一种定向凝固Fe-B-Si合金表面保护膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种定向凝固Fe

【技术实现步骤摘要】
一种定向凝固Fe
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B
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Si合金表面保护膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于热镀锌工程装备耐锌液腐蚀
，具体涉及一种定向凝固Fe
‑
B
‑
Si合金表面保护膜及其制备方法。

技术介绍

[0002]金属的腐蚀给我国经济与工业发展造成了巨大的损失，其中，流动介质的空蚀所造成的的经济损失和安全问题不容小觑。热镀锌是应用最为广泛的金属防腐蚀工艺，其具有成本低，效率高等优点。但是在连续热镀锌的生产线上，沉没辊，稳定辊等关键零部件长期浸没在高温零部件中，收到液态锌的强烈腐蚀，严重影响生产线的设备质量，带来巨大的经济损失。在热镀锌生产线上，不同的零部件所受到的损伤不同，轴类零件主要损伤类型为腐蚀磨损，而辊类表面主要受到局部的冲蚀与空蚀。
[0003]空蚀也叫做空泡腐蚀，是指高速流动的腐蚀性液体局部压力下降时，液体发生汽化而形成气泡，气泡随液流进入高压区域时溃灭而产生高速的微射流和冲击波，反复击打在过流部件表面而产生的破坏。目前针对空蚀的解决方法有三种：一是通过优化部件外形减少空泡产生；二是研发新的抗空蚀的材料；三是在基体表面制备抗空蚀性能优异的防护层。研发新型抗空蚀材料，如高温合金及陶瓷材料，其成本较高且材料本身脆性较大，经济效益较低；涂层材料在高速高温锌液的冲刷作用下结合能力减弱，涂层易于剥落，目前均不能有效解决热镀锌生产线工程装备的空蚀问题。
[0004]热镀锌工艺中最常用的零件材料为钢铁材料，但由于Sandelin效应，一定含硅量的钢在热镀锌时铁锌会发生剧烈反应，生成表面灰暗且粘附力差的镀层，高温锌液产生的高能空泡强烈冲击镀层，表层剥落严重，一方面导致耗锌量增加，另一方面零件的损耗也增加了设备维护成本。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种定向凝固Fe
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B
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Si合金表面保护膜及其制备方法，用于解决钢铁材料在液态锌中空蚀严重的技术问题。
[0006]本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种定向凝固Fe
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B
‑
Si合金表面保护膜制备方法，包括以下步骤：
[0008]将采用定向凝固工艺制备的Fe
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B
‑
Si合金放入液态锌中进行界面反应，反应结束后，冷却得到具有三层卯榫结构保护膜的Fe
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B
‑
Si合金。
[0009]具体的，Fe
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B
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Si合金按重量百分比计，包括C：0.13～0.22％，B：2.05～3.55％，Cr：0.75～0.82％，Si：2.42～2.58％，其余为Fe和不可避免的微量杂质。
[0010]具体的，定向凝固工艺的熔炼温度为1570～1640℃，浇铸温度为1420～1450℃。
[0011]具体的，定向凝固冷却速度为10.2～15.6℃/s，过冷度为95～100℃。
[0012]具体的，定向凝固的Fe
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B
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Si合金的硼化物生长取向为[002]方向，与腐蚀界面的
角度为90
°
。
[0013]具体的，界面反应的温度为460～470℃，控制Fe
‑
B
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Si合金的旋转转速为300r/min，反应时间为2～10h。
[0014]进一步的，界面反应具体为：腐蚀定向凝固Fe
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B
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Si合金的表面并产生Si元素的富集，在Fe2B骨架间形成一层富Si层表面膜；富Si层表面膜中的Fe原子进一步与高温液态锌扩散反应，生成一层柱状ζ
‑
FeZn
13
保护膜；随后生成的ζ
‑
FeZn
13
保护膜与富Si层反应，在两层中间及Fe2B骨架间形成一层δ
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FeZn
10
保护膜，δ
‑
FeZn
10
保护膜呈树根状扎根生长；最终在铁硼合金表面依次形成富Si层/FeZn
10
/FeZn
13
三层相互嵌套的复合膜，与Fe2B骨架产生卯榫结构，形成Fe
‑
B
‑
Si合金表面抗锌液空蚀的复合保护膜。
[0015]具体的，三层卯榫结构保护膜的厚度为48.0～109.7μm。
[0016]进一步的，三层卯榫结构最内层为富Si层，以及富Si层外侧的FeZn
10
/FeZn
13
层，富Si层的厚度为3.9～6.5μm，FeZn
10
/FeZn
13
层的厚度为44.1～103.2μm。
