CN109778048B

CN109778048B - 一种高硬度、耐蚀的Ni-Cr-Fe合金及其制备方法

Info

Publication number: CN109778048B
Application number: CN201910090152.8A
Authority: CN
Inventors: 谢君; 王道红; 严红彬
Original assignee: Jiangsu Feiyue Pump Group Co ltd
Current assignee: Jiangsu Feiyue Pump Group Co ltd
Priority date: 2019-01-30
Filing date: 2019-01-30
Publication date: 2021-02-05
Anticipated expiration: 2039-01-30
Also published as: CN109778048A

Abstract

本发明公开了一种高硬度、耐蚀的Ni‑Cr‑Fe合金及其制备方法，属于合金材料及其制备技术领域。按重量百分比计，该合金化学成分为：N 0.1‑0.3％；Cr 30‑35％，Ni 28‑32％；Mo 5‑7％；Co 1‑3％；Nb 0.5‑1.5％；Si 3‑5％，余量为铁。本发明合金的HRC硬度为55～58，在10vol.％稀硫酸中的腐蚀电位为‑0.276V～‑0.325V，腐蚀电流密度为5.82×10^‑6A/cm²～1.03×10^‑5A/cm²，同时具有良好的铸造工艺性和加工性能，可以广泛应用于石油、化工、冶金等领域。

Description

一种高硬度、耐蚀的Ni-Cr-Fe合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金材料及其制备技术领域，具体涉及一种高硬度、耐蚀的Ni-Cr-Fe合金及其制备方法，该合金在高硬度和耐蚀领域，尤其是在废硫酸回收方面具有很好的应用前景。

背景技术

硫酸在国民经济中的应用十分广泛，是化肥工业、化纤工业、有色冶金工业以及各种有机和无机化学工业的重要原料。钛白废硫酸是当前我国最大的废硫酸来源。通常钛白废酸中硫酸的质量分数在10％～23％，每吨钛白粉产生的废硫酸近8t。虽然废硫酸浓缩工艺较为成熟，但在浓缩过程中，不可避免有结晶析出，尤其在Ⅱ段和Ⅲ段浓缩期间，对泵过流部件的腐蚀和磨蚀较为严重，致使泵的使用周期较短，一般为3个月。为此要求泵过流部件用材具有优异的耐稀硫酸腐蚀和耐磨蚀性能，以提高浓缩回收环保装置的使用寿命，进而保证生产连续性，给企业带来可观的经济效益和社会效益。目前，复杂工况下废硫酸回收环保装置泵用材料屈指可数，如高硅铸铁和Hastelloy D合金，但高硅铸铁硬而脆，难以加工，只能铸造，且在急冷急热或受机械振动条件下易于开裂；而Ni基Hastelloy D合金造价较高，主要应用于浓硫酸环境下。因此，开发耐稀硫酸腐蚀和耐固体颗粒磨蚀的新型材料，为复杂工况下废酸浓缩回收装置提供材料储备，具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高硬度、耐蚀的Ni-Cr-Fe合金及其制备方法，所制备的合金具有优异的硬度和耐蚀性能，可广泛应用于石油、化工、冶金等领域，尤其在废硫酸回收方面，可满足在废硫酸回收对材料耐磨蚀性能的要求，延长了硫酸回收装置的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高硬度、耐蚀的Ni-Cr-Fe合金，按重量百分比计，该合金化学成分如下：

N 0.1-0.3％；Cr 30-35％；Ni 28-32％；Mo 5-7％；Co 1-3％；Nb0.5-1.5％；Si 3-5％；余量为铁。

按重量百分比计，该合金优选的化学成分如下：

N 0.1-0.15％；Cr 30-35％；Ni 28-32％；Mo 6.1-6.7％；Co 1-3％；Nb1.2-1.5％；Si 3.5-4.5％；余量为铁。

该合金的HRC硬度为55～58，在10vol.％稀硫酸中的腐蚀电位为-0.276V～-0.325V，腐蚀电流密度为5.82×10^-6/cm²～1.03×10^-5A/cm²。

所述高硬度、耐蚀的Ni-Cr-Fe合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)按合金化学成分称取各合金元素原料；

