耐燒堿蝕合金鑄鐵的研發(fā)

摘要：本課題針對(duì)制燒堿工業(yè)中設(shè)備的腐蝕問(wèn)題，研制出不同稀土含量、不同鎳含量的稀土Ni-Cr-Cu合金鑄鐵，采用光學(xué)顯微鏡觀察材料的顯微組織；用失重法測(cè)定各合金鑄鐵在動(dòng)態(tài)、高濃度下的堿腐蝕速率；采用S-3400N型掃描電鏡觀察，對(duì)其耐堿腐蝕性能進(jìn)行評(píng)價(jià)進(jìn)而討論稀土Ni-Cr-Cu合金鑄鐵在燒堿液中的耐堿腐蝕機(jī)理。結(jié)果表明：隨著鎳含量的增加，合金鑄鐵的耐蝕性能增加；適量稀土元素可以改善鑄鐵中石墨和碳化物的形態(tài)、分布，使石墨球化、碳化物彌散分布。

關(guān)鍵詞：稀土；Ni-Cr-Cu合金鑄鐵；顯微組織；金屬堿腐蝕

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）32-0094-03

一、引言

內(nèi)蒙古自治區(qū)天然堿儲(chǔ)量豐富，但在燒堿生產(chǎn)制造中設(shè)備的腐蝕問(wèn)題嚴(yán)重[1]，局限了制堿工業(yè)的發(fā)展。本課題研究的合金鑄鐵是一種比較耐堿蝕的合金鑄鐵材料[2]。文獻(xiàn)[3]提出：當(dāng)合金鑄鐵中加入適量的稀土和鎳元素的含量時(shí)，合金鑄鐵的耐蝕性將提高。同時(shí)，結(jié)合內(nèi)蒙古包頭市稀土資源豐富的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)新型稀土合金鑄鐵，服務(wù)于我區(qū)的工業(yè)發(fā)展，為地方經(jīng)濟(jì)的騰飛做出貢獻(xiàn)。

二、試驗(yàn)材料及方法

1.試驗(yàn)材料的成分設(shè)計(jì)及編號(hào)、化學(xué)成分。表1稀土Ni-Cr-Cu合金鑄鐵編號(hào)及化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%），其中C=3.0%，Si=2.0%，Mn=0.6%，S<0.05%，P<0.11%，Cr=1.5%，Cu=5%。

2.試驗(yàn)介質(zhì)及實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

3.試件顯微組織觀察儀器。利用蔡氏顯微鏡對(duì)試樣石墨形態(tài)和金相組織進(jìn)行觀察。

三、試驗(yàn)結(jié)果及分析

1.稀土對(duì)Ni-Cr-Cu合金鑄鐵石墨形態(tài)和顯微組織的影響。本實(shí)驗(yàn)是在鉻、銅含量不變的基礎(chǔ)上，鎳質(zhì)量百分含量分別為3%、4%、5%的基礎(chǔ)上加入了不同含量的稀土?；w組織均為鐵素體+滲碳體+珠光體的組織。由圖1可以看出：RZ1、RZ5、RZ9中未加入稀土，石墨的形貌為片狀，加入稀土后向球狀發(fā)生了轉(zhuǎn)變，并且其球尺寸隨稀土含量的增加逐漸變小，如RZ2、RZ3、RZ6、RZ7、RZ10、RZ11圖所示，然而當(dāng)加入過(guò)量的稀土后，如圖RZ4、RZ8、RZ12所示，石墨尺寸加大，球化程度降低，又有向蠕蟲(chóng)狀轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。

