球墨鑄鐵防銹處理的研究

張沁媛 楊威 朱瑩瑩 羅威

Research on the Antirust Treatment of Nodular Cast Iron

ZHANG Qin-yuan， YANG Wei， ZHU Ying-ying， LUO Wei

（School of Physics and Electronic Engineering， Jiaying University， Meizhou 514015， China）

【摘? 要】論文對金屬生銹的機理和種類、球墨鑄鐵的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)以及金屬的防銹方法進(jìn)行了研究。論文提出了對球墨鑄鐵進(jìn)行植物油鍍膜、紫膠鍍膜和加鎳處理這三種防銹處理方法，并對前兩種方法進(jìn)行了試驗，處理得到的球墨鑄鐵都具有一定的防銹性能。應(yīng)用這三種方法不僅能夠達(dá)到防銹的效果，而且安全無毒，適用于對生活用品和廚房器具的防銹處理。

【Abstract】The paper studies the mechanism and types of metal rust， the chemical composition and structure of nodular cast iron， and the metal antirust methods. The paper puts forward three antirust treatment methods for nodular cast iron： vegetable oil coating， shellac coating and adding nickel treatment. The paper tests the first two methods， and the nodular cast iron obtained by the treatment has certain antirust performance. The application of these three methods can not only achieve the antirust effect， but also is safe and non-toxic， and is suitable for the antirust treatment of daily necessities and kitchen utensils.

【關(guān)鍵詞】球墨鑄鐵;生銹;防銹處理;方法;試驗

【Keywords】nodular cast iron; rust; antirust treatment; methods; test

【中圖分類號】TB331? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）05-0194-03

1 引言

金屬生銹是指金屬處于潮濕空氣或水中時，表面被氧化而生成一層化合物。生銹本質(zhì)上是金屬的氧化反應(yīng)。當(dāng)金屬生銹后，它的機械性能和外觀都會受到一定的影響，金屬器件遭到破壞，這種情況增加了保養(yǎng)和維修機械設(shè)備的費用，導(dǎo)致經(jīng)濟損失，甚至還可能出現(xiàn)安全事故[1]。球墨鑄鐵是一種具有優(yōu)良性能的鑄鐵材料，其強度較高，并且耐磨性能好，摩擦系數(shù)小，不含對身體有害的化學(xué)元素，廣泛應(yīng)用于機械制造、化工、冶金、造船和國防等領(lǐng)域[2]，也可用于制作烹飪器具。但是球墨鑄鐵的化學(xué)性質(zhì)較活潑，遇水和空氣后易生銹，為機械和球墨鑄鐵烹具的使用和維護(hù)帶來了不便。對球墨鑄鐵進(jìn)行防銹處理能夠解決球墨鑄鐵生銹帶來的設(shè)備維修與保護(hù)的費用增加等問題，為鑄鐵鍋具的使用和清洗帶來便利，因此，對球墨鑄鐵防銹處理方法的研究具有廣闊的發(fā)展前景。

目前，對球墨鑄鐵進(jìn)行防銹處理的方法主要有軟氮化、磷化等處理方式[3]。但經(jīng)過這些方法處理過的球墨鑄鐵含有對人體有害的化學(xué)元素，不適合用于生產(chǎn)生活用品和廚房用具。本文所探討的三種球墨鑄鐵防銹處理方法分別為植物油鍍膜、紫膠鍍膜和加鎳處理。這三種防銹方法安全無污染，處理得到的球墨鑄鐵可用于生產(chǎn)不粘鍋具，不會危害人體健康。

2 球墨鑄鐵的特性

影響金屬生銹的主要因素包括金屬自身的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)。本文研究的金屬材料為QT500-7球墨鑄鐵，它是一種高強度的鑄鐵材料。表1為QT500-7球墨鑄鐵的化學(xué)成分。球墨鑄鐵的碳是以球狀石墨的形式存在于組織中的。它的制作工藝是在澆注前，向鐵液中添加少量的孕育劑和球化劑，當(dāng)鐵液凝固后在鑄鐵組織中就形成了球狀石墨[4]。

3 利用球墨鑄鐵制造鍋具的優(yōu)勢

表2[5]為QT500-7球墨鑄鐵的力學(xué)性能。它的硬度高、耐磨性強、不含對人體有害的化學(xué)成分，適用于制作烹飪器具。并且球墨鑄鐵的摩擦系數(shù)小，能達(dá)到較好的不粘效果，用它制成的不粘烹具具有無涂層而不粘、易清洗、安全、耐用的優(yōu)點。