(2)将除氮以外的合金元素原料放入真空感应炉坩埚中，合上炉盖开始抽真空；待炉内真空度小于10Pa后开始送电化料；

(3)合金原料全部熔化后提温精炼；

(4)停电降温至合金液表面结膜后，停止抽真空并充入高纯氩气；

(5)送电冲膜并向其中加入氮化铬；

(6)将合金液浇注至模管内，冷却后打磨备用。

上述步骤(3)中，精炼温度为1550-1600℃，精炼时间为5-10min。

上述步骤(4)中，所述表面结膜是指合金液表面开始凝固形成一层半固体膜，内部液体并未凝固的状态。

上述步骤(4)中，充入高纯氩气至炉内真空度为0.06-0.08MPa。

上述步骤(5)中，所加入的氮化铬用于提供合金中的全部氮元素和部分铬元素。

上述步骤(6)中，所述浇注的温度为1450-1500℃。

本发明合金成分设计机理如下：

以Ni-Cr-Fe系合金为基础，加入了Mo、Co、Nb、Si、N元素进行合金化，大幅提高合金的耐磨蚀性。从单个元素作用而言，Mo可改善合金抗蚀性和加工性，Co改善合金的耐蚀和耐磨性，Si提高合金的耐蚀性，Nb、N的加入可提高合金的耐磨性和组织稳定性。在合金中，各元素间的协同作用也至关重要，元素Mo、Si固溶于Ni-Cr-Fe合金基体中，提高合金基体的耐蚀性；Si亦可与Cr、Ni元素形成稳定的Cr₁₃Ni₅Si₂化合物，具有优异的耐蚀性和较高的硬度，同时该相的形成对基体耐蚀性的影响较小；而元素N与Co、Cr、Nb元素形成少量的高硬度的(Co,Cr,Nb)N强化相，并具有优异的组织稳定性，改善了合金的耐磨性。其中，骨架状的Cr₁₃Ni₅Si₂相交错镶嵌在合金基体中，在冲刷的工作条件下，对基体起到保护作用，同时基体也发生自钝化，对Cr₁₃Ni₅Si₂相也起到支撑和保护作用，因而使合金的耐冲刷腐蚀能力大幅提高。

本发明的优点和有益效果如下：

1、本发明在Ni-Cr-Fe系合金基础上，使用了微合金化技术，加入了N和Nb元素，结合多元合金化手段，添加了Si、Mo和Co元素，大幅度提高合金的硬度和耐蚀性能。

2、本发明合金的HRC硬度为55～58，在10vol.％稀硫酸中的腐蚀电位为-0.276V～-0.325V，腐蚀电流密度为5.82×10^-6A/cm²～1.03×10^-5A/cm²，同时具有良好的铸造工艺性和加工性能，可以广泛应用于石油、化工、冶金等领域.

附图说明

图1为实施例1中制备的高硬耐蚀合金的组织形貌；其中：(a)和(b)为放大不同倍数的形貌。

图2为实施例1中制备的高硬耐磨合金的X射线衍射分析图谱。

具体实施方式

下面根据具体实施例对本发明进行作进一步说明：

实施例1：

本实施例合金具体成分为(wt.％)：0.12％N，30.5％Ni，32.5％Cr，6.2％Mo，1.5％Co，1.25％Nb，3.5％Si，Fe余量。制备过程如下：

采用电子天平按各元素的计算比例进行称重，合计6kg。其中N以氮化铬(CrN)的形式加入，Cr以氮化铬和纯铬金属的形式加入。将坩埚清理干净后，将除氮化铬以外的合金元素原料放入10kg真空感应炉坩埚中，合上炉盖开始抽真空，待炉内真空度为8Pa后开始送电化料，送电功率为35kw，合金全部熔化后提温至1580℃精炼6min，停电降温至合金液表面结膜，停止抽真空并充入高纯氩气至真空度为0.06MPa，送电冲膜并向其中加入氮化铬，将合金液控制在1480℃浇注至模管内冷却后打磨备用。

本实施例制备的Ni-Cr-Fe合金的组织形貌如图1，X射线衍射分析图谱如图2。

本实施例制备的合金样块的HRC硬度为57.78，在10vol.％稀硫酸中的腐蚀电位为-0.292V，腐蚀电流密度为7.32×10^-6A/cm²。

实施例2：

本实施例合金具体成分为(wt.％)：0.135％N，29.5％Ni，31.2％Cr，6.5％Mo，2.0％Co，1.4％Nb，4.2％Si，Fe余量。制备过程如下：

采用电子天平按各元素的计算比例进行称重，合计6kg。其中N以氮化铬(CrN)的形式加入，Cr以氮化铬和纯铬金属的形式加入。将坩埚清理干净后，将除氮化铬以外的合金元素原料放入10kg真空感应炉坩埚中，合上炉盖开始抽真空，待炉内真空度为9pa后开始送电化料，送电功率为40kw，合金全部熔化后提温至1550℃精炼8min，停电降温至合金液表面结膜，停止抽真空并充入高纯氩气至真空度为0.07MPa，送电冲膜并向其中加入氮化铬，将合金液控制在1450℃浇注至模管内冷却后打磨备用。