[0017]本专利技术的另一技术方案是，一种定向凝固Fe
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B
‑
Si合金表面保护膜，保护膜的空蚀率为4.01～6.76μm/h。
[0018]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0019]本专利技术一种定向凝固Fe
‑
B
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Si合金表面保护膜制备方法，配料后采用定向凝固技术制备试样，使其获得取向性硼化物骨架；称取一定量的纯锌放入锌液腐蚀装置中，使其彻底融化；将样品用夹具固定在锌液腐蚀装置样品夹上，距离中心35mm处，避免样品收到锌液冲击而移动；保持炉内温度，电机带动样品旋转转速为300r/min，；达到保护膜的形成时间后，将表面生长有保护膜的样品取出，缓慢冷却至室温。通过检测和表征，得到保护膜的具体成分、形貌、厚度等综合信息。该方法制得的富Si层/FeZn
10
/FeZn
13
三层自生长高致密复合抗空蚀膜，与样品产生强钉扎效应，与定向硼化物骨架层层嵌合呈卯榫结构，与合金产生粘附力极强的结合且隔绝了外层高流速锌液的直接接触，减弱了空泡溃灭所产生的高能对合金的冲击，减少了合金空蚀下的剥落大大提高了Fe
‑
B
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Si合金在流动液态金属锌中的抗空蚀性能。
[0020]进一步的，钢铁材料是热镀锌工业中应用最广泛应用的材料。通过定向凝固的Fe
‑
B
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Si合金能够产生取向一致，排列规则的硼化物骨架，能够对后续自生长保护膜起到强烈的钉扎作用；其成分特点主要在于增加了Si元素的含量较高，这有利于内层富Si层保护膜的快速形成，抑制内层合金中的铁元素与外层高流速锌液中锌元素的相互扩散，促使形成更加平滑的FeZn
13
相，使保护膜的厚度提升。同时强取向性的硼化物能够调控外保护层的形貌，使其形成规律的柱状卯榫结构，层层嵌合，加强外层与硼化物的钉扎效应。
[0021]进一步的，定向凝固工艺的熔炼温度为1570～1640℃，保证原料快速充分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种定向凝固Fe
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B
‑
Si合金表面保护膜制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将采用定向凝固工艺制备的Fe
‑
B
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Si合金放入液态锌中进行界面反应，反应结束后，冷却得到具有三层卯榫结构保护膜的Fe
‑
B
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Si合金。2.根据权利要求1所述的定向凝固Fe
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B
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Si合金表面保护膜制备方法，其特征在于，Fe
‑
B
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Si合金按重量百分比计，包括C：0.13～0.22％，B：2.05～3.55％，Cr：0.75～0.82％，Si：2.42～2.58％，其余为Fe和不可避免的微量杂质。3.根据权利要求1所述的定向凝固Fe
‑
B
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Si合金表面保护膜制备方法，其特征在于，定向凝固工艺的熔炼温度为1570～1640℃，浇铸温度为1420～1450℃。4.根据权利要求1所述的定向凝固Fe
‑
B
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Si合金表面保护膜制备方法，其特征在于，定向凝固冷却速度为10.2～15.6℃/s，过冷度为95～100℃。5.根据权利要求1所述的定向凝固Fe
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B
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Si合金表面保护膜制备方法，其特征在于，定向凝固的Fe
‑
B
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Si合金的硼化物生长取向为[002]方向，与腐蚀界面的角度为90
°
。6.根据权利要求1所述的定向凝固Fe
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B
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Si合金表面保护膜制备方法，其特征在于，界面反应的温度为460～470℃，控制Fe
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B
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Si合金的旋转转速为300r/min，反应时间为2～10h。7.根据权利要求6所述的定向凝固Fe
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B
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【专利技术属性】
技术研发人员：马胜强，汪婕，吕萍，张宗良，罗洋，邢建东，
申请(专利权)人：江苏飞鹿重工机械制造有限公司，
类型：发明
国别省市：