CN108179363B - 一种耐海水腐蚀的含铜高硼钢及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种耐海水腐蚀的含铜高硼钢及制备方法，含铜高硼钢由如下按质量百分比计的组分构成：B为2.5‑4.5%、Cr为26.0‑38.0%、Cu为2.0‑10.0%、C为0.2‑0.4%，其余为Fe及不可避免的少量杂质。制备方法包括将A3钢、微碳铬铁、Fe‑B中间合金、Cu熔化成钢水后，采用立轴式离心铸造设备制备该材料。本发明制备工艺简单，制备的铸件组织致密，无缩松等铸造缺陷，铸件中网络结构的硼化物沿径向呈梯度分布，具有优异的耐海水腐蚀性能。

Description

一种耐海水腐蚀的含铜高硼钢及制备方法

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，特别涉及一种耐海水腐蚀的含铜高硼钢及其制备方法。

背景技术

占地球表面积约71%的海洋蕴藏着丰富的资源，开发、利用海洋资源，这已是科研工作者多年来的重点研究领域。然而，海洋是一个复杂的环境，由于海水中含多种可溶性盐，还有数量、种类众多的海洋生物，会对与其接触的材料产生强烈的腐蚀作用。海洋工程装备的水下结构长期受到海水的冲蚀和微生物的作用，因此对其耐蚀性提出了更高的要求。海水中的氯离子腐蚀和微生物腐蚀一直是世界公认的难题。海洋腐蚀已成为严重制约重大海洋工程技术和装备发展的技术瓶颈之一，其导致的材料失效问题更是严重地影响到海洋工程装备得可靠性和服役寿命。因此，合理选择并开发新型耐海洋腐蚀新材料是开发海洋资源的工作之一。在海洋工程中，钛及钛合金具有非常优异的耐腐蚀性能，并且比强度高，然而这类金属价格昂贵，从而在一定程度上限制了其广泛应用。诸如2205等双相不锈钢等钢材在海洋资源的开发和利用过程中起到了非常重要的作用。近年来，中科院沈阳金属所利用铜离子的强烈杀菌特性在2205双相不锈钢的基础上成功研发出一种新型耐微生物腐蚀双相不锈钢（2205-Cu），但其价格较贵。还有研究者研制出了Fe-Al金属间化合物、B4C陶瓷等新型耐海洋腐蚀复合材料，但这类材料的脆性较大，且难以成型大型结构件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种耐海水腐蚀的含铜高硼钢及其制备方法，含铜高硼钢价格低廉，同时有较高的耐海水腐蚀能力，易于推广。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种耐海水腐蚀的含铜高硼钢，包括按质量百分比计的组分构成：B为2.5~4.5%、Cr为26.0~38.0%、Cu为2.0~10.0%、C为0.2~0.4%，其余为Fe及杂质。

优选的方案中，B、Cr、Cu和Fe的总质量分数不低于97.0%。

优选的方案中，所述各组分的质量百分数为：B为4.5%、Cr为30%、Cu为6%、C为0.25%，其余为Fe及杂质。

一种耐海水腐蚀的含铜高硼钢的制备方法，包括以下步骤：

一、按照各成分的质量百分比计算硼铁、A3钢、微碳铬铁、纯铜的用量；

二、将A3钢和微碳铬铁放入中频感应炉内加热熔化成钢水，向钢水中加入钛铁进行脱氧，然后将硼铁压入钢液中，再加入纯铜板，并过热到1550~1650℃；

三、向浇包中放入铝进行终脱氧，然后将钢水倒入浇包中；

四、将浇包中的钢水倒入到砂型模具中进行冷却得到铸件，所述砂型模具固定在离心铸造机上。

优选的方案中，所述砂型模具在倒入钢水前进行预热，预热温度为150℃~200℃。

优选的方案中，所述离心铸造机放置在温度控制容器中，温度控制容器内壁设有循环冷却水管。

进一步的方案中，所述温度控制容器内壁设有电阻丝。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

1、本发明的含铜高硼钢以B元素作为主要合金元素，大幅度降低了材料成本。

2、含铜高硼钢中的硼化物本身具有较高的耐海水冲刷腐蚀性能，另一方面，本发明制得的含铜高硼钢的硼化物呈三维网络状结构分布，可防止铁基体在冲刷腐蚀过程中发生剥落。

3、添加Cu的高硼钢，具有一定的杀菌作用，提高了含铜高硼钢的耐生物腐蚀能力，进一步改善了高硼钢的耐海水冲刷腐蚀性能。

4、采用离心铸造工艺，可制备出组织致密、无缩松的高硼钢，同时，在离心力的作用下，可使得硼化物在径向方向上呈梯度分布，故硼化物含量较多的一端，具有优异的耐海水冲刷腐蚀性能，而铁含量较高的一端，则具有良好的韧性，进而满足海洋工程装备的需要。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为实施例1制备的含铜高硼钢的显微组织图。

