CN108220804A

CN108220804A - 抗锌液腐蚀磨损的铬铝合金化Fe-B合金及其制造方法

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Publication number: CN108220804A
Application number: CN201810222386.9A
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 马胜强; 王勇; 邢建东
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2018-06-29
Anticipated expiration: 2038-03-19
Also published as: CN108220804B

Abstract

抗锌液腐蚀磨损的铬铝合金化Fe‑B合金及其制造方法，属于腐蚀磨损技术领域。采用电炉熔炼，先将废钢、铬铁、钼铁、增碳剂混合加热熔化成钢水，将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在18.53‑19.28％Cr,2.26‑2.41％Mo,0.59‑0.66％C,<0.65％Si,<0.48％Mn,<0.04％P,<0.03％S,余量Fe，并将钢水温度升至1603‑1619℃，依次加入纯铝和硼铁，并在金属熔液浇注过程中，随金属熔液流浇入(Ti,Nb)C颗粒，最后浇入铸型，获得的铬铝合金化Fe‑B合金具有良好的抗锌液腐蚀磨损能力。

Description

抗锌液腐蚀磨损的铬铝合金化Fe-B合金及其制造方法

技术领域

本发明公开了一种抗锌液腐蚀磨损Fe-B合金及其制造方法，特别涉及一种抗锌液腐蚀磨损的铬铝合金化Fe-B合金及其制造方法，属于腐蚀磨损技术领域。

背景技术

冶金行业镀锌生产线沉没辊、稳定辊、辊轴承和轴承支撑等部件，沉浸于450-480℃的熔融锌液中，经受着非常严重的锌液腐蚀和磨损，工作寿命一般都较短。目前，上述各部件的涂层主要是采用碳化钨-钴(WC-Co)或硼化钼-钴(MoB-Co)作为粉体材料。

中国发明专利CN102517532公开了了一种热喷涂用耐熔锌腐蚀的涂层材料及该涂层材料的制备方法，包括以η相碳化钨为硬质相代替高温下容易分解的W C，以Fe3Al为粘结相代替Co，采用热喷涂的方法在热镀锌沉没辊或热镀锌沉没辊的轴套表面制备η相碳化钨－Fe3Al涂层，制得目标产品。该发明采用硬质相η相碳化钨能有效地阻止锌原子向合金内部的扩散，起到耐熔融锌液腐蚀作用，η相碳化钨耐高温，不易分解，起到很好的高温耐磨作用；粘结相Fe3Al可以与Zn形成耐锌液腐蚀的Fe－Al－Zn三元相，耐熔融锌腐蚀性能优于烧结WC－Co涂层。中国发明专利CN1289858还公开了一种复合金属陶瓷喷涂材料，主要用作连续热镀锌机组沉没辊与稳定辊表面的预保护喷涂层。其化学成分组成为(重量％)：Co6.0～10.0％、W43.5～66.5％、C2.0～4.5％、Fe5.0～10.0％、B0.5～2.0％、Mo20.0～30.0％。采用该发明复合金属陶瓷喷涂材料喷涂的辊面预保护涂层，具有优良的耐锌液腐蚀、耐磨损及抗粘锌性能，有效地提高了连续热镀锌机组备件－沉没辊与稳定辊的使用寿命，连续上机使用时间可达21～27天，降低了生产成本。中国发明专利CN101748354还公开了一种耐锌液腐蚀磨损复合涂层的喷涂方法，其改变被涂部件基体表面采用单一WC－Co粉体材料涂层或MoB－Co粉体材料涂层，将其两者结合，采用粉末喷涂装置并设定合适的喷涂参数，首先喷涂WC－Co粉体材料涂层作为打底层，打底层厚度0.15－0.20mm，然后喷涂MoB－Co粉体材料涂层作为工作层，工作层厚度0.07－0.10mm，WC－Co和MoB－Co粉体粒度为25－65μm；该复合涂层克服了单一涂层的缺陷；利用该方法将现有的WC－Co和MoB－Co粉体材料组成复合涂层，使各类部件的耐锌液腐蚀磨损和使用寿命得到了有效提高，同时降低了涂层成本。单纯采用热喷涂方法制备的涂层，尽管具有良好的抗锌液腐蚀磨损能力，但是涂层与基体材料结合强度低，使用过程中极易发生开裂和剥落。

