CN100370051C - 高温耐磨耐蚀Fe-Cr-Si铁基合金材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温耐磨耐蚀Fe-Cr-Si铁基合金材料，该合金材料主要由Fe、Cr、Si三种元素组成，其中Fe的重量百分比含量为45～68，Cr的重量百分比含量为20～36，Si重量百分比含量为6～20。该合金材料的主要组织组成相是(a)σ相Fe9Cr9Si2金属硅化物固溶体+铁基固溶体α，或(b)σ相Fe9Cr9Si2金属硅化物固溶体+B2型铁基固溶体，或(c)B2型铁基固溶体+Cr3Si金属硅化物固溶体+Fe5Si3金属硅化物固溶体。该合金材料可应用于冶金、能源、石油、电力中大量在腐蚀及高温环境下承受摩擦磨损作用的机械运动副零部件的铸造成形与采用激光熔覆、等离子喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂等方法对耐磨耐蚀零部件进行表面改性与修复。
Description
技术领域
本发明涉及一种铁基合金材料，更确切的是指一种耐磨耐蚀的Fe-Cr-Si金属硅化物铁基合金材料，该合金材料可应用于冶金、能源、石油、电力中大量在腐蚀及高温环境下承受摩擦磨损作用的机械运动副零部件的铸造成形与采用激光熔覆、等离子喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂等方法对耐磨耐蚀零部件进行表面改性与修复。
背景技术
在航空、航天、石油、化工及钢铁、有色金属冶炼等工业及机械装备中，存在着大量在高温、腐蚀以及氧化等恶劣环境下承受强烈摩擦磨损作用的机械零部件，要求材料兼具优异的耐磨性能、耐蚀性能、抗氧化性能、低的摩擦系数，以及良好的强韧性配合。以钢铁为代表的铁基合金材料以其良好的强韧性、优异的成型性、高性价比成为当今最主要的金属结构材料。然而，传统的铸铁、不锈钢等铁基合金性能单一，难以同时满足上述耐磨耐蚀使用要求。工业装备急需同时具有优异的耐磨耐蚀铁基合金材料。
发明内容
本发明的目的是针对耐磨耐蚀运动副零部件对材料的特殊要求，开发出一种兼具优异的耐磨性能、优异的耐蚀性能，与金属配对副具有良好的摩擦学兼容性的新型高温耐磨耐蚀Fe-Cr-Si金属硅化物铁基合金材料，该合金材料可应用于冶金、能源、石油、电力中大量在腐蚀及高温环境下承受摩擦磨损作用的机械运动副零部件的铸造成形与采用激光熔覆、等离子喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂等方法对耐磨耐蚀零部件进行表面改性与修复。
本发明是一种高温耐磨耐蚀Fe-Cr-Si铁基合金材料，其主要由Fe、Cr、Si三种元素组成，其Fe的重量百分比为45～68、Cr的重量百分比为20～36、Si重量百分比为6～20；该合金材料的主要组织组成相是(a)σ相Fe9Cr9Si2金属硅化物固溶体+铁基固溶体α，或(b)σ相Fe9Cr9Si2金属硅化物固溶体+B2型铁基固溶体，或(c)B2型铁基固溶体+Cr3Si金属硅化物固溶体+Fe5Si3金属硅化物固溶体。
所述的高温耐磨耐蚀Fe-Cr-Si铁基合金材料，其组织组成相是(a)σ相Fe9Cr9Si2金属硅化物固溶体+铁基固溶体α的化学成份Fe(wt％)为58～64、Cr(wt％)为29～33、Si(wt％)为6.0～7.2，并且上述各成分的含量之和为100％；合金材料硬度为800～950HV。其组织组成相是(b)σ相Fe9Cr9Si2金属硅化物固溶体+B2型铁基固溶体的化学成份Fe(wt％)为52～63、Cr(wt％)为20～27、Si(wt％)为14～15，并且上述各成分的含量之和为100％，合金材料硬度为500HV～1050HV。其组织组成相是(c)B2型铁基固溶体+Cr3Si金属硅化物固溶体+Fe5Si3金属硅化物固溶体的化学成份Fe(wt％)为45～60、Cr(wt％)为20～36、Si(wt％)为17～20，并且上述各成分的含量之和为100％，合金材料硬度为700HV～1000HV。
所述的高温耐磨耐蚀Fe-Cr-Si铁基合金材料，可加入重量百分比为0.1～4的Al来提高耐蚀性和抗氧化性能。可加入重量百分比为0.3～8的Mo进行合金化，以提高其高温强度和高温耐磨性。
