一种高耐蚀的负焓高锰不锈钢材料及其制备方法

本发明属于金属材料，涉及一种高耐蚀的负焓高锰不锈钢材料及其制备方法。

背景技术：

1、高锰钢凭借优异的加工硬化能力、抗冲击性、耐磨性及成本优势，被认为在轨道交通、矿山机械、海洋船舶与军工装备等领域有着应用前景。

2、然而，高锰钢耐蚀性差的问题愈发突出：锰元素在腐蚀介质中化学活性高，易生成疏松、稳定性差的氧化产物，加快电化学腐蚀反应，使得高锰钢自身耐蚀性能较差（腐蚀电位在-0.7 v到-0.3 v之间）。随着服役环境日趋严苛，铁路辙叉、海洋装备等面临雨水、盐雾、酸雾等复杂腐蚀，现有耐蚀性能已无法满足长效服役需求，其性能直接决定构件服役安全与使用寿命。同时，现有材料改性工艺存在明显加速腐蚀隐患，比如第二相与基体间存在电势差，会诱发微电偶腐蚀；行业尚未针对腐蚀作用机制开展系统性研究，现有高锰钢难以适配强腐蚀极端工况下长寿命服役的使用需求。

3、因此，开发具有高耐腐蚀性的高锰不锈钢，是破解行业腐蚀痛点的迫切需求。

4、鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、基于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高耐蚀的负焓高锰不锈钢材料及其制备方法，旨在解决现有高锰钢耐蚀性差的问题。

2、本发明采用如下技术方案：

3、一种高耐蚀的负焓高锰不锈钢材料，该负焓高锰不锈钢材料为feamnbalccrdmoesifcg，其中：

4、a、b、c、d、e、f和g分别对应各元素的摩尔百分配比，10 %≤b≤20 %，10 %≤c≤15%，2 %≤d≤12%，0＜e≤2 %，0＜f≤5 %，2%≤g≤5 %，余量为fe和不可避免的杂质。

5、在本发明的一个优选实施方式中，所述负焓高锰不锈钢材料由以下摩尔百分比的组分组成：

6、mn 12%-20%、al 10%-15%、cr 2%-12%、mo 0%-2%、si 2%-5%和c 3%-5%，余量为fe和不可避免的杂质。

7、在上述技术方案中，所述负焓高锰不锈钢材料中，对应原材料的铁、锰、铝、铬、钼、硅和碳元素的纯度均≥99.8%。

8、具体地，在上述技术方案中，所述负焓高锰不锈钢材料中，铁和锰元素分别与铝、硅和碳元素均具有负的混合焓，其中：

9、δhmix(fe-al) = -11 kj/mol，δhmix(fe-si) = -35 kj/mol，δhmix(fe-c) = -50kj/mol，δhmix(mn-al) = -19 kj/mol，δhmix(mn-si) = -45 kj/mol，δhmix(mn-c) = -66kj/mol。

10、具体地，在上述技术方案中，所述负焓高锰不锈钢材料中，钼元素与铁和铬元素混合焓分别为：

11、δhmix(fe-mo) = -2 kj/mol，δhmix(cr-mo) = 0 kj/mol。

12、详细地，在上述技术方案中，通过加入cr元素，是由于铬能促使钢的表面形成一层致密、稳定的富铬氧化膜（主要成分是cr2o3），该富铬氧化膜能有效阻止氧气和腐蚀介质的进一步侵蚀；进一步地，通过加入mo元素可强化钝化膜，因为钼能显著促进铬在钝化膜中的富集，使这层保护膜更加稳定。

13、更为重要的是，mo元素与fe元素之间的混合焓为负（δhmix(fe-mo) = -2 kj/mol），抑制fe元素的快速溶解，从而抑制亚稳点蚀坑形成；同时，mo元素与cr元素混合焓值为0（δhmix(cr-mo) = 0 kj/mol），能够有效促进cr元素扩散，促进钝化膜修复，因此，添加mo元素有助于耐蚀性能提高。

14、详细地，在上述技术方案中，所述负焓高锰不锈钢材料为fe64mn13al13cr2mo1.5si2.5c4、fe50mn20al10cr12mo1si5c2、fe65mn10al10cr6mo1.5si3.5c4、fe59mn15al14cr5.5mo0.5si1c5和fe56mn18al11cr8mo1si2c4中的一种。

15、本发明另一方面还提供了上述基于高耐蚀的负焓高锰不锈钢材料的制备方法，

16、所述负焓高锰不锈钢材料为feamnbalccrdmoesifcg；

17、其中：

18、a、b、c、d、e、f和g分别对应各元素的摩尔百分配比，10 %≤b≤20 %，10 %≤c≤15%，2 %≤d≤12%，0＜e≤2 %，0＜f≤5 %，2%≤g≤5 %，余量为fe和不可避免的杂质；

19、所述负焓高锰不锈钢材料的制备方法包括如下步骤：

20、按照所述负焓高锰不锈钢材料的组分及其摩尔百分比，计算并称取各金属原料，将各金属原料按照熔点从低到高的顺序依次放入水冷金属坩埚中，熔点最低的金属原料放在底层，熔点最高的金属原料放在表层，并在中间铜模处放置海绵钛，在无氧环境下引弧熔炼，直至充分混溶，得到所述负焓高锰不锈钢材料。