为了克服喷涂涂层的上述不足，中国发明专利CN 101215671公开了一种抗锌液腐蚀磨损材料及其制造方法，该抗锌液腐蚀磨损材料化学成分是(重量％)：0.6－0.8C，4.0－7.0B，4.0－6.0Cr，4.0－7.0Mo，2.0－5.0W，0.3－0.6Si，0.3－0.6Mn，S＜0.05，P＜0.05，余量为Fe。该发明抗锌液腐蚀磨损材料利用电炉熔炼，采用铸造方法成型，铸件经退火后进行粗加工，经980－1020℃淬火和520－580℃回火后，进行精加工。该发明抗锌液腐蚀磨损材料常温硬度高，达到62－65HRC，在500℃时的硬度也达到56－58HRC。抗弯强度达到了900－1100MPa。在锌液腐蚀磨损环境下，具有优良的使用效果，寿命比316L不锈钢提高3－6倍。中国发明专利CN 104630640还公开了一种抗锌液腐蚀磨损整体材料及其制备方法，该材料具有网状Fe₂B抗蚀相与铁素体基体组成的双相组织，铁素体基体分布在网状Fe₂B抗蚀相的网状结构中，其成分按质量百分数为：0.2～0.25％的C、3～3.5％的B、0.6～0.8％的Cr、0.6～0.8％的Si、0～0.035％的S、0～0.035％的P、余量为Fe。制备时先将废钢、铬铁和纯铁混合加热熔化成钢水，再将硼铁和钢水混合融化得到钢液，最后将钢液浇入砂型中进行整体铸造即得到该材料。该发明生产工艺简便，制得的抗锌液腐蚀磨损整体材料硬度高，具有优良的使用效果，其在锌液中的耐锌液腐蚀磨损性能为316L不锈钢的15～26倍，具有良好的应用前景。

中国发明专利CN 107761014还公开了一种含硼高锰奥氏体铁基合金及其热处理方法，所述合金的化学成分组成为：C：0.15％-0.40％；Si：0.5％-1.5％；Mn：8.0％-14.0％；Cr：15％-22％；Ni：1.5％-3.5％；Nb0.3％-0.55％，N+B0.4-0.5％，余量为Fe和不可避免的杂质。采用电炉熔炼，离心铸造成型的该发明合金的铸态合金的常温硬度可达25-30HRC，室温拉伸强度可达700-720MPa，冲击韧性可达到22J/cm²以上，其耐蚀寿命比316L不锈钢提高2.5-3倍。另外，该发明还提供进一步增强所述合金的耐腐蚀性能的热处理工艺，经过高温固溶处理和回火处理，使组织中的二次硼化物充分固溶和析出，可使合金的耐蚀寿命比316L不锈钢提高到13倍以上。该发明所述的合金耐液态金属腐蚀性优良，可用于加工热浸镀锌生产线的各种关键部件，如沉没辊、轴套、轴瓦、支臂等。

中国发明专利CN 107723621还公开了一种新型耐蚀耐磨耐高温合金材料，具体而言，该发明的新型耐蚀耐磨耐高温合金材料包含以重量百分比计的下列组分：0.05～0.1％的硼；1.0～1.5％的碳；0.5～1.0％的硅；0.05～0.1％的磷；0.05～0.1％的硫；30～35％的铬；3～6％的锰；0.05～0.1％的钴；2～4％的镍；1.0～1.5％的钼；0.5～1.5％的铜；1.0～1.5％的钛；余量的铁。该发明使用了微合金化技术，加入了Cr、Mn、Ni、B、Ti等合金元素，大幅度提高了材料的力学性能，既保证了较高的耐蚀性能，还提高了耐腐蚀性、耐磨性及耐高温性能，可以广泛应用于石油、化工、冶金等领域。

