硅含量對球墨鑄鐵耐蝕性能的影響

藍敏俐

(福建船政交通職業(yè)學院 機械工程系，福建 福州 350007)

0 引言

水溶液是一種弱電解質(zhì)的液體，具有一定的腐蝕能力。如海水中存在著大量的Mg2+、Ca2+、OH－、Cl－等，各種金屬在海水中遭受腐蝕的主要原因是高濃度Cl－的存在。由于這些Cl－的存在，使得球墨鑄鐵難以鈍化。當金屬周圍存在電解質(zhì)，則具有電極電位差的Fe 和石墨組成微電池，就會發(fā)生氧化還原反應。影響球墨鑄鐵耐蝕性能的因素包括C、Mn、P 和S 等元素，但是在常規(guī)含量范圍內(nèi)，它們對球墨鑄鐵耐蝕性的影響不明顯。而Si 元素不同，它能夠固溶于鐵素體中，形成單一的固溶體，提高鐵素體的電極電位，降低鐵素體與石墨之間的電位差，從而提高球墨鑄鐵的耐蝕性能［1］。

1 球墨鑄鐵的腐蝕實驗

本次試驗選用4 種試樣，Si 元素含量分別為1．58%、1．78%、1．96%、2．10%的球墨鑄鐵。用3．5%NaCl溶液全浸腐蝕試驗，利用線切割將不同Si 含量的球墨鑄鐵試樣加工成10mm×10mm×10mm 的小樣，模擬靜態(tài)海水全浸試驗，觀察不同Si 含量的球墨鑄鐵試樣經(jīng)過3．5%NaCl 溶液腐蝕過程中的組織變化，并測定其腐蝕速率。首先，打磨各球墨鑄鐵試樣，用水沖洗干凈并拋光，清洗后再用丙酮和酒精的混合溶液洗滌并烘干，然后稱重，即為腐蝕前球墨鑄鐵試樣的重量，并測量尺寸，計算表面積。使用的腐蝕液為濃度3．5%的NaCl 溶液，將處理好的試樣放入溶液中。腐蝕試驗結束后，用丙酮和酒精進行超聲波清洗并烘干，稱取試樣質(zhì)量，計算試樣的腐蝕速率，如式(1)。

式(1)中，v失——試樣的腐蝕速度，單位為g/m2·h;m0——試樣腐蝕前的質(zhì)量，單位為g;m1——試樣腐蝕后的質(zhì)量，單位為g;S——試樣的表面積，單位為m2;t——試樣腐蝕時間，單位為h。

2 球墨鑄鐵的腐蝕實驗試樣形貌分析

觀察球鐵試驗腐蝕前后的試樣外觀，腐蝕前的試樣表面具有明顯金屬光澤，而試樣經(jīng)NaCl 溶液腐蝕3d 后，其表面金屬失去光澤，呈現(xiàn)紅褐色的鐵銹。9d 后，試樣表面出現(xiàn)腐蝕小凹坑。15d 后，凹坑加深，隨著試樣被腐蝕時間的延長，試樣表面的腐蝕程度不斷加重。30d 后，試樣被均勻腐蝕，得出重量損失如表1。進而觀察試樣的微觀形貌，最早的腐蝕發(fā)生在鐵素體－石墨界面、鐵素體基體的晶界處，因為球墨鑄鐵的化學成分不均勻，使石墨和鐵素體存在電極電位差，形成微電池，從而造成石墨－鐵素體界面處的腐蝕，鐵素體晶界處格晶畸變大，晶界處能量較高，原子排列混亂，導致晶粒與晶界間存在著電位差。鐵素體晶界組分在NaCl 溶液中的溶解速率遠高于鐵素體的溶解速率，因此鐵素體晶界處易較先被腐蝕。根據(jù)鑄鐵腐蝕標準，當腐蝕速率＜0．1 g/m2·h，試樣耐蝕等級屬于1 級，耐蝕程度好。從表1 中試樣的腐蝕速率來看，均小于0．1g/m2·h，得出4 個試樣屬于腐蝕標準中的1 級耐蝕，耐蝕程度為完全穩(wěn)定，因此，4 個試樣均具有較好的耐腐蝕性能。

