一种高硼铁基耐冲刷腐蚀合金及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于耐磨耐蚀金属材料技术领域，具体涉及一种高硼铁基耐冲刷腐蚀合金 及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 冲刷腐蚀普遍存在于采矿、冶金、煤炭、水利等重要国民经济领域中。物料传输设 备中的关键过流部件长期服役在流动的腐蚀性介质中，持续承受介质冲刷与腐蚀作用。介 质的冲刷与腐蚀相互促进，具有比纯冲刷与纯腐蚀更为强烈破坏作用。由此，研宄高性能耐 冲刷腐蚀材料，具有极为重要的意义。
[0003] 近年来，为了获得新型高性能耐冲蚀材料，国内外开展了大量的研宄工作。中国 发明专利CN1249357公开了一种铸造铁基耐磨耐蚀合金，其合金成分的重量百分数为：C L 5%?3. 0%，Cr 10%?20%，Mo 1%?3%，SiO. 5%?2. 0%，Mn 0· 5%?3. 0%，Ni 2%?4%，Fe余量，该合金具有较高的耐磨性和耐蚀性。然而，这种合金中碳含量较高， 致使合金组织中含有较多粗大的脆性碳化物，并且合金基体组织中碳含量较高，合金的韧 性较差。中国发明专利CN1417360公开了一种铸造耐磨耐蚀钴基合金，这种合金成分的重 量百分数为：C 1.0%?2. 5%，Cr 20%?35%，W 5%?20%，Mo 1%?6%，Nb 1%? 8%，Cu 0· 5%?2. 0%，Si 0· 5%?3. 0%，Ni 2. 0%?15. 0%，Co 35%?65%。这种钴 基合金具有优异的耐蚀、耐磨性能，然而这种合金中含有较多钴元素，生产加工成本高。中 国发明专利CN1153224还公开了一种铸造耐磨耐蚀合金，这种合金成分的重量百分数为： C 彡 0· 10%，Cr 20%?30%，Ni 15%?25%，Si 1. 0%?2. 5%，Mo 1. 0%?3. 5%，Cu 1.0%?2.0%，V 0.8%?1.2%，Ti 0.03%?0.3%，Fe余量，该合金具有较好的耐磨性 和耐腐蚀。然而该合金中含有较多价格昂贵的镍元素，致使生产成本较高。中国发明专利 CN1083121公开了一种耐磨耐蚀镍基合金，合金成分的重量百分数为：C 1. 0%?2. 0%，Cr 20% ?25%，Fe 10.5% ?20.0%，M〇2.1% ?2.5%，Si 1.0% ?1.5%，Mn 1.0% ?1.5%， Y0. 02%?0. 10%或Ce，余为Ni。该合金中的碳元素与铬、钼、铁、锰等元素形成大量一次碳 化物和共晶碳化物，使得合金具有较好的耐磨性。然而，该合金中含有较多价格昂贵的镍元 素，生产成本较高。
[0004] 日本专利JP154263公开了用于制造耐蚀、耐磨合金材料的新工艺，这种工艺是从 Fe基合金、Co基合金和Ni基合金中至少选择一种作为基体制成的金属管，并在管中填充粒 径10 μ m以下的VC粉末制成管状焊丝。或者，从Fe基合金、Co基合金和Ni基合金中至少 选择一种作为基体金属，并与粒径10 μ m以下的VC粉末制成粉末混合物，这种材料具有优 良的耐蚀和耐磨性。但含有价格较高的VC粉末，并且制备工艺复杂。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种高硼铁基耐 冲刷腐蚀合金。该合金的基体组织主要由马氏体构成，具有优异的耐蚀性，此外，基体中分 布18%?20%的硬质相硼化物，可明显提高合金的耐冲刷腐蚀性能。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高硼铁基耐冲刷腐蚀合金， 其特征在于，由以下重量百分含量的成分组成：C 0.10%?0.17%，B 1.50%?2. 10%， Si 0. 40%?0. 80%，Mn 0. 40%?0. 80%，Ni 2. 00%?3. 00%，Cr 16. 10%?18. 20%， Ce 0. 10 % ?0. 20 %，Ti 0. 30 % ?0. 50 %，NO. 05 % ?0. 10 %，Al 0. 05 % ?0. 10 %，Ca 0. 04%?0. 10%，P〈0. 03, S〈0. 03,余量为Fe和其他不可避免的杂质。
[0007] 上述的一种高硼铁基耐冲刷腐蚀合金，其特征在于，由以下重量百分含量的成分 组成：C 0· 12%?0· 16%，B 1. 76%?I. 92%，Si 0· 51%?0· 62%，Mn 0· 61%?0· 67%， Ni 2. 32%?2. 56%，Cr 16. 92%?18. 12%，Ce 0. 15%?0. 18%，Ti 0. 36%?0. 43%， N0·06%?0·08%，A10·06%?0·07%，Ca0·06%?0·08%，P〈0·03，S〈0·03，余量为Fe 和其他不可避免的杂质。
