0％。在一些实施方案中，所述合金的显微组织可以包含富含Nb和/或Ti的一次碳化物。在一些实施方案中，所述合金的显微组织可以包含富含Cr的共晶硼化物。在一些实施方案中，所述合金可以具有特征在于ASTM G65A质量损失小于0.5克的高耐磨性。

在一些实施方案中，所述合金可以包含Fe，以及，以重量％计：

B：0.6至0.9；

C：0.75至1.25；

Cr：14.25至26；和

Nb+Ti+V：3.5至4.5。

在一些实施方案中，所述合金还可以包含，以重量％计：

Mn：约1.1；

Mo：约1；和

Si：约0.5。

本文中还公开了形成涂覆工件的方法的实施方案，所述方法包括在工件的至少一部分上沉积合金层，其中所述合金层包括以下热力学特征：1300K下小于10摩尔分数的碳化物和/或硼化物，1300K下至少一个碳化物和至少一个硼化物相，以及不低于铁素体或奥氏体铁基体相减去80K下的共晶碳化物和/或硼化物。

在一些实施方案中，所述合金层的液相中的最低碳含量可以为0.5重量％。在一些实施方案中，在完全稀释状态下，所述合金层在不低于合金层的铁素体或奥氏体铁基体相的液相温度减去80K下可以包含共晶碳化物和/或硼化物。在一些实施方案中，所述合金层可以具有特征在于ASTM G65A质量损失小于0.5克的高耐磨性。

在一些实施方案中，所述合金层可以包含Fe，以及，以重量％计：

B：约0.1至约1.1；

C：约0.6至约2；

Cr：约0.5至约22；

Mn：约0至约1.15；

Mo：约0至约1；

Nb：约0至约8；

Si：约0至约0.65；

Ti：约0至约8；

V：约0至约10；

W：约0至约4；和

Zr：约0至约8。

在一些实施方案中，所述合金层可以包含Fe，以及，以重量％计：

B：0.6至0.9；

C：0.75至1.25；

Cr：14.25至26；和

Nb+Ti+V：3.5至4.5。

在一些实施方案中，所述合金层还可以包含，以重量％计：

Mn：约1.1；

Mo：约1；和

Si：约0.5。

本公开内容中也设想了其他方法，如硬面堆焊法或环形加硬法。例如，可以在基底上施用合金单层或多层。

本文中还公开了用于基底上的硬面堆焊的合金的实施方案，所述合金包含：基体，其包含至少约10体积％的马氏体；以及晶界碳化物和/或硼化物，其体积分数小于约15％，其中存在碳化物和硼化物二者。

在一些实施方案中，所述合金的组成可以为Fe，以及，以重量百分比计：

约0.52至约0.9的B；

约0.68至约1.25的C；

约8.36至约16.1的Cr；和

约3至约4.5的Nb。

本文中还公开了用于基底上的硬面堆焊的合金的实施方案，所述合金包括：约50HRC的最小硬度，根据ASTM G65程序A损失0.5g的最低耐磨性，当作为硬面堆焊合金在包含碳和/或硼的基底上焊接时无热撕裂，且当在所述包含碳和/或硼的基底上焊接时无应力开裂。

在一些实施方案中，所述合金还包含：基体，其包含至少约10体积％的马氏体；以及晶界碳化物和/或硼化物，其体积分数小于约15％，其中存在碳化物和硼化物二者。

在一些实施方案中，所述合金的组成可以为Fe，以及，以重量百分比计：

约0.52至约0.9的B；

约0.68至约1.25的C；

约8.36至约16.1的Cr；和

约3至约4.5的Nb。

在一些实施方案中，所述合金的最大共晶碳化物/硼化物相分数可以为约15摩尔％，其中所述合金的最大晶界形成温度差可以为约80K，其中液体中的最低碳水平可以为约0.5重量％，以及其中所述合金可以包含碳化物和硼化物二者，并且碳化物在等于或高于奥氏体或铁素体基体相的液体温度减去约80K下可以是热力学稳定的。

附图说明

图1示出了易经受应力开裂(左图)和热撕裂(右图)的硬面堆焊合金的显微组织的一个实例。

图2示出了公开的处于完全未稀释的组成的合金(合金#86)的一个实施方案的凝固图。

图3示出了公开的处于完全稀释的组成的合金(合金#86)的一个实施方案的凝固图。

图4示出了在1000X(左图)和3000X(右图)放大倍率下公开的合金(合金P20X86)的一个实施方案的SEM显微图像。

具体实施方式

本文中公开了抗开裂合金的实施方案以及制造所述合金的方法，这可以特别用于硬面堆焊应用。在一些实施方案中，可以使用计算冶金学来开发可以实现特定参数的合金组成范围，下面将详细讨论。

