一种高Cr含Ni的Fe-B基耐锌液腐蚀的整体材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高温合金制备技术，特别涉及一种高Cr含Ni的Fe-B基耐锌液腐蚀的 整体材料以及制备方法。
【背景技术】
[0002] 液态金属的腐蚀一直以来都是困扰核工业以及镀锌业的难题，已经成为一个世界 范围内的难题。尤其是沉没在液态金属中的设备构件，受到熔融态金属的强烈腐蚀与磨损， 频繁地更换设备，不仅造成了材料的浪费，也造成了大量的经济损失。目前，耐液锌腐蚀整 体材料主要有铁基，钴基，Mo-W系，以及陶瓷材料等，钴基超合金价格昂贵，陶瓷以及Mo-W 合金系具有很大的脆性。其中Fe-B合金以其低廉的价格，良好的耐液锌腐蚀性得到广泛的 关注。
[0003] Fe-B合金最初由澳大利亚昆士兰大学发明，发明初衷是出于一种铁基耐磨材料， 其显微组织为a _Fe+Fe2B，B元素在晶界处的非平衡偏聚使得Fe-B合金形成了以Fe2B的 3D网格包围着基体Fe的特殊结构。另外Fe 2B与锌液不润湿，保证了 Fe-B系列合金的耐腐 蚀性。但是Fe2B具有本质脆性，是一种脆性相。在锌液中由于热腐蚀，热脆性的趋势加大。 未经合金化的Fe-B合金，基体的a -Fe很快就被锌液优先腐蚀了，再加之Fe2B的脆性，在 相变应力下从基体上剥落掉，从而导致材料的过早失效。很多研究证实Cr是提高耐液锌腐 蚀的主要元素，有研究将Cr加入到Fe-B合金中，但是高铬的加入使得Fe 2B不再连续致密， 虽然提高了基体的耐蚀性，改善了 Fe2B的韧性，但是没有了网格状Fe2B的阻挡作用，其耐液 锌腐蚀性仍不理想。在Galvalume浸镀中，浸镀温度达到了 600-640°C，对材料的高温热稳 定性的要求更高了。结合我国的生产现状，高消耗，低效率的模式已经严重制约了国家经济 的发展，因此，有必要研发一种适合我国的生产现状，资源现状，成本低廉并且组织以及性 能稳定性优异的新型耐液锌腐蚀材料。
【发明内容】
[0004] 针对现有Fe-B系列合金存在的上述不足以及我国的资源现状，本发明提供一种 高Cr含Ni的Fe-B基耐锌液腐蚀的整体材料。
[0005] 本发明的技术方案为：
[0006] -种高Cr含Ni的Fe-B基耐锌液腐蚀的整体材料，由如下按质量百分比计的组分 构成：
[0007] Cr 18%，Ni 4 ~14%，Mo 1 ~2%，B 3. 5-3. 88%，Fe 余量。
[0008]优选为，Cr 18%，Ni 6 ~14%，Mo 1 ~2%，B 3. 5-3. 88%，Fe 余量。
[0009]更优选为，Cr 18%，Ni 8 ~10%，Mo 1%，B 3. 5%，Fe 余量。
[0010]最优选的是，Cr 18%，Ni 10%，Mo 1%，B 3. 5%，Fe 余量。
[0011] 上述的高Cr含Ni的Fe-B基耐锌液腐蚀的整体材料的制备方法，其特征在于，采 用磁控非自耗真空熔炼炉熔炼，包括如下步骤：
[0012] (1)为尽量减少B元素的烧损，将硼含量为17wt%的硼铁放在坩埚底部，坩埚底部 通有循环冷却水，然后将Cr粒、电解Ni块、Mo片以及工业纯铁块覆盖其上，所述原料满足 如下按质量百分比计的配比：
[0013] Cr 18%，Ni 4~14%，Mo 1~2%，B 3. 5-3. 88%，Fe余量；
