一種高Cr含Ni的Fe-B基耐鋅液腐蝕的整體材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及高溫合金制備技術，特別涉及一種高Cr含Ni的Fe-B基耐鋅液腐蝕的 整體材料以及制備方法。
【背景技術】
[0002] 液態(tài)金屬的腐蝕一直以來都是困擾核工業(yè)以及鍍鋅業(yè)的難題，已經(jīng)成為一個世界 范圍內的難題。尤其是沉沒在液態(tài)金屬中的設備構件，受到熔融態(tài)金屬的強烈腐蝕與磨損， 頻繁地更換設備，不僅造成了材料的浪費，也造成了大量的經(jīng)濟損失。目前，耐液鋅腐蝕整 體材料主要有鐵基，鈷基，Mo-W系，以及陶瓷材料等，鈷基超合金價格昂貴，陶瓷以及Mo-W 合金系具有很大的脆性。其中Fe-B合金以其低廉的價格，良好的耐液鋅腐蝕性得到廣泛的 關注。
[0003] Fe-B合金最初由澳大利亞昆士蘭大學發(fā)明，發(fā)明初衷是出于一種鐵基耐磨材料， 其顯微組織為a _Fe+Fe2B，B元素在晶界處的非平衡偏聚使得Fe-B合金形成了以Fe2B的 3D網(wǎng)格包圍著基體Fe的特殊結構。另外Fe 2B與鋅液不潤濕，保證了 Fe-B系列合金的耐腐 蝕性。但是Fe2B具有本質脆性，是一種脆性相。在鋅液中由于熱腐蝕，熱脆性的趨勢加大。 未經(jīng)合金化的Fe-B合金，基體的a -Fe很快就被鋅液優(yōu)先腐蝕了，再加之Fe2B的脆性，在 相變應力下從基體上剝落掉，從而導致材料的過早失效。很多研究證實Cr是提高耐液鋅腐 蝕的主要元素，有研究將Cr加入到Fe-B合金中，但是高鉻的加入使得Fe 2B不再連續(xù)致密， 雖然提高了基體的耐蝕性，改善了 Fe2B的韌性，但是沒有了網(wǎng)格狀Fe2B的阻擋作用，其耐液 鋅腐蝕性仍不理想。在Galvalume浸鍍中，浸鍍溫度達到了 600-640°C，對材料的高溫熱穩(wěn) 定性的要求更高了。結合我國的生產(chǎn)現(xiàn)狀，高消耗，低效率的模式已經(jīng)嚴重制約了國家經(jīng)濟 的發(fā)展，因此，有必要研發(fā)一種適合我國的生產(chǎn)現(xiàn)狀，資源現(xiàn)狀，成本低廉并且組織以及性 能穩(wěn)定性優(yōu)異的新型耐液鋅腐蝕材料。

【發(fā)明內容】

[0004] 針對現(xiàn)有Fe-B系列合金存在的上述不足以及我國的資源現(xiàn)狀，本發(fā)明提供一種 高Cr含Ni的Fe-B基耐鋅液腐蝕的整體材料。
[0005] 本發(fā)明的技術方案為：
[0006] -種高Cr含Ni的Fe-B基耐鋅液腐蝕的整體材料，由如下按質量百分比計的組分 構成：
[0007] Cr 18%，Ni 4 ~14%，Mo 1 ~2%，B 3. 5-3. 88%，F(xiàn)e 余量。
[0008]優(yōu)選為，Cr 18%，Ni 6 ~14%，Mo 1 ~2%，B 3. 5-3. 88%，F(xiàn)e 余量。
[0009]更優(yōu)選為，Cr 18%，Ni 8 ~10%，Mo 1%，B 3. 5%，F(xiàn)e 余量。
[0010]最優(yōu)選的是，Cr 18%，Ni 10%，Mo 1%，B 3. 5%，F(xiàn)e 余量。
[0011] 上述的高Cr含Ni的Fe-B基耐鋅液腐蝕的整體材料的制備方法，其特征在于，采 用磁控非自耗真空熔煉爐熔煉，包括如下步驟：
[0012] (1)為盡量減少B元素的燒損，將硼含量為17wt%的硼鐵放在坩堝底部，坩堝底部 通有循環(huán)冷卻水，然后將Cr粒、電解Ni塊、Mo片以及工業(yè)純鐵塊覆蓋其上，所述原料滿足 如下按質量百分比計的配比：
[0013] Cr 18%，Ni 4~14%，Mo 1~2%，B 3. 5-3. 88%，F(xiàn)e余量；