4 球墨鑄鐵氧化的機制

4.1 金屬生銹的機理和種類

生銹是金屬與周圍環(huán)境中的水和氧發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的破壞[6]。生銹分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩類?；瘜W(xué)腐蝕指的是金屬在空氣中與氧直接發(fā)生氧化反應(yīng)，在金屬表面上生成金屬氧化物而被損耗的過程。電化學(xué)腐蝕是指金屬和電解質(zhì)溶液之間發(fā)生了原電池作用而引起的生銹。金屬器件遭到破壞的主要形式就是電化學(xué)腐蝕[7]。

4.2 金屬材料的防銹處理方法

①改善金屬的儲存環(huán)境：儲藏金屬的環(huán)境應(yīng)該滿足干燥、相對濕度較低等條件。禁止將金屬物品與含水量較高的物品共同儲存，避免物體之間相互影響導(dǎo)致金屬生銹。此外，要注意保持儲藏環(huán)境的清潔。②保護(hù)層法：第一，在金屬表面覆蓋油漆、琺瑯、塑料、植物油、防銹油等抗氧化的非金屬材料;第二，運用熱鍍、電鍍等措施，在金屬外部鍍上一層不易被腐蝕的金屬，例如，鎳;第三，利用化學(xué)方法使得鋼鐵表面生成一層致密的保護(hù)膜，隔絕外部的水和氧氣，從而達(dá)到防銹效果。③對腐蝕介質(zhì)進(jìn)行處理：消除機器中的腐蝕介質(zhì)，例如，在金屬器件中放置干燥劑或緩蝕劑等。④氣體防銹：使化學(xué)藥品揮發(fā)并吸附或沉積在金屬的表面，從而減輕金屬的生銹。⑤電化學(xué)保護(hù)法：依據(jù)電化學(xué)原理對金屬采取措施，將被保護(hù)的金屬作為腐蝕電池的陰極，從而達(dá)到防止金屬生銹的效果。主要有兩種方法，分別是外加電流保護(hù)法和犧牲陽極的陰極保護(hù)法。⑥改變金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：制造防生銹的合金，例如，在普通鋼鐵中加入鉻、鎳等元素制成不銹鋼。

4.3 球墨鑄鐵生銹的表現(xiàn)和影響

圖1和圖2為球墨鑄鐵生銹前后的圖片。鐵銹呈棕黃色，生銹之后球墨鑄鐵的不粘性能減弱。使用生銹的鑄鐵鍋烹飪會發(fā)生粘鍋的現(xiàn)象，對鍋具的清洗造成不便。并且使用生銹的鍋具進(jìn)行烹飪，會對人體健康造成不利影響。

5 球墨鑄鐵烹具的食用安全性

鑄鐵是制作鍋具時常用的材料。用球墨鑄鐵制作的鍋具具有無涂層而不粘的優(yōu)點，但生銹會影響這種不粘性能，導(dǎo)致烹飪時出現(xiàn)粘鍋的問題。更嚴(yán)重的是，如果不及時清除鐵銹，烹飪時鐵銹可能會進(jìn)入食物，并隨著食物進(jìn)入人體。攝入過量的鐵銹會刺激人體的胃腸道和消化道，容易導(dǎo)致消化不良、腹痛、消化道出血等后果，對人體健康造成嚴(yán)重危害。因此，對球墨鑄鐵烹具進(jìn)行防銹處理，可以避免鐵銹對人體的傷害，有利于保護(hù)人們的身體健康。

6 球墨鑄鐵防銹處理的方法

6.1 植物油鍍膜

要防止金屬生銹，可以對金屬表面進(jìn)行處理，使金屬與外界環(huán)境中的水和氧氣相隔絕。常用的表面防銹處理方法有涂覆防銹油、電鍍，等等，但這些防銹方法會使金屬材料帶上有毒物質(zhì)。如果使用食用油對球墨鑄鐵表面進(jìn)行鍍膜處理，得到的金屬材料不含對人體有害的化學(xué)物質(zhì)，安全無污染，可用于制造廚房用具，保護(hù)人體健康。

食用油分為植物油和動物油兩種。這兩種食用油有如下區(qū)別：在含量上，植物油含有較多的不飽和脂肪酸，而動物油含有較多的飽和脂肪酸和膽固醇，醫(yī)學(xué)研究表明，食用過多的飽和脂肪酸，容易引起高血壓、冠心病等心血管疾病;在人體的吸收上，和植物油相比，動物油更難消化、更難吸收。綜合考慮，利用植物油對球墨鑄鐵進(jìn)行鍍膜處理是更優(yōu)的選擇。

