一種含Ｃｕ的Ｆｅ－Ｎｉ不銹鋼合金制造技術

一種含Ｃｕ的Ｆｅ－Ｎｉ不銹鋼合金，屬于新材料技術領域。其特征在于：它包括Ｆｅ、Ｎｉ和Ｃｕ元素，其合金成分的重量百分比為Ｆｅ－（３０．０－４８．０％）Ｎｉ－（２．０－４．３％）Ｃｕ。材料性能指標為：合金硬度Ｈｖ＝１．２６～１．４０ＧＰａ；腐蝕性能參數范圍分別為：自腐蝕電位Ｅ＝－０．３８２～－０．２８８Ｖ，自腐蝕電流密度ｉ＝０．７２～１．１７μＡｃｍ－２，腐蝕速率Ｒ＝７．６３～１３．３７μｍ／年。本發明專利技術的效果和益處是：所提供的含Ｃｕ的Ｆｅ－Ｎｉ基合金具有穩定的單相ＦＣＣ結構、力學性能良好、抗耐海水腐蝕性能優良，是一類成本低廉的新型不銹鋼合金，可廣泛用于耐海水腐蝕的大型工程結構材料。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于新材料
，涉及一種含銅的新型鐵鎳不銹鋼，可用于海水的耐 腐蝕材料。
技術介紹
工業領域廣泛應用的不銹鋼按所含主要成分不同可以區分為Cr-Ni-Mn系列、 Cr-Ni系列、Cr系列、低Cr系列，目前不銹鋼合金主要是通過大量的合金化方式來提高性 能，Fe元素的重量百分含量處于50-70%之間，價格昂貴的合金化元素如Cr、Ni、Mo、Mn、Nb、 V、Ti、Cu重量百分含量之和達到了 30-50%，大大提高了不銹鋼的生產成本。研究表明Cu、 Ni在不銹鋼中都是影響合金腐蝕電位強烈正移的元素，但是Fe-Ni合金材料一直被應用于 功能材料領域，含Cu的Fe-Ni結構材料用不銹鋼合金還未見報道。從元素對結構的影響角度而言，Ni、Cu在鐵基合金中均是穩定、-Fe FCC結構的 組元，形成穩定的Y-Fe FCC結構時Ni的原子百分含量需要達到31%;從合金材料性能角 度而言，Ni、Cu是海水中不銹鋼自腐蝕電位強烈正移的元素；從熱力學角度而言，Fe、Ni的 混合焓為負，在合金中容易形成近鄰結構，Ni、Cu混合焓為正，但比較小，在合金中可以形成 近鄰結構，Fe、Cu混合焓為正，比較大，在合金中不會形成近鄰結構，Cu的含量控制不當，容 易造成偏析，乃至相的分離，從而破壞不銹鋼基體的單一 FCC相組成，形成多相合金，在材 料服役過程中，不同的相在海水中自腐蝕電位存在差異，必定形成大量的原電池，加速其在 海水中的腐蝕速度。所以在海水中具有良好的耐蝕性、單相Y-Fe FCC結構的不銹鋼，必須 保證Ni元素的含量，從而保證并提高Cu的含量，并且Ni、Cu含量之間要保持合適的比例。 本專利技術就是通過適當提高附的含量，從而提高Cu含量，最終提高不銹鋼合金中Ni、Cu總體 含量，最終達到提高不銹鋼的耐腐蝕性能。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種成本相對較低、結構較穩定、塑性較好、耐海水腐蝕能力 較強的新型不銹鋼合金材料，解決現有海水用不銹鋼合金材料技術存在的保證了高耐蝕性 能的前提下，貴重合金化組元的含量高，生產成本較高的不足。本專利技術采用的技術方案是包括Fe、Ni和Cu元素，其合金成分的重量百分比為 Fe-(30. 0-48. 0% )Ni-(2. 0-4. 3% )Cu。實現上述技術方案的構思是利用專利技術人的“團簇+連接原子”結構模型來設計 Fe-Ni-Cu合金成分。“團簇+連接原子”結構模型可將固溶體結構看作由團簇和連接原子 兩部分構成，并能給出成分式(連接原子)x。在鐵FCC結構合金中，團簇以部 分溶質原子附為心，12個Fe原子占據第一殼層形成的CN12多面體團簇，溶質原子Cu和部 分原子M為連接原子。溶質占據團簇心部還是作為連接原子取決于溶質元素與Fe元素之 間的交互作用，體現在混合焓大小。M與Fe具有較小負的混合焓，部分溶質原子M占據 團簇心部，剩余Ni原子可以作為連接原子，Cu與Fe混合焓為正，作為連接原子。因此，在3Fe-Ni-Cu體系中，由于Ni與Fe具有負的混合焓，定義Ni占據團簇中心位置；Cu與Fe具有 較大的正混合焓，定義Cu作為連接原子；為了保證Cu溶于Fe合金中，用M原子替代部分 Cu原子，保證Fe、Cu分離。由此給定的團簇成分式為[NiFeJKiiYNinh，根據此成分式設 計合金成分，然后轉化成重量百分比。