阅读说明：本技术 一种耐蚀铸铁合金及其制备方法 (Corrosion-resistant cast iron alloy and preparation method thereof ) 是由 徐流杰 魏世忠 路富刚 王方方 周玉成 潘昆明 李秀青 李继文 毛丰 王晓东 陈 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种耐蚀铸铁合金及其制备方法,属于铸铁合金领域。该耐蚀铸铁合金由如下质量百分比的元素组成：N：0.2-0.6％、C：2.1-2.5％、Cr：23-28％、Mo：0.5-0.8％、Si：0.9-1.2％、Mn：0.5-0.8％、Al：1.0-1.4％、P≤0.01％、S≤0.01％,稀土元素：0.1-0.3％,余量为铁及不可避免的杂质。本发明提供的耐蚀铸铁合金,含有铬、氮、铝等元素,氮能够富集在金属与氧化膜的界面以及金属的活性表面上,减缓电化学腐蚀；铝能够形成和扩大铁素体相区,促进形成α-Fe单相,提高基体的耐蚀性；各元素的合用显著减缓了材料的腐蚀,提高了耐蚀性。(The invention relates to a corrosion-resistant cast iron alloy and a preparation method thereof, belonging to the field of cast iron alloys. The corrosion-resistant cast iron alloy consists of the following elements in percentage by mass: n: 0.2-0.6%, C: 2.1-2.5%, Cr: 23-28%, Mo: 0.5-0.8%, Si: 0.9-1.2%, Mn: 0.5-0.8%, Al: 1.0-1.4%, P is less than or equal to 0.01%, S is less than or equal to 0.01%, rare earth elements: 0.1-0.3%, and the balance of iron and inevitable impurities. The corrosion-resistant cast iron alloy provided by the invention contains elements such as chromium, nitrogen and aluminum, and nitrogen can be enriched on the interface of metal and an oxide film and the active surface of the metal to slow down electrochemical corrosion; aluminum can form and expand a ferrite phase region, promote the formation of an alpha-Fe single phase and improve the corrosion resistance of a matrix; the combination of all elements obviously slows down the corrosion of the material and improves the corrosion resistance.)

一种耐蚀铸铁合金及其制备方法

技术领域

本发明属于铸铁合金领域，具体涉及一种耐蚀铸铁合金及其制备方法。

背景技术

目前在石油化工、航空航天、水利电力等行业的机械设备中，泵体、阀门、管道、水利发电机的翼轮等各种铸铁件因经常在海水、腐蚀性介质、大气等工况中工作，在服役的过程中常因腐蚀而失效。

目前，广泛使用的耐蚀铸铁材料主要是高铬铸铁。但是Cr系白口铸铁存在着严重的相间腐蚀，而相间腐蚀导致的失重量在总失重量中所占得比例较高，相间腐蚀的驱动力是基体相和碳化物相间的电位之差，在腐蚀的过程中，碳化物为阴极被保护，基体为阳极被加速腐蚀。这使得普通高铬铸铁不适于在腐蚀性较强的介质中服役。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐蚀铸铁合金，以解决现有铸铁合金的耐蚀性较差的问题。

本发明的第二个目的在于提供上述耐蚀铸铁合金的制备方法。

为实现上述目的，本发明的耐蚀铸铁合金的技术方案是：

一种耐蚀铸铁合金，由如下质量百分比的元素组成：N：0.2-0.6％、C：2.1-2.5％、Cr：23-28％、Mo：0.5-0.8％、Si：0.9-1.2％、Mn：0.5-0.8％、Al：1.0-1.4％、P≤0.01％、S≤0.01％，稀土元素：0.1-0.3％，余量为铁及不可避免的杂质。

本发明提供的耐蚀铸铁合金，含有铬、氮、铝等元素，氮能够富集在金属与氧化膜的界面以及金属的活性表面上，减缓电化学腐蚀；铝能够形成和扩大铁素体相区，促进形成a-Fe单相，提高基体的耐蚀性；各元素的合用显著减缓了材料的腐蚀，提高了耐蚀性。

稀土元素是钢液极强的净化剂和洁净钢夹杂物的有效变质剂。优选的，所述稀土元素为铈(Ce)。

为进一步优化铸铁合金的耐蚀性能，优选的，上述耐蚀铸铁合金由如下质量百分比的元素组成：N：0.43-0.47％、C：2.403-2.482％、Cr：24.78-26.31％、Mo：0.7206-0.7672％、Si：0.985-1.137％、Mn：0.6613-0.6753％、Al：1.075-1.176％、P≤0.01％、S≤0.01％，稀土元素Ce：0.25-0.3％，余量为铁及不可避免的杂质。

制备含氮铸铁可采用热等静压熔炼、加压等离子电弧熔炼等方法。

热等静压熔炼炉内压力最大，可达到较大的压力，制备的高氮铸铁中可达较高的氮含量，但是基体中易形成氮化物的沉淀。加压等离子电弧熔炼在熔池中温度存在着波动，从而导致在熔池中氮均匀化效果不好。

