一种镍铁基耐蚀合金及其制备方法

技术领域

本发明属于合金材料及其制备技术领域，具体涉及一种镍铁基耐蚀合金及其制备方法。

背景技术

硫酸和磷酸是国民经济中最重要的两种化工产品，几乎所有的工业都直接或者间接地使用硫酸和磷酸，比如：化肥、染料、医药、石油炼制以及金属提纯等工业，在酸性介质下使用的机械设备不可避免地会发生腐蚀，某些特殊工艺条件下使用的部件，比如：钛白废酸浓缩泵以及磷酸料浆泵，不仅会遭受严重的腐蚀，同时还存在固体颗粒的磨损，腐蚀和磨损的交互作用加速了设备的失效速度。

目前能够满足以上苛刻工况的金属屈指可数，高硅铸铁能耐一切浓度和温度的硫酸和磷酸，但存在抗热振动性能差、机械性能不好的缺点。普通的不锈钢对硫酸的耐蚀性不好，在磷酸中也随材料和环境的差异呈现不同的结果，有的应用很成功，而有的则腐蚀严重。高合金化的镍基耐蚀合金在酸性介质中具有优异的耐蚀性能，但因为价格昂贵，限制了该类合金的应用推广。因此，开发能够在硫酸、磷酸等酸性环境下使用的新型镍铁基耐蚀合金，可以保证化工机械设备的正常运转，减少设备停工停产而造成的经济损失，具有重要的经济效益和社会效益。

发明内容

本发明的目的是提供一种镍铁基耐蚀合金及其制备方法，所制备的合金具有良好的铸造性，铸态合金的硬度小，适于机械加工，通过热处理可以提高合金的硬度，在硫酸、磷酸等酸性介质中具有优异的耐蚀性能，可广泛应用于石油、化工、冶金等领域，尤其适合用作酸性介质环境下存在固体颗粒磨蚀的泵用材料和其他化工机械设备的结构材料。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种镍铁基耐蚀合金，按照重量百分比计，该合金化学成分为：

Ni 35～38％；Cr 26～30％；Mo 5～7％；Si 2～6％；Cu 0.5～3％；Nb 0.3～1.5％；Ce 0.005～0.03％；余量为铁。

所述的镍铁基耐蚀合金，按照重量百分比计，该合金优选化学成分为：

Ni 35～38％；Cr 26～30％；Mo 5.5～6.5％；Si 3.5～5.5％；Cu 2～3％；Nb 0.3～0.6％；Ce 0.01～0.02％；余量为铁。

所述的镍铁基耐蚀合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)按照重量百分比称量各合金元素原料；

(2)将除了硅和铈以外的合金元素原料加入真空感应炉坩埚中，合上炉盖抽真空，待炉内真空度达到10Pa以下开始送电化料；

(3)待合金元素原料化清后加入硅，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镍铈合金；

(6)低温精炼；

(7)将合金浇铸到模管中，冷却后进行切割打磨。

所述的镍铁基耐蚀合金的制备方法，步骤(2)中的铈为镍铈合金，镍铈合金用于提供合金中全部的铈元素和部分镍元素。

所述的镍铁基耐蚀合金的制备方法，步骤(3)中，精炼温度为1500～1550℃，精炼时间为5～10min。

所述的镍铁基耐蚀合金的制备方法，步骤(4)中，充入氩气后炉内真空度为0.08～0.10MPa。

所述的镍铁基耐蚀合金的制备方法，步骤(6)中，低温精炼温度为1420～1450℃，精炼时间为5～10min。

所述的镍铁基耐蚀合金的制备方法，合金的铸态硬度为80～100HRB，拉伸屈服强度为320～350MPa，抗拉强度为420～450MPa，在质量分数为10％的硫酸溶液中自腐蚀电位为-0.28V～-0.14V，腐蚀电流密度为7.5×10

所述的镍铁基耐蚀合金的制备方法，镍铁基耐蚀合金的热处理方法为：固溶温度为1050～1100℃，固溶时间为0.5h～2h，水淬；热处理后合金的硬度为20～30HRC，拉伸屈服强度为340～450MPa，抗拉强度为450～580MPa，在质量分数为10％的硫酸溶液中自腐蚀电位为-0.23V～-0.18V，腐蚀电流密度为3.1×10