表1 試樣的腐蝕結果(3．5%NaCl 溶液)

圖1 所示為試樣硅含量與腐蝕速率的關系，從圖中可見，試樣的腐蝕速率隨著硅含量的增加而逐漸降低，因此得出，隨著硅含量的增加，球鐵的耐腐蝕性能逐漸增強。其原因是因為試樣的顯微組織中只存在鐵素體和石墨，因為鐵素體和石墨間存在電極電位差，才會產(chǎn)生金屬的腐蝕現(xiàn)象，而硅的加入，能固溶于鐵素體中，使鐵素體的電極電位顯著提高，從而減小了鐵素體與石墨間的電極電位差，因此硅的加入能降低材料的腐蝕速率［2］。

3 球墨鑄鐵中不同硅含量對耐腐蝕性能的影響分析

通過對4 個不同Si 含量的球墨鑄鐵耐蝕試驗得到實驗數(shù)據(jù)，分析了Si 元素含量的不同對鑄鐵的耐蝕性能存在的差異，得到以下結論:(1)為了提高球墨鑄鐵的耐蝕性，應從組織成分的選擇、基體組織的組成、石墨球的大小及數(shù)量等方面加以考慮。鑄鐵的五大元素中除Si 元素外，C、Mn、P 和S等元素在常規(guī)范圍內(nèi)對球鐵的耐蝕性能沒有明顯影響，而Si元素的影響較明顯。這是因為Si 能固溶于鐵素體中形成單一相固溶體，使基體電極電位升高，降低了與石墨間的電極電位差，從而提高了耐蝕性能。(2)試樣在3．5%NaCl 溶液的腐蝕過程中，作為低溫高韌性球墨鑄鐵，石墨球并不會被NaCl 溶液所腐蝕，而在鐵素體基體晶界以及石墨與鐵素體界面處最先發(fā)生腐蝕。球墨鑄鐵常見基體組織有鐵素體、珠光體、鐵素體+珠光體、奧氏體、石墨和少量滲碳體等，而珠光體又是鐵素體和滲碳體的混合物。在這些相中，主要都是由石墨、鐵素體、滲碳體、奧氏體這幾個基本相組合而成。其中石墨的電極電位值最高，為+3．7V;鐵素體的電極電位值最低，為－4．4V;而奧氏體和滲碳體的電極電位值在這兩者之間。只要兩相間電極電位差的存在，就可以形成原電池，電極電位高的為陰極，電位低的為陽極，這兩極的電位差就是原電池的電動勢。因為石墨與鐵素體間的電極電位差最大，因此在鐵素體基體晶界以及石墨與鐵素體界面處最先發(fā)生腐蝕，且表面積越大，電位差越大，腐蝕速度越快［3］。(3)球墨鑄鐵中隨著含Si 量的增加，試樣的腐蝕速率逐漸降低;4個試樣的腐蝕速率均小于0．1g/m2·h，均屬于1 級耐蝕，耐蝕性能良好。但是Si 含量不能過高，否則會使鑄鐵脆性增加，厚大件還易產(chǎn)生石墨漂浮現(xiàn)象。

4 結語

球墨鑄鐵在弱腐蝕性介質(zhì)中使用時，需要一定的耐蝕性能，要提高球墨鑄鐵的耐蝕性能，C、Mn、P 和S 等元素在常規(guī)含量范圍內(nèi)，隨著球墨鑄鐵中Si 含量的逐漸增加，使陽極基體與陰極的電極電位差減小，腐蝕電流降低，材料的耐蝕性能不斷提高。但是Si 含量不能過高，否則會使鑄鐵脆性增加。

［1］師素粉，夏蘭廷，李宏．鑄鐵材料在水環(huán)境中的腐蝕研究現(xiàn)狀［J］．全面腐蝕控制，2009，23(2) :7～11．

［2］肖志云，等．鎳和硅對低溫高韌性球墨鑄鐵耐蝕性能的影響［J］．鑄造，2011，(9) :836～840．

［3］潘鶴斌，孔小東，蘇小紅．兩種鑄鐵的耐蝕性比較［J］．裝備環(huán)境工程，2014，(3) :20～24．