专利名称：一种抗锌液腐蚀铁基整体材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种合金材料，尤其是一种抗锌液腐蚀的Fe-B-Al合金。
背景技术：
目前，世界上防腐蚀钢铁制品中大多都要进行热镀锌，工件热镀锌后，其耐蚀性可提高11-28倍，由于镀层金属与基体有良好的结合力，并具有优良的耐蚀性、装饰性和成型性，所以广泛应用于板、带、丝、管、网及五金电器零件方面。但由于液锌对钢制热镀锌的工艺装备有强烈的熔蚀作用，从而导致钢制镀锌设备寿命短，阻碍镀锌业的发展，为了解决这一问题，许多研究工作者对耐液锌腐蚀材料进行过研究。目前国内外对耐液锌腐蚀材料的研究主要有两个方面(1)选用陶瓷、石墨、碳化硅等非金属材料，这些材料耐热、耐锌蚀，但性能脆，导热性和抗急冷、急热性差，故难以适应工况条件；(2)选用金属材料及其合金，如表面改性金属材料，W-Mo、Fe-B-Mo合金系整体材料等，虽耐蚀性比钢铁材料大大提高了，但这些合金仍然较脆，寿命较短，且钨、钼等合金价格昂贵。而铝元素资源丰富，价格低廉，铁铝金属间化合物有很好的抗高温氧化性及热腐蚀性能，国内一些研究者也对Fe-Al-B合金的耐蚀性进行过研究，但所加入的Al含量极少，Al溶于α-Fe中，不能从根本上阻止Fe与Zn的化学反应。
发明内容
本发明的目的是提供一种生产成本相对较低、抗锌液腐蚀性能较好的抗锌液腐蚀铁基整体材料。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是它是以硼铁为基体材料，通过在硼铁中加入铝冶炼成一种Fe-B-Al合金，在硼铁中加入的铝含量(重量百分比wt％)为17％-29％，；硼含量(重量百分比wt％)为2.7％-8％，其余为铁。
所述Fe-B-Al合金重量百分比(wt％)优选配比为铝含量为(18％-28％)，硼含量为(2.9％-7.5％)，其余为铁。
所述Fe-B-Al合金重量百分比(wt％)优选配比为铝含量(18％-27％)，硼含量(2.8％-7.4％)，其余为铁。
优选实施方式一所述Fe-B-Al合金重量百分比(wt％)铝含量为(18％-22％)，硼含量为(5.8％-7.4％)，其余为铁。
优选实施方式二所述Fe-B-Al合金重量百分比(wt％)铝含量为(22％-25％)，硼含量为(4.3％-5.8％)，其余为铁。
优选实施方式三所述Fe-B-Al合金重量百分比(wt％)铝含量为(24％-27.1％)，硼含量为(2.7％-4.3％)，其余为铁。
最佳实施方式一所述Fe-B-Al合金重量百分比(wt％)铝含量为24.17％，硼含量为4.22％，其余为铁。
最佳实施方式二所述Fe-B-Al合金重量百分比(wt％)铝含量为27.07％，硼含量为2.8％，其余为铁。
本发明的有益效果是本发明通过以硼铁为基体材料，加入大量合金元素铝，形成与锌液不发生化学反应的铁铝金属间化合物，以提高材料的耐蚀性。本发明通过研究铝含量对硼铁耐液锌腐蚀性能的影响，得出如下实验结果硼铁中铝含量大于18％时，主要形成Fe-Al金属间化合物，这些金属间化合物与锌液不湿润，具有很好的耐液锌腐蚀性；少量的B富集于晶界，起净化晶界作用。它不仅以提高材料的耐蚀性，而且改善了硼铁材料的脆性，提高了韧性，它在镀锌工业中具有一定的实际应用价值。