图2为实施例2制备的含铜高硼钢的显微组织图。

具体实施方式

实施例1：用132.6kg废A3钢、92.9kg微碳铬铁、19.5kg硼铁中间合金、5kg电解铜板为原材料，经中频感应电炉熔化后，过热到1550℃，倒入浇包，在浇包中放入铝进行脱氧，在本实施例中的加入量为0.3kg；砂型模具固定在离心铸造机上，离心铸造机放置在温度控制容器，在本实施例中选用立式铸造机，温度控制容器为加热炉，炉体内部设置电阻丝和循环冷却水管。离心铸造机的转动速率为 300rpm ，再浇注到预热到150℃的砂型模具中；待铸件完全凝固后，循环冷却水管中通循环水，加速铸件的冷却，制备出组分组成为26.0wt.%Cr、2.5wt.%B、2.0wt.%Cu、1.1wt.%Si、0.8wt.%Mn、0.2wt.%C的高硼钢。

如图1所示，高硼钢的组织由三维网络状分布的硼化物和Fe基体组成。可防止铁基体在冲刷腐蚀过程中发生剥落。

实施例2：与实施例1不同的，用62kg废A3钢、135.7kg微碳铬铁、27.3kg硼铁中间合金、25kg电解铜板为原材料，经中频感应电炉熔化后，过热到1650℃，倒入浇包，在浇包中放入铝进行脱氧；砂型模具固定在离心铸造机上，离心铸造机的转动速率为 500rpm ，再浇注到预热到200℃的砂型模具中。

最终制备出组分组成为38.0wt.%Cr、10wt.%Cu、3.5wt.%B、1.5wt.%Si、0.8 wt.%Mn、0.4wt.%C的高硼钢，其显微组织如图2所示，高硼钢的组织由硼化物和Fe基体组成，并且由于B、Cr元素含量的增大，组织中出现较多粗大的初生硼化物。

实施例3：与实施例1和实施例2不同的，用92.8kg废A3钢、107.1kg微碳铬铁、35.1kg硼铁中间合金、15kg电解铜板为原材料，经中频感应电炉熔化后，过热到1600℃，倒入浇包，砂型模具固定在离心铸造机上，离心铸造机的转动速率为 700rpm ，再浇注到预热到200℃的砂型模具中。

最终制备出组分组成为30.0wt.%Cr、6wt.%Cu、4.5wt.%B、1.2wt.%Si、0.25wt.%C的高硼钢。

将实施1、实施例2和实施例3中的试样对进行中性盐雾试验和耐海水腐蚀试验。

盐雾试验中，试验溶液为5%NaCl水溶液，要求在80cm₂面积上盐雾沉降量(1-2)ml/h，收集液的pH值为6.5~7.2，试验箱温度为35℃，连续喷雾。盐雾试验5000h，三个实施例中的试样表面有白色斑状区域，未出现红锈。而对于316L不锈钢在中性盐雾试验中，在4208h时，试样表面出现鼓泡现象，部分区域出现暗红色腐蚀产物，试样已经腐蚀破坏。本实施例的含铜高硼钢的耐腐蚀性能优于316L不锈钢。

耐海水腐蚀试验中海水盐度为31-32‰。试验样品经过1000h耐海水浸泡腐蚀试验，工件表面未出现红锈。

实验表明，该含铜高硼钢具有较好的耐海水腐蚀性能。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种耐海水腐蚀的含铜高硼钢的制备方法，其特征在于：含铜高硼钢包括按质量百分比计的组分构成：B为2.5~4.5%、Cr为26.0~38.0%、Cu为2.0~10.0%、C为0.2~0.4%，其余为Fe及杂质；其制备方法包括以下步骤：

一、按照各成分的质量百分比计算硼铁、A3钢、微碳铬铁、纯铜的用量；

二、将A3钢和微碳铬铁放入中频感应炉内加热熔化成钢水，向钢水中加入钛铁进行脱氧，然后将硼铁压入钢液中，再加入纯铜板，并过热到1550~1650℃；

三、向浇包中放入铝进行终脱氧，然后将钢水倒入浇包中；

四、将浇包中的钢水倒入到砂型模具中进行冷却得到铸件，所述砂型模具固定在离心铸造机上。

2.根据权利要求1所述的一种耐海水腐蚀的含铜高硼钢的制备方法，其特征在于：所述砂型模具在倒入钢水前进行预热，预热温度为150℃~200℃。

3.根据权利要求1所述的一种耐海水腐蚀的含铜高硼钢的制备方法，其特征在于：所述离心铸造机放置在温度控制容器中，温度控制容器内壁设有循环冷却水管。

4.根据权利要求3所述的一种耐海水腐蚀的含铜高硼钢的制备方法，其特征在于：所述温度控制容器内壁设有电阻丝。

5.根据权利要求1所述的一种耐海水腐蚀的含铜高硼钢的制备方法，其特征在于：B、Cr、Cu和Fe的总质量分数不低于97.0%。

6.根据权利要求1所述的一种耐海水腐蚀的含铜高硼钢的制备方法，其特征在于：所述各组分的质量百分数为：B为4.5%、Cr为30%、Cu为6%、C为0.25%，其余为Fe及杂质。

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