稀土、銅、硅對高硅耐酸鑄鐵鐵耐酸性和機械性能的影響

周樹揚

(溫嶺市聯(lián)星機械有限公司，浙江 溫嶺 317500)

1 引言

高硅耐酸鑄鐵有著良好的鐵耐酸性能，是一種性能卓越的鑄造合金，它主要具有強耐腐蝕性、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品化簡單、節(jié)省稀缺金屬使用等優(yōu)點，在承受強腐蝕性環(huán)境相接處的部件的應用中性能顯著。然而，高硅耐酸鑄鐵也存在著一些固有的缺點，主要表現(xiàn)在其韌性較差、熱導率低、硬度過大等缺點，這些缺點很容易造成在高硅耐酸鑄鐵的生產(chǎn)以及后期的使用過程中發(fā)生機械性能改變、折斷等問題，而且難以承受高溫和高壓的環(huán)境。這些問題的出現(xiàn)也給高硅耐酸鑄鐵的研究帶來了新的挑戰(zhàn)，而且根據(jù)有關(guān)的先期研究表面，一旦這些因素得到克服，高硅耐酸鑄鐵在工程中的應用將會大幅度提升，這將會產(chǎn)生非?？捎^的市場需求。

2 實驗方案

高硅耐酸鑄鐵的硅元素含量大約在10%－17%，碳元素含量大約在0.5%－1.2%，而目前采用的方案硅含量大多是14.5%，在這個硅含量的高硅耐酸鑄鐵有著很強的鐵耐酸性能，但是其機械強度卻不令人滿意。在本次研究中，采用的方式是將現(xiàn)有高硅耐酸鑄鐵的硅含量調(diào)低，并且在其中適當?shù)募尤胍欢康你~以及稀土，在保證其原有的耐酸性的同時，改善高硅耐酸鑄鐵的機械性能。

采用正交設(shè)計L16(4)進行實驗，以降低實驗的操作復雜性，同時又能很好的保證實驗結(jié)果的可靠性和真實性。并且通過高溫爐進行熔煉(高溫爐的主要材料是一些廢舊的鐵、鋼、硅鐵等)，在進行熔煉操作時，首先需要加入廢棄的鋼，并且在后續(xù)逐步加入鐵和硅鐵，將鐵水的溫度升至1450℃ －1500℃，然后在高溫爐中加進金屬銅進行合金化的處理，待所有的工序完成后就可以進行出爐的澆注流程。而且需要在澆注之前在澆包內(nèi)加入適量的稀土鈣鋇和釩等進行綜合的處理，保持澆注操作時的溫度維持在1250℃。采用的是便攜式的溫度計對鐵水的溫度進行測試，一次完成流程中的各道工序。

3 實驗結(jié)果及其分析

根據(jù)實驗得到的數(shù)據(jù)，對其進行綜合的處理和后續(xù)的分析，結(jié)果如下:

3.1 對機械性能的影響

(1)Si含量對于機械性能的影響

通過對實驗數(shù)據(jù)的比較分析可以看出，高硅耐酸鑄鐵具有較差的機械性能，根據(jù)有關(guān)原理進行分析可知，這是由于在高硅耐酸鑄鐵中，a晶體中的鐵原子被一定量的硅原子所替代，而且由于通常的硅原子的晶體參數(shù)和鐵原子的相比較大，這也就造成了硅的晶格發(fā)生了一定程度的改變，直接導致了高硅耐酸鑄鐵中內(nèi)應力的出現(xiàn)，造成硅原子的固溶發(fā)生了變化，較以前有所增強。并且根據(jù)試驗數(shù)據(jù)的分析可知，隨著硅的含量的不斷升高，高硅耐酸鑄鐵的機械性能會隨之發(fā)生變化，在此表現(xiàn)的是隨著硅含量的升高，其機械性能降低。

(2)Cu含量對于機械性能的影響

通過對實驗數(shù)據(jù)的分析可知，銅的加入對于機械性能的改善是有好處的，但是銅對高硅耐酸鑄鐵的影響是有限的，只是在一定范圍內(nèi)起作用，當實驗其他兩個變量改變較大時可以發(fā)現(xiàn)，銅的含量對于機械性能的影響遠遠沒有硅和稀土對于高硅耐酸鑄鐵的影響大，這也就說明銅對于高硅耐酸鑄鐵的影響在硅、銅、稀土中居于次要的地位。分析其作用原理可知，主要是在高硅耐酸鑄鐵中加入大量的銅后，會導致高硅耐酸鑄鐵機械性能下降。因為在常溫下，α晶體中的銅只有0.2%的溶解度，當銅的量嚴重超出后就會發(fā)生嚴重的銅偏析現(xiàn)象。

其中銅對于高硅耐酸鑄鐵的機械性能的影響主要體現(xiàn)在對于其硬度、抗拉強度、抗彎強度的影響。實驗數(shù)據(jù)顯示在實驗的高硅耐酸鑄鐵厚度基本相同時，銅對于高硅耐酸鑄鐵的硬度影響較小，并且在高硅耐鑄鐵中銅的含量超過2%后，會導致高硅耐鑄鐵的機械硬度發(fā)生明顯的改變，強度變差，并且隨著高硅耐鑄鐵中銅的含量的升高，在達到約6%時，高硅耐鑄鐵的機械強度達到最低值，這也就可以得出銅的含量能夠降低機械強度;隨著銅含量的升高，高硅耐鑄鐵的抗拉和抗彎能力也出現(xiàn)明顯的變化，實驗數(shù)據(jù)表面，在含量逼近5%時，其抗拉和抗壓性能變化較為明顯，但是當銅的含量超過5%繼續(xù)升高時，高硅耐鑄鐵的機械性能會出現(xiàn)下降的趨勢，但是其機械性能依然處于較高的水平。分析其機械性能下降的原因可能是由于過快的冷卻速度導致的