[0014]或Cr 18%，Ni 6~14%，Mo 1~2%，B 3. 5-3. 88%，Fe余量；
[0015]或 Cr 18%，Ni 8 ~10%，M〇 1%，B 3.5%，Fe 余量；
[0016]或 Cr 18%，Ni 10%，M〇 1%，B 3.5%，Fe 余量；
[0017] (2)初次熔炼时，将电弧置于工业纯铁块上，让流动的Fe液包覆着Cr粒，Ni块、Mo 片以及硼铁，熔炼电流为100A，然后将钨极对准熔池中间，旋转电弧进行机械搅拌，其间施 加数次60~100A的电流，熔炼时间为1分钟；
[0018] (3)进行翻转，反复熔炼4次以上，得到高Cr含Ni的Fe-B基耐锌液腐蚀的整体材 料。
[0019] 在上述步骤中，施加数次电流时，不同的电流能够产生交变磁场，从而对熔融态的 试样起到电磁搅拌的作用，有利于成分的均匀化。
[0020] 上述所得产品形状为纽扣状。
[0021] 为了研究其耐腐蚀性能，对其进行腐蚀实验，腐蚀实验的试样制作按如下操作进 行：
[0022] (1)利用电火花数控线切割机在所得产品中切割出形状规则的15X9X4mm试样， 切割位置优选产品的中心位置；
[0023](5)在试样的两边用线切割机切割出2Xlmm的槽，用直径为1mm的纯度为 99. 99wt %的钨丝绑住试样，用于腐蚀实验。
[0024] 值得说明的是，wt%表示质量分数或质量百分比。
[0025] 本发明耐腐蚀的化学成分的确定基于以下理论基础：
[0026] 硼：Fe-B二元系的共晶点在3. 88wt% B，超过3. 88会出现针状Fe2B初生相，对组 织以及耐液锌腐蚀不利，过低的B含量使得Fe2B的体积分数小，难以保证耐蚀性，因此，考 虑B含量选定在3. 5-3. 88%。
[0027] 铬：Cr主要用来保证基体的耐蚀性，以及韧化Fe2B。
[0028] 镍：改变Fe-Cr-B系合金中Fe2B的形貌与分布，同时镍是扩大奥氏体区的元素，固 溶于基体中形成Y_(Fe，Ni，Cr)固溶体，以保证合金的耐腐蚀性。
[0029] 钥：Mo可以提高表面钝化膜的稳定性，Mo在晶间形成富Mo的硼化物，另外Mo固溶 于基体也有利于提高耐蚀性。
[0030] 本发明的有益效果在于：
[0031] (1)本发明的合金成分简单，各组分协同发挥作用，具有耐液锌腐蚀性能良好、韧 性良好、耐磨性好等特点，在实际应用中具有优异的耐腐蚀性以及组织稳定性。
[0032] (2)本发明的合金在高温镀锌中具有良好的稳定性。
[0033] (3)相比现有技术中的类似合金，本发明合金的耐腐蚀性提高了 3倍以上，而与其 Cr、Ni含量相当的不锈钢合金lCrl8Ni9Ti相比，本发明合金的耐蚀性提高了 30多倍。
【附图说明】
[0034] 图1为合金A样品的铸态组织。
[0035] 图2为合金B样品的铸态组织。
[0036] 图3为合金C样品的铸态组织。
[0037] 图4为合金D样品的铸态组织。
[0038] 图5为合金A-D的XRD图谱。
[0039] 图6为合金A腐蚀后的腐蚀界面的SEM图。
[0040] 图7为合金B腐蚀后的腐蚀界面的SEM图。
[0041] 图8为合金C腐蚀后的腐蚀界面的SEM图。
[0042] 图9为合金D腐蚀后的腐蚀界面的SEM图。
[0043] 图10为合金C腐蚀层的XRD图。
[0044] 图11为lCrl8Ni9Ti腐蚀后的腐蚀深度曲线。
[0045] 图12为合金A-D腐蚀后的腐蚀深度曲线。
