專利名稱：：一種抗鋅液腐蝕的多元鐵硼合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明為一種抗鋅液腐蝕的多元鐵硼合金及其制備方法，屬于耐蝕材料
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：在電鍍鋅帶鋼用鋅粒加工和熱鍍鋅帶鋼生產(chǎn)過(guò)程中，因鋅液腐蝕性強(qiáng)而引起設(shè)備部件提前失效而帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失是十分驚人的。對(duì)于常用的鋼鐵材料，鐵與鋅是互溶金屬材料，因此，當(dāng)鋼鐵材料與鋅液接觸后,表面的鐵原子就會(huì)擴(kuò)散至鋅液中，宏觀表現(xiàn)就是表面的鐵被鋅液溶解，并傳到鐵的低濃度區(qū)，造成鐵的溶解腐蝕。同樣,鋅原子也可以擴(kuò)散至鐵的表面，形成多孔、疏松的低熔點(diǎn)合金即俗稱鋅渣,并漂移到鋅液中。如此往復(fù)逐漸使鐵溶解于鋅液中。再者，鋅與鐵的化學(xué)親和力很強(qiáng)，當(dāng)鐵和鋅液接觸時(shí)，由于化學(xué)反應(yīng),而在鐵的表面也可直接形成合金相。因此鋼鐵材料的抗鋅液腐蝕性能極差。為了提高鋼鐵材料的抗鋅液腐蝕效果，中國(guó)發(fā)明專利CN1449876公開(kāi)了一種耐鋅液腐蝕的涂層及其使用方法。涂層為完全由無(wú)機(jī)材料組成的懸浮液，以六方氮化硼及少量高溫粘結(jié)劑磷酸鋁為主要固體組分，以水和丙酮為主要液體組分，其中固體重量百分比含量為16-55%,液體重量百分比含量為84-45%。使用時(shí)，按照比例配成懸浮液后，先進(jìn)行工件的清理和工件表面預(yù)處理，然后采用浸涂、刷涂或噴涂等方式涂覆于經(jīng)過(guò)預(yù)處理的金屬表面，待自然晾干后，再隨爐加熱、冷卻后使用。該發(fā)明涂層涂覆在鋼質(zhì)金屬工具與容器表面，可保證金屬件與鋅液不潤(rùn)濕，并具有抗熱沖擊、耐腐蝕特點(diǎn)，能夠顯著延長(zhǎng)與鋅液相接觸的鋼鐵容器、工件的使用壽命。中國(guó)發(fā)明專利CN101250695也公開(kāi)了一種鐵硼合金化學(xué)鍍液及其鐵硼合金鍍層材料和制備方法，所述的化學(xué)鍍液是每升蒸餾水中含硫酸亞鐵1530g、酒石酸鉀鈉7090g、氫氧化鈉2540g、硼氫化鉀15g、稀土化合物O.11.2g。所述的鐵硼合金鍍層材料是一種含稀土元素的鐵硼合金鍍層材料、鍍層中含稀土元素0.81.6wt^，含硼0.91.4wt%，余量為鐵。將銅基體經(jīng)酸洗、水洗、干燥以及超聲敏化和超聲活化處理后懸掛于406(TC的化學(xué)鍍液中，并用高純鋁絲或鋁片與工件偶接。本發(fā)明利用前處理(超聲敏化、活化等)及稀土元素的改性作用解決了化學(xué)鍍液的穩(wěn)定性問(wèn)題，并形成合格的化學(xué)鍍Fe-B-RE合金鍍層。中國(guó)發(fā)明專利CN1083122還公開(kāi)了一種由39%的硼和余量鉬組成的合金，用作要暴露于熔態(tài)鋅的產(chǎn)品的熱浸涂層。但是，在鋼鐵材料表面涂覆涂層，盡管可以提高材料抗鋅液腐蝕性能，但涂層與鋼鐵材料基體結(jié)合強(qiáng)度低，使用中易出現(xiàn)開(kāi)裂、剝落，從而降低鋼鐵材料的抗鋅液腐蝕能力。中國(guó)發(fā)明專利CN101177762公開(kāi)了一種耐液態(tài)鋅腐蝕的高硼鑄鋼及其制備方法，其化學(xué)成分是(重量％):C<0.15，Si<0.40，Mn<0.40，B:5.0-7.0，Ce:0.05-0.15,Cr:1.5-3.0，Al:0.80-1.50，其余為Fe和不可避免的微量雜質(zhì)。