金属合金组合物

已通过热力学分析和实验确定，可以用于确保本公开内容的特定实施方案中详细说明的显微组织标准和性能标准的(待添加到基于Fe的组合物中的)合金元素为B、C、Cr、Nb和Ti。除了这些合金元素之外，还可以添加次级(secondary)合金元素以进一步提高性能，如Al、Si、V、Mn、Ni、Cu、Zr和W等。此外，这些合金的制造形式中可以存在典型的杂质如S、P等。

这种合金的实施方案可以描述一个独特种类的合金，这类合金在作为单层焊接在部件上时(经稀释的)，在多次焊接在磨损的堆焊硬质表面层上时(未稀释，通常需要4层或更多重建层)，以及在再次施用期间产生任何中间层化学物质时，具有本公开的显微组织特征并且表现出本公开的性能标准。稀释可以发生在焊缝中，因为一些基体材料(例如，被施用焊接的基底)可以在焊接操作期间渗入焊缝自身中，从而用基底的组合物稀释钎焊组合物。因此，对于添加的每一层，稀释减少，因为焊缝不再直接接触基体材料，而是与其他经稀释或未经稀释的焊缝接触。因此，在一些实例中，第一层可以是经稀释的层，而层2至3可以是中间层，并且第四层可以是未稀释的层，然而该层是哪种层可以取决于焊缝和基底的化学组成。

在一些实施方案中，经稀释的化学物质可以包含与原料的剩余部分化学物质混合的、约5-30重量％(或约5重量％至约30重量％)基体材料的化学物质。随后在磨损层上再次施加硬面堆焊合金期间，再施加的层的化学物质可以逐渐富集，直到其接近焊接原料的化学物质。本文中描述的组合物可以指原料组合物，被稀释的单层焊缝组合物，由于多次重复施用产生的未经稀释的焊接层组合物，以及从完全稀释状态至完全未稀释状态的任何中间焊接层组合物。

在一些实施方案中，合金可以通过以重量百分比计包含以下元素范围的组合物来描述，所述元素范围已经在实验上进行生产和评估，并且满足公开的显微组织标准：

Fe：余量

B：0.6至0.9(或约0.6至约0.9)

C：0.75至1.25(或约0.75至约1.25)

Cr：14.25(或约14.25)

Nb：3.5至4.5(或约3.5至约4.5)

可以添加的主要用于可制造性和加工控制的其他元素为：

Mn：1.1(或约1.1)

Mo：1(或约1)

Si：0.5(或约0.5)

Ti：0.5(或约0.5)

V：0.5(或约0.5)

在一些实施方案中，合金可以通过以重量百分比计包含以下元素范围的组合物来描述，以下元素范围包括经过实验评估以及使用热力学建模工具评估的那些：

Fe：余量

B：0.6至0.9(或约0.6至约0.9)

C：0.75至1.25(或约0.75至约1.25)

Cr：14.25至26(或约14.25至约26)

Nb：3.5至4.5(或约3.5至约4.5)

可以添加的主要用于可制造性和加工控制的其他元素为：

Mn：1.1(或约1.1)

Mo：1(或约1)

Si：0.5(或约0.5)

Ti：0.5(或约0.5)

V：0.5(或约0.5)

在一些实施方案中，合金中的Nb含量可以被Ti和/或V完全或部分替换，因为Ti和V二者在这种类型的合金中形成一次碳化物。在一些实施方案中，公开的合金的Nb+Ti+V浓度以重量％计可以为3.5至4.5(或约3.5至约4.5)。一些实施方案中，Nb+Ti浓度以重量％计可以为3.5至4.5(或约3.5至约4.5)。

在一些实施方案中，合金可以通过以重量百分比计包含以下元素的特定组合物来描述，以下元素已经在实验上进行生产并评估，并且满足本公开的显微组织标准和性能标准：

Fe：余量

B：0.75(或约0.75)

C：0.75至0.95(或约0.75至约0.95)

Cr：14.25(或约14.25)

Nb：3.5(或约3.5)

可以添加的主要用于可制造性和加工控制的其他元素为：

Mn：1.1(或约1.1)

Mo：1(或约1)

Si：0.5(或约0.5)

Ti：0.5(或约0.5)

V：0.5(或约0.5)

在一些实施方案中，合金可以通过以重量百分比计包含以下如经由辉光放电光谱仪读数限定的元素范围的特定组合物来描述，以下元素范围已经在实验上进行生产并评估，并且满足公开的显微组织标准和性能标准：

Fe：余量

B：0.52至0.75(或约0.52至约0.75)

