耐腐蚀耐磨的铁基奥氏体合金的制备方法与流程

本发明属于金属合金制备领域，特别涉及一种耐腐蚀耐磨的铁基奥氏体合金的制备方法。
背景技术：
：在连续热镀铝生产线上，首先是在钢带表面活化处理，然后进入熔铝锅内与运动状态与液态铝原子发生反应，生成镀铝钢带。承担钢带镀铝的镀辊，如沉没辊，既耐液态铝的高温侵蚀，又要承受钢带对辊面的摩擦磨损。以往的镀铝辊的通常使用高铬铸铁或者2520耐热不锈钢制作。镀铝温度一般达到680-720℃，活性铝原子易于扩散，导致铝原子与辊材基体合金发生反应生成的腐蚀产物，这些腐蚀产物从辊体表面脱落，造成辊子表面损伤。这种高铬铸铁或者2520耐热不锈钢制作的镀铝辊，一般工作3-5个小时后，辊及其部件就需要拆下修理，则极大地影响了镀铝生产线的工作效率。通常，一般铁基合金和耐热钢的工作温度只有600℃以下，只有奥氏体合金才能承受热镀铝部件的工作条件下的高温强度和耐蚀环境。机械合金化方法是通过高能球磨使不同原料粉末均匀混合在一起，在这一过程中粉末经过反复变形、焊合和断裂，各组分原子相互扩散，产生合金化并形成新相，最后得到组织成分均匀的纳米合金粉末，可以大大地扩展端际固溶度，使很多合金形成超饱和固溶体。技术实现要素：本发明通过使用铬、钼、钨和钒强化的铁基奥氏体合金并以氮化钒进行弥散硬化，使合金的工作温度能达到680-720℃，具有良好的高温抗腐蚀能力与耐磨能力。本发明提供一种耐腐蚀耐磨的铁基奥氏体合金的制备方法，制备合金所选取的各元素配比为：铬20％～30％、钼2.0％～5.0％、钨1.0％～3.0％、钒0.5％～3.0％、镍12％～20％、锰0.5％～1.5％、硅0.5％～2.0％、氮0.4％～0.9％、碳0.04％～0.15％和余量铁；通过机械合金化方法制备所述合金，具体步骤为：s1、按配比表获取各元素的初始粉末，初始粉末的粒径在100um以内；s2、确定磨球与初始粉末质量的比值，将初始粉末和磨球放入球磨罐；s3、确定惰性气体的种类，将初始粉末研磨为纳米级粉末，在真空手套箱中将样品封存取出；s4、将所述样品在空气中放置一段时间，进行退火处理，经研钵研磨后进行观察和检测。优选地，将所述纳米级粉末投入至压力中频感应炉中，抽真空后充入惰性气体，并依次在50kw、100kw、150kw、200kw和50kw的功率下通电后获得所述纳米级粉末。优选地，在50kw、100kw、150kw和200kw功率下的加热时间各为20min。优选地，进行所述退火处理的退火温度为550℃，并保温90min。本发明与现有技术相比具有如下优点：1、通过改变合金成分、配比及制备工艺，提高了合金的耐高温性、抗腐蚀能力与耐磨能力；2、制备设备应用成熟且造价低，制备工艺简单；3、在制备过程中，通过提高球磨动能缩短球磨时间和真空密封手箱中操作的方式减少制备过程中的污染。附图说明图1为本发明的铁基奥氏体合金的制备流程框图。具体实施方式为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。本发明提出的耐腐蚀耐磨的铁基奥氏体合金的制备方法，利用机械合金化方法，即通过种高能球磨技术，实现固态下合成平衡相、非平衡相或混合相，从而可以达到元素间原子级水平的合金化。在本发明中，为制备满足热镀铝生产线镀铝辊所需的抗腐蚀能力与耐磨能力，按各元素配比：铬cr为20％～30％、钼mo为2.0％～5.0％、钨w为1.0％～3.0％、钒v为0.5％～3.0％、镍n为i12％～20％、锰m为0.5％～1.5％、硅si为0.5％～2.0％、氮n为0.4％～0.9％、碳c为0.04％～0.15％和其余为铁fe。按照上述成分配比进行合金化，在fe-ni-cr基合金基体上添加mo+w+v等与液态铝基本上不浸润的合金元素，降低被高温铝液的侵蚀程度，这些元素同时具有很好的耐高温磨损性能，尤其是生成的氮化钒以及硼化物能很好地强化基体和晶界。使用和添加各个元素的理由如下：c取0.14-0.15％，c与fe、cr、mo、w、v等能结合形成一定数量的碳化物，从而使合金的耐磨性增加，同时也抑制了al原子对基体合金的浸润性，从而降低铝(al)对镀辊的腐蚀性。c的上限为0.15％，过多的碳化物固溶于fe-ni-cr基体中的耐蚀元素降低。si取0.5％～2.0％，si能使合金中fe原子稳定，从而抑制fe原子溶入al液中的扩散速度。添加si量至少0.5％，以保证合金溶液的流动性，添加si量超过2.0％易使铸造组织发生脆化。mn取0.5-1.5％，由于s与mn结合易生成mns，从而降低s的有害作用，mn<0.5％时效果不明显，mn>1.5％时mn的强化效果下降，并引起合金脆化。ni取15-20％，ni不生成碳化物，只溶于基体以保证形成奥氏体，起高温强化作用。ni<15％时难以完全奥氏体化，ni>20％则会提高合金成本。