一种Fe-B-W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Fe-B-W耐锌液腐蚀的整体材料以及 制备方法。
【背景技术】
[0002] 热浸镀锌是保护钢铁材料在大气环境中免受腐蚀最有效、最经济的方法之一。热 浸镀锌产品因其具有优良的耐蚀性，装饰性和成型性被广泛使用于钢管，钢板，五金结构件 等方面。但是几乎所有的单金属和大部分合金都能被液锌腐蚀。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。虽然该合金中Fe 2B相具有较优 良的耐锌液腐蚀性能，但是其基体抗腐蚀性能较差，导致该铸造合金的耐锌液腐蚀性能的 显著下降。往往希望通过添加合金元素，控制合金元素 Fe、B等加入量和铸造工艺来实现获 得网状Fe2B有效地保护基体来提高该铸造合金的耐锌液腐蚀性能，工程应用结果表明这种 方法已取得了一定的效果，虽然结果还没达到理想状态，但是证明这种方法的可行性。国内 外对钨元素在Fe-B合金中的影响进行过研究，但所加入的钨含量极少，最多才3.17wt %，故 溶于Fe2B中钨原子数量很有限，且未对其进行耐蚀性研究。在此基础上发明了一种Fe-B-W 耐锌液腐蚀材料，其具有优异的耐腐蚀性能，成本低廉，组织以及性能稳定的优点。
【发明内容】
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[0003] 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 Fe-B-W耐锌液腐蚀的整体材料及制备方法。
[0004] 本发明的技术方案为：
[0005] -种Fe-B-W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:13-20%，B 3.5-3.88%，Fe余量;优选为W 8-20%，B 3.5-3.88%，Fe余量;优选为W 10-20t%， B 3.5%，Fe余量;最优选的是W 15t%，B 3.5%，Fe余量。
[0006] 上述的Fe-B-W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：
[0007] (1)按上述质量百分比配比的原材料标准称样后进行熔炼，为尽量减少B元素的烧 损，将硼含量为17wt% (质量百分数)的硼铁放在坩埚底部，坩埚底部通有循环冷却水，然后 将钨片和工业纯铁块覆盖其上；
[0008] (2)初次熔炼时，将电弧置于工业纯铁块上，让流动的铁液包覆着钨片以及硼铁， 熔炼最大电流为120A，然后将钨极对准熔池中间，旋电弧进行机械搅拌，其间施加数次60~ 120A的电流，熔炼时间为1分钟；
[0009] (3)进行翻转，反复熔炼4次以上，得到Fe-B-W耐锌液腐蚀的整体材料。
[0010] 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。上述所得产品形状为纽扣状。
[0011] 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: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15 X 9 X 4mm试样，切割位置 优选产品的中心位置;在试样的两边用线切割机切割出2 X 1mm的槽，用直径为1mm的纯度 99.99wt %的钨丝绑住试样，用于腐蚀实验。
[0012] 本发明耐腐蚀的化学成分是这样确定的：
[0013] 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，B含量 选定在 3.5-3.88 %。
[0014] 钨:钨是仅有的与锌液不润湿，不反应的金属元素之一，具有优良的耐锌液腐蚀性 能，但是其属于稀贵金属，价格昂贵。妈元素添加到Fe-B合金能提高其耐蚀性，高温稳定性。
[0015] 本发明的有益效果在于：
[0016] 1)本发明的合金成分非常简单，仅含Fe、B和W，以工业纯铁和铁硼合金为基础材 料，加入一定合金元素钨，形成整体网格状材料，所得材料具有良好的耐蚀性和热稳定性。
[0017] 2)腐蚀试验表面:与目前使用最常见的材料不锈钢lCrl8M9Ti相比，本发明合金 的耐蚀性得到显著的提高，尤其是较短时间内，两者差异最明显，不锈钢lCr8M9Ti腐蚀速 率很快，而本发明合金随腐蚀时间延长，腐蚀速率很慢且很平缓。本发明合金的耐蚀性是 lCrl8Ni9Ti合金耐蚀性能的11-27倍。
[0018] 3)本发明合金具有耐锌液腐蚀性能良好、韧性较好、高温稳定性好、成本低、制备 简便等特点，在镀锌工业中具有比较重要的实际应用价值。
【附图说明】
[0019] 图1为Fe-B-W铸态合金失重率随时间变化关系曲线图。
[0020] 图2为是Fe-W-B铸态合金腐蚀速率随钨含量变化关系曲线图。
[0021]图3为合金A0-A7铸态组织扫描电镜图。
[0022]图4为合金A5在520°C纯锌液中腐蚀3天的腐蚀界面图。
【具体实施方式】
[0023]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。
[0024]本发明的实验方法如下:本实验采用硼铁(硼：17wt%)、工业纯铁粒、纯钨片(纯度 为99.99%)。表2列出了本发明设计合金的化学成分。其中A0为不含钨参考试样。编号A1-A7 分别对应为本发明实施例1至7所得合金。
[0025]
[0026] 按照表1中各实施例的化学成分，用精度为O.lmg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四次，获得纽扣状合金铸锭。用数控电火花 线切割机将其切割成具有规则形状的试样。采用日本理学Rigaku Ultima IV型X射线衍射 仪对合金进行物相鉴定分析，采用JSM-6360LV扫描电子显微镜(SEM)分析合金的显微组织， 并用扫描电镜自带的能谱仪(EDS)以及电子探针测定合金组成相的成分。进行腐蚀试验时， 先将每种成分的合金试样超声波清洗后烘干称重，然后分别置于盛有520°C锌液的石墨坩 埚中，每隔24h将试样取出，观察其表面的变化，经超声波清洗烘干之后称重，计算各样品腐 蚀速率。液锌腐蚀试验采用坩埚电阻炉，其型号为SG 2-7.5-10,生产厂家为天津中环实验 电炉有限公司。利用深度法测量腐蚀速率计算公式：
[0027] v=(a_b)/2t
[0028] 其中a为样品腐蚀前的厚度，b为样品腐蚀后的厚度，t为腐蚀时间。腐蚀实验前用 千分尺准确测量腐蚀前的厚度a，然后在扫描电镜下拍下样品腐蚀后的横截面全貌，用 SIMLEVIEW软件测量样品腐蚀后的剩余厚度b。其测量方法为：每隔0.5个毫米取一个测量 点，取10个点的数据，求平均值。腐蚀深度用(a_b)/2求得，用扫描电镜观察基体及腐蚀界面 的组织形貌，用能谱仪和电子探针分析各相的化学成分。
[0029] 实施例1
[0030] 本发明是以硼铁为基体材料，通过在硼铁中加入钨冶炼成一种耐锌液腐蚀的Fe-B-W整体材料，由如下按质量百分比计的组分构成：
[0031] W 5%，B 3.5%，Fe余量，该合金记为Fe-3.5B-2W。其铸态组织失重率随时间变化 关系参阅图1，铸