該發(fā)明的高硼鑄鋼利用電爐便可生產(chǎn)，其金相顯微組織由網(wǎng)狀硼化物和鐵素體與少量珠光體構(gòu)成的金屬基體組成，耐液態(tài)鋅腐蝕性能優(yōu)良。但是，硼化物脆性大，鑄態(tài)組織中易出現(xiàn)裂紋，降低了高硼鑄鋼的力學(xué)性能。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是針對(duì)現(xiàn)有抗鋅液腐蝕材料存在的不足，提出了一種多元鑄造鐵硼合金及其制備方法。該多元鑄造鐵硼合金除了含有鐵、硼元素外，還加入硅、錳、鉻、鎳元素，其中加入硅、錳元素可進(jìn)一步提高基體抗鋅液腐蝕性能，而加入鉻元素后，可置換Fe2B晶格中的部分鐵原子，使Fe2B發(fā)生晶格畸變，提高其斷裂韌性，并可消除Fe2B中的裂紋，有利于提高鐵硼合金的抗鋅液腐蝕性能。加入鎳元素可改善Fe2B與a-Fe兩相的界面結(jié)合，使鐵硼合金的抗彎強(qiáng)度提高。本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下措施來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明多元鐵硼合金的化學(xué)組成成分是(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％):<0.06C，4.5~8.5B，4.0~5.0Si,4.5~5.5Mn,3.5~5.0Cr,0.8~1.5Ni，SO.03,P<0.03,余量Fe。本發(fā)明多元鑄造鐵硼合金采用電爐熔煉，其制造工藝步驟是1)首先用純鐵、硼鐵、金屬鉻、金屬錳、金屬鎳和硅鐵混合加熱熔化，升溫至1420一1450'C時(shí)，加入是金屬熔液總質(zhì)量0.15%~0.30%的鋁脫氧，爐前調(diào)整成分合格后(即調(diào)整各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如上述化學(xué)組成成分)，將金屬熔液溫度升至1500—152(TC，扒渣后出爐；2)將金屬熔液直接澆入鑄型，金屬熔液澆注溫度1400-1430°C;3)鑄件凝固冷卻后，打掉澆冒口，清理殘根、飛邊、毛刺，然后在25030(TC進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，退火處理的保溫時(shí)間是410小時(shí)。多元鑄造鐵硼合金的性能是由金相組織決定的，而一定的組織取決于化學(xué)成分，本發(fā)明化學(xué)成分是這樣確定的碳碳主要溶于基體，降低基體耐蝕性，因此，抗鋅液腐蝕合金的碳含量越少，耐蝕性越好，考慮到硼鐵和硅鐵中會(huì)帶來(lái)少量碳，因此將碳含量控制在0.06%以下。硼硼加入鐵硼合金中，易形成連續(xù)分布的Fe2B相，而Fe2B相具有良好的抗鋅液腐蝕性能，且Fe2B相能分割ot-Fe基體，有利于減緩a-Fe的腐蝕，硼含量越高，F(xiàn)e2B相越多，抗鋅液腐蝕能力不斷增強(qiáng)，但Fe2B相脆性大，加入量過(guò)多，導(dǎo)致鐵硼合金的強(qiáng)韌性明顯下降，合適的硼加入量宜控制在4.5~8.5%。硅硅主要溶于a-Fe基體中，有利于減輕a-Fe在鋅液中的腐蝕，提高鐵硼合金抗鋅液腐蝕性能，合適的硅加入量宜控制在4.0~5.0%。錳錳部分進(jìn)入a-Fe基體中，部分進(jìn)入Fe2B相中，進(jìn)入a-Fe基體中，有利于減輕a-Fe在鋅液中的腐蝕，提高鐵硼合金抗鋅液腐蝕性能，進(jìn)入Fe2B相中，有利于減輕Fe2B相出現(xiàn)裂紋的傾向，可提高Fe2B相的耐蝕性和韌性，合適的錳加入量宜控制在4.5~5.5%。