图1是Fe-B-Al铸态合金失重率随时间变化关系曲线图。
图2是铸态合金腐蚀速率随铝含量变化关系曲线图。
图3是6号合金铸态和退火态失重率随时间变化关系曲线图。
具体实施例方式
为了研究铝含量对硼铁材料耐液锌腐蚀性及韧性的影响，本发明的实验方法如下本实验采用硼铁(B17.00wt％)、纯铝(纯度99.99wt％)、纯铁丝(纯度为99.99wt％)、锌锭(纯度99.9wt％)为原料。本实验配制了8种不同铝含量的合金(合金成份见表1)，然后将配制好的合金用磁控钨极真空熔炼炉熔炼而成，制备好的每个样品用线切割机切成具有规则形状的6个小试块，其中2个作铸态腐蚀试块，1个作铸态金相分析，剩余的3块试样在900℃下进行扩散退火48h，然后在450℃下保温15天，取出水淬，其中2个作退火态腐蚀试块，1个作金相分析。进行耐蚀性实验时，先将每种成份的合金试块酸洗后烘干称重，测量其表面积，然后分别置于盛有500℃锌液的不同石墨坩埚中，每隔24h将试样拿出，观察其表面的变化，经酸洗后烘干称重，计算各成分合金在不同时间的失重率和腐蚀速率。用扫描电镜(SEM)观察基体及腐蚀界面的组织形貌，用能谱仪(EDAX)分析各相的化学成分，用显微压痕法评定耐蚀性较好的Fe-B-Al合金的脆性。
表1 Fe-B-Al合金成分(重量分数，wt％)
为了更好地研究各合金的耐蚀性，我们计算了不同成分合金的失重率和腐蚀速率，图1为各铸态试样失重率随时间变化关系曲线，由图1可知随着腐蚀时间的延长，合金的失重率增加，但随着时间的延长曲线的斜率越小，即腐蚀的速率越慢。从图1还可得知4号合金的耐蚀性最差，7号合金的耐蚀性较好。图2为各铸态试样腐蚀速率随铝含量变化关系曲线，当合金中铝的重量百分比小于18％时，随着硼含量的减少，铝含量的增加，其耐蚀性下降，当Al含量在18％-27％时，随着铝含量的增加，合金的耐液锌腐蚀性能增加，但当Al含量大于27％时，合金的耐液锌腐蚀性能反而下降，这与图1所示的结果是一致的。
实施例1，本发明是以硼铁为基体材料，通过在硼铁中加入铝冶炼成一种抗锌液腐蚀的Fe-B-Al合金。在硼铁中加入的铝含量(重量百分比wt％)为17％-29％，硼含量(重量百分比wt％)为(2.7％-8％)，其余为铁。通过实验得出本发明的铸态合金失重率随时间变化关系，参阅图1；其铸态合金腐蚀速率随铝含量变化关系参阅图2。
实施例2，所述Fe-B-Al合金重量百分比(wt％)铝含量为(18％-28％)，硼含量为(2.9％-7.5％)，其余为铁。其铸态合金失重率随时间变化关系参阅图1，铸态合金腐蚀速率随铝含量变化关系参阅图2。
实施例3，所述Fe-B-Al合金重量百分比(wt％)优选配比为铝含量(18％-27％)，硼含量(2.8％-7.4％)，其余为铁。如在表1所示的合金4号成分中，铝含量为18％，硼含量为7.33％，铁含量为74.67％。其铸态合金失重率随时间变化关系参阅图1，铸态合金腐蚀速率随铝含量变化关系参阅图2。
实施例4，所述Fe-B-Al合金重量百分比(wt％)铝含量为(18％-22％)，硼含量为(5.8％-7.4％)，其余为铁。如在表1所示的合金5号成分中，铝含量为21.15％，硼含量为5.74％，铁含量为73.11％。其铸态合金失重率随时间变化关系参阅图1，铸态合金腐蚀速率随铝含量变化关系参阅图2。