21、在上述技术方案中，所述无氧环境通过抽真空-充氩气-熔炼海绵钛吸氧-二次抽真空的过程实现。

22、进一步地，在本发明的一个优选实施方案中，所述抽真空-充氩气-熔炼海绵钛吸氧-二次抽真空的过程具体为：

23、利用机械泵抽真空至真空度小于5 pa，随后利用分子泵抽真空至4*10-4-7*10-4 pa，然后通入纯度为99.99 %的氩气至0.04-0.05 mpa，随后引弧熔炼海绵钛两次（每次引弧熔炼海绵钛，即海绵钛在电弧高温下受热，肉眼可见地熔化成液态，该溶化过程吸收氧气），吸收残余氧气，最后再利用机械泵抽真空至真空度小于5 pa，并利用分子泵抽真空至4*10-4-7*10-4 pa。

24、在上述技术方案中，所述金属原料的引弧熔炼的次数大于4次，每次所述引弧熔炼后均对坩埚内的合金翻面后再进行下一次引弧熔炼。

25、在上述技术方案中，每次所述引弧熔炼的熔炼时间分别为1.0-2.0 min，且除首次引弧熔炼和末次引弧熔炼外，所述金属原料的引弧熔炼还包括对熔体进行磁力搅拌。

26、进一步地，在上述技术方案中，每次所述引弧熔炼的熔炼时间分别为1.0-2.0min，且除首次引弧熔炼和末次引弧熔炼外，所述金属原料的引弧熔炼还包括对熔体进行磁力搅拌。

27、具体地，在上述技术方案中，所述引弧熔炼的熔炼电压和熔炼电流分别为10-15v和200-300 a。

28、在本发明的一个具体实施方式中，所述高耐蚀的负焓高锰不锈钢材料的的制备方法，具体包括以下步骤：

29、s1、分别将各种（fe、mn、al、cr、mo、si和c）高纯（纯度均大于99.9%）金属原料颗粒置于超声清洗机清洗两遍，随后按组分比例将其按质量百分比进行精确称量配比，按熔点从低到高的顺序依次放入水冷金属坩埚中，熔点最低的元素放在底层，熔点最高的放在顶层，同时，在中间铜模位置处放入海绵钛；

30、s2、关闭电弧熔炼炉炉门，打开循环水，打开机械泵，进行抽真空，待真空度低于5pa时，打开分子泵进行进一步抽真空，当真空度至4*10-4-7.0*10-4 pa时，通入高纯氩气（纯度为99.99%，压强约为0.05mpa）作为保护气，在高纯氩气氛围下进行引弧，将海绵钛熔炼2次，吸收炉内残余氧气，最后，再打开机械泵，进行抽真空，待真空度低于5 pa时，打开分子泵进行进一步抽真空，当真空度至4*10-4-7.0*10-4 pa；

31、s3、首先采用大电流熔炼（熔炼电压10-15v，熔炼电流250-300 a），将全部金属颗粒融化并混合均匀，待合金纽扣铸定冷却后，通过机械手将其翻转，打开磁力搅拌，用小于第一次引弧熔炼采用的熔炼电流（熔炼电压10-15v，熔炼电流200-250 a）和与第一次引弧熔炼相同的熔炼时间依次进行第二次、第三次和第四次引弧熔炼，每一次熔炼过后需将合金纽扣铸定翻转180度，关闭磁力搅拌，进行第五次引弧熔炼（熔炼电压10-15v，熔炼电流250-300 a，熔炼时间为2 min），使其成为光滑的铸锭，并进行吸铸（为了充分熔化金属溶液）；

32、s4、待合金纽扣铸锭完全冷却后，打开炉门，取出样品即可。

33、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

34、（1）本发明提供了一种feamnbalccrdmoesifcg系列高耐蚀的负焓高锰不锈钢材料，通过调节不同密度金属元素的比例并加入超轻金属元素al以调控合金的密度，同时，si、c和al元素与基体元素fe、mn具有负混合焓，负焓合金化能够限制基体/介质界面之间的原子扩散，从而提高耐蚀性；

35、（2）本发明所提供的feamnbalccrdmoesifcg系列负焓高锰不锈钢材料通过引入cr元素，促使钢的表面形成一层致密、稳定的富铬氧化膜（主要成分是cr2o3），有效阻止氧气和腐蚀介质的进一步侵蚀，在此基础上引入mo元素，显著促进铬在钝化膜中的富集，从而进一步强化钝化膜，有助于耐蚀性能提高；

36、（3）本发明所提供的feamnbalccrdmoesifcg系列负焓高锰不锈钢材料具有兼具低密度和高耐蚀性协同效果，密度为6.5-6.7 g/cm3，腐蚀电位在-0.28 v与-0.2 v之间，点蚀电位在-0.09 v与-0.02 v之间，耐蚀性达到商业304不锈钢等级。