cr取20-30％，cr既溶于基体，又是碳化物生成元素，更重要的是抑制液态al对基体的浸蚀。但过多cr、fe碳化物，影响基体合金耐液铝腐蚀的能力，同时也影响对耐液铝腐蚀起抑制作用氮化钒(vn)的析出。mo取2.0-5.0％，mo不但是碳化物生成元素，而且起到固溶强化作用，提高合金的高温硬度和耐磨性。mo<2.0％时其作用不足，mo>5.0％时，过多mo2c生成，材质易脆化。w取1.0-3.0％，wc碳化物生成，对液铝的浸润性降低。wc的存在还能提高基体的高温硬度，因而提高耐磨性。w<1.0％时效果不明显，w>3.0％时，由于离心铸造造成的宏观组织偏析使材料脆化。v取0.5-3.0，釩与c、n等结合形成碳氮化釩，使合金与液态铝的浸润性下降，同时能维持基体的高温硬度，使耐磨性提高，v<0.5％时效果不明显，v>3.0％时在离心铸造时容易形成宏观偏析。同时保证磷p和硫s等杂质均低于0.05％。制备合金粉末的工艺为：(1)获取构成材料的初始粉末，初始粉末粒径一般在100um以下；(2)根据构成材料的性质，选择磨球材料如钢球、刚玉球或其他材质的球，磨球尺寸大小也应按一定比例配置，一般磨球与粉末质量的有效比是5～10，但也随着加工原料的不同而有所区别；(3)将初始粉末和磨球按一定比例(球料比)放入球磨罐；(4)根据需要选择保护性气氛，大多数情况下选择高真空，也可选用氩、氦等惰性气体；(5)球磨中球与球，球与球磨罐壁对初始粉末的碰撞使其经过冷焊-粉碎-冷焊的反复过程，经足够时间的研磨后形成组织成分均匀的纳米级粉末。球磨过程中颗粒尺寸、成分和结构的变化通过不同球磨时间所获粉体的x射线衍射，电子显微镜观察等予以监视。将样品在保护气氛下的真空手套箱封存取出，然后放置在空气中一段时间，由于密封无法打到完全严密，会有少量的氧与金属粉发生反应，起到钝化作用，降低合金粉的表面活性，需进行后续退火处理。退火处理采用管式电阻炉，退火温度为550℃，保温时间分别为30min和60min。经退火处理后的合金粉用研钵研磨后，采用扫描电镜观察和x射线衍射仪进行观察和检测。样品检测合格后进行下一步工艺。生产热镀铝生产线镀铝辊试件的工艺：将合金样品投入到压力中频感应炉中，先抽真空，然后关闭抽空阀门，充入保护气，并在50kw、100kw、150kw、200kw和50kw下依次通电后获得试件。本发明的实施例如下：制备合金粉末的工艺具体为：选用刚玉球，按照10:1的球料比，加入和2种不同直径至球磨机进行磨球，分批次制备五类如表1所示的合金粉末，均添加适量的乙醇，利用qm-3sp4行星式球磨机在500r/min的转速下的连续球磨30h。制备过程中减少污染的主要方法包括：通过提高球磨动能缩短球磨时间；对合成材料在成份设计中使用纯净的、延展性好的金属粉末，因为这样一来磨球可以被这些粉末材料包覆起来，从而大大减少铁的污染；采用真空密封的方法和在真空密封手箱中操作的方法；采用可控气氛保护的方法。表1球磨试样原始成分配比表实例1、实例2、实例3为自制合金配比成分，比较1为2520耐热不锈钢，比较2为高铬铸铁，依次按相同工艺进行制备。由于长时间高能球磨后的粉末可以达到纳米级别，因此暴露在空气中极易被氧化燃烧，甚至发生爆炸；而且采用无水乙醇作为助磨剂进行了湿法球磨的尝试，球磨产生的高能量使无水乙醇急剧膨胀，也可能发生爆炸，所以取样过程是在氩气保护气氛下的真空手套箱里进行，取样时将样品先封存取出，然后放置在空气中一段时间，由于密封不严密，会有少量的氧与金属粉发生反应，降低合金粉的表面活性，起到钝化作用，以便对后续退火处理以及扫描电镜观察和x射线衍射分析。退火处理采用管式电阻炉，退火温度为550℃，保温时间分别为30min和60min，氩气保护。经退火处理后的合金粉用研钵研磨后进行观察和检测。对检测合格的样品进一步进行试件制做。生产热镀铝生产线镀铝辊试件的工艺：将合金样品投入到氮压力中频感应炉中，先抽真空，抽到10pa，然后关闭抽空阀门，充入氮气，氮气压力在2个大气压左右，按如下工艺表2给电：表2试件加工工艺50kw20min100kw20min150kw20min200kw20min熔化50kw调温浇注测试试件表面硬度hrc和680℃的熔铝腐蚀试验，在石墨坩埚连续保持48h，试样取出后测量其表面损伤程度，其结果如表3所示：表3各试件检测结果表3为发明合金与对比材料在680℃液态铝中，经48h的腐蚀深度和室温硬度的对比数据，本发明合金的最大腐蚀深度均低于0.1mm，发明合金耐液铝腐蚀能力是2520耐热不锈钢耐蚀能力的15倍，是高铬铸铁的30倍之多。以上所述是本申请的优选实施方式，不以此限定本发明的保护范围，应当指出，对于该
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。当前第1页12