实施例5，所述Fe-B-Al合金重量百分比(wt％)铝含量为(22％-25％)，硼含量为(4.3％-5.8％)，其余为铁。如在表1所示的合金5号成分中，铝含量为21.15％，硼含量为5.74％，铁含量为73.11％。其铸态合金失重率随时间变化关系、随铝含量变化关系参阅图1和图2。
实施例6，所述Fe-B-Al合金重量百分比(wt％)铝含量为(24％-27.1％)，硼含量为(2.7％-4.3％)，其余为铁。如在表1所示的合金6号成分中，铝含量为24.17％，硼含量为4.22％，铁含量为71.61％。其铸态合金失重率随时间变化关系参阅图1，铸态合金腐蚀速率随铝含量变化关系参阅图2，其铸态和退火态失重率随时间变化关系参阅图3。
实施例8，所述Fe-B-Al合金重量百分比(wt％)铝含量为27.07％，硼含量为2.8％，其余为铁。如在表1所示的合金7号成分中，铝含量为27.07％，硼含量为2.8％，铁含量为70.13％。其铸态合金失重率随时间变化关系参阅图1，其铸态合金腐蚀速率随铝含量变化关系参阅图2。
本发明还通过能谱分析得出1号铸态合金主要由大量的FeB、少量的α-Fe和极少量的FeAl组成，基体为Al在α-Fe中形成的固溶体；2号铸态合金由Fe2B、α-Fe和极少量的FeAl组成，基体为Al在α-Fe中形成的固溶体，少量的FeAl呈网状分布在基体上，粒状或针状组织为硼化物；3号合金的相结构与4号相同，只是两合金中各相的比例不同。FeB、Fe2B等金属间化合物具有良好的耐液锌腐蚀性，FeB的耐蚀性优于Fe2B，α-Fe耐液锌腐蚀性差，随着硼含量的减少，硼化物逐渐减少，α-Fe逐渐增多，合金的耐蚀性逐渐下降；但由于FeB及Fe2B硬度极高，FeB可达HV1800-2300，Fe2B可达HV1300-1500，脆性大，因此随着硼含量的增多，合金的韧性下降，开裂的倾向性增大，2号合金中FeAl呈网状分布也是导致合金开裂的原因之一。
通过能谱分析得出6号合金组织中主要为FeAl相，少量的α-Fe分布在晶界上；5号合金的相结构与6号合金相同，但5号合金的α-Fe明显多于6号合金；7号合金的组织中主要有FeAl及Fe3Al中，其中Fe3Al分布在FeAl的晶界上；8号合金的组织中主要有FeAl、FeAl2和富铝相(该相中溶有13-16at％的铁)，图中大块的灰色组织为FeAl，灰黑色的小块状或条状为FeAl2，分布在晶界上的深黑色组织是富铝相。5号合金及6号合金中的α-Fe是导致合金耐蚀性较差的原因，而8号合金的耐蚀性比7号合金差可能是由于富铝相引起的。
用显微压痕法评价6号和7号铸态合金的韧性，可见压痕较完整，压痕周边无碎化现象，也未见裂纹，韧性较好，是由于B元素活性较大，富于晶界对晶界起净化作用，从而提高了晶界的结合强度，改善的材料的脆性。
由图3所示6号合金铸态和退火态失重率随时间变化关系曲线图可知，合金退火组织的耐液锌腐蚀性能比铸态组织好，这主要是因为铸态组织中有粗大的树枝状组织，存在成分偏析，使耐蚀性下降，退火可消除缺陷，均匀化学成分。5号、6号合金的退火态组织，与铸态组织相比，不仅组织形貌发生了明显的变化，而且相结构也发生了变化，退火组织中α-Fe减少了，出现了金属间化合物Fe3Al，其余成分的合金只有形貌的变化未发现相结构的变化。从图1可知，合金的失重率随时间的延长，曲线趋于平缓，说明腐蚀速度越慢，这是由于试样长时间在500℃的锌液中浸泡，相当于退火处理。