本实施例制备的合金样块的HRC硬度为56.75，在10vol.％稀硫酸中的腐蚀电位为-0.320V，腐蚀电流密度为9.85×10^-6A/cm²。

实施例3：

本实施例合金具体成分为(wt.％)：0.14％N，31％Ni，33.8％Cr，6.3％Mo，2.8％Co，1.35％Nb，3.8％Si，Fe余量。制备过程如下：

采用电子天平按各元素的计算比例进行称重，合计6kg。其中N以氮化铬(CrN)的形式加入，Cr以氮化铬和纯铬金属的形式加入。将坩埚清理干净后，将除氮化铬以外的合金元素原料放入10kg真空感应炉坩埚中，合上炉盖开始抽真空，待炉内真空度为5pa后开始送电化料，送电功率为38kw，合金全部熔化后提温至1600℃精炼10min，停电降温至合金液表面结膜，停止抽真空并充入高纯氩气至真空度为0.08MPa，送电冲膜并向其中加入氮化铬，将合金液控制在1500℃浇注至模管内冷却后打磨备用。

本实施例制备的合金样块的HRC硬度为57.78，在10vol.％稀硫酸中的腐蚀电位为-0.278V，腐蚀电流密度为8.63×10^-6A/cm²。

对比例1：

与实施例1不同之处在于：

合金具体成分为(wt.％)：0.12％N，30.5％Ni，32.5％Cr，6.2％Mo，1.5％Co，1.25％Nb，2.5％Si，Fe余量。

本例制备的合金样块的HRC硬度为30.67，在10vol.％稀硫酸中的腐蚀电位为-0.578V，腐蚀电流密度为3.54×10^-4A/cm²。

对比例2：

与实施例1不同之处在于：

合金具体成分为(wt.％)：0.12％N，30.5％Ni，32.5％Cr，6.2％Mo，1.5％Co，3.5％Si，Fe余量。

本例制备的合金样块的HRC硬度为38.08，在10vol.％稀硫酸中的腐蚀电位为-0.286V，腐蚀电流密度为1.66×10^-5A/cm²。

对比例3：

与实施例2不同之处在于：

合金具体成分为(wt.％)：29.5％Ni，31.2％Cr，6.5％Mo，0.5％Co，1.4％Nb，3.2％Si，Fe余量。

本例制备的合金样块的HRC硬度为33.24，在10vol.％稀硫酸中的腐蚀电位为-0.486V，腐蚀电流密度为8.54×10^-5A/cm²。

Claims

1.一种高硬度、耐蚀的Ni-Cr-Fe合金，其特征在于：按重量百分比计，该合金化学成分如下：

N 0.1-0.3％；Cr 30-35％；Ni 28-32％；Mo 5-7％；Co 1-3％；Nb 0.5-1.5％；Si 3-5％；余量为铁；

该合金样块的HRC硬度为55～58，在10vol.％稀硫酸中的腐蚀电位为-0.276V～-0.325V，腐蚀电流密度为5.82×10^-6A/cm²～1.03×10^-5A/cm²。

2.根据权利要求1所述的高硬度、耐蚀的Ni-Cr-Fe合金，其特征在于：按重量百分比计，该合金化学成分如下：

N 0.1-0.15％；Cr 30-35％；Ni 28-32％；Mo 6.1-6.7％；Co 1-3％；Nb 1.2-1.5％；Si3.5-4.5％；余量为铁。

3.根据权利要求1或2所述的高硬度、耐蚀的Ni-Cr-Fe合金的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)按合金化学成分称取各合金元素原料；

(3)合金原料全部熔化后提温精炼；

(5)送电冲膜并向其中加入氮化铬；

(6)将合金液浇注至模管内，冷却后打磨备用。

4.根据权利要求3所述的高硬度、耐蚀的Ni-Cr-Fe合金的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，精炼温度为1550-1600℃，精炼时间为5-10min。

5.根据权利要求3所述的高硬度、耐蚀的Ni-Cr-Fe合金的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，所述表面结膜是指合金液表面开始凝固形成一层半固体膜，内部液体并未凝固的状态。

6.根据权利要求3所述的高硬度、耐蚀的Ni-Cr-Fe合金的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，充入高纯氩气至炉内真空度为0.06-0.08MPa。

7.根据权利要求3所述的高硬度、耐蚀的Ni-Cr-Fe合金的制备方法，其特征在于：步骤(5)中，所加入的氮化铬用于提供合金中的全部氮元素和部分铬元素。

8.根据权利要求3所述的高硬度、耐蚀的Ni-Cr-Fe合金的制备方法，其特征在于：步骤(6)中，所述浇注的温度为1450-1500℃。