[0014]或Cr 18%，Ni 6~14%，Mo 1~2%，B 3. 5-3. 88%，F(xiàn)e余量；
[0015]或 Cr 18%，Ni 8 ~10%，M〇 1%，B 3.5%，F(xiàn)e 余量；
[0016]或 Cr 18%，Ni 10%，M〇 1%，B 3.5%，F(xiàn)e 余量；
[0017] (2)初次熔煉時，將電弧置于工業(yè)純鐵塊上，讓流動的Fe液包覆著Cr粒，Ni塊、Mo 片以及硼鐵，熔煉電流為100A，然后將鎢極對準熔池中間，旋轉電弧進行機械攪拌，其間施 加數(shù)次60~100A的電流，熔煉時間為1分鐘；
[0018] (3)進行翻轉，反復熔煉4次以上，得到高Cr含Ni的Fe-B基耐鋅液腐蝕的整體材 料。
[0019] 在上述步驟中，施加數(shù)次電流時，不同的電流能夠產(chǎn)生交變磁場，從而對熔融態(tài)的 試樣起到電磁攪拌的作用，有利于成分的均勻化。
[0020] 上述所得產(chǎn)品形狀為紐扣狀。
[0021] 為了研究其耐腐蝕性能，對其進行腐蝕實驗，腐蝕實驗的試樣制作按如下操作進 行：
[0022] (1)利用電火花數(shù)控線切割機在所得產(chǎn)品中切割出形狀規(guī)則的15X9X4mm試樣， 切割位置優(yōu)選產(chǎn)品的中心位置；
[0023](5)在試樣的兩邊用線切割機切割出2Xlmm的槽，用直徑為1mm的純度為 99. 99wt %的鎢絲綁住試樣，用于腐蝕實驗。
[0024] 值得說明的是，wt%表示質量分數(shù)或質量百分比。
[0025] 本發(fā)明耐腐蝕的化學成分的確定基于以下理論基礎：
[0026] 硼：Fe-B二元系的共晶點在3. 88wt% B，超過3. 88會出現(xiàn)針狀Fe2B初生相，對組 織以及耐液鋅腐蝕不利，過低的B含量使得Fe2B的體積分數(shù)小，難以保證耐蝕性，因此，考 慮B含量選定在3. 5-3. 88%。
[0027] 鉻：Cr主要用來保證基體的耐蝕性，以及韌化Fe2B。
[0028] 鎳：改變Fe-Cr-B系合金中Fe2B的形貌與分布，同時鎳是擴大奧氏體區(qū)的元素，固 溶于基體中形成Y_(Fe，Ni，Cr)固溶體，以保證合金的耐腐蝕性。
[0029] 鑰：Mo可以提高表面鈍化膜的穩(wěn)定性，Mo在晶間形成富Mo的硼化物，另外Mo固溶 于基體也有利于提高耐蝕性。
[0030] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0031] (1)本發(fā)明的合金成分簡單，各組分協(xié)同發(fā)揮作用，具有耐液鋅腐蝕性能良好、韌 性良好、耐磨性好等特點，在實際應用中具有優(yōu)異的耐腐蝕性以及組織穩(wěn)定性。
[0032] (2)本發(fā)明的合金在高溫鍍鋅中具有良好的穩(wěn)定性。
[0033] (3)相比現(xiàn)有技術中的類似合金，本發(fā)明合金的耐腐蝕性提高了 3倍以上，而與其 Cr、Ni含量相當?shù)牟讳P鋼合金lCrl8Ni9Ti相比，本發(fā)明合金的耐蝕性提高了 30多倍。
【附圖說明】
[0034] 圖1為合金A樣品的鑄態(tài)組織。
[0035] 圖2為合金B(yǎng)樣品的鑄態(tài)組織。
[0036] 圖3為合金C樣品的鑄態(tài)組織。
[0037] 圖4為合金D樣品的鑄態(tài)組織。
[0038] 圖5為合金A-D的XRD圖譜。
[0039] 圖6為合金A腐蝕后的腐蝕界面的SEM圖。
[0040] 圖7為合金B(yǎng)腐蝕后的腐蝕界面的SEM圖。
[0041] 圖8為合金C腐蝕后的腐蝕界面的SEM圖。
[0042] 圖9為合金D腐蝕后的腐蝕界面的SEM圖。
[0043] 圖10為合金C腐蝕層的XRD圖。
[0044] 圖11為lCrl8Ni9Ti腐蝕后的腐蝕深度曲線。
[0045] 圖12為合金A-D腐蝕后的腐蝕深度曲線。