综上所述，得出以下结论(1)FeB、Fe2B、Fe3Al、FeAl等金属间化合物具有较好的耐液锌腐蚀性，FeAl2耐液锌腐蚀性较差。
(2)当Al(wt％)＜18％时，Fe-B-Al合金的耐液锌腐蚀性主要由硼含量所决定，随着Al含量增加，硼含量减少，材料的耐液锌腐蚀性变差。当Al＞18％时，主要由Al含量决定，18％＜Al＜27％时，随着Al含量增加，硼含量减少，材料耐蚀性增大。但Al＞27％时随着铝含量增加，耐液锌腐蚀性反而下降。
(3)Al＞27％时，少量的硼富集于晶界，对晶界起净化作用，提高了晶界的结合强度，改善了材料的脆性。
(4)Fe-27Al-2.8B在锌液中既具有良好的耐蚀性，又具有较好的韧性，在镀锌工业中具有一定的实际应用价值。
(5)合金退火态组织的耐液锌腐蚀性能优于铸态组织。
权利要求
1.一种抗锌液腐蚀铁基整体材料，是以硼铁为基体材料，通过在硼铁中加入铝冶炼成Fe-B-Al合金，其特征是在硼铁中加入的铝含量(重量百分比wt％)为(17％-29％)，硼含量(重量成分wt％)为(2.7％-8％)，其余为铁。
2.根据权利要求1所述的抗锌液腐蚀铁基整体材料，其特征是所述Fe-B-Al合金重量百分比(wt％)铝含量为(18％-28％)，硼含量为(2.9％-7.5％)，其余为铁。
3.根据权利要求1所述的抗锌液腐蚀铁基整体材料，其特征是所述Fe-B-Al合金重量百分比(wt％)铝含量为(18％-27％)，硼含量为(2.8％-7.4％)，其余为铁。
4.根据权利要求1所述的抗锌液腐蚀铁基整体材料，其特征是所述Fe-B-Al合金重量百分比(wt％)铝含量为(18％-22％)，硼含量为(5.8％-7.4％)，其余为铁。
5.根据权利要求1所述的抗锌液腐蚀铁基整体材料，其特征是所述Fe-B-Al合金重量百分比(wt％)铝含量为(22％-25％)，硼含量为(4.3％-5.8％)，其余为铁。
6.根据权利要求1所述的抗锌液腐蚀铁基整体材料，其特征是所述Fe-B-Al合金重量百分比(wt％)铝含量为(24％-27.1％)，硼含量为(2.7％-4.3％)，其余为铁。
7.根据权利要求1所述的抗锌液腐蚀铁基整体材料，其特征是所述Fe-B-Al合金重量百分比(wt％)铝含量为24.17％，硼含量为4.22％，其余为铁。
8.根据权利要求1所述的抗锌液腐蚀铁基整体材料，其特征是所述Fe-B-Al合金重量百分比(wt％)铝含量为27.07％，硼含量为2.8％，其余为铁。
全文摘要
一种抗锌液腐蚀铁基整体材料，主要解决现有合金材质脆、或耐蚀寿命较短、或生产成本高等技术问题。其技术方案要点是以硼铁为基体材料，通过在硼铁中加入铝冶炼成Fe－B－Al合金，其中铝含量(重量成分wt％)为17％－29％，硼含量(重量成分wt％)为2.7％－8％，其余为铁。本发明通过以硼铁为基体材料，加入大量合金元素铝，形成与锌液不发生化学反应的铁铝金属间化合物，具有良好的耐液锌腐蚀性；少量的硼富集于晶界起净化晶界作用，改善了材料的脆性，提高了材料的韧性。用该材料制造的镀锌工艺装备，寿命长，成本低，在镀锌工业领域有广阔的应用前景。
文档编号C22C38/06GK1916216SQ20061003166
公开日2007年2月21日 申请日期2006年5月17日 优先权日2006年5月17日
发明者苏旭平, 赵满秀, 尹付成 申请人:湘潭大学