C：0.68至1.1(或约0.68至约1.1)

Cr：8.36至16.1(或约8.36至约16.1)

Nb：3至4(或约3至约4)

可以添加的主要用于可制造性和加工控制的其他元素为：

Mn：1.05至1.1，Mo：0.85至1.02，Si：0.52至0.59，Ti：0.39至0.85，和V：0.39至0.46；或

Mn：约1.05至约1.1，Mo：约0.85至约1.02，Si：约0.52至约0.59，Ti：约0.39至约0.85，和V：约0.38至约0.46

在一些实施方案中，合金可以通过以重量百分比计包含以下如经由辉光放电光谱仪读数限定的元素范围的特定组合物来描述，以下元素范围已经在实验上进行生产并评估，并且满足公开的显微组织标准和性能标准：

Fe：余量

B：0.52至0.9(或约0.52至约0.9)

C：0.68至1.25(或约0.68至约1.25)

Cr：8.36至26(或约8.36至约16.1)

Nb：3至4.5(或约3至约4.5)

可以添加的主要用于可制造性和加工控制的其他元素为：

Mn：1.05至1.1，Mo：0.85至1.02，Si：0.52至0.59，Ti：0.39至0.85，和V：0.39至0.46；or

Mn：约1.05至约1.1，Mo：约0.85至约1.02，Si：约0.52至约0.59，Ti：约0.39至约0.85，和V：约0.38至约0.46

在一些实施方案中，合金可以通过满足本公开内容中描述的热力学标准的组合物范围来描述。这些合金可以包含以下：

Fe：余量

B：0.1至1.1(或约0.1至约1.1)

C：0.6至2(或约0.6至约2)

Cr：0.5至22(或约0.5至约22)

Mn：0至1.15(或约0至约1.15)

Mo：0至1(或约0至约1)

Nb：0至8(或约0至约8)

Si：0至0.65(或约0至约0.65)

Ti：0至8(或约0至约8)

V：0至10(或约0至约10)

W：0至4(或约0至约4)

Zr：0至8(或约0至约8)

可以添加的主要用于可制造性和加工控制的其他元素为：

Mn：1.05至1.1，Mo：0.85至1.02，Si：0.52至0.59，Ti：0.39至0.85，和V：0.39至0.46；或

Mn：约1.05至约1.1，Mo：约0.85至约1.02，Si：约0.52至约0.59，Ti：约0.39至约0.85，和V：约0.38至约0.46

在一些实施方案中，合金可以通过满足性能标准和/或显微组织标准的特定示例性组合物来描述，所述示例性组合物包含以下一种或更多种的混合物(在所有情况下，Fe构成余量)：

·B：0.6，C：1，Cr：14.25，Mn：1.1，Mo：1，Nb：4.5，Si：0.5，Ti：0.5，和V：0.5(或B：约0.6，C：约1，Cr：约14.25，Mn：约1.1，Mo：约1，Nb：约4.5，Si：约0.5，Ti：约0.5，和V：约0.5)

·B：0.9，C：1.1，Cr：14.25，Mn：1.1，Mo：1，Nb：3.5，Si：0.5，Ti：0.5，和V：0.5(或B：约0.9，C：约1.1，Cr：约14.25，Mn：约1.1，Mo：约1，Nb：约3.5，Si：约0.5，Ti：约0.5，和V：约0.5)

·B：0.75，C：1.05，Cr：14.25，Mn：1.1，Mo：1，Nb：3.5，Si：0.5，Ti：0.5，和V：0.5(或B：约0.75，C：约1.05，Cr：约14.25，Mn：约1.1，Mo：约1，Nb：约3.5，Si：约0.5，Ti：约0.5，和V：约0.5)

·B：0.6，C：1，Cr：14.25，Mn：1.1，Mo：1，Nb：4.5，Si：0.5，Ti：0.5，和V：0.5(或B：约0.6，C：约1，Cr：约14.25，Mn：约1.1，Mo：约1，Nb：约4.5，Si：约0.5，Ti：约0.5，和V：约0.5)

·B：0.75，C：1.05，Cr：14.25，Mn：1.1，Mo：1，Nb：3.5，Si：0.5，Ti：0.5，和V：0.5(或B：约0.75，C：约1.05，Cr：约14.25，Mn：约1.1，Mo：约1，Nb：约3.5，Si：约0.5，Ti：约0.5，和V：约0.5)

·B：0.75，C：1.25，Cr：14.25，Mn：1.1，Mo：1，Nb：3.5，Si：0.5，Ti：0.5，和V：0.5(或B：约0.75，C：约1.25，Cr：约14.25，Mn：约1.1，Mo：约1，Nb：约3.5，Si：约0.5，Ti：约0.5，和V：约0.5)

·B：0.75，C：0.95，Cr：14.25，Mn：1.1，Mo：1，Nb：3.5，Si：0.5，Ti：0.5，和V：0.5(或B：约0.75，C：约0.95，Cr：约14.25，Mn：约1.1，Mo：约1，Nb：约3.5，Si：约0.5，Ti：约0.5，和V：约0.)