稀土的球化作用[4]是由于：石墨為密排六方晶體，在合金鑄鐵中的生長(zhǎng)方式與在不同晶面上原子間距及結(jié)合能的大小有關(guān)。在晶面（0001）上原子結(jié)合能為100～120K Cal/mol，從熱力學(xué)上講，碳原子更容易吸附在界面能較低的晶面上，向球墨生成的方向發(fā)展。但在鑄鐵中，由于含有S、O元素，S、O元素易于吸附在棱面上，使棱面界面能大大降低[5]，故普通鑄鐵中，石墨優(yōu)先在棱面上沿〈1010〉方向生長(zhǎng)，加入稀土后，由于稀土對(duì)S、O等原子的變質(zhì)作用，清除了棱面上的這些活性原子，造成石墨在棱面〈1010〉方向上長(zhǎng)大的障礙，因而增加了其在晶面上長(zhǎng)成蠕蟲(chóng)狀和球狀的趨勢(shì)。當(dāng)加入過(guò)量的稀土后，稀土這種作用減弱，因此石墨又向大尺寸的趨勢(shì)轉(zhuǎn)化。同時(shí)，稀土也是促進(jìn)白口的元素，因此隨稀土含量的增加，石墨數(shù)量減少，碳化物數(shù)量增加，可由圖1看出。

2.稀土對(duì)Ni-Cr-Cu合金鑄鐵腐蝕性能的影響。將試驗(yàn)以后的試件取出，用水清洗表面粘著的腐蝕介質(zhì)，然后置于干燥皿中高溫烘干后，采用失重法計(jì)算各試件的腐蝕速率，再評(píng)定出腐蝕等級(jí)。腐蝕速率如表3所示，可以看出：隨著鎳含量的升高，合金鑄鐵腐蝕速率降低，稀土的最佳含量為0.02%～0.05%。

3.腐蝕表面微觀形貌觀察。為了進(jìn)一步說(shuō)明稀土含量對(duì)腐蝕速度的影響，將腐蝕后的試樣清洗干凈并進(jìn)行干燥后，置于用S-3400N型掃描電子顯微鏡下觀察。圖2分別為RZ1、RZ2、RZ3、RZ4二次電子像。比較各個(gè)圖可以看出：腐蝕程度RZ4>RZ1>RZ2≈RZ3。

4.稀土作用機(jī)理探討。觀察上述試件表面腐蝕后的二次電子像可以看出：加入適量的稀土，合金鑄鐵的耐腐蝕性能提高。原因有二：（1）稀土使得石墨得以細(xì)化，溶液中原電池反應(yīng)的電極變小，進(jìn)而原電池反應(yīng)的程度降低，腐蝕程度削弱，耐蝕性能提高。（2）稀土是促進(jìn)白口的元素，促進(jìn)碳化物形成，碳化物起到骨架的作用，提高基體的抗沖刷能力，并抑制腐蝕液的進(jìn)一步侵蝕，故耐蝕性增加。

四、結(jié)論

1.合金鑄鐵中加入稀土可以改變石墨的分布形式，即從片狀石墨→蠕蟲(chóng)狀→球狀→片狀轉(zhuǎn)變。

2.合金鑄鐵中加入稀土可以改變碳化物的分布形式，即彌散狀→網(wǎng)格狀。

3.稀土加入適量可以提高合金鑄鐵的耐堿腐蝕性，其最佳為0.04%。

4.隨著鎳含量的增加，合金鑄鐵的耐燒堿腐蝕性能將進(jìn)一步增強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張占彪，高錄，于俊.鎳材質(zhì)在我廠天然堿制燒堿中的應(yīng)用[J].純堿工業(yè)，1997，（3）：55-58.

[2]沈陽(yáng)鑄造研究所.高鎳奧氏體鑄鐵耐燒堿腐蝕性能的研究[J].鑄造，1988，（6）：5-13.

[3]董俊慧，王素潔.稀土對(duì)低合金鑄鐵組織及耐堿蝕性能的影響[J].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，21（4）：246-249.

[4]朱霞，董俊慧.稀土對(duì)Ni-Cr-Cu合金鑄鐵組織及耐堿腐蝕性能的影響[J].稀土，2002，（2）：5-7.

[5]徐光憲.稀土[M].冶金工業(yè)出版社，1995：366-372.