CN101597722A - 一种抗锌液腐蚀的多元铁硼合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种抗锌液腐蚀的多元铁硼合金及其制备方法，其化学组成成分是(质量分数，％)：＜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。本发明多元铁硼合金经熔炼、铸造后，在250～300℃进行去应力退火处理。本发明多元铁硼合金强度高，韧性好，且具有优异的抗锌液腐蚀性能。

Description

一种抗锌液腐蚀的多元铁硼合金及其制备方法

技术领域

本发明为一种抗锌液腐蚀的多元铁硼合金及其制备方法，属于耐蚀材料技术领域。

背景技术

在电镀锌带钢用锌粒加工和热镀锌带钢生产过程中，因锌液腐蚀性强而引起设备部件提前失效而带来的经济损失是十分惊人的。对于常用的钢铁材料，铁与锌是互溶金属材料，因此，当钢铁材料与锌液接触后，表面的铁原子就会扩散至锌液中，宏观表现就是表面的铁被锌液溶解，并传到铁的低浓度区，造成铁的溶解腐蚀。同样，锌原子也可以扩散至铁的表面，形成多孔、疏松的低熔点合金即俗称锌渣，并漂移到锌液中。如此往复逐渐使铁溶解于锌液中。再者，锌与铁的化学亲和力很强，当铁和锌液接触时，由于化学反应，而在铁的表面也可直接形成合金相。因此钢铁材料的抗锌液腐蚀性能极差。

为了提高钢铁材料的抗锌液腐蚀效果，中国发明专利CN1449876公开了一种耐锌液腐蚀的涂层及其使用方法。涂层为完全由无机材料组成的悬浮液，以六方氮化硼及少量高温粘结剂磷酸铝为主要固体组分，以水和丙酮为主要液体组分，其中固体重量百分比含量为16-55％，液体重量百分比含量为84-45％。使用时，按照比例配成悬浮液后，先进行工件的清理和工件表面预处理，然后采用浸涂、刷涂或喷涂等方式涂覆于经过预处理的金属表面，待自然晾干后，再随炉加热、冷却后使用。该发明涂层涂覆在钢质金属工具与容器表面，可保证金属件与锌液不润湿，并具有抗热冲击、耐腐蚀特点，能够显著延长与锌液相接触的钢铁容器、工件的使用寿命。

中国发明专利CN101250695也公开了一种铁硼合金化学镀液及其铁硼合金镀层材料和制备方法，所述的化学镀液是每升蒸馏水中含硫酸亚铁15～30g、酒石酸钾钠70～90g、氢氧化钠25～40g、硼氢化钾1～5g、稀土化合物0.1～1.2g。所述的铁硼合金镀层材料是一种含稀土元素的铁硼合金镀层材料、镀层中含稀土元素0.8～1.6wt％，含硼0.9～1.4wt％，余量为铁。将铜基体经酸洗、水洗、干燥以及超声敏化和超声活化处理后悬挂于40～60℃的化学镀液中，并用高纯铝丝或铝片与工件偶接。本发明利用前处理(超声敏化、活化等)及稀土元素的改性作用解决了化学镀液的稳定性问题，并形成合格的化学镀Fe-B-RE合金镀层。中国发明专利CN1083122还公开了一种由3～9％的硼和余量钼组成的合金，用作要暴露于熔态锌的产品的热浸涂层。但是，在钢铁材料表面涂覆涂层，尽管可以提高材料抗锌液腐蚀性能，但涂层与钢铁材料基体结合强度低，使用中易出现开裂、剥落，从而降低钢铁材料的抗锌液腐蚀能力。

中国发明专利CN101177762公开了一种耐液态锌腐蚀的高硼铸钢及其制备方法，其化学成分是(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，其余为Fe和不可避免的微量杂质。该发明的高硼铸钢利用电炉便可生产，其金相显微组织由网状硼化物和铁素体与少量珠光体构成的金属基体组成，耐液态锌腐蚀性能优良。但是，硼化物脆性大，铸态组织中易出现裂纹，降低了高硼铸钢的力学性能。