·B：0.75，C：0.85，Cr：14.25，Mn：1.1，Mo：1，Nb：3.5，Si：0.5，Ti：0.5，和V：0.5(B：约0.75，C：约0.85，Cr：约14.25，Mn：约1.1，Mo：约1，Nb：约3.5，Si：约0.5，Ti：约0.5，和V：约0.5)

·B：0.75，C：0.75，Cr：14.25，Mn：1.1，Mo：1，Nb：3.5，Si：0.5，Ti：0.5，和V：0.5(或B：约0.75，C：约0.75，Cr：约14.25，Mn：约1.1，Mo：约1，Nb：约3.5，Si：约0.5，Ti：约0.5，和V：约0.5)

以上段落中描述的所有组合物中确定的Fe含量可为如上所述的组合物的余量，或者所述组合物的余量可包含Fe和其他元素。在一些实施方案中，余量基本上可由Fe构成，也可包含附带的杂质。

下表1示出了使用上述组成的实施方案生产的一些合金组成的列表。

表1：生产成实验锭和焊丝的合金组合物

热力学标准

在一些实施方案中，可以通过热力学模型对合金进行充分描述。可以使用以下四个热力学模型标准限定合金：1)最大共晶碳化物/硼化物相分数，2)奥氏体的液相温度与共晶碳化物/硼化物相的形成温度之间的最小温度差，3)液体中的最低C水平，以及4)在不低于奥氏体或铁素体基体相的液相温度减去80K的温度下，存在碳化物和硼化物二者。

第一热力学标准可以为最大共晶碳化物/硼化物相分数。该标准与硬面堆焊合金应力开裂的趋势有关。随着任何共晶碳化物和硼化物总和的相分数增加，应力开裂的趋势可能增加。应力开裂发生之前对共晶碳化物/硼化物的最大限制已由实验确定为15体积％(或约15体积％)。共晶碳化物/硼化物被定义为在等于或低于奥氏体的液相温度的温度下形成的任何碳化物或硼化物相。共晶碳化物/硼化物相分数被定义为在1300K(或约1300K)下存在的形成温度等于或低于奥氏体的液相温度的碳化物和硼化物的总和。在一些实施方案中，最大共晶碳化物/硼化物相分数可以为15摩尔％(或约15摩尔％)。在一些实施方案中，最大共晶碳化物/硼化物相分数可以为10摩尔％(或约10摩尔％)。在一些实施方案中，最大共晶碳化物/硼化物相分数可以为5摩尔％(或约5摩尔％)。

当在其自身的磨损版本上重新施用焊接至少连续三次时，共晶摩尔分数通常为未稀释状态的最高。在一些实施方案中，未稀释状态下的硬面堆焊合金可以满足该第一描述的热力学标准。图1中示出了一个未稀释状态的实施方案(合金86)的凝固图。如图所示，总的共晶硼化物摩尔分数(Cr₂B+Fe，Mo₃B₂)[102]低于15％，并且为14.2％。

第二热力学标准可以为晶界形成温度差。该标准与合金热撕裂的趋势相关。随着温度差增加，热撕裂的趋势可能增加。使用实验测量已经确定，若温度差不超过80K(或约80K)，则可能是有利的，由此可以避免硬面堆焊材料的热撕裂。晶界形成温度差被定义为奥氏体或铁素体液相温度与存在任何共晶碳化物或硼化物的最高温度之间的温度差。在一些实施例中，最大晶界形成温度差可以为80K(或约80K)。在一些实施例中，最大晶界形成温度差可以为50K(或约50K)。在一些实施例中，最大晶界形成温度差可以为0K(或约0K)。如对图2和图3进行比较时所示，初始凝固基体相可以为铁素体或奥氏体，并且通过使用自液态冷却时任一相的最高形成温度来测量晶界形成温度差。

当在裸的基底材料(例如，41XX系列或低碳钢)上施用焊接时，晶界形成温度差通常在稀释状态下最大。在一些实施方案中，完全稀释状态下的硬面堆焊合金可满足该第二热力学标准。在典型的焊接工艺中，稀释状态可以等于原始焊丝化学物质的总合金含量的70％和基底的总合金含量的30％。图3中示出了在4137钢进行焊接时，稀释状态的示例性实施方案(合金86)的凝固图。如图所示，晶界形成温度差[202]为50K。