鉻鉻主要進(jìn)入Fe2B相中，可置換Fe2B晶格中的部分鐵原子，使Fe2B發(fā)生晶格畸變，提高其斷裂韌性，并可消除Fe2B中的裂紋，有利于提高鐵硼合金的抗鋅液腐蝕性能，合適的鉻加入量宜控制在3.5~5.0%。鎳鎳是非硼化物形成元素，主要進(jìn)入a-Fe基體中，可改善Fe2B與a-Fe兩相的界面結(jié)合，使鐵硼合金的抗彎強(qiáng)度提高，合適的鎳加入量宜控制在0.8~1.5%。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)1)本發(fā)明多元鐵硼合金，因硼、硅、錳元素的加入和碳含量的減少，具有良好的抗鋅液腐蝕效果，在450'C鋅液中的腐蝕速率為12—15g/m2.h，而1Crl8Ni9Ti不銹鋼的腐蝕速率大于110g/m2.h，多元鐵硼合金的抗鋅液腐蝕性能比1Crl8Ni9Ti不銹鋼提高68倍。2)本發(fā)明多元鐵硼合金，因錳、鉻元素的加入，F(xiàn)e2B相中的裂紋被抑制，脆性下降，韌性提高，因鎳元素的加入，抗彎強(qiáng)度明顯改善，其中斷裂韌性達(dá)到2832Mpa.m"2，抗彎強(qiáng)度達(dá)到19002100Mpa。下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述具體實(shí)施例方式實(shí)施例1:用250公斤中頻感應(yīng)電爐熔煉多元鐵硼合金，其熔煉、鑄造和熱處理工藝過(guò)程如下1)首先用純鐵、硼鐵、金屬鉻、金屬錳、金屬鎳和硅鐵混合加熱熔化，升溫至1450'C時(shí)，加入是金屬熔液總質(zhì)量0.15%的鋁脫氧，爐前調(diào)整成分合格后，將金屬熔液溫度升至152(TC，扒渣后出爐；2)將金屬熔液直接澆入鑄型，金屬熔液澆注溫度1430'C;3)鑄件凝固冷卻后，打掉澆冒口，清理殘根、飛邊、毛刺，然后在25(TC進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，退火處理的保溫時(shí)間是10小時(shí)。所制得的鐵硼合金的成分見(jiàn)表l，斷裂韌性達(dá)到28.3Mpa.m1/2，抗彎強(qiáng)度達(dá)到1926.6Mpa。表l多元鐵硼合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>實(shí)施例2:用350公斤中頻感應(yīng)電爐熔煉多元鐵硼合金，其熔煉、鑄造和熱處理工藝過(guò)程如下1)首先用純鐵、硼鐵、金屬鉻、金屬錳、金屬鎳和硅鐵混合加熱熔化，升溫至1420'C時(shí)，加入是金屬熔液總質(zhì)量0.30%的鋁脫氧，爐前調(diào)整成分合格后，將金屬熔液溫度升至1500。C，扒渣后出爐；2)將金屬熔液直接澆入鑄型，金屬熔液澆注溫度140(TC;3)鑄件凝固冷卻后，打掉澆冒口，清理殘根、飛邊、毛刺，然后在30(TC進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，退火處理的保溫時(shí)間是4小時(shí)。所制得的鐵硼合金的成分見(jiàn)表2，斷裂韌性達(dá)到31.6Mpa.m1/2，抗彎強(qiáng)度達(dá)到2078.1Mpa。