[0046] 圖13為合金A-D腐蝕后的腐蝕速率曲線。
【具體實施方式】
[0047] 下面結合具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細描述，但本發(fā)明并不限于此。
[0048] 值得說明的是，下述硼鐵均指硼含量為17%(質量分數(shù)）的硼鐵。
[0049] 表1列出了本發(fā)明實施例1至4所得合金的化學成分。其中編號A-D分別對應為 本發(fā)明實施例1至4所得合金。
[0050]表1 A-D合金的化學成分（質量分數(shù)，％ )
【主權項】
1. 一種高Cr含Ni的Fe-B基耐鋅液腐蝕的整體材料，其特征在于由如下按質量百分比 計的組分構成： Cr18%，Ni4 ~14%，Mo1 ~2%，B3. 5-3. 88%，F(xiàn)e余量。
2. 根據(jù)權利要求1所述的高Cr含Ni的Fe-B基耐鋅液腐蝕的整體材料，其特征在于： Cr18%，Ni6 ~14%，Mo1 ~2%，B3. 5-3. 88%，F(xiàn)e余量。
3. 根據(jù)權利要求1所述的高Cr含Ni的Fe-B基耐鋅液腐蝕的整體材料，其特征在于： Cr18%，Ni8 ~10%，M〇 1%，B3.5%，F(xiàn)e余量。
4. 根據(jù)權利要求1所述的高Cr含Ni的Fe-B基耐鋅液腐蝕的整體材料，其特征在于： Cr18%，Ni10%，M〇 1%，B3.5%，F(xiàn)e余量。
5. 權利要求I至4任一項所述的高Cr含Ni的Fe-B基耐鋅液腐蝕的整體材料的制備 方法，其特征在于包括如下步驟： (1) 將硼含量為17wt%的硼鐵放在坩堝底部，坩堝底部通有循環(huán)冷卻水，然后將Cr粒、 電解Ni塊、Mo片以及工業(yè)純鐵塊覆蓋其上，所述原料滿足如下按質量百分比計的配比： Cr18%，Ni4 ~14%，Mo1 ~2%，B3. 5-3. 88%，F(xiàn)e余量； 或Cr18%，Ni6 ~14%，Mo1 ~2%，B3. 5-3. 88%，F(xiàn)e余量； 或Cr18%，Ni8 ~10%，M〇 1%，B3.5%，F(xiàn)e余量； 或Cr18%，Ni10%，M〇 1%，B3.5%，F(xiàn)e余量； (2) 初次熔煉時，將電弧置于工業(yè)純鐵塊上，讓流動的Fe液包覆著Cr粒，Ni塊、Mo片 以及硼鐵，熔煉電流為100A，然后將鎢極對準熔池中間，旋轉電弧進行機械攪拌，其間施加 數(shù)次60~IOOA的電流，熔煉時間為1分鐘； (3) 進行翻轉，反復熔煉4次以上，得到高Cr含Ni的Fe-B基耐鋅液腐蝕的整體材料。
6. 根據(jù)權利要求5所述的高Cr含Ni的Fe-B基耐鋅液腐蝕的整體材料的制備方法，其 特征在于：所述Cr粒、電解Ni塊、Mo片的純度均為99. 99 %。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高Cr含Ni的Fe-B基耐鋅液腐蝕的整體材料及其制備方法。本發(fā)明的材料由下述按質量百分比計的組分構成：Cr18％，Ni 4～14％，Mo 1～2％，B 3.5-3.88％，F(xiàn)e余量。用精度為0.1mg的光電感量天平稱量原材料，在WK-I型非自耗鎢極磁控真空熔煉爐內反復熔煉4次以上，獲得本發(fā)明的合金。本發(fā)明的合金具有耐液鋅腐蝕性能良好、韌性良好、耐磨性好等特點，在實際應用中具有優(yōu)異的耐腐蝕性以及組織穩(wěn)定性。
【IPC分類】C22C33-04, C22C38-54
【公開號】CN104694841
【申請?zhí)枴緾N201510127430
【發(fā)明人】尹付成, 王朦朦, 陳國鵬, 趙滿秀, 李智
【申請人】湘潭大學
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年3月23日