(3)稀土含量對于機械性能的影響

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的分析可知，稀土的加入可以大幅度的改善高硅耐酸鑄鐵的機械性能，下面對其主要原因進行分析。稀土對于高硅耐酸鑄鐵機械性能的改善主要是由于稀土具有能夠改變非金屬物質(zhì)的物理性質(zhì)，使非金屬夾雜物變得更加細小，并且其內(nèi)部的物質(zhì)分布呈現(xiàn)出球狀的分布趨勢;在其中加入大量凈化作用的鐵水，根據(jù)稀土的化學性質(zhì)，在300℃時，稀土會與氫形成三價的化合物，并且其產(chǎn)生的化合熱量要比原先的金屬化合物的熱量高出數(shù)倍，這些高熔點的稀土化合物在進入熔渣后會存在于鐵水的表面，并且極易被排除。

3.2 對耐腐蝕能力的影響

采用的是重量法的測試方法對高硅耐酸鑄鐵的腐蝕速度進行測試，通過實驗數(shù)據(jù)分析，在高硅耐酸鑄鐵中硅、銅、稀土的含量增加時，高硅耐酸鑄鐵的耐腐蝕性能出現(xiàn)顯著的增強。

(1)Si含量對于耐腐蝕性能的影響

硅含量的多少直接決定著高硅耐酸鑄鐵的耐酸性能，是影響其耐酸性的主要因素，這主要是由于硅在一方面可以增加高硅耐酸鑄鐵電極的電位，造成原電池的電位差降低，并且能夠在高硅耐酸鑄鐵的表層產(chǎn)生一層密度較大的保護層，這個保護層對于增加高硅耐酸鑄鐵的抗腐蝕能力具有重要的作用，它能夠有效的抗擊腐蝕性材質(zhì)對于鑄鐵的腐蝕，從而起到增強高硅耐酸鑄鐵耐腐蝕性能，保護高硅耐酸鑄鐵的效果。而且，在高硅耐酸鑄鐵中硅的含量降低時，則出現(xiàn)與以上相反的效果，高硅耐酸鑄鐵的耐腐蝕性會明顯的降低。

(2)Cu含量對于耐腐蝕性能的影響

在高硅耐酸鑄鐵中加入銅能夠有效的提高其抗腐蝕性能，減緩腐蝕的速度，這主要是由于銅的加入會導致晶界處出現(xiàn)銅的集中化，并且大量的銅聚集會直接導致在陽極出現(xiàn)鈍化的現(xiàn)象，這會直接改變高硅耐酸鑄鐵的耐酸性能。銅的大量富集會在銅和氧化層之間形成一個起到隔斷作用的氧化層，這個氧化層的出現(xiàn)能夠顯著的改善高硅耐酸鑄鐵的耐腐蝕性能，有效的降低酸性物質(zhì)腐蝕的速度，起到隔斷氧化的作用。

(3)稀土含量對于耐腐蝕性能的影響

在高硅耐酸鑄鐵中加入一定量的的稀土時，會造成陽極具有較差的極化性能，這主要是由于在酸性物質(zhì)的腐蝕過程中產(chǎn)生的一些硫化物和陽極的金屬離子發(fā)生反應。在金屬元素的較強的脫硫性能作用下，會大幅度的降低含硫化合物的危害，起到保護環(huán)境的作用。并且稀土的含量增加時，會使得高硅耐酸鑄鐵中的晶粒形勢得到明顯的增強，同時能夠起到較強的除氣效果，這些都能夠顯著的抑制腐蝕性物質(zhì)對于高硅耐酸鑄鐵的腐蝕作用，降低物質(zhì)中原電池的數(shù)目，顯著增強高硅耐酸鑄鐵的耐腐蝕性能。

4 結(jié)束語

高硅耐酸鑄鐵已經(jīng)有了一定的時間積累，并且隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，高硅耐酸鑄鐵制造技術(shù)也越來越先進。通過本文對硅、銅、稀土對于高硅耐酸鑄鐵機械性能和抗腐蝕性能影響的研究，可以得出一個主要結(jié)論:硅、稀土對于高硅耐酸鑄鐵的性能影響較銅強。在通過對實驗數(shù)據(jù)的綜合分析后，可以發(fā)現(xiàn)在對各種因素綜合考慮的基礎(chǔ)上，高硅耐酸鑄鐵的最佳成分比例應該是硅、銅、稀土的含量依次是:23.5%、23%、7.6%，在此配比下，高硅耐酸鑄鐵具有較強的機械性能和耐腐蝕性能。

［1］陳國香，肖軍民.改善高硅鑄鐵的性能［J］.化工機械，2002年2月.

［2］朱先勇，劉耀輝，張英波，宋雨來，于思榮.新型鑄態(tài)高強度珠光體球墨鑄鐵的研究［J］.材料熱處理學報.2007 (02)

［3］龍文元，程國香.改善高硅耐酸鑄鐵機械性能的研究.南昌航空工業(yè)學院學報，1999

［4］陳國香，詹多產(chǎn)，彭玲.銅對高硅鑄鐵組織和性能的影響.南昌大學學報(工科版).1999