本发明的耐磨耐蚀Fe-Cr-Si铁基合金材料，其主要组成元素是Fe、Cr、Si三种元素，其主要组成相是σ相Fe9Cr9Si2和铁基固溶体。由于集中了金属间化合物σ相的高硬度、优异的耐磨性和抗腐蚀性能，以及铁基固溶体良好的强韧性等优点，本发明涉及的Fe-Cr-Si耐磨耐蚀铁基合金同时具有优异的磨损性能、耐蚀性能，适用于制造在磨损和腐蚀作用下的运动副零部件与采用激光熔覆、等离子喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂等方法对耐磨耐蚀零部件进行表面改性与修复。
附图说明
图1为合金I及1Cr18Ni9Ti不锈钢在3.5％NaCl水溶液中的阳极极化曲线图。
图中，1表示铸造合金I，2表示1Cr18Ni9Ti不锈钢。
具体实施方式
选取表1中的三个典型成分的Fe-Cr-Si铁基合金，分别采用感应炉熔炼法、激光熔炼法、电子束熔炼法制备合金铸锭，采用激光熔覆法制备涂层。
表1 合金化学成分含量(wt.％)
| 合金编号 | Fe | Cr | Si |
| 合金I | 62.5±1.5 | 31.0±1 | 6.5±0.5 |
| 合金II | 53.0±1.5 | 32.5±1 | 14.5±0.5 |
| 合金III | 48.0±1.5 | 34.0±1 | 18.0±0.5 |
(一)合金短铸锭激光熔炼法：
以工业纯铁、铬、硅粉末为原材料，采用水冷铜模激光熔炼炉(发明名称：水冷铜模激光熔炼炉及其熔炼铸锭的方法，专利号02121496)熔炼出重量约15克的短圆柱状合金铸锭。铸锭熔炼制备过程是：向水冷铜模中装入约20克混合合金粉末料→接通冷却水→接通保护气体→导入聚焦激光束进行合金熔炼→铸锭冷却→关闭冷却水→关闭保护气体→从水冷铜模中取出铸锭，激光熔炼工艺参数为：激光输出功率3kW，光斑直径约4mm，导入聚焦激光束进行熔炼时间约1min。
(二)合金铸锭电子束熔炼法：
以工业纯金属铁、铬、硅为原料，采用20kW电子束悬浮区域熔炼炉制备合金铸锭。铸锭熔炼制备过程是：加入合金原材料→抽真空→通冷却水→导入聚焦电子束进行合金熔炼→铸锭冷却→关闭冷却水→取出铸锭。电子束熔炼工艺参数为：真空度10-3pa，电子枪输出功率13kW，熔炼时间约30s。
(三)激光熔覆涂层制备法
以100～300目铁、铬、硅粉末为原料，在JSK-8000型8kW连续横流CO2激光材料加工成套系统上，采用预置粉末法以及重力同步送粉法、利用激光熔覆技术在低碳钢基材上制备Fe-Cr-Si耐磨耐蚀合金涂层。激光熔覆工艺参数为：激光输出功率2.5kW，光斑直径约4mm，光斑扫描速率为300mm/min。经激光熔覆制备的涂层组织致密均匀、无裂纹、无气孔，同低碳钢基材之间为完全的冶金结合，涂层组织主要由σ相Fe9Cr9Si2金属硅化物固溶体和铁基固溶体α组成。
(四)感应炉熔炼法：
以工业纯纯块状金属铁、铬、硅为原材料，在160kW 50Kg普通中频感应熔炼炉中熔炼合金，采用砂型铸造法浇铸约15Kg合金铸锭，采用金属型浇铸法浇铸重约10Kg棒状合金铸锭。合金熔炼铸造过程是：先加入金属铁和金属铬两种金属原材料并通电熔炼、熔炼时加入碱性渣保护，熔清后加入炉料硅，合金熔体温度达到1550～1650℃后出炉浇铸铸锭，冷却到室温后开箱取出铸件。
分别截取合金铸锭截面金相试样，用饱和FeCl3盐酸溶液及克氏腐蚀剂(HF∶HNO3∶H2O＝1∶6∶7)作为金相腐蚀剂，分别利用Olympus BX51M型光学显微镜和JSM-5800扫描电子显微镜观察显微组织，利用Link ISIS能谱仪进行微区成分分析。利用Rigaku D/max 2200旋转阳极X射线衍射仪进行组成相分析。分析结果表明，激光熔炼以及感应炉熔炼砂型铸造合金I的组织为σ相Fe9Cr9Si2金属硅化物固溶体和铁基固溶体α全片层共析组织组成；激光熔炼合金II为Fe9Cr9Si2金属硅化物初生树枝晶和枝晶间B2型铁基固溶体组成；激光熔炼合金III为Cr3Si初生树枝晶，少量Fe5Si3金属间硅化物固溶体和枝晶间B2型铁基固溶体组成。采用MH-6型半自动显微硬度计测试合金的平均硬度，试验载荷为1Kg，保载时间10s，各Fe-Cr-Si耐磨耐蚀铁基合金的平均硬度为：合金I的硬度为850HV，合金II的硬度为970HV，合金III的硬度为780HV。
分别截取合金铸锭截面，在MM-200型滑动磨损试验机上进行常温干滑动磨损试验。试样尺寸为10mm×10mm×10mm，对磨环材料为淬火+低温回火(硬度HRC58)的45号钢，法向载荷147N，对磨环转速200r/min，磨损时间60min，总滑动距离约1700m。选用球墨铸铁(硬度HRC45～48)作为标准对比试样。用精度为0.1mg的SARTORIUS BS110S型电子天平称取其磨损重量，以相对耐磨性(＝标样磨损失重量/试样磨损失重量)作为材料耐磨性的指针。结果见表2，其耐磨性比球墨铸铁提高7～27.5倍。