本合金成分的设计理念如下：

Ni：镍是镍基耐蚀合金中的基体元素，能够强烈形成并稳定奥氏体，同时镍可以固溶大量合金元素而不生成有害相，有效提高合金的强度。镍属于热力学不稳定元素，钝化能力界于铬和铁之间，在铁镍基合金中提高镍元素的含量可以提高合金在氧化性介质以及还原性介质中的腐蚀电位，改善了合金的耐蚀性能。考虑到经济性及性能要求，合金中的镍元素含量设计为35～38％。

Cr：铬是不锈钢及耐蚀合金中的基本元素，可以促进合金在腐蚀介质中生成钝化膜并保持稳定钝化状态，提高合金在氯化物溶液中的耐应力腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀能力，同时固溶于基体组织中起固溶强化作用。铬在合金中存在临界值，超过该值后继续提高铬的含量不会改善合金的耐蚀能力，反而降低合金的塑性，对成型和焊接性不利，因此合金中的铬元素含量设计为26～30％。

Mo：不锈钢和耐蚀合金中的钼元素与铬元素存在交互作用，两者共同添加可以促进合金在腐蚀介质中生成富钼的氧化膜，改善合金在还原性酸中的耐蚀性。钼在强氧化性介质中存在过钝化行为，恶化合金的耐蚀能力，因此合金中的钼元素含量设计为5～7％。

Si：在合金中添加硅元素，可以促进合金在氧化性酸介质中生成氧化硅保护膜，从而改善合金的耐蚀性能，但随着硅含量的增加，耐蚀合金中脆性相的析出倾向增大，导致合金的韧性和塑性降低，合金的机械加工难度增大，因此合金中的硅元素含量设计为2～6％。

Cu：铜元素能够与镍形成固溶体，提高合金在还原性酸中的耐蚀性能。适量的铜可以改善合金的冷加工塑性，但过高含量的铜则容易降低合金的热加工塑性，使热加工变形困难，因此合金中的铜元素含量设计为0.5～3％。

Nb：铌元素可以同合金中的碳形成NbC，避免合金在晶界析出大量的Cr

Ce：稀土元素Ce能够强烈与氧、氮、硫等杂质结合，改变合金中夹杂物的形态，减小合金在腐蚀介质中发生点蚀的倾向性。稀土氧化物、氮化物、硫化物可以作为晶粒形核的质点，有效地减小合金的晶粒尺寸，提高不锈钢及耐蚀合金的强度，但添加过量的稀土铈容易形成低熔点共晶，恶化合金性能，因此合金中的稀土铈元素含量设计为0.005～0.03％。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明在Ni-Cr-Fe合金的基础上添加Mo、Si、Cu，通过合金化技术提高了合金在硫酸和磷酸介质中的耐均匀腐蚀能力以及耐应力腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀能力。通过微合金化技术在合金中添加Nb和稀土Ce，避免合金析出大量的Cr

2、本发明镍铁基耐蚀合金具有良好的铸造性能和力学性能，铸态合金的硬度较小，有利于机械加工，通过热处理可以提高合金的硬度，提高了合金的耐磨性能，可作为硫酸、磷酸等酸性介质环境下使用的泵用材料和其他化工机械设备的结构材料。

附图说明

图1为实施例1中制备的镍铁基耐蚀合金的组织形貌。其中，a、b分别为不同放大倍数的形貌。

图2为实施例1中制备的镍铁基耐蚀合金的XRD衍射图谱。图中，横坐标2θ代表衍射角(°)，纵坐标Intensity代表相对强度(a.u.)。

具体实施方式

下面，根据具体实例对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例合金的成分(wt％)为：Ni 36.4％，Cr 27.9％，Mo 5.7％，Si 3.6％，Cu0.5％，Nb 0.3％，Ce 0.012％，余量为铁。其制备过程如下：

采用电子天平按各元素的质量分数称量合金元素原料，合计4.3kg。稀土铈以镍铈合金的形式加入，其中铈的质量分数为20％。清理坩埚后，将除了硅和镍铈合金以外的合金元素原料加入到10kg真空感应炉坩埚中，合上炉盖进行抽真空，待炉内真空度达到5Pa后开始送电化料，送电功率为18.9kw，待合金元素原料化清后加入硅，提温至1500℃精炼5min，停电降温至金属液表面结膜，停止抽真空并充入高纯氩气(体积纯度≥99.999％)至真空度为0.08MPa，送电冲膜并向其中加入镍铈合金，提温至1420℃精炼5min后将合金浇铸到模管中，冷却后打磨备用。

