一種高硼鐵基耐沖刷腐蝕合金及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于耐磨耐蝕金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高硼鐵基耐沖刷腐蝕合金 及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 沖刷腐蝕普遍存在于采礦、冶金、煤炭、水利等重要國民經(jīng)濟領(lǐng)域中。物料傳輸設(shè) 備中的關(guān)鍵過流部件長期服役在流動的腐蝕性介質(zhì)中，持續(xù)承受介質(zhì)沖刷與腐蝕作用。介 質(zhì)的沖刷與腐蝕相互促進，具有比純沖刷與純腐蝕更為強烈破壞作用。由此，研宄高性能耐 沖刷腐蝕材料，具有極為重要的意義。
[0003] 近年來，為了獲得新型高性能耐沖蝕材料，國內(nèi)外開展了大量的研宄工作。中國 發(fā)明專利CN1249357公開了一種鑄造鐵基耐磨耐蝕合金，其合金成分的重量百分數(shù)為：C L 5%?3. 0%，Cr 10%?20%，Mo 1%?3%，SiO. 5%?2. 0%，Mn 0· 5%?3. 0%，Ni 2%?4%，F(xiàn)e余量，該合金具有較高的耐磨性和耐蝕性。然而，這種合金中碳含量較高， 致使合金組織中含有較多粗大的脆性碳化物，并且合金基體組織中碳含量較高，合金的韌 性較差。中國發(fā)明專利CN1417360公開了一種鑄造耐磨耐蝕鈷基合金，這種合金成分的重 量百分數(shù)為：C 1.0%?2. 5%，Cr 20%?35%，W 5%?20%，Mo 1%?6%，Nb 1%? 8%，Cu 0· 5%?2. 0%，Si 0· 5%?3. 0%，Ni 2. 0%?15. 0%，Co 35%?65%。這種鈷 基合金具有優(yōu)異的耐蝕、耐磨性能，然而這種合金中含有較多鈷元素，生產(chǎn)加工成本高。中 國發(fā)明專利CN1153224還公開了一種鑄造耐磨耐蝕合金，這種合金成分的重量百分數(shù)為： C 彡 0· 10%，Cr 20%?30%，Ni 15%?25%，Si 1. 0%?2. 5%，Mo 1. 0%?3. 5%，Cu 1.0%?2.0%，V 0.8%?1.2%，Ti 0.03%?0.3%，F(xiàn)e余量，該合金具有較好的耐磨性 和耐腐蝕。然而該合金中含有較多價格昂貴的鎳元素，致使生產(chǎn)成本較高。中國發(fā)明專利 CN1083121公開了一種耐磨耐蝕鎳基合金，合金成分的重量百分數(shù)為：C 1. 0%?2. 0%，Cr 20% ?25%，F(xiàn)e 10.5% ?20.0%，M〇2.1% ?2.5%，Si 1.0% ?1.5%，Mn 1.0% ?1.5%， Y0. 02%?0. 10%或Ce，余為Ni。該合金中的碳元素與鉻、鉬、鐵、錳等元素形成大量一次碳 化物和共晶碳化物，使得合金具有較好的耐磨性。然而，該合金中含有較多價格昂貴的鎳元 素，生產(chǎn)成本較高。