如图2和图3中所示，呈现完全稀释状态[201]的合金86的共晶摩尔分数为7.8％，并且完全未稀释状态[102]的晶界形成温度差为50K。因此，当呈现完全稀释和完全未稀释二者时，合金86满足该热力学标准。

很多合金满足第一热力学标准或第二热力学标准，但不满足两者。因此，由于这两个标准是负相关的，可以使用用于评估极大组成范围的计算模型来设计这种类型的材料。通常，随着共晶碳化物/硼化物相分数减小，所述温度差增加，反之亦然。因此，同时满足这两个标准的合金的组成范围相对较窄并且不直观。一些硬面堆焊材料不会形成晶界碳化物或硼化物，因此不满足标准2。实验表明，这些合金高度易于热撕裂。

第三热力学标准可以为液体中的最低C水平。该标准与硬面堆焊合金在冷却时形成显著的马氏体分数从而较硬并耐磨的趋势相关。实验确定，在典型的硬面堆焊沉积条件下，液体中的0.5重量％C(或约0.5重量％C)或者更高会产生显著的马氏体基体。液体中的最低C水平被定义为在合金为100％液体和奥氏体的液相温度的温度范围下液体中碳的最低重量分数。然而，由于马氏体形成取决于冷却速率，该标准不保证在每种加工条件下基体中马氏体的存在。在一些实施方案中，液体中的最低C水平可以为0.5重量％(或约0.5重量％)或者更高。在一些实施方案中，液体中的最低C水平可以为0.7重量％(或约0.7重量％)或者更高。在一些实施方案中，液体中的最低C水平可以为0.9重量％(或约0.9重量％)或者更高。

第四热力学标准为合金可以形成碳化物和硼化物二者，并且碳化物在等于或高于奥氏体或铁素体基体相的液相温度减去80K(或约80K)的温度下可以是热力学稳定的。该标准与硬面堆焊合金被焊接到现有含硼和/或含碳焊缝上而不表现热撕裂或应力开裂的能力有关。

表2列出了在本公开内容中进行评估的所选的合金的热力学特性。该表中的所有合金满足四个热力学标准，因为他们在等于或大于奥氏体或铁素体基体相的液相温度减去80K的温度下都具有碳化物和硼化物二者。表3列出了满足本公开内容中列出的热力学标准的合金的组成。

表2：选择的合金组合物的热力学特性表

表3：使用满足热力学标准的热力学模型评估过的所选合金的以重量百分比计的合金化学组成，余量为Fe

显微组织标准

在一些实施方案中，合金可以通过其具有的显微组织特征来描述。显微组织特征可以为：1)基体中存在马氏体，和2)晶界碳化物和/或硼化物体积分数低于15％(或低于约15％)但大于0％(或大于约0％)，以及3)存在碳化物和硼化物二者。热力学标准可以以促进这种类型的显微组织的方式设计。图4中示出了公开的显微组织的一个实例。显微组织具有埋置有富含铬的共晶硼化物[402]和富含铌的一次碳化物[403]的马氏体基体。

在一些实施方案中，基体可以为至少10体积％(或至少约10体积％)的马氏体。在一些实施方案中，基体可以为至少50体积％(或至少约50体积％)的马氏体。在一些实施方案中，基体可以为至少90体积％(或至少约90体积％)的马氏体。

在一些实施方案中，晶界碳化物和/或硼化物的总和可以低于15体积％(或低于约15体积％)。在一些实施方案中，晶界碳化物和/或硼化物的总和可以低于10体积％(或低于约10体积％)。在一些实施方案中，晶界碳化物和/或硼化物的总和可以低于5体积％(或低于约5体积％)。

在一些实施方案中，可以存在碳化物和硼化物二者。

性能标准

在一些实施方案中，合金可以通过性能特征来充分描述。可以使用以下四个性能特征来限定合金：1)最小硬度，2)使用ASTM G65程序A表征的最低耐磨性，3)当使用典型的硬面堆焊法进行焊接时没有热撕裂，4)当使用典型的硬面堆焊法进行焊接时没有应力开裂，以及5)当在现有的含碳和/或硼的焊缝上进行重建时，表现出特征1至4。标准1和2在硬面堆焊合金中是常见的，但是表现出全部四个性能标准的合金非常稀少。此外，表现出全部五个性能标准的合金对于现有技术目前尚未听说。