相对于上述熔炼方法，本发明另外提供一种真空感应正压熔炼的方法。

一种耐蚀铸铁合金的制备方法，包括以下步骤：按配比取原料熔炼，将所得熔炼液凝固成型，得到铸态合金；将铸态合金依次进行淬火处理、回火处理，即得相组成为马氏体和M₇C₃碳化物的耐蚀铸铁合金。

采用真空感应正压熔炼，熔体在电磁感应作用下熔炼均匀，加快了氮在熔体中的扩散，从而缩短了熔体中氮在特定压力下达到平衡的时间，提高铸锭组织的均匀性。

为方便得到相组成为马氏体和M₇C₃碳化物的铸铁材料，优选的，淬火处理的温度为850-1050℃，回火处理的温度为270-300℃。

进一步提高热处理的效率，促进形成均匀的晶体结构，提高批次产品的质量稳定性，优选的，所述淬火处理包括先升温至850℃，保温1h，然后升温至1000-1050℃，保温2-4h，空冷至室温；所述回火处理是在270-300℃保温2-2.5h，然后空冷至室温。

为减少凝固过程中氮的析出，优选的，凝固成型在氮气气氛下进行，氮气的压力大于0.1MPa。一般而言，常规含氮铸铁在熔炼液凝固时，需要采用较高的正压氮气环境才能防止氮的析出，而本发明的铸铁合金在较低氮气压力下即可达到良好的效果，这也进一步印证了其合金成分组成的合理性。在保证氮不析出的基础上，为进一步降低熔炼工艺难度，优选的，所述氮气的压力为0.4-0.8MPa。

为在熔炼时更好的除水除氧，优选的，所述熔炼为真空熔炼，所述真空熔炼的真空度为20-40Pa。

可以上述铸铁合金的组成相应选择熔炼原料，如可选择单质、相应合金等。为进一步降低熔炼损失，方便各元素的混匀，优选的，所述原料为Fe、Mn、Cr、Si、C、氮化铬铁、Al及稀土硅铁合金，所述稀土硅铁合金的由如下质量百分比的组分构成：Ce39-42％，Si≤37％，Mn≤2.0％，余量为铁和不可避免的杂质。

附图说明

图1为本发明实施例1的耐蚀铸铁合金的XRD图；

图2为本发明实施例1的耐蚀铸铁合金的SEM图；

图3为本发明实施例1-5和对比例的耐蚀铸铁合金的耐蚀性能对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

一、本发明的耐蚀铸铁合金的具体实施例

实施例1

本实施例的耐蚀铸铁合金，由如下质量百分比的元素组成：C：2.167％、Cr：27.38％、Mo：0.6387％、Si：0.9637％、Mn：0.7628％、N：0.58％、Al：1.368％、P≤0.01％、S≤0.01％，稀土元素Ce：0.1％，余量为铁及不可避免的杂质。

实施例2

本实施例的耐蚀铸铁合金，由如下质量百分比的元素组成：C：2.241％、Cr：26.53％、Mo：0.7521％、Si：1.036％、Mn：0.6853％、N：0.52％、Al：1.246％、P≤0.01％、S≤0.01％，稀土元素Ce：0.15％，余量为铁及不可避免的杂质。

实施例3

本实施例的耐蚀铸铁合金，由如下质量百分比的元素组成：C：2.347％、Cr：25.07％、Mo：0.6871％、Si：1.047％、Mn：0.5946％、N：0.46％、Al：1.179％、P≤0.01％、S≤0.01％，稀土元素Ce：0.20％，，余量为铁及不可避免的杂质。

实施例4

本实施例的耐蚀铸铁合金，由如下质量百分比的元素组成：C：2.482％、Cr：24.78％、Mo：0.7672％、Si：0.985％、Mn：0.6613％、N：0.43％、Al：1.176％、P≤0.01％、S≤0.01％，稀土元素Ce：0.30％，余量为铁及不可避免的杂质。

实施例5

本实施例的耐蚀铸铁合金，由如下质量百分比的元素组成：C：2.403％、Cr：26.31％、Mo：0.7206％、Si：1.137％、Mn：0.6753％、N：0.47％、Al：1.075％、P≤0.01％、S≤0.01％，稀土元素Ce：0.25％，余量为铁及不可避免的杂质。

二、本发明的耐蚀铸铁合金的制备方法的具体实施例

实施例6

本实施例的耐蚀铸铁合金的制备方法，对实施例1的耐蚀铸铁合金的制备进行说明，具体采用以下步骤：

1)在20kg的真空感应正压熔炼炉中，先将配比好的Fe原料、Mn原料、Cr原料放入炉内熔炼室坩埚内，然后将配比好的Si原料、C原料、颗粒状的氮化铬铁、Al原料及稀土硅铁合金加入主加料室及合金料室，盖紧真空罩，启动真空泵使熔炼室内达到20Pa的真空度(即绝对压力)。