[0004] 日本專利JP154263公開了用于制造耐蝕、耐磨合金材料的新工藝，這種工藝是從 Fe基合金、Co基合金和Ni基合金中至少選擇一種作為基體制成的金屬管，并在管中填充粒 徑10 μ m以下的VC粉末制成管狀焊絲?；蛘?，從Fe基合金、Co基合金和Ni基合金中至少 選擇一種作為基體金屬，并與粒徑10 μ m以下的VC粉末制成粉末混合物，這種材料具有優(yōu) 良的耐蝕和耐磨性。但含有價格較高的VC粉末，并且制備工藝復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種高硼鐵基耐 沖刷腐蝕合金。該合金的基體組織主要由馬氏體構(gòu)成，具有優(yōu)異的耐蝕性，此外，基體中分 布18%?20%的硬質(zhì)相硼化物，可明顯提高合金的耐沖刷腐蝕性能。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種高硼鐵基耐沖刷腐蝕合金， 其特征在于，由以下重量百分含量的成分組成：C 0.10%?0.17%，B 1.50%?2. 10%， Si 0. 40%?0. 80%，Mn 0. 40%?0. 80%，Ni 2. 00%?3. 00%，Cr 16. 10%?18. 20%， Ce 0. 10 % ?0. 20 %，Ti 0. 30 % ?0. 50 %，NO. 05 % ?0. 10 %，Al 0. 05 % ?0. 10 %，Ca 0. 04%?0. 10%，P〈0. 03, S〈0. 03,余量為Fe和其他不可避免的雜質(zhì)。
[0007] 上述的一種高硼鐵基耐沖刷腐蝕合金，其特征在于，由以下重量百分含量的成分 組成：C 0· 12%?0· 16%，B 1. 76%?I. 92%，Si 0· 51%?0· 62%，Mn 0· 61%?0· 67%， Ni 2. 32%?2. 56%，Cr 16. 92%?18. 12%，Ce 0. 15%?0. 18%，Ti 0. 36%?0. 43%， N0·06%?0·08%，A10·06%?0·07%，Ca0·06%?0·08%，P〈0·03，S〈0·03，余量為Fe 和其他不可避免的雜質(zhì)。
[0008] 上述的一種高硼鐵基耐沖刷腐蝕合金，其特征在于，由以下重量百分含量的成分 組成：C 0· 12%，B 1.92%，Si 0.62%，Mn 0.67%，Ni 2. 32%，Cr 17. 73%，Ce 0· 18%，Ti 0.36%，N 0.06%，A1 0.07%，Ca 0.06%，？〈0.03,5〈0.03，余量為？6和其他不可避免的雜 質(zhì)。
[0009] 上述的一種高硼鐵基耐沖刷腐蝕合金，其特征在于，由以下重量百分含量的成分 組成：C 0· 15%，B 1.76%，Si 0.57%，Mn 0.61 %，Ni 2. 56%，Cr 16. 92%，Ce 0· 16%，Ti 0.41%，N 0.08%，A1 0.06%，Ca 0.08%，？〈0.03,5〈0.03，余量為？6和其他不可避免的雜 質(zhì)。
[0010] 上述的一種高硼鐵基耐沖刷腐蝕合金，其特征在于，由以下重量百分含量的成分 組成：C 0· 16%，B 1.89%，Si 0.51%，Mn 0.66%，Ni 2.43%，Cr 18. 12%，Ce 0· 15%，Ti 0.43%，N 0.06%，A1 0.07%，Ca 0.06%，？〈0.03,5〈0.03，余量為？6和其他不可避免的雜 質(zhì)。
[0011] 另外，本發(fā)明還提供了一種制造上述高硼鐵基耐沖刷腐蝕合金的方法，其特征在 于，該方法包括以下步驟：
[0012] 步驟一、將純鐵和鉻鐵加熱熔化，待熔液熔清后向所述熔液中加入硅鐵和錳鐵，然 后再加入純鎳板、鈦鐵和硼鐵；
[0013] 步驟二、爐前成分調(diào)整合格后將熔液溫度升至1610°c?1650°C，然后向熔液中加 入硅鈣合金和鋁脫氧，出爐得到合金液；
[0014] 步驟三、將鈰基稀土和高氮鉻鐵均破碎至粒度小于11mm，然后將破碎的鈰基稀土 和破碎的高氮鉻鐵混合后用鐵皮包裹，再經(jīng)190°C?220°C烘干后放置于澆包底部，采用包 內(nèi)沖入法對步驟二中所述合金液進行復(fù)合變質(zhì)處理；