中国发明专利CN 107630168还公开了一种沉没辊轴套，所述的沉没辊轴套由以下成分组成：C0.24％-0.45％，Mn0.60％-2.0％，Si0.80％-1.10％，Zr0.02％-0.12％，Al0.035％-0.080％，Cr2.7％-3.5％，Ni0.75％-1.60％，Y0.02-0.03％，Mo0.5％-2.5％，Nb0.03％-0.55％，B2.5％-3.3％，N0.003-0.01，P<0.035％，S<0.045％，其余为Fe。该发明沉没辊轴套在低碳高速钢基础上，加入硼元素，在保持高速钢具有良好高温红硬性的前提下，还具有优异的抗锌液腐蚀能力。另外，该发明还加入了适量的钇、镁、钙、钛、铌、钾，主要起脱氧、脱硫，细化组织，改善夹杂物形态和分布的作用，有利于提高沉没辊轴套的机械性能，特别是沉没辊轴套的强韧性。

但是，上述整体铸造材料的耐锌液腐蚀磨损性能较差，特别是硼元素的大量加入，导致材料的强度和韧性明显下降。

发明内容

本发明的目的是在Fe-B合金基础上，加入铬、铝合金元素，进一步提高合金的抗锌液腐蚀能力，另外，加入适量(Ti,Nb)C颗粒，提高抗磨性能。另外，在合金凝固过程中，采用水冷金属型，细化凝固组织，提高合金强度和韧性。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：

本发明抗锌液腐蚀磨损的铬铝合金化Fe-B合金的制备方法，采用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

①将废钢、铬铁、钼铁、增碳剂混合加热熔化成钢水，将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在18.53-19.28％Cr,2.26-2.41％Mo,0.59-0.66％C,<0.65％Si,<0.48％Mn,<0.04％P,<0.03％S,余量Fe，并将钢水温度升至1603-1619℃，依次加入纯铝和硼铁，纯铝加入量占炉内钢水质量分数的9.8-10.3％，硼铁加入量占炉内钢水质量分数的19.1-19.7％，硼铁粒径尺寸12-18mm，硼铁入炉前经750-780℃烘烤2-3小时；当炉内金属熔液温度达到1622-1647℃时出炉到浇包；

②当浇包内金属熔液温度降至1527-1542℃时，将金属熔液浇入到水冷金属铸型内，并在金属熔液浇注过程中，随金属熔液流浇入(Ti,Nb)C颗粒，(Ti,Nb)C颗粒加入量占进入铸型内金属熔液质量分数的3.8-4.3％，(Ti,Nb)C颗粒的粒度是300-325目，浇注前，铸型底部预先加入了颗粒粒径尺寸5-8mm的铜镁合金，铜镁合金加入量占进入铸型内金属熔液质量分数的0.15-0.20％；

③金属熔液浇注2-3小时后开箱空冷铸件，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺，然后进行粗加工，铸件最后加热至500-520℃，保温时间4-6小时，然后空气冷却至室温，最后精加工至规定形状和尺寸。

如上所述硼铁的化学组成及质量分数为：17-21％B,<0.1％Al,2-3％Si,<0.35％C,<0.2％P,<0.01％S,<1％Mn,余量Fe。

如上所述铜镁合金的化学组成及质量分数为：78～85％Cu,15～22％Mg。

合金材质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及制造工艺，本发明化学成分及制造工艺是这样确定的：

