Fe-Cr-Ni-B合金耐冲刷腐蚀性能研究

◎ 易大伟 师玉璞 陈进 张志云

Fe-Cr-Ni-B合金耐冲刷腐蚀性能研究

◎ 易大伟 师玉璞 陈进 张志云

本文研究了Fe-Cr-Ni-B合金组织及其耐冲刷腐蚀性能。实验结果表明，Fe-Cr-Ni-B合金的铸态组织由铁素体、马氏体和共晶硼化物构成。热处理后，Fe-Cr-Ni-B合金基体组织全部由铁素体构成。在酸性砂浆冲蚀条件下，Fe-Cr-Ni-B合金的耐冲刷腐蚀性能优于Cr15 高铬白口铸铁。

Fe-B合金具有耐磨性优异、合金元素消耗量低，铸造工艺简单、生产成本低廉等优点。此外，Fe-B合金的冲击韧性和断裂韧性也优于白口铸铁。在Fe-B合金中添加Cr和Ni元素将有助于提高基体的耐腐蚀性能，使基体能够更为有效的支撑硬质相硼化物，进而提高Fe-B合金的耐冲刷腐蚀性能。鉴于此，本文针对Fe-Cr-Ni-B合金的耐冲刷腐蚀性能开展研究。

实验方法

Fe-Cr-Ni-B合金的熔炼与铸造。Fe-Cr-Ni-B合金在8kg中频感应电炉中熔炼，纯铁和废钢是主要的炉料。采用铁合金 Fe-16.1wt.%B、Fe-61.5wt.%Cr、Fe-65.8wt.%Mn、Fe-75.3wt.%Si和纯镍板等来调整Fe-Cr-Ni-B合金中B、Cr、Ni等元素的含量。Fe-Cr-Ni-B合金在1630℃经Al丝脱氧后倒入浇包中静定，待合金温度降低至1490℃时浇入沙箱凝固形成Y型试块。Fe-Cr-Ni-B合金试样的热处理工艺为850℃/2h空冷。Fe-Cr-Ni-B合金的成分如表1所示。

表1 Fe-Cr-Ni-B合金成分

显微组织、硬度、冲刷腐蚀性能测试方法。Fe-Cr-Ni-B合金在砂箱中浇铸成Y型试块。在距离试块底部10mm的位置切取金相试样，试样尺寸为20χ20χ10mm。金相试样表面经抛光和王水腐蚀后进行组织观察。显微硬度在未经腐蚀的金相面上测量。

采用扫描电子显微镜和显微硬度仪对Fe-Cr-Ni-B合金的组织形貌进行分析。洛氏硬度测量结果为10个测量值的平均。采用MF-20型冲刷腐蚀试验机测试Fe-Cr-Ni-B合金的冲蚀性能，对比试样选用Cr15高铬白口铸铁。冲蚀介质为石英砂、水和硫酸的混合物，含沙量为60kg/m3，PH值为1.2，石英砂的粒度为60 ～120目。冲蚀时间为3h，冲击角度为45°，冲击速率为10r/s。冲蚀试样封装在直径为20mm的夹具中，暴露出的冲蚀平面尺寸为10mm×6mm，如图1所示。

图 1试样与夹具：a试样夹；b冲蚀试样

试验结果分析

Fe-Cr-Ni-B合金组织及硬度分析。Fe-Cr-Ni-B合金的铸态和热处理态组织形貌如图2所示。依据图2a和显微硬度分析可知， Fe-Cr-Ni-B合金的铸态组织主要由基体和硼化物构成，显微硬度的测试结果表明，合金的基体由硬度为200～230HV的铁素体和硬度为480～510HV的马氏体构成，而晶界处网状的共晶硼化物为M2B（1450～1480HV，M 代 表 Fe、Cr或 Mn）。Fe-Cr-Ni-B合金的热处理组织如图2b所示。显微硬度测试表明共晶硼化物和基体组织分别为M2B和铁素体。

图2 Fe-Cr-Ni-B合金SEM形貌：a铸态组织(1000X)；b和c热处理组织（1000X和12000 X）

图3 Fe-Cr-Ni-B合金和Cr15高铬铸铁冲蚀面形貌：a和b Cr15冲蚀面 (200X和1000 X)； c Fe-Cr-Ni-B合金冲蚀面（1000 X）

Fe-Cr-Ni-B合金冲刷腐蚀性能分析。Fe-Cr-Ni-B合金和Cr15高铬铸铁冲刷腐蚀后的失重量如表2所示，两种合金的冲蚀面形貌如图3所示。相对于Cr15高铬铸铁， Fe-Cr-Ni-B合金尽管硬度低，但其基体具有更高的耐腐蚀性，在其冲蚀面中未发现腐蚀坑，而在Cr15高铬铸铁冲蚀面则出现较多的腐蚀坑（图3a和3b），此外，图3c中未出现硼化物破碎的情况，表明基体对硼化物的支撑作用效果良好。因此，Fe-Cr-Ni-B合金展现出更高的耐冲蚀性能。

表2 Fe-Cr-Ni-B合金与Cr15高铬铸铁性能参数

本研究结果表明，Cr和Ni元素的添加可以提高Fe-B合金基体的耐蚀性，增强基体对硼化物的支撑作用，使Fe-Cr-Ni-B合金展现出优异的耐冲蚀性能。

国家自然科学基金项目资助(项目编号：51641105和51705414)，特种材料及制备技术四川省高校重点实验室开放课题资助(项目编号：szjj2016-089)

西安科技大学材料科学与工程学院）