CN110257734A - 耐腐蚀的铁基非晶合金材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐腐蚀的铁基非晶合金材料及其制备方法和应用，铁基非晶合金材料的分子式为Fe_aCr_bM_cN_dV_eB_fSi_gP_hC_i，其中，a+b+c+d+e+f+g+h+i＝100，M为Ni和/或Co，N为Ti和/或Al，20≤b≤25，1≤c≤5，0≤d≤3，2≤e≤5，1≤f≤5，1≤g≤7，5≤h≤10，5≤i≤10，18≤f+g+h+i≤25，Fe为余量。本发明铁基非晶合金材料中有较高的Cr元素，可弥补合金在腐蚀过程中孔隙及氧化缺陷引起的贫铬区中Cr的不足，并且合金中含有Ni、Co、V等耐腐蚀性元素，可进一步提高铁基非晶合金材料的耐腐蚀性能。

Description

耐腐蚀的铁基非晶合金材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于非晶合金技术领域，具体来说涉及一种耐腐蚀的铁基非晶合金材料及其制备方法和应用。

背景技术

非晶合金是合金熔体在快速冷却凝固时原子来不及排列结晶而获得的非晶态结构的合金。非晶合金没有晶态合金所具有的晶粒、晶界，其结构均匀，因而具有优异的软磁性能、耐腐蚀性能、耐磨性能，有很高的强度和硬度等特性，具有广泛的应用前景。

铁基非晶合金作为非晶合金体系中重要的一类，受到材料研究工作者和工业界的重视，并已成功在工业中开发出多种应用。由于其优异的软磁性能，以铁基非晶合金制作的变压器铁芯材料能够有效的降低变压器运行过程中的铁芯损耗，极大的节省了能源。铁基非晶合金由于其高度的均匀化没有晶界、夹杂等缺陷，加入铬、镍等元素后能够在表面形成致密、均匀和覆盖性良好的钝化膜，因而具有良好的耐腐蚀性，特别是具有优异的耐点腐蚀行为。

目前铁基非晶合金制成的器件在实际使用过程中可能会遇到潮湿、含盐、含碱等复杂环境，要求其具有足够的耐腐蚀性能，因此，通过合金成分设计开发具有优异耐腐蚀性能的合金体系具有重要的应用价值。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种耐腐蚀的铁基非晶合金材料，该铁基非晶合金材料在氯化钠溶液中具有优良的耐腐蚀能力。

本发明的另一目的是提供上述铁基非晶合金材料的制备方法。

本发明的另一目的是提供上述铁基非晶合金材料在氯化钠溶液中提高耐腐蚀能力的应用。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种耐腐蚀的铁基非晶合金材料，所述铁基非晶合金材料的分子式为Fe_aCr_bM_cN_dV_eB_fSi_gP_hC_i，其中，a+b+c+d+e+f+g+h+i＝100，M为Ni和/或Co，N为Ti和/或Al，20≤b≤25，1≤c≤5，0≤d≤3，2≤e≤5，1≤f≤5，1≤g≤7，5≤h≤10，5≤i≤10，18≤f+g+h+i≤25，Fe为余量。

在上述技术方案中，20≤b≤24，1≤c≤3，0.5≤d≤2，2≤e≤3，3≤f≤5，3≤g≤7，6≤h≤9，5≤i≤7，21≤f+g+h+i≤24，Fe为余量。

上述铁基非晶合金材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按照所述铁基非晶合金材料的分子式称取各个原料；

在所述步骤1)中，所述原料的纯度≥99.5％。

在所述步骤1)中，称取各个原料后用酒精清洗，以去除原料的表面杂质。

2)合金铸锭的制备：将步骤1)称取所得原料放置于真空电弧炉或感应炉中，在惰性气体的气氛下，熔炼至少4次，熔炼结束后随炉冷却至室温20～25℃，得到合金铸锭，其中，

当将步骤1)所得原料放置于真空电弧炉中熔炼时，每次熔炼的步骤为：在电弧电流为100～120A的真空电弧炉中熔炼10-15分钟；

当将步骤1)所得原料放置于感应炉中熔炼时，每次熔炼的步骤为：在1500～1700℃保温5～10分钟；

在所述步骤2)中，当将步骤1)所得原料放置于真空电弧炉中后，将所述真空电弧炉抽真空至真空度为4×10^-3～5×10^-3Pa，充入惰性气体，以使真空电弧炉中的气压为0.5～0.6个大气压，熔炼至少4次。