然后对坩埚内的原料进行加热熔化及精炼，温度控制在1500℃，得到金属熔液。

2)向金属熔液中依次加入Si原料、C原料、颗粒状的氮化铬铁和Al原料，熔融合金化处理，利用中高频感应加热，保持熔炼液温度为1500℃，取样检验，如果各元素含量不符合成分要求，调相应元素的含量使其符合要求。

3)在浇包中加入稀土硅铁合金，然后利用液压系统将坩埚中的熔炼液浇注到浇包中，之后将熔炼液凝固成型，得到铸锭。凝固成型在氮气气氛下进行，氮气的压力为0.8MPa。稀土硅铁合金由如下重量百分比的组分组成：Ce 39％，Si 30％，Mn 1.3％，余量为铁和不可避免的杂质。

4)将步骤3)所得铸锭先进行淬火处理，再进行回火处理。淬火处理时，先升温至850℃保温1h，然后升温至1000℃保温2h，空冷至室温。回火处理是在270℃保温2.5h，然后空冷至室温，即得。

实施例7

本实施例的耐蚀铸铁合金的制备方法，对实施例2的耐蚀铸铁合金的制备进行说明，与实施例6的制备方法的区别仅在于：

步骤1)中，保持真空度为25Pa。

步骤2)中，在温度为1520℃时，取样检验。

步骤3)中，凝固成型时的氮气压力为0.75MPa。

步骤4)中，淬火处理是先升温至850℃保温1h，然后升温至1000℃保温3h，空冷至室温。回火处理是在300℃保温2h，然后空冷至室温。

实施例8

本实施例的耐蚀铸铁合金的制备方法，对实施例3的耐蚀铸铁合金的制备进行说明，与实施例6的制备方法的区别仅在于：

步骤1)中，保持真空度为30Pa。

步骤2)中，在温度为1550℃时，取样检验。

步骤3)中，凝固成型时的氮气压力为0.6MPa。

步骤4)中，淬火处理是先升温至850℃保温1h，然后升温至1000℃保温4h，空冷至室温。回火处理是在300℃保温2h，然后空冷至室温。

实施例9

本实施例的耐蚀铸铁合金的制备方法，对实施例4的耐蚀铸铁合金的制备进行说明，与实施例6的制备方法的区别仅在于：

步骤1)中，保持真空度为35Pa。

步骤2)中，在温度为1550℃时，取样检验。

步骤3)中，凝固成型时的氮气压力为0.4MPa。

步骤4)中，淬火处理是先升温至850℃保温1h，然后升温至1050℃保温3h，空冷至室温。回火处理是在300℃保温2h，然后空冷至室温。

实施例10

本实施例的耐蚀铸铁合金的制备方法，对实施例5的耐蚀铸铁合金的制备进行说明，与实施例6的制备方法的区别仅在于：

步骤1)中，保持真空度为40Pa。

步骤2)中，在温度为1550℃时，取样检验。

步骤3)中，凝固成型时的氮气压力为0.5MPa。

步骤4)中，淬火处理是先升温至850℃保温1h，然后升温至1050℃保温2h，空冷至室温。回火处理是在300℃保温2h，然后空冷至室温。

三、对比例

对比例的普通高铬铸铁由如下质量百分比的元素组成：C：3.2％、Cr：23.7％、Mo：0.45％、Mn：1.23％、Si：0.52％、Ni：0.42％、Cu：0.18％、P≤0.01％、S≤0.01％，余量为铁及不可避免的杂质。其具体制备方法相应参考实施例6。

四、实验例

实验例1

本实验例将实验例1的材料取典型区域用砂纸进行打磨、抛光，在X射线衍射仪上进行相结构分析，利用扫描电镜进行组织形貌分析，结果分别如图1和图2所示。

由图1可知，实施例1的材料的相组成为马氏体和M₇C₃碳化物，基体相为α-Fe单相，无γ-Fe的存在，因而具有较高的耐蚀性。

由图2可知，实施例制备的耐蚀铸铁合金中的M₇C₃碳化物主要为中心带有空洞的多边形共晶，其次为长度不等的线状二次析出物，二次析出物的含量较少，相应的与基体的电化学腐蚀倾向较小，对提高材料的耐蚀性有利。

实验例2

取实施例1-5和对比例的铸铁合金，测试其在不同质量分数的H₂SO₄溶液中的腐蚀失重量。腐蚀试验所用的试样的大小为30mm×15mm×2mm，在实验之前用金相砂纸打磨试样，在丙酮溶液中进行超声冲洗、烘干并称重。把试样放进不同质量分数的硫酸中，室温下浸泡4小时，取出后用酒精超声清洗烘干，在腐蚀前后利用精度为0.1g的分析天平称重，用材料的损失量来表征抗腐蚀性能，结果如图3所示。

由图3可知，实施例的铸铁合金的耐蚀性明显优于对比例的普通高铬铸铁，而且H₂SO₄溶液的浓度越高，实施例的铸铁合金的耐蚀性改善愈加显著。这增加了实施例的铸铁制品在强腐蚀介质中的耐蚀表现，有利于提高泵体、阀门、管道等相应铸铁件的服役寿命。