发明内容

本发明目的是针对现有抗锌液腐蚀材料存在的不足，提出了一种多元铸造铁硼合金及其制备方法。该多元铸造铁硼合金除了含有铁、硼元素外，还加入硅、锰、铬、镍元素，其中加入硅、锰元素可进一步提高基体抗锌液腐蚀性能，而加入铬元素后，可置换Fe₂B品格中的部分铁原子，使Fe₂B发生晶格畸变，提高其断裂韧性，并可消除Fe₂B中的裂纹，有利于提高铁硼合金的抗锌液腐蚀性能。加入镍元素可改善Fe₂B与α-Fe两相的界面结合，使铁硼合金的抗弯强度提高。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明多元铁硼合金的化学组成成分是(质量分数，％)：＜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。

本发明多元铸造铁硼合金采用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

1)首先用纯铁、硼铁、金属铬、金属锰、金属镍和硅铁混合加热熔化，升温至1420-1450℃时，加入是金属熔液总质量0.15％～0.30％的铝脱氧，炉前调整成分合格后(即调整各组分的质量分数如上述化学组成成分)，将金属熔液温度升至1500-1520℃，扒渣后出炉；

2)将金属熔液直接浇入铸型，金属熔液浇注温度1400-1430℃；

3)铸件凝固冷却后，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺，然后在250～300℃进行去应力退火处理，退火处理的保温时间是4～10小时。

多元铸造铁硼合金的性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于化学成分，本发明化学成分是这样确定的：

碳：碳主要溶于基体，降低基体耐蚀性，因此，抗锌液腐蚀合金的碳含量越少，耐蚀性越好，考虑到硼铁和硅铁中会带来少量碳，因此将碳含量控制在0.06％以下。

硼：硼加入铁硼合金中，易形成连续分布的Fe₂B相，而Fe₂B相具有良好的抗锌液腐蚀性能，且Fe₂B相能分割α-Fe基体，有利于减缓α-Fe的腐蚀，硼含量越高，Fe₂B相越多，抗锌液腐蚀能力不断增强，但Fe₂B相脆性大，加入量过多，导致铁硼合金的强韧性明显下降，合适的硼加入量宜控制在4.5～8.5％。

硅：硅主要溶于α-Fe基体中，有利于减轻α-Fe在锌液中的腐蚀，提高铁硼合金抗锌液腐蚀性能，合适的硅加入量宜控制在4.0～5.0％。

锰：锰部分进入α-Fe基体中，部分进入Fe₂B相中，进入α-Fe基体中，有利于减轻α-Fe在锌液中的腐蚀，提高铁硼合金抗锌液腐蚀性能，进入Fe₂B相中，有利于减轻Fe₂B相出现裂纹的倾向，可提高Fe₂B相的耐蚀性和韧性，合适的锰加入量宜控制在4.5～5.5％。

铬：铬主要进入Fe₂B相中，可置换Fe₂B晶格中的部分铁原子，使Fe₂B发生晶格畸变，提高其断裂韧性，并可消除Fe₂B中的裂纹，有利于提高铁硼合金的抗锌液腐蚀性能，合适的铬加入量宜控制在3.5～5.0％。

镍：镍是非硼化物形成元素，主要进入α-Fe基体中，可改善Fe₂B与α-Fe两相的界面结合，使铁硼合金的抗弯强度提高，合适的镍加入量宜控制在0.8～1.5％。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明多元铁硼合金，因硼、硅、锰元素的加入和碳含量的减少，具有良好的抗锌液腐蚀效果，在450℃锌液中的腐蚀速率为12-15g/m².h，而1Cr18Ni9Ti不锈钢的腐蚀速率大于110g/m².h，多元铁硼合金的抗锌液腐蚀性能比1Cr18Ni9Ti不锈钢提高6～8倍。

2)本发明多元铁硼合金，因锰、铬元素的加入，Fe₂B相中的裂纹被抑制，脆性下降，韧性提高，因镍元素的加入，抗弯强度明显改善，其中断裂韧性达到28～32Mpa.m^1/2，抗弯强度达到1900～2100Mpa。

下面结合实施例对本发明作进一步详述：

具体实施方式

实施例1：

用250公斤中频感应电炉熔炼多元铁硼合金，其熔炼、铸造和热处理工艺过程如下：

1)首先用纯铁、硼铁、金属铬、金属锰、金属镍和硅铁混合加热熔化，升温至1450℃时，加入是金属熔液总质量0.15％的铝脱氧，炉前调整成分合格后，将金属熔液温度升至1520℃，扒渣后出炉；