3)将步骤2)所得合金铸锭于1200～1400℃保温1～2分钟，以使所述合金铸锭充分融化并形成熔体，用气压为0.06～0.08MPa的气流将所述熔体喷射到转速20～50米/秒的铜辊上，得到20～60μm厚度、1～10mm宽度的条带状的铁基非晶合金材料。

在所述步骤3)中，所述条带状的铁基非晶合金材料的厚度为20～40μm。

上述铁基非晶合金材料在氯化钠溶液中提高耐腐蚀能力的应用。

在上述技术方案中，所述铁基非晶合金材料在氯化钠溶液中的腐蚀电位为-0.32～0.20V。

本发明铁基非晶合金材料的有益效果如下：

(1)本发明铁基非晶合金材料中有较高的Cr元素，可弥补合金在腐蚀过程中孔隙及氧化缺陷引起的贫铬区中Cr的不足，并且合金中含有Ni、Co、V等耐腐蚀性元素，可进一步提高铁基非晶合金材料的耐腐蚀性能。

(2)C、Si、B、P等类金属元素保证了铁基非晶合金材料的形成能力，并配合以其他合金元素Al、Ti、Ni等有效保证了铁基非晶合金材料的非晶结构，保证了铁基非晶合金材料均匀性，有利于铁基非晶合金材料的抗腐蚀性能。

附图说明

图1为实施例1制备所得铁基非晶合金材料的照片；

图2为实施例1制备所得铁基非晶合金材料的X射线衍射图谱；

图3为实施例2制备所得铁基非晶合金材料的X射线衍射图谱；

图4为实施例3制备所得铁基非晶合金材料的X射线衍射图谱；

图5为实施例1制备所得铁基非晶合金材料在0.1mol/L的NaCl溶液中的电极化曲线；

图6为实施例2制备所得铁基非晶合金材料在0.1mol/L的NaCl溶液中的电极化曲线；

图7为实施例3制备所得铁基非晶合金材料在3.5wt％的NaCl溶液中的电极化曲线。

具体实施方式

本发明铁基非晶合金材料中的Fe元素作为合金基体，Cr、Ni、Co等元素的添加为提高铁基非晶合金材料的耐腐蚀性，这些元素加入到铁基合金中后可使其电极电位升高，从而提高耐腐蚀性；根据非晶合金形成的混乱原理，合金元素加入后能有效提高合金中原子尺寸的混乱度，从而对非晶相的形成有利；C、Si、B、P等元素的添加为保证合金的形成能力，是重要的玻璃形成元素。经过大量实验研究后发现，当铁基非晶合金采用如上化学式时，该合金可通过熔体快淬法制备成带状非晶合金材料，并具有良好的耐腐蚀性能。

在下述实施例中，真空电弧炉采用北京物科光电技术有限公司生产的WK-II型真空电弧炉；

感应快淬熔炼炉采用沈阳聚东真空技术研究所生产的SDJ-J真空感应快淬熔炼炉；

进行电化学测试所用仪器为上海辰华生产的CHI 660D电化学工作站。

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

实施例1

Fe₅₃Cr₂₀Ni₂Al₁V₂B₅Si₃P₈C₆铁基非晶合金材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按照铁基非晶合金材料的分子式称取各个原料。将Fe₅₃Cr₂₀Ni₂Al₁V₂B₅Si₃P₈C₆的分子式的原子比换算成质量比，用天秤准确称量所需原料(原料由纯金属或中间合金提供)，称取后用酒精清洗，去除原料的表面杂质。所用原料采购自北京翠铂林有色金属技术开发中心有限公司，各原料以及原料的纯度如下：

B元素由BFe合金作为原料提供，BFe合金中B为20.86wt％，其余为Fe；

P元素由PFe合金作为原料提供，PFe合金中P为15.6wt％，其余为Fe；

上述化合物的纯度依次为：PFe合金的纯度>99.5％，BFe合金的纯度>99.5％；

Cr、Ni、Al、V、Si、C元素由其相应的单质来提供，其纯度依次为Cr>99.9％、Ni>99.9％、Al>99.9％、V>99.9％，Si>99.99％、C>99.99％；

在上述原料的基础上，剩余的Fe元素由Fe金属单质提供，其纯度为>99.9％。

2)合金铸锭的制备：将步骤1)称得的原料放入真空电弧炉中，将真空电弧炉抽真空度至5×10^-3Pa，充入氩气保护气体，调节真空电弧炉中的气压至0.6个大气压，反复熔炼5次，熔炼后随炉冷却至室温20～25℃，得到合金铸锭，其中，每次熔炼的步骤为：在电弧电流为100A的真空电弧炉中熔炼12分钟，保证合金成分均匀。