标准1和2涉及堆焊硬质表面层的为提供部件一定水平的防磨损保护的预期功能。通常，增加的硬度和提高的耐磨性可以是有利的。在一些实施方案中，焊缝的最小硬度可以为50HRC(或约50HRC)。在一些实施方案中，焊缝的最小硬度可以为55HRC(或约55HRC)。在一些实施方案中，焊缝的最小硬度可以为57HRC(或约57HRC)。

在一些实施方案中，可以通过ASTM G65A干砂磨损测试表征耐磨性，在此通过引用将其整体并入，其中质量损失较低意味着耐久性提高。在一些实施方案中，ASTM G65A测试下的最大质量损失可以为损失0.5g(或约0.5g)。在一些实施方案中，ASTM G65A测试下的最大质量损失可以为损失0.3g(或约0.3g)。在一些实施方案中，ASTM G65A测试下的最大质量损失可以为损失0.2g(或约0.2g)。

标准3和4涉及已知在硬面堆焊中发生的不同开裂机理。任何开裂(无论是经由应力开裂机理还是热撕裂机理产生)的存在可以产生落在本公开内容的性能标准之外的焊缝，并且在硬面堆焊领域中通常是不期望的。存在本领域技术人员已知的若干用于检测硬面堆焊焊缝中的开裂的方法，例如染料渗透测试和磁粉检测。通过这些或等同技术揭示的任何开裂的存在表示焊缝落在本公开内容的性能标准之外。

标准5涉及在现有的和潜在的不同环形加硬层上进行焊接的合金能力。由于目前和过去使用的环形加硬合金的多样性以及缺乏对钻杆上的环形加硬层的跟踪，该标准对油田工业具有效用。在任何焊接过程中，均存在一定量的基体材料对钎焊材料的稀释。作为原始单层焊接覆盖物，钎焊材料被工具接头(其通常为41XX系列钢合金)的化学物质稀释。然而，在重建期间，即使当先前的环形加硬层被工具接头齐平磨损时，第二层环形加硬层也可以被经磨损的第一层环形加硬层的化学物质稀释。当使用通常用于环形加硬和其他形式的硬面堆焊的MIG焊接工艺时，稀释度为约30％。因此，第二层环形加硬层可以由70％的焊丝化学物质和30％的环形加硬层化学物质组成。环形加硬合金通常具有含有1％至2％的C+B的焊丝化学物质。因此，通常以0.3重量％至0.6重量％的C+B将新覆盖物稀释。在一个实施方案中，本专利的合金可以容纳0.3％(或约0.3％)的稀释进入重建的焊道中的C+B而不热撕裂或应力开裂。在一些实施方案中，本专利的合金可以容纳0.45％(或约0.45％)的稀释进入重建的焊道中的C+B而不热撕裂或应力开裂。在一些实施方案中，本专利的合金可以容纳0.6％(或约0.6％)的稀释进入重建的焊道中的C+B而不热撕裂或应力开裂。

表4示出了选择的关于制造成用于显微组织和硬度分析的锭形式和/或制造成试验用的焊丝的合金的实验数据。完整的数据并不适用于所有组合物，如一些合金，其热力学或显微组织数据表明性能较差而未被选择用于焊接试验。该表有助于证明这些合金的独特性，因为所评估的86种合金中只有3种(3.6％)满足特定的性能标准。表1列出了所有表4中评估并示出的合金的化学成分。

表4：选择用于焊接试验的实验合金的性能结果

*表示不满足本公开内容的显微组织实施方案或性能实施方案的标准

实施例

以下实施例旨在举例说明而非限制性的：

实施例1：

该实施例说明了设计用于模拟在现有的包含碳和硼的磨损层上施加和重复施加环形加硬层的焊接测试。使用合金#84进行来进行。使用标准4137钢6 5/8”工具接头作为基础材料。最初将三个轻微重叠的环形物施加到工具接头上以沿着接头的外周形成3”宽且3.5/32”厚的连续覆盖物。使用以下焊接参数来沉积第一层和第二层：

安培：265

伏特：29

旋转：2分56秒

振荡：1”

突出：1 1/8”

重叠：1/8”

预热：420°F

保护气体：氩气

送丝：250

在沉积第一层之后，直接在第一层之上沉积第二堆焊硬质表面层，得到总厚度为6.5/32”的焊道。利用染料渗透检查没有观察到热撕裂或应力开裂。

实施例2至3：

这些实施例说明了设计用于模拟在现有的包含碳和硼的磨损层上施加和重复施加环形加硬层的焊接测试。使用相似的焊接参数对#85和#86合金进行相似的焊接试验。对于任一种合金，在焊接2层连续层之后，使用染料渗透检测均没有观察到热撕裂或应力开裂。