表2多元鐵硼合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>實(shí)施例3:用250公斤中頻感應(yīng)電爐熔煉多元鐵硼合金，其熔煉、鑄造和熱處理工藝過(guò)程如下1)首先用純鐵、硼鐵、金屬鉻、金屬錳、金屬鎳和硅鐵混合加熱熔化，升溫至1432'C時(shí)，加入是金屬熔液總質(zhì)量0.19%的鋁脫氧，爐前調(diào)整成分合格后，將金屬熔液溫度升至1514'C，扒渣后出爐；2)將金屬熔液直接澆入鑄型，金屬熔液澆注溫度1409"C;3)鑄件凝固冷卻后，打掉澆冒口，清理殘根、飛邊、毛刺，然后在28(TC進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，退火處理的保溫時(shí)間是6小時(shí)。所制得的鐵硼合金的成分見(jiàn)表3，斷裂韌性達(dá)到30.4Mpa.m1/2，抗彎強(qiáng)度達(dá)到2021.9Mpa。表3多元鐵硼合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>將本發(fā)明制備的多元鐵硼合金，可應(yīng)用于電鍍鋅帶鋼用鋅粒加工的各種與鋅液接觸的部件上，如鋅液輸送管、鋅液滴嘴、鋅液筒等。另外，還可應(yīng)用于熱鍍鋅帶鋼生產(chǎn)過(guò)程中與鋅液接觸的部件上，如加熱管的外殼、鋅液攪拌桿等。本發(fā)明多元鐵硼合金具有優(yōu)良的抗鋅液腐蝕性能，且具有較高的強(qiáng)度和較好的韌性，其抗鋅液腐蝕性能比lCrl8Ni9Ti不銹鋼提高68倍。本發(fā)明材料制備工藝簡(jiǎn)便、生產(chǎn)成本低廉，推廣應(yīng)用具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。權(quán)利要求1、一種抗鋅液腐蝕的多元鐵硼合金，其特征在于多元鐵硼合金的化學(xué)組成成分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)是＜0.06C，4.5～8.5B，4.0～5.0Si，4.5～5.5Mn，3.5～5.0Cr，0.8～1.5Ni，S＜0.03，P＜0.03，余量Fe。2、如權(quán)利要求1所述的抗鋅液腐蝕的多元鐵硼合金的制備方法，其特征在于，用電爐生產(chǎn)，其工藝步驟是1)首先用純鐵、硼鐵、金屬鉻、金屬錳、金屬鎳和硅鐵混合加熱熔化，升溫至1420一145(TC時(shí)，加入是金屬熔液總質(zhì)量0.15~0.30%的鋁脫氧，爐前調(diào)整成分合格后，將金屬熔液溫度升至1500_1520°C，扒渣后出爐；2)將金屬熔液直接澆入鑄型，金屬熔液澆注溫度1400-1430°C;3)鑄件凝固冷卻后，打掉澆冒口，清理殘根、飛邊、毛刺，然后在250300'C進(jìn)行去應(yīng)力退火處理，退火處理的保溫時(shí)間是410小時(shí)。全文摘要本發(fā)明為一種抗鋅液腐蝕的多元鐵硼合金及其制備方法，其化學(xué)組成成分是(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)＜0.06C，4.5～8.5B，4.0～5.0Si，4.5～5.5Mn，3.5～5.0Cr，0.8～1.5Ni，S＜0.03，P＜0.03，余量Fe。本發(fā)明多元鐵硼合金經(jīng)熔煉、鑄造后，在250～300℃進(jìn)行去應(yīng)力退火處理。本發(fā)明多元鐵硼合金強(qiáng)度高，韌性好，且具有優(yōu)異的抗鋅液腐蝕性能。文檔編號(hào)C21D1/26GK101597722SQ20091008839公開(kāi)日2009年12月9日申請(qǐng)日期2009年6月26日優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日發(fā)明者符寒光,蔣志強(qiáng),邢建東,雷永平申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)