本发明先在电炉内熔炼钢水，将废钢、铬铁、钼铁、增碳剂混合加热熔化成钢水，将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在18.53-19.28％Cr,<0.65％Si,2.26-2.41％Mo,0.59-0.66％C,<0.48％Mn,<0.04％P,<0.03％S,余量Fe，其中将钢水中加入较多的铬和适量的钼，加入铬主要是利用大部分铬进入基体，提高基体的抗腐蚀性能，加入适量钼主要是为了提高基体的抗高温软化能力。在此前提下，将钢水温度升至1603-1619℃，依次加入纯铝和硼铁，纯铝加入量占炉内钢水质量分数的9.8-10.3％，硼铁加入量占炉内钢水质量分数的19.1-19.7％。硼原子半径为0.82，与铁原子半径之比大于0.59，因此与铁化合后形成复杂的金属间化合物FeB和Fe₂B。FeB为正交点阵，含硼重量百分比16.23％，Fe₂B为四方点阵，含硼量为8.83％。硼化铁具有极高的硬度(FeB和Fe₂B的硬度分别为1800-2200HV和1400-1600HV)，好的耐磨性和抗高温氧化性，能在800℃高温下长期使用而不氧化。另外，硼化铁还具有良好的耐酸碱腐蚀性，除硝酸外，对硫酸、盐酸、氢氟酸、磷酸等都具有非常好的耐蚀性，同时对锌液也具有非常好的耐蚀性。合金中加入硼后，易形成连续网状分布的铁硼化合物。随着硼含量增加，硼化物数量增加，合金的耐蚀性明显提高，但是硼含量过高，合金中脆性硼化物明显增多，材料的力学性能、铸造性能和加工性能恶化。铝是非碳化物和硼化物形成元素，主要固溶于基体，大幅度提高合金基体的抗腐蚀性能，且铝还能提高基体的高温稳定性能。为了稳定和提高硼元素收得率，缩短金属熔液冶炼时间，防止产生过多Al₂O₃氧化物，本发明在硼铁加入钢水过程中，将硼铁尺寸控制在12-18mm，硼铁入炉前经750-780℃烘烤2-3小时，当炉内金属熔液温度达到1622-1647℃时出炉到浇包。

本发明当浇包内金属熔液温度降至1527-1542℃时，将金属熔液浇入到水冷金属铸型内，采用水冷金属铸造，可以细化凝固组织，提高凝固铸件的强度和韧性。为了进一步提高材料的抗磨性能，本发明还在金属熔液浇注过程中，随金属熔液流浇入(Ti,Nb)C颗粒，(Ti,Nb)C颗粒加入量占进入铸型内金属熔液质量分数的3.8-4.3％，(Ti,Nb)C颗粒的粒度是300-325目。选择(Ti,Nb)C颗粒主要是它具有高硬度，且密度与金属熔液相近，不容易产生偏析。为了使(Ti,Nb)C颗粒在铸件中分布均匀，本发明还在浇注前，在铸型底部预先加入了颗粒尺寸5-8mm的铜镁合金，铜镁合金加入量占进入铸型内金属熔液质量分数的0.15-0.20％。加入铜镁合金后，当高温金属熔液与之接触时，因镁的气化温度低，镁元素会迅速气化，加之镁元素密度低，镁元素的气化会使进入铸型内的金属熔液翻腾，有利于促进随金属熔液流浇入的(Ti,Nb)C颗粒在铸型中分布均匀，不会发生团聚，从而有利于提高合金的耐磨性。此外，镁还有脱氧、脱硫和改善夹杂物形态和分布的作用，有利于促进合金强度和韧性的进一步提高。铜镁合金中的铜可以进入基体，提高基体强度和耐蚀性。本发明当金属熔液浇注2-3小时后开箱空冷铸件，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺，然后进行粗加工，铸件最后加热至500-520℃，保温时间4-6小时，然后空气冷却至室温，主要是为了消除应力，稳定组织。最后精加工至规定形状和尺寸。