6.1.1 試驗方案

①油膜附著：首先對球墨鑄鐵進(jìn)行清潔打磨，然后將金屬材料表面分為兩個區(qū)域，一半（右邊）涂覆適量的植物油并使其分布均勻，另一半（左邊）不作任何處理。涂油后的球墨鑄鐵如圖3所示。

②熱處理：熱處理分為三個階段，包括低溫烘烤階段、高溫加熱階段和降溫處理階段。在涂覆了植物油之后，首先以80℃的溫度對金屬進(jìn)行加熱處理，當(dāng)油膜完全干燥后，再使球墨鑄鐵的表面全部沾上水，并用100℃的溫度加熱球墨鑄鐵，觀察有油膜和無油膜的金屬材料的變化情況，最后對金屬進(jìn)行降溫處理。

6.1.2 試驗結(jié)果與討論

當(dāng)溫度升高到150℃左右時，會形成一層致密穩(wěn)定的棕黃色油膜。在高溫加熱階段，有油膜的金屬沒有生銹，而沒有油膜的金屬迅速出現(xiàn)銹跡，如圖4所示。這是因為植物油將球墨鑄鐵與周圍介質(zhì)分隔開，使得金屬不會與氧發(fā)生氧化反應(yīng)而引起生銹。由此可見，用植物油對球墨鑄鐵表面進(jìn)行防銹處理能夠達(dá)到較好的防生銹、抗氧化的功效，增強鑄鐵烹具的適用性。

6.2 紫膠鍍膜

紫膠是紫膠蟲吸食寄主樹木的汁液后分泌出的一種多功能的天然樹脂。紫膠的主要成分是紫膠樹脂。紫膠樹脂具有防腐蝕、防潮、耐磨等優(yōu)良性能。因此，在球墨鑄鐵表面覆蓋紫膠，可以有效地防止金屬生銹，保護(hù)內(nèi)部金屬不受磨損。紫膠無毒，無刺激性，被廣泛應(yīng)用于食品和醫(yī)藥行業(yè)。因此，將紫膠涂覆在烹飪用具表面，不但可以防銹，而且不會對人體健康造成傷害。從發(fā)展趨勢上講，紫膠是可再生資源，用途廣泛，使用安全。并且我國的天然紫膠資源較豐富，因此，利用紫膠防銹的方法具有較好的發(fā)展前景[8]。

6.2.1 試驗方案

①油膜附著：首先用砂紙對金屬材料進(jìn)行打磨，去除表面的鐵銹。然后將球墨鑄鐵表面分為兩個區(qū)域，一半（右邊）均勻地涂抹適量的紫膠液，另一半（左邊）不作處理。覆蓋紫膠液后的球墨鑄鐵如圖5所示。

②熱處理：在覆蓋了紫膠液之后，首先以80℃的溫度對球墨鑄鐵進(jìn)行加熱處理，當(dāng)紫膠液完全干燥后，形成了紫膠保護(hù)膜。然后沖洗金屬表面，不需擦干金屬材料上的水分，繼續(xù)用100℃的溫度加熱球墨鑄鐵，觀察有膜和無膜的金屬的變化情況。

6.2.2 試驗結(jié)果與討論

當(dāng)溫度升高到102℃左右時，會形成一層紫膠保護(hù)膜。繼續(xù)加熱，有紫膠膜的一半沒有生銹，而無膜的一側(cè)出現(xiàn)了生銹的情況，如圖6所示。因此，用紫膠液對球墨鑄鐵進(jìn)行鍍膜處理能夠達(dá)到良好的防銹效果，而且紫膠膜能夠延長鍋具的使用壽命，使鍋具具有耐磨性強、健康環(huán)保的優(yōu)點。

6.3 加鎳處理

金屬材料的防銹處理方法，除了對表面進(jìn)行處理外，還可以采用改變金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法。常用的方法是在金屬材料內(nèi)部加入適量的鉻、鎳等元素，將其制成不易生銹的合金。在普通鋼鐵中加鎳可以制成不銹鋼，這是因為鎳在空氣中會形成致密的氧化層，該氧化層能夠隔絕金屬內(nèi)部，使之不再繼續(xù)氧化，從而增強了金屬的耐腐蝕性能。并且，將鎳與鉻共同加入金屬材料中，可以改變金屬的晶體結(jié)構(gòu)，形成奧氏體晶體結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化不銹鋼的防銹性能。

因此，可以利用澆注的方法在球墨鑄鐵中添加鎳元素。具體工藝是把熔融的球墨鑄