实施例4：

以下示例说明了设计用于模拟修复常见焊接缺陷的焊接测试，并且显示了在典型的硬面堆焊材料中高度可能应力开裂的条件。使用实施例1中所示的相似参数将合金#86沉积为单层覆盖物。但是，有意地停止焊接并重新开始以在覆盖物中产生小间隙。在原始覆盖物留下总的5个间隙。使接头冷却至500°F并且通过在间隙上沉积小的焊接覆盖物来填充两个间隙。在焊接第一次两个补片之后，然后使接头冷却至480°F，并且用修补片填充两个间隙。在焊接第一次两个补片之后，然后使接头冷却至480°F，并用修补片填充两个间隙。在焊接第三补片之后，使接头冷却至450°F，然后施加第四补片。在焊接第四补片之后，使接头冷却至450°F，然后施加最终的补片。用焊缝修补片填充5个间隙的结果是在焊缝中没有产生应力开裂或热撕裂。

表5：满足显微组织标准、性能标准或两者的焊丝的辉光放电光谱仪读数

应用和使用方法：

本文公开的合金的实施方案可以用于各种应用和行业。用途的应用的一些非限制性实例包括：

露天采矿应用，包括但不限于以下部件和以下部件的涂层：耐磨套筒和/或矿浆管道的堆焊硬质表面层；泥浆泵部件，包括泵壳或叶轮或泥浆泵部件的堆焊硬质表面层；矿石进料槽部件，包括斜槽块或斜槽块的堆焊硬质表面层；分离筛，包括但不限于旋转破碎筛、香蕉筛和振动筛；自磨机和半自磨机的衬里；地面接合工具和地面接合工具的堆焊硬质表面层；铲斗和翻斗车衬里的耐磨板；垫块和采矿铲上的垫块的堆焊硬质表面层；平地机刮板和平地机刮板的堆焊硬质表面层；堆料取料机；分级压碎机(siazer crusher)；采矿部件的一般磨损包和其他粉碎(communition)部件。

上游油气应用，包括但不限于以下部件和以下部件的涂层：井下套管和井下套管；钻杆和钻杆的涂层包括环形加硬层层；泥浆管理部件；泥浆马达；压裂泵套；压裂叶轮；压裂搅拌器泵；止动环；钻头和钻头部件；定向钻井设备和定向钻井设备包括稳定器和扶正器的涂层；防喷器以及防喷器和防喷器部件包括剪切式闸板的涂层；石油工业用管材和石油专用管材的涂层。

下游油气应用，包括但不限于以下部件和以下部件的涂层：工艺容器和工艺容器(包括蒸汽发生设备、胺容器、蒸馏塔、旋风器、催化裂化器、一般精炼管道、腐蚀绝缘保护、硫回收装置、对流罩、酸性汽提塔线、洗涤器、烃桶以及其他精炼设备和容器)的涂层。

纸浆和纸张应用，包括但不限于以下部件和以下部件的涂层：用于造纸机的辊包括扬克干燥器(yankee dryer)和其它干燥器、压延辊、机辊、压辊，蒸煮器，纸浆混合器，碎浆机，泵，锅炉，破碎机，薄纸机，辊和包装机，刮刀，蒸发器，纸浆粉碎机，网前箱，线材零件，压制零件，MG圆筒，轴式卷纸机(pope reel)，卷绕机，真空泵，疏解机以及其他纸浆和纸设备。

发电应用，包括但不限于以下部件和用于以下部件的涂层：锅炉管、沉淀器、火箱、涡轮机、发电机、冷却塔、冷凝器、滑槽和槽、螺旋钻、袋式除尘器、管道、ID风扇、煤管道以及其他发电部件。

农业应用，包括但不限于以下部件和以下部件的涂层：滑槽、底切割器刀片、槽、主风扇叶片、次级风扇叶片、螺旋钻以及其他农业应用。

建筑应用，包括但不限于以下部件和以下部件的涂层：水泥滑槽、水泥管道，袋式除尘器、混合设备以及其他建筑应用。

机械元件应用，包括但不限于以下部件和以下部件的涂层：轴颈、纸辊、齿轮箱、驱动辊、叶轮、一般回收和三维修复应用以及其他机械元件应用。

钢应用，包括但不限于以下部件和以下部件的涂层：冷轧机、热轧机、线材轧机、镀锌线、连续酸洗线、连续铸轧辊和其他钢轧辊，以及其他钢应用。

可以以各种技术有效地制造和/或沉积本文中公开的合金的实施方案。方法的一些非限制性实例包括：

热喷涂法，包括但不限于使用线原料那些，如双丝电弧、喷涂、高速电弧喷涂、燃烧喷涂，以及使用粉末原料的那些，如高速氧燃料、高速空气喷涂、等离子体喷涂、爆炸喷涂和冷喷涂。线材原料可以为金属芯线、实芯线或熔剂芯线的形式。粉末原料可以为单一均质合金或多种合金粉末的组合(当熔化在一起时，产生所需的化学性质)。