設計的原則是主要利用Ni在保證合金為單一 鐵 FCC結構固溶體合金的基礎上，提高Cu的含量，從而提高合金中Ni、Cu的含量，使不銹鋼具 有良好的耐海水腐蝕性能。本專利技術的成分合金采用高純度組元元素按重量百分比合金成分進行配比；然后利 用非自耗電弧熔煉爐在Ar氣保護下對配比的混合物進行多次熔煉，以得到成分均勻的合 金錠，然后利用銅模吸鑄快冷工藝將合金錠制備成直徑為6mm的合金棒，并在1050°C高溫 下保溫4小時，然后進行水淬處理，作為試驗用樣品；利用XRD(CuKa輻射，入=0. 15406nm) 與TEM檢測合金結構；用維氏硬度計進行了硬度測試；最后模擬海水高Cr(3. 5wt. % NaCl)環境在室溫下利用電化學工作站進行合金材料的耐蝕性能評價，由此確定出本發 明中合金具有耐海水腐蝕能力的高低。含Cu的鐵合金成分為Fe-(30. 0-48.0% ) Ni-(2. 0-4.3% )Cu(重量百分比)，材料性能指標為合金硬度Hv = 1.26- 1. 40GPa ；腐 蝕性能參數范圍分別為自腐蝕電位E = -0. 382 -0. 288V，自腐蝕電流密度i = 0. 72 1. 17iiAcnT2，腐蝕速率 R = 7. 63 13. 37iim/年。本專利技術的效果和益處是所提供的含Cu的Fe-Ni基合金具有穩定的單相FCC結 構、力學性能良好、抗耐海水腐蝕性能優良，是一類成本低廉的新型不銹鋼合金，可廣泛用 于耐海水腐蝕的大型工程結構材料。具體實施例方式以下結合技術方案詳細敘述本專利技術的具體實施方式。實施例lNi32.9Fe64.7Cu2.4 合金步驟一合金制備Ni32.9Fe64.7Cu2.4 合金，此成分源自團簇式 (Cu0.08Ni0.92) 5.2。Fe、Ni、Cu 純金 屬按照給定的合金重量百分比成分進行配料；將混合料放在電弧熔煉爐的水冷銅坩堝內， 采用非自耗電弧熔煉法在氬氣的保護下進行熔煉，如此反復熔煉7次，得到成分均勻的合 金錠；然后將熔煉均勻的合金錠最后熔化，并利用銅模吸鑄工藝將熔體吸入圓柱形銅模型 腔中，得到直徑為6mm的棒材；并在1050°C高溫下保溫4小時，然后進行水淬處理。步驟二 合金結構和性能測試利用XRD與TEM檢測合金結構，確定為單一 FCC Y -鐵固溶體結構；用維氏硬度計 進行了硬度測試，合金硬度Hv = 1. 26GPa ；模擬海水高Cl_(3. 5wt. % NaCl)環境在室溫下 利用電化學工作站進行合金材料的耐蝕性能評價，其腐蝕性能參數范圍分別為自腐蝕電 位E = -0. 363V，自腐蝕電流密度i = 0. 87 ii AcnT2，腐蝕速率R = 9. 88 y m/年。實施例2Ni36.2Fe61.0Cu2.8 合金步驟一合金制備Ni36.2Fe61.QCu2.8合金，此成分源自團簇式 ((^.。…、。^。同實施例一中的 步驟"‘ o步驟二 合金結構和性能測試利用XRD與TEM檢測合金結構，確定為單一 FCC Y -鐵固溶體結構；用維氏硬度計 進行了硬度測試，合金硬度Hv = 1. 28GPa ；模擬海水高Cl_(3. 5wt. % NaCl)環境在室溫下 利用電化學工作站進行合金材料的耐蝕性能評價，其腐蝕性能參數范圍分別為自腐蝕電 位E = -0. 316V,自腐蝕電流密度i = 0. 99iiAcnT2，腐蝕速率R = 11. 48 ym/年。實施例3Fe55.。Ni41.7Cu3.3 合金步驟一合金制備Fe55.QNi41.7Cu3.3 合金，此成分源自團簇式 (Cu0.08Ni0.92)8.lo 同實施例一中的 步驟"‘ o步驟二 合金結構和性能測試利用XRD與TEM檢測合金結構，確定為單一 FCC 鐵固溶體結構；用維氏硬度計 進行了硬度測試，合金硬度Hv = 1. 31GPa ；模擬海水高Cl_(3. 5wt. % NaC本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種含Ｃｕ的Ｆｅ－Ｎｉ不銹鋼合金，其特征在于：它包括Ｆｅ、Ｎｉ和Ｃｕ元素，其合金成分的重量百分比為Ｆｅ－（３０．０－４８．０％）Ｎｉ－（２．０－４．３％）Ｃｕ。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：董闖，王清，李寶增，王英敏，羌建兵，
申請(專利權)人：大連理工大學，
類型：發明
國別省市：91[中國|大連]