[0008] 上述的一种高硼铁基耐冲刷腐蚀合金，其特征在于，由以下重量百分含量的成分 组成：C 0· 12%，B 1.92%，Si 0.62%，Mn 0.67%，Ni 2. 32%，Cr 17. 73%，Ce 0· 18%，Ti 0.36%，N 0.06%，A1 0.07%，Ca 0.06%，？〈0.03,5〈0.03，余量为？6和其他不可避免的杂 质。
[0009] 上述的一种高硼铁基耐冲刷腐蚀合金，其特征在于，由以下重量百分含量的成分 组成：C 0· 15%，B 1.76%，Si 0.57%，Mn 0.61 %，Ni 2. 56%，Cr 16. 92%，Ce 0· 16%，Ti 0.41%，N 0.08%，A1 0.06%，Ca 0.08%，？〈0.03,5〈0.03，余量为？6和其他不可避免的杂 质。
[0010] 上述的一种高硼铁基耐冲刷腐蚀合金，其特征在于，由以下重量百分含量的成分 组成：C 0· 16%，B 1.89%，Si 0.51%，Mn 0.66%，Ni 2.43%，Cr 18. 12%，Ce 0· 15%，Ti 0.43%，N 0.06%，A1 0.07%，Ca 0.06%，？〈0.03,5〈0.03，余量为？6和其他不可避免的杂 质。
[0011] 另外，本发明还提供了一种制造上述高硼铁基耐冲刷腐蚀合金的方法，其特征在 于，该方法包括以下步骤：
[0012] 步骤一、将纯铁和铬铁加热熔化，待熔液熔清后向所述熔液中加入硅铁和锰铁，然 后再加入纯镍板、钛铁和硼铁；
[0013] 步骤二、炉前成分调整合格后将熔液温度升至1610°c?1650°C，然后向熔液中加 入硅钙合金和铝脱氧，出炉得到合金液；
[0014] 步骤三、将铈基稀土和高氮铬铁均破碎至粒度小于11mm，然后将破碎的铈基稀土 和破碎的高氮铬铁混合后用铁皮包裹，再经190°C?220°C烘干后放置于浇包底部，采用包 内冲入法对步骤二中所述合金液进行复合变质处理；
[0015] 步骤四、将步骤三中复合变质处理后的合金液在1480°C?1530°C下浇注成铸件， 将所述铸件经固溶处理后油淬，然后再进行去应力处理，空冷至室温，得到高硼铁基耐冲刷 腐蚀合金。
[0016] 上述的方法，其特征在于，步骤四中所述固溶处理的温度为980°C?1050°C，升温 速率为4°C /min?6°C /min，保温时间为3h?5h。
[0017] 上述的方法，其特征在于，步骤四中所述去应力处理的温度为280°C?340°C，升 温速率为4°C /min?6°C /min，保温时间为3h?5h。
[0018] 本发明的高硼铁基耐冲刷腐蚀合金中化学成分确定的理论依据如下：
[0019] C :C是影响高硼铁基耐冲刷腐蚀合金硬度、强度、韧性、耐冲刷腐蚀性的主要元 素，C含量高时，基体中固溶的碳量提高，合金的固溶强化效果增强，其硬度、强度和耐磨性 提高，但韧性降低、耐蚀性下降。当碳含量过低时，基体固溶强化效果差，硬度和强度低，综 合考虑，将C元素含量控制在0. 10 %?0. 17%。
[0020] B :B是高硼铁基耐冲刷腐蚀合金中的主要元素，用于形成高硬度的硼化物，提高 合金耐冲刷腐蚀性能。B元素加入量过少，合金中硼化物数量少，耐冲刷腐蚀性低，而加入量 过多，硼化物数量增加，合金脆性增大，综合考虑将B元素含量控制在1. 50 %?2. 10 %。
[0021] Cr :Cr是高硼铁基耐冲刷腐蚀合金中主要的元素。Cr元素可使合金表层形成致密 的Cr2O3保护层，阻止或延缓合金由外部腐蚀转向内部腐蚀。在腐蚀工况中，受应力等因素 致使氧化膜及其下表层产生裂纹，裂纹将为内部腐蚀形成提供条件。高硼铁基合金中Cr含 量越高，对于裂纹修复能力越强，但Cr含量过高，材质熔炼困难，成本升高，因此Cr含量应 控制在 16. 10 % ?18. 20%。
[0022] Ni :Ni是非碳化物形成元素，主要固溶于基体，能够提高基体的淬透性。Ni元素加 入量过多，使淬火残留奥氏体增多，降低合金的硬度和耐冲刷腐蚀性能。因此，Ni含量控制 在 2. 00%?3. 00%〇
[0023] Ce :Ce元素易与合金液中残存的氧元素反应生成Ce203。Ce2O 3恪点高达1640°C， (111) Y_Fe在(〇〇〇lk/;;面上形核时的点阵错配度低，由此，Ce 2O3可作为奥氏体结晶时的有 效异质核心，促进初生奥氏体形核，细化初生奥氏体，进而促进共晶硼化物的细化，其合适 的加入量为〇· 10 %?〇· 20 %。
[0024] Ti :Ti加入高硼铁基合金中将与B元素反应生成块状TiB2。1182有利于改善硼化 物形态和分布。Ti元素加入量过高，将出现粗大的块状TiB2，降低高硼铁基合金的强度和 韧性，综合分析，Ti含量应控制在0. 30%?0. 50%。
[0025] N :N加入高硼铁基合金中可与Ti元素反应生成高熔点的TiN，TiN与γ -Fe晶格 间的错配度很低，可促进初生奥氏体形核，促进硼化物的细化，合适的加入量应为0. 05%? 0· 10%〇
[0026] Al :A1 易与 Ce 和氧反应生成 CeAlO3。CeAl