本发明与现有技术相比，具有以下有点：

1、本发明抗锌液腐蚀磨损材料制备工艺简便，以廉价的铬、铝和硼为主要元素，不含价格昂贵的镍、钴等元素，制造成本低廉。

2、硼元素的大量加入和铬铝合金化，使合金的抗锌液腐蚀能力大幅度提高，特别是(Ti,Nb)C颗粒的加入，可以提高合金的高温抗磨性能。

3、在相同的锌液腐蚀磨损条件下，本发明材料显示处优异的抗锌液腐蚀磨损能力，抗锌液腐蚀能力比316L不锈钢提高20倍以上，抗锌液腐蚀磨损能力比316L不锈钢提高23倍以上，在锌液腐蚀磨损领域，本发明材料有良好的推广应用前景。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：

抗锌液腐蚀磨损的铬铝合金化Fe-B合金，采用500kg中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

①将废钢、铬铁、钼铁、增碳剂混合加热熔化成钢水，将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在18.53％Cr,2.41％Mo,0.59％C,0.52％Si,0.44％Mn,0.037％P,0.024％S,余量Fe，并将钢水温度升至1603℃，依次加入纯铝和硼铁(硼铁的化学组成及质量分数为：17.35％B,0.06％Al,2.19％Si,0.28％C,0.13％P,0.008％S,0.57％Mn,余量Fe)，纯铝加入量占炉内钢水质量分数的9.8％，硼铁加入量占炉内钢水质量分数的19.7％，硼铁粒径尺寸12-18mm，硼铁入炉前经750℃烘烤3小时；当炉内金属熔液温度达到1622℃时出炉到浇包；

②当浇包内金属熔液温度降至1527℃时，将金属熔液浇入到水冷金属铸型内，并在金属熔液浇注过程中，随金属熔液流浇入(Ti,Nb)C颗粒，(Ti,Nb)C颗粒加入量占进入铸型内金属熔液质量分数的3.8％，(Ti,Nb)C颗粒的粒度是300-325目，浇注前，铸型底部预先加入了颗粒粒径尺寸5-8mm的铜镁合金(铜镁合金的化学组成及质量分数为：78％Cu,22％Mg)，铜镁合金加入量占进入铸型内金属熔液质量分数的0.15％；

③金属熔液浇注2小时后开箱空冷铸件，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺，然后进行粗加工，铸件最后加热至500℃，保温时间6小时，然后空气冷却至室温，最后精加工至规定形状和尺寸，其力学性能及抗锌液腐蚀性能见表1。

实施例2：

抗锌液腐蚀磨损的铬铝合金化Fe-B合金，采用1500kg中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

①将废钢、铬铁、钼铁、增碳剂混合加热熔化成钢水，将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在19.28％Cr,2.26％Mo,0.66％C,0.40％Si,0.42％Mn,0.033％P,0.027％S,余量Fe，并将钢水温度升至1619℃，依次加入纯铝和硼铁(硼铁的化学组成及质量分数为：20.74％B,0.05％Al,2.81％Si,0.30％C,0.12％P,0.007％S,0.49％Mn,余量Fe)，纯铝加入量占炉内钢水质量分数的10.3％，硼铁加入量占炉内钢水质量分数的19.1％，硼铁粒径尺寸12-18mm，硼铁入炉前经780℃烘烤2小时；当炉内金属熔液温度达到1647℃时出炉到浇包；

②当浇包内金属熔液温度降至1542℃时，将金属熔液浇入到水冷金属铸型内，并在金属熔液浇注过程中，随金属熔液流浇入(Ti,Nb)C颗粒，(Ti,Nb)C颗粒加入量占进入铸型内金属熔液质量分数的4.3％，(Ti,Nb)C颗粒的粒度是300-325目，浇注前，铸型底部预先加入了颗粒粒径尺寸5-8mm的铜镁合金(铜镁合金的化学组成及质量分数为：85％Cu,15％Mg)，铜镁合金加入量占进入铸型内金属熔液质量分数的0.20％；