2)将金属熔液直接浇入铸型，金属熔液浇注温度1430℃；

3)铸件凝固冷却后，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺，然后在250℃进行去应力退火处理，退火处理的保温时间是10小时。所制得的铁硼合金的成分见表1，断裂韧性达到28.3Mpa.m^1/2，抗弯强度达到1926.6Mpa。

表1多元铁硼合金化学成分(质量分数，％)

元素	C	B	Si	Mn	Cr	Ni	P	S	Fe
										成分	0.03	8.49	4.02	4.50	4.97	1.19	0.018	0.013	余量

实施例2：

用350公斤中频感应电炉熔炼多元铁硼合金，其熔炼、铸造和热处理工艺过程如下：

1)首先用纯铁、硼铁、金属铬、金属锰、金属镍和硅铁混合加热熔化，升温至1420℃时，加入是金属熔液总质量0.30％的铝脱氧，炉前调整成分合格后，将金属熔液温度升至1500℃，扒渣后出炉；

2)将金属熔液直接浇入铸型，金属熔液浇注温度1400℃；

3)铸件凝固冷却后，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺，然后在300℃进行去应力退火处理，退火处理的保温时间是4小时。所制得的铁硼合金的成分见表2，断裂韧性达到31.6Mpa.m^1/2，抗弯强度达到2078.1Mpa。

表2多元铁硼合金化学成分(质量分数，％)

元素	C	B	Si	Mn	Cr	Ni	P	S	Fe
										成分	0.02	4.58	5.00	5.41	3.52	0.80	0.015	0.010	余量

实施例3：

用250公斤中频感应电炉熔炼多元铁硼合金，其熔炼、铸造和热处理工艺过程如下：

1)首先用纯铁、硼铁、金属铬、金属锰、金属镍和硅铁混合加热熔化，升温至1432℃时，加入是金属熔液总质量0.19％的铝脱氧，炉前调整成分合格后，将金属熔液温度升至1514℃，扒渣后出炉；

2)将金属熔液直接浇入铸型，金属熔液浇注温度1409℃；

3)铸件凝固冷却后，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺，然后在280℃进行去应力退火处理，退火处理的保温时间是6小时。所制得的铁硼合金的成分见表3，断裂韧性达到30.4Mpa.m^1/2，抗弯强度达到2021.9Mpa。

表3多元铁硼合金化学成分(质量分数，％)

元素	C	B	Si	Mn	Cr	Ni	P	S	Fe
										成分	0.04	6.14	4.38	4.93	4.15	1.46	0.019	0.014	余量

将本发明制备的多元铁硼合金，可应用于电镀锌带钢用锌粒加工的各种与锌液接触的部件上，如锌液输送管、锌液滴嘴、锌液筒等。另外，还可应用于热镀锌带钢生产过程中与锌液接触的部件上，如加热管的外壳、锌液搅拌杆等。本发明多元铁硼合金具有优良的抗锌液腐蚀性能，且具有较高的强度和较好的韧性，其抗锌液腐蚀性能比1Cr18Ni9Ti不锈钢提高6～8倍。

本发明材料制备工艺简便、生产成本低廉，推广应用具有显著的经济和社会效益。

Claims (2)

1、一种抗锌液腐蚀的多元铁硼合金，其特征在于：多元铁硼合金的化学组成成分的质量百分数是：＜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、如权利要求1所述的抗锌液腐蚀的多元铁硼合金的制备方法，其特征在于，用电炉生产，其工艺步骤是：

1)首先用纯铁、硼铁、金属铬、金属锰、金属镍和硅铁混合加热熔化，升温至1420-1450℃时，加入是金属熔液总质量0.15～0.30％的铝脱氧，炉前调整成分合格后，将金属熔液温度升至1500-1520℃，扒渣后出炉；

2)将金属熔液直接浇入铸型，金属熔液浇注温度1400-1430℃；

3)铸件凝固冷却后，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺，然后在250～300℃进行去应力退火处理，退火处理的保温时间是4～10小时。