焊接法，包括但不限于使用线原料那些，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、开弧焊、块焊、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转移电弧焊。线材原料可以为金属芯线、实芯线或熔剂芯线的形式。粉末原料可以为单一均质合金或多种合金粉末的组合(当熔化在一起时，产生所需的化学性质)。

铸造法，包括但不限于通常用于生产铸铁的方法，包括但不限于砂型铸造、金属型铸造、冷铸、熔模铸造、消失模铸造、压铸、离心铸造、玻璃铸造、粉浆浇铸，以及通常用于生产锻造钢产品的方法，包括连铸法。

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、正火、退火、应力消除、回火、时效、淬火，低温处理，火焰硬化，感应硬化、局部硬化、硬面堆焊、脱碳、机械加工，磨削、冷加工、加工硬化和焊接。

该技术的一种或更多种适用用途为就地、现场或在不能容易地满足适当通风、收尘以及其他安全措施的位置沉积涂层的应用。这些应用的一些公知非限制性实例包括发电应用如锅炉管的涂层，上游精炼应用如精炼容器的涂层，以及纸浆和纸应用如扬克干燥器的涂覆和研磨。

根据前面的描述，将会理解，本发明公开了抗开裂环形加硬合金的产品和方法。虽然已经在一定程度上详细地描述了若干组件、技术和方面，但是显然，在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，可以在本文中以上描述的具体设计，构造和方法方面进行许多改变。

本公开内容中在单独实施方式的情况下描述的某些特征也可以以单个实施方式组合实现。相反，在单个实施方式的情况下描述的多种特征也可以单独以多个实施方式或以任何合适的子组合来实现。此外，尽管上述特征被描述为以一定的组合来起作用，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在一个情况下可以从该组合中删除，并且该组合可以被要求为任何子组合或任何子组合或变体。

此外，虽然可在附图中描绘或以特定顺序在说明书中描述方法，但是这些方法不需要以所示的特定顺序或以连续顺序来进行，并且不需要进行所有方法以实现期望的结果。未描绘或描述可以并入示例方法和过程中的其他方法。例如，可以在任何所述方法之前、之后、同时或之间进行一种或更多种另外的方法。此外，可以以其他实施方式重新排列或重新安排所述方法。此外，在上述实施方式中各种系统部件的分离不应理解为在所有实施方式中需要这种分离，并且应当理解，所描述的组件和系统通常可以一起集成在单个产品中或封装到多个产品。此外，其他实施方式在本公开内容的范围内。

除非另有特别说明或者在所使用的上下文内另外理解，否则条件语言如“可以”、“能”、“可能”或“可”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，这样的条件语言通常不旨在暗示特征、元素和/或步骤无论如何都是一个或更多个实施方案所必需的。

除非另有特别说明，否则连接语言如短语“X、Y和Z的至少一个”应与如通常用于表达项目、术语等的上下文一起理解，可为X、Y或Z。因此，这种连接语言通常不旨在暗示某些实施方案需要存在X的至少一个，Y的至少一个，以及Z的至少一个。

本文使用的程度语言，如本文所使用的术语“大约”、“约”、“通常”和“基本上”表示接近所述值、量或特性的仍表现出所期望的功能或实现所期望的结果的值、量或特性。例如，术语“大约”、“约”、“通常”和“基本上”可指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％的范围内的量。如果所述量为0(例如，无，没有)，则上述范围可以是特定范围，而不是在该值的特定％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％，以及小于或等于0.01重量％/体积％的范围内。

已经结合附图描述了一些实施方案。附图按比例绘制，但是这样的比例不应是限制性的，因为除了所示的之外，尺寸和比例被预期并且在所公开的发明的范围内。距离、角度等仅仅是举例说明性的，并且不一定与所示装置的实际尺寸和布局具有精确关系。可以添加、删除和/或重新排列组件。此外，本文的结合多个实施方案的任何特定特征、方面、方法、特性、特点、质量、属性、元素等的公开内容可以用于本文提出的所有其他实施方案。此外，应认识到，可使用适于进行所述步骤的任何装置来实施本文中所描述的任何方法。

虽然已经详细描述了多个实施方案及其变体，但是对于本领域的技术人员来说，其他修改及其使用方法将是显而易见的。因此，应理解，在不脱离本文独特且有创造性的公开内容或权利要求的范围的情况下，可以对做出各种等同的应用、修改、材料和替代。