3)将步骤2)所得合金铸锭放入感应快淬熔炼炉的石英管中，于1200℃保温2分钟，以使合金铸锭充分融化形成熔体，打开气流控制阀调节气压，用气压为0.08MPa的气流将熔体喷射到转速30米/秒的铜辊上，得到30μm厚度、1.5mm宽度的条带状的铁基非晶合金材料，照片如图1所示，。

实施例2

Fe₅₂Cr₂₃Ni₂Co₁Al_0.5Ti_0.5V₂B₃Si₄P₇C₇铁基非晶合金材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按照铁基非晶合金材料的分子式称取各个原料。将Fe₅₀Cr₂₃Ni₂Co₁Al_0.5Ti_0.5V₂B₃Si₄P₇C₇的分子式的原子比换算成质量比，用天秤准确称量所需原料(原料由纯金属或中间合金提供)，称取后用酒精清洗，去除原料的表面杂质。所用原料采购自北京翠铂林有色金属技术开发中心有限公司，各原料以及原料的纯度如下：

B元素由BFe合金作为原料提供，BFe合金中B为20.86wt％，其余为Fe；

P元素由PFe合金作为原料提供，PFe合金中P为15.6wt％，其余为Fe；

上述化合物的纯度依次为：PFe合金的纯度>99.5％，BFe合金的纯度>99.5％；

Cr、Ni、Al、V、Ti、Co、Si、C元素由其相应的单质来提供，其纯度依次为Cr>99.9％、Ni>99.9％、Al>99.9％、V>99.9％，Ti>99.9％、Co>99.9％、Si>99.99％、C>99.99％；

在上述原料的基础上，剩余的Fe元素由Fe金属单质提供，其纯度为>99.9％。

2)合金铸锭的制备：将步骤1)称得的原料放入真空电弧炉中，将真空电弧炉抽真空度至4×10^-3Pa，充入氩气保护气体，调节真空电弧炉中的气压至0.5个大气压，反复熔炼6次，熔炼后随炉冷却至室温20～25℃，得到合金铸锭，其中，每次熔炼的步骤为：在电弧电流为120A的真空电弧炉中熔炼10分钟，保证合金成分均匀。

3)将步骤2)所得合金铸锭放入感应快淬熔炼炉的石英管中，于1300℃保温2分钟，以使合金铸锭充分融化形成熔体，打开气流控制阀调节气压，用气压为0.08MPa的气流将熔体喷射到转速35米/秒的铜辊上，得到30μm厚度、2mm宽度的条带状的铁基非晶合金材料。

实施例3

Fe₄₇Cr₂₄Co₁Ti₁V₃B₄Si₇P₈C₅铁基非晶合金材料的制备方法，包括以下步骤：

1)按照铁基非晶合金材料的分子式称取各个原料。将Fe₄₇Cr₂₄Co₁Ti₁V₃B₄Si₇P₈C₅的分子式的原子比换算成质量比，用天秤准确称量所需原料(原料由纯金属或中间合金提供)，称取后用酒精清洗，去除原料的表面杂质。所用原料采购自北京翠铂林有色金属技术开发中心有限公司，各原料以及原料的纯度如下：

B元素由BFe合金作为原料提供，BFe合金中B为20.86wt％，其余为Fe；

P元素由PFe合金作为原料提供，PFe合金中P为15.6wt％，其余为Fe；

上述化合物的纯度依次为：PFe合金的纯度>99.5％，BFe合金的纯度>99.5％；

Cr、V、Ti、Co、Si、C元素由其相应的单质来提供，其纯度依次为Cr>99.9％、V>99.9％，Ti>99.9％、Co>99.9％、Si>99.99％、C>99.99％；

在上述原料的基础上，剩余的Fe元素由Fe金属单质提供，其纯度为>99.9％。

2)合金铸锭的制备：将步骤1)称得的原料放入真空电弧炉中，将真空电弧炉抽真空度至5×10^-3Pa，充入氩气保护气体，调节真空电弧炉中的气压至0.6个大气压，反复熔炼4次，熔炼后随炉冷却至室温20～25℃，得到合金铸锭，其中，每次熔炼的步骤为：在电弧电流为120A的真空电弧炉中熔炼12分钟，保证合金成分均匀。

3)将步骤2)所得合金铸锭放入感应快淬熔炼炉的石英管中，于1350℃保温2分钟，以使合金铸锭充分融化形成熔体，打开气流控制阀调节气压，用气压为0.07MPa的气流将熔体喷射到转速25米/秒的铜辊上，得到40μm厚度、3mm宽度的条带状的铁基非晶合金材料。

图2为实施例1所得条带状的铁基非晶合金材料的X射线衍射谱，图3为实施例2所得条带状的铁基非晶合金材料的X射线衍射谱图，图4为实施例3所得条带状的铁基非晶合金材料的X射线衍射谱，实施例1-3所的X射线衍射谱图检测仪器为Philips,X’pert APD，Cu-K，λ＝0.1541nm，由图1～3可知，实施例1-3制备所得铁基非晶合金材料为非晶结构，没有明显的衍射峰。

图5为实施例1制备所得条带状的铁基非晶合金材料在0.1mol/L的NaCl溶液(溶质为水)中的电极化曲线，图6为实施例2制备所得条带状的铁基非晶合金材料在0.1mol/L的NaCl溶液中的电极化曲线，与李翔等在名为“铁基非晶及纳米晶合金在NaCl溶液中的电化学腐蚀行为”(《机械工程材料》2009，33，76-78)中所报道的铁基非晶合金相比，实施例1和实施例2制备所得条带状的铁基非晶合金材料的腐蚀电位明显高于其所报道材料的腐蚀电位。

图7为实施例3制备所得条带状的铁基非晶合金材料在3.5wt％的NaCl溶液(溶质为水)中的电极化曲线，与发明专利CN106191711B所报道的铁基非晶相比其腐蚀电位相比也较高。

由此可见，本发明的铁基非晶合金材料提高能够提高在氯化钠溶液中耐腐蚀能力。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种耐腐蚀的铁基非晶合金材料，其特征在于，所述铁基非晶合金材料的分子式为Fe_aCr_bM_cN_dV_eB_fSi_gP_hC_i，其中，a+b+c+d+e+f+g+h+i＝100，M为Ni和/或Co，N为Ti和/或Al，20≤b≤25，1≤c≤5，0≤d≤3，2≤e≤5，1≤f≤5，1≤g≤7，5≤h≤10，5≤i≤10，18≤f+g+h+i≤25，Fe为余量。

2.根据权利要求1所述的铁基非晶合金材料，其特征在于，20≤b≤24，1≤c≤3，0.5≤d≤2，2≤e≤3，3≤f≤5，3≤g≤7，6≤h≤9，5≤i≤7，21≤f+g+h+i≤24，Fe为余量。

3.根据权利要求1或2所述铁基非晶合金材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)按照所述铁基非晶合金材料的分子式称取各个原料；

2)合金铸锭的制备：将步骤1)称取所得原料放置于真空电弧炉或感应炉中，在惰性气体的气氛下，熔炼至少4次，熔炼结束后随炉冷却至室温20～25℃，得到合金铸锭，其中，

当将步骤1)所得原料放置于真空电弧炉中熔炼时，每次熔炼的步骤为：在电弧电流为100～120A的真空电弧炉中熔炼10-15分钟；

当将步骤1)所得原料放置于感应炉中熔炼时，每次熔炼的步骤为：在1500～1700℃保温5～10分钟；

3)将步骤2)所得合金铸锭于1200～1400℃保温1～2分钟，以使所述合金铸锭充分融化并形成熔体，用气压为0.06～0.08MPa的气流将所述熔体喷射到转速20～50米/秒的铜辊上，得到20～60μm厚度、1～10mm宽度的条带状的铁基非晶合金材料。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所述原料的纯度≥99.5％。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，称取各个原料后用酒精清洗，以去除原料的表面杂质。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤2)中，当将步骤1)所得原料放置于真空电弧炉中后，将所述真空电弧炉抽真空至真空度为4×10^-3～5×10^-3Pa，充入惰性气体，以使真空电弧炉中的气压为0.5～0.6个大气压，熔炼至少4次。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤3)中，所述条带状的铁基非晶合金材料的厚度为20～40μm。

8.如权利要求1或2所述铁基非晶合金材料在氯化钠溶液中提高耐腐蚀能力的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述铁基非晶合金材料在氯化钠溶液中的腐蚀电位为-0.32～0.20V。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述氯化钠溶液中氯化钠的浓度为0.5～3.5wt.％。