表2Fe-Cr-Si金属间硅化物耐磨耐蚀铁基合金与球墨铸铁常温干滑动磨损相对耐磨性对比
| 材料 | 球墨铸铁 | 合金I | 合金II | 合金III |
| 相对耐磨性 | 1 | 27.5 | 7.0 | 16.7 |
采用测定阳极极化曲线的方法，试样尺寸为10mm×10mm×10mm，在3.5％的NaCl水溶液中测试合金的电化学腐蚀性能，选用奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti作为对比试样，结果如图1所示。可见合金I在3.5％的NaCl水溶液中的破裂电位远高于奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti在3.5％的NaCl水溶液中的破裂电位，此外，合金I的阳极极化曲线不存在钝化过渡区，合金在很低的电位下就发生了钝化，在表面形成一层乃是钝化膜，在相当宽的电位范围内，钝化膜保持稳定，因此合金I在3.5％的NaCl水溶液中的耐蚀性能非常好。
采用浸泡腐蚀测试方法，在1mol/L H2SO4水溶液中测试和金的耐蚀性能，选用奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti为对比试样，用精度为0.1mg的SARTORIUSBS110S型电子天平称取其腐蚀重量，以试样腐蚀失重量作为材料耐蚀性的指针，结果如表3所示。可见，合金I，合金II和合金III在硫酸中表现出非常好的耐蚀性能。
表3Fe-Cr-Si耐磨耐蚀铁基合金与1Cr18Ni9Ti在1mol/L H2SO4水溶液中的腐蚀失重量对比：
| 材料 | 1Cr18Ni9Ti | 合金I | 合金II | 合金III |
| 腐蚀失重量 | 475.6mg | 2.0mg | 0.6mg | 0.5mg |
本发明的合金材料可应用于冶金、能源、石油、电力中大量在腐蚀及高温环境下承受摩擦磨损作用的机械运动副零部件的铸造成形与采用激光熔覆、等离子喷涂、火焰喷涂、电弧喷涂等方法对耐磨耐蚀零部件进行表面改性与修复。
Claims (6)
1.一种高温耐磨耐蚀Fe-Cr-Si铁基合金材料，其特征在于：该合金材料主要由Fe、Cr、Si三种元素组成，其Fe的重量百分比为45～68、Cr的重量百分比为20～36、Si重量百分比为6～20；该合金材料的主要组织组成相是(a)σ相 Fe9Cr9Si2金属硅化物固溶体+铁基固溶体α，或(b)σ相Fe9Cr9Si2金属硅化物固溶体+B2型铁基固溶体，或(c)B2型铁基固溶体+Cr3Si金属硅化物固溶体+Fe5Si3金属硅化物固溶体。
2.根据权利要求1所述的高温耐磨耐蚀Fe-Cr-Si铁基合金材料，其特征在于：组织组成相是(a)σ相Fe9Cr9Si2金属硅化物固溶体+铁基固溶体α的化学成份Fe(wt％)为58～64、Cr(wt％)为29～33、Si(wt％)为6.0～7.2，并且上述各成分的含量之和为100％；合金材料硬度为800～950HV。
3.根据权利要求1所述的高温耐磨耐蚀Fe-Cr-Si铁基合金材料，其特征在于：组织组成相是(b)σ相Fe9Cr9Si2金属硅化物固溶体+B2型铁基固溶体的化学成份Fe(wt％)为52～63、Cr(wt％)为20～27、Si(wt％)为14～15，并且上述各成分的含量之和为100％，合金材料硬度为500HV～1050HV。
4.根据权利要求1所述的高温耐磨耐蚀Fe-Cr-Si铁基合金材料，其特征在于：组织组成相是(c)B2型铁基固溶体+Cr3Si金属硅化物固溶体+Fe5Si3金属硅化物固溶体的化学成份Fe(wt％)为45～60、Cr(wt％)为20～36、Si(wt％)为17～20，并且上述各成分的含量之和为100％，合金材料硬度为700HV～1000HV。
5.根据权利要求1所述的高温耐磨耐蚀Fe-Cr-Si铁基合金材料，其特征在于：加入重量百分比为0.1～4的Al。
6.根据权利要求1所述的高温耐磨耐蚀Fe-Cr-Si铁基合金材料，其特征在于：加入重量百分比为0.3～8的Mo进行合金化。
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