③金属熔液浇注3小时后开箱空冷铸件，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺，然后进行粗加工，铸件最后加热至520℃，保温时间4小时，然后空气冷却至室温，最后精加工至规定形状和尺寸，其力学性能及抗锌液腐蚀性能见表1。

实施例3：

抗锌液腐蚀磨损的铬铝合金化Fe-B合金，采用1000kg中频感应电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

①将废钢、铬铁、钼铁、增碳剂混合加热熔化成钢水，将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在18.90％Cr,2.35％Mo,0.63％C,0.32％Si,0.46％Mn,0.028％P,0.015％S,余量Fe，并将钢水温度升至1614℃，依次加入纯铝和硼铁(硼铁的化学组成及质量分数为：18.37％B,0.06％Al,2.53％Si,0.24％C,0.09％P,0.004％S,0.35％Mn,余量Fe)，纯铝加入量占炉内钢水质量分数的10.1％，硼铁加入量占炉内钢水质量分数的19.5％，硼铁粒径尺寸12-18mm，硼铁入炉前经760℃烘烤3小时；当炉内金属熔液温度达到1638℃时出炉到浇包；

②当浇包内金属熔液温度降至1533℃时，将金属熔液浇入到水冷金属铸型内，并在金属熔液浇注过程中，随金属熔液流浇入(Ti,Nb)C颗粒，(Ti,Nb)C颗粒加入量占进入铸型内金属熔液质量分数的4.0％，(Ti,Nb)C颗粒的粒度是300-325目，浇注前，铸型底部预先加入了颗粒粒径尺寸5-8mm的铜镁合金(铜镁合金的化学组成及质量分数为：82％Cu,18％Mg)，铜镁合金加入量占进入铸型内金属熔液质量分数的0.18％；

③金属熔液浇注3小时后开箱空冷铸件，打掉浇冒口，清理残根、飞边、毛刺，然后进行粗加工，铸件最后加热至510℃，保温时间5小时，然后空气冷却至室温，最后精加工至规定形状和尺寸，其力学性能及抗锌液腐蚀性能见表1。

表1抗锌液腐蚀磨损Fe-B合金力学性能及抗锌液腐蚀性能

本发明抗锌液腐蚀磨损材料制备工艺简便，以廉价的铬、铝和硼为主要元素，不含价格昂贵的镍、钴等元素，制造成本低廉。硼元素的大量加入和铬铝合金化，使合金的抗锌液腐蚀能力大幅度提高，特别是(Ti,Nb)C颗粒的加入，可以提高合金的高温抗磨性能。在相同的锌液腐蚀磨损条件下，本发明材料显示出优异的抗锌液腐蚀磨损能力，抗锌液腐蚀能力比316L不锈钢提高20倍以上，抗锌液腐蚀磨损能力比316L不锈钢提高23倍以上，在锌液腐蚀磨损领域，本发明材料有良好的推广应用前景。

Claims

1.一种抗锌液腐蚀磨损的铬铝合金化Fe-B合金的制备方法，其特征在于，采用电炉熔炼，其制造工艺步骤是：

2.按照权利要求1所述一种抗锌液腐蚀磨损的铬铝合金化Fe-B合金的制备方法，其特征在于，硼铁的化学组成及质量分数为：17-21％B,<0.1％Al,2-3％Si,<0.35％C,<0.2％P,<0.01％S,<1％Mn,余量Fe。

3.按照权利要求1所述一种抗锌液腐蚀磨损的铬铝合金化Fe-B合金的制备方法，其特征在于，铜镁合金的化学组成及质量分数为：78～85％Cu,15～22％Mg。

4.一种抗锌液腐蚀磨损的铬铝合金化Fe-B合金，其特征在于，按照权利要求1-3任一项所述的方法制备得到。