本实施例制备的镍铁基耐蚀合金的组织形貌见图1，XRD衍射图谱见图2，由图1和图2可以看出，本实施例制备的镍铁基耐蚀合金属于双相合金，主要由γ基体相和(Fe,Cr,Mo)

该合金的铸态硬度为85.3HRB，拉伸屈服强度为330MPa，抗拉强度为449MPa，在质量分数为10％的硫酸溶液中自腐蚀电位为-0.25V，腐蚀电流密度为7.9×10

该合金在1080℃固溶处理2h后水淬，热处理后合金的硬度为23.3HRC，拉伸屈服强度为376MPa，抗拉强度为576MPa，在质量分数为10％的硫酸溶液中自腐蚀电位为-0.22V，腐蚀电流密度为2.1×10

实施例2：

本实施例合金的成分(wt％)为：Ni 37.1％，Cr 27.7％，Mo 5.7％，Si 3.3％，Cu2.4％，Nb 1.3％，Ce 0.01％，余量为铁。其制备过程如下：

采用电子天平按各元素的质量分数称量合金元素原料，合计4.3kg。稀土铈以镍铈合金的形式加入，其中铈的质量分数为20％。清理坩埚后，将除了硅和镍铈合金以外的合金元素原料加入到10kg真空感应炉坩埚中，合上炉盖进行抽真空，待炉内真空度达到5Pa后开始送电化料，送电功率为19.2kw，待合金元素原料化清后加入硅，提温至1503℃精炼5min，停电降温至金属液表面结膜，停止抽真空并充入高纯氩气(体积纯度≥99.999％)至真空度为0.09MPa，送电冲膜并向其中加入镍铈合金，提温至1420℃精炼5min后将合金浇铸到模管中，冷却后打磨备用。

该合金的铸态硬度为85.2HRB，拉伸屈服强度为326MPa，抗拉强度为424MPa，在质量分数为10％的硫酸溶液中自腐蚀电位为-0.14V，腐蚀电流密度为7.5×10

该合金在1080℃固溶处理2h后水淬，热处理后合金的硬度为22HRC，拉伸屈服强度为348MPa，抗拉强度为544MPa，在质量分数为10％的硫酸溶液中自腐蚀电位为-0.18V，腐蚀电流密度为3.1×10

实施例3：

本实施例合金的成分(wt％)为：Ni 36.5％，Cr 27.9％，Mo 5.7％，Si 5.11％，Cu1.0％，Nb 0.5％，Ce 0.013％，余量为铁。其制备过程如下：

采用电子天平按各元素的质量分数称量合金元素原料，合计4.3kg。稀土铈以镍铈合金的形式加入，其中铈的质量分数为20％。清理坩埚后，将除了硅和镍铈合金以外的合金元素原料加入到10kg真空感应炉坩埚中，合上炉盖进行抽真空，待炉内真空度达到8Pa后开始送电化料，送电功率为24.2kw，待合金元素原料化清后加入硅，提温至1501℃精炼5min，停电降温至金属液表面结膜，停止抽真空并充入高纯氩气(体积纯度≥99.999％)至真空度为0.1MPa，送电冲膜并向其中加入镍铈合金，提温至1420℃精炼5min后将合金浇铸到模管中，冷却后打磨备用。

该合金的铸态硬度为98.3HRB，拉伸屈服强度为400MPa，抗拉强度为437MPa，在质量分数为10％的硫酸溶液中自腐蚀电位为-0.28V，腐蚀电流密度为5.2×10

该合金在1080℃固溶处理2h后水淬，热处理后合金的硬度为32HRC，拉伸屈服强度为441MPa，抗拉强度为455MPa，在质量分数为10％的硫酸溶液中自腐蚀电位为-0.23V，腐蚀电流密度为4.8×10

实施例结果表明，本发明镍铁基耐蚀合金具有铸造性能好、硬度高、耐蚀性能优异等特点，可作为硫酸、磷酸等酸性介质环境下使用的泵用材料和其他化工机械设备的结构材料。