[0046] 图13为合金A-D腐蚀后的腐蚀速率曲线。
【具体实施方式】
[0047] 下面结合具体实施例对本发明做进一步详细描述，但本发明并不限于此。
[0048] 值得说明的是，下述硼铁均指硼含量为17%(质量分数）的硼铁。
[0049] 表1列出了本发明实施例1至4所得合金的化学成分。其中编号A-D分别对应为 本发明实施例1至4所得合金。
[0050]表1 A-D合金的化学成分（质量分数，％ )
【主权项】
1. 一种高Cr含Ni的Fe-B基耐锌液腐蚀的整体材料，其特征在于由如下按质量百分比 计的组分构成： Cr18%，Ni4 ~14%，Mo1 ~2%，B3. 5-3. 88%，Fe余量。
2. 根据权利要求1所述的高Cr含Ni的Fe-B基耐锌液腐蚀的整体材料，其特征在于： Cr18%，Ni6 ~14%，Mo1 ~2%，B3. 5-3. 88%，Fe余量。
3. 根据权利要求1所述的高Cr含Ni的Fe-B基耐锌液腐蚀的整体材料，其特征在于： Cr18%，Ni8 ~10%，M〇 1%，B3.5%，Fe余量。
4. 根据权利要求1所述的高Cr含Ni的Fe-B基耐锌液腐蚀的整体材料，其特征在于： Cr18%，Ni10%，M〇 1%，B3.5%，Fe余量。
5. 权利要求I至4任一项所述的高Cr含Ni的Fe-B基耐锌液腐蚀的整体材料的制备 方法，其特征在于包括如下步骤： (1) 将硼含量为17wt%的硼铁放在坩埚底部，坩埚底部通有循环冷却水，然后将Cr粒、 电解Ni块、Mo片以及工业纯铁块覆盖其上，所述原料满足如下按质量百分比计的配比： Cr18%，Ni4 ~14%，Mo1 ~2%，B3. 5-3. 88%，Fe余量； 或Cr18%，Ni6 ~14%，Mo1 ~2%，B3. 5-3. 88%，Fe余量； 或Cr18%，Ni8 ~10%，M〇 1%，B3.5%，Fe余量； 或Cr18%，Ni10%，M〇 1%，B3.5%，Fe余量； (2) 初次熔炼时，将电弧置于工业纯铁块上，让流动的Fe液包覆着Cr粒，Ni块、Mo片 以及硼铁，熔炼电流为100A，然后将钨极对准熔池中间，旋转电弧进行机械搅拌，其间施加 数次60~IOOA的电流，熔炼时间为1分钟； (3) 进行翻转，反复熔炼4次以上，得到高Cr含Ni的Fe-B基耐锌液腐蚀的整体材料。
6. 根据权利要求5所述的高Cr含Ni的Fe-B基耐锌液腐蚀的整体材料的制备方法，其 特征在于：所述Cr粒、电解Ni块、Mo片的纯度均为99. 99 %。
【专利摘要】本发明公开了一种高Cr含Ni的Fe-B基耐锌液腐蚀的整体材料及其制备方法。本发明的材料由下述按质量百分比计的组分构成：Cr18％，Ni 4～14％，Mo 1～2％，B 3.5-3.88％，Fe余量。用精度为0.1mg的光电感量天平称量原材料，在WK-I型非自耗钨极磁控真空熔炼炉内反复熔炼4次以上，获得本发明的合金。本发明的合金具有耐液锌腐蚀性能良好、韧性良好、耐磨性好等特点，在实际应用中具有优异的耐腐蚀性以及组织稳定性。
【IPC分类】C22C33-04, C22C38-54
【公开号】CN104694841
【申请号】CN201510127430
【发明人】尹付成, 王朦朦, 陈国鹏, 赵满秀, 李智
【申请人】湘潭大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月23日