[0015] 步驟四、將步驟三中復(fù)合變質(zhì)處理后的合金液在1480°C?1530°C下澆注成鑄件， 將所述鑄件經(jīng)固溶處理后油淬，然后再進行去應(yīng)力處理，空冷至室溫，得到高硼鐵基耐沖刷 腐蝕合金。
[0016] 上述的方法，其特征在于，步驟四中所述固溶處理的溫度為980°C?1050°C，升溫 速率為4°C /min?6°C /min，保溫時間為3h?5h。
[0017] 上述的方法，其特征在于，步驟四中所述去應(yīng)力處理的溫度為280°C?340°C，升 溫速率為4°C /min?6°C /min，保溫時間為3h?5h。
[0018] 本發(fā)明的高硼鐵基耐沖刷腐蝕合金中化學(xué)成分確定的理論依據(jù)如下：
[0019] C :C是影響高硼鐵基耐沖刷腐蝕合金硬度、強度、韌性、耐沖刷腐蝕性的主要元 素，C含量高時，基體中固溶的碳量提高，合金的固溶強化效果增強，其硬度、強度和耐磨性 提高，但韌性降低、耐蝕性下降。當碳含量過低時，基體固溶強化效果差，硬度和強度低，綜 合考慮，將C元素含量控制在0. 10 %?0. 17%。
[0020] B :B是高硼鐵基耐沖刷腐蝕合金中的主要元素，用于形成高硬度的硼化物，提高 合金耐沖刷腐蝕性能。B元素加入量過少，合金中硼化物數(shù)量少，耐沖刷腐蝕性低，而加入量 過多，硼化物數(shù)量增加，合金脆性增大，綜合考慮將B元素含量控制在1. 50 %?2. 10 %。
[0021] Cr :Cr是高硼鐵基耐沖刷腐蝕合金中主要的元素。Cr元素可使合金表層形成致密 的Cr2O3保護層，阻止或延緩合金由外部腐蝕轉(zhuǎn)向內(nèi)部腐蝕。在腐蝕工況中，受應(yīng)力等因素 致使氧化膜及其下表層產(chǎn)生裂紋，裂紋將為內(nèi)部腐蝕形成提供條件。高硼鐵基合金中Cr含 量越高，對于裂紋修復(fù)能力越強，但Cr含量過高，材質(zhì)熔煉困難，成本升高，因此Cr含量應(yīng) 控制在 16. 10 % ?18. 20%。
[0022] Ni :Ni是非碳化物形成元素，主要固溶于基體，能夠提高基體的淬透性。Ni元素加 入量過多，使淬火殘留奧氏體增多，降低合金的硬度和耐沖刷腐蝕性能。因此，Ni含量控制 在 2. 00%?3. 00%〇
[0023] Ce :Ce元素易與合金液中殘存的氧元素反應(yīng)生成Ce203。Ce2O 3恪點高達1640°C， (111) Y_Fe在(〇〇〇lk/;;面上形核時的點陣錯配度低，由此，Ce 2O3可作為奧氏體結(jié)晶時的有 效異質(zhì)核心，促進初生奧氏體形核，細化初生奧氏體，進而促進共晶硼化物的細化，其合適 的加入量為〇· 10 %?〇· 20 %。
[0024] Ti :Ti加入高硼鐵基合金中將與B元素反應(yīng)生成塊狀TiB2。1182有利于改善硼化 物形態(tài)和分布。Ti元素加入量過高，將出現(xiàn)粗大的塊狀TiB2，降低高硼鐵基合金的強度和 韌性，綜合分析，Ti含量應(yīng)控制在0. 30%?0. 50%。
[0025] N :N加入高硼鐵基合金中可與Ti元素反應(yīng)生成高熔點的TiN，TiN與γ -Fe晶格 間的錯配度很低，可促進初生奧氏體形核，促進硼化物的細化，合適的加入量應(yīng)為0. 05%? 0· 10%〇
[0026] Al :A1 易與 Ce 和氧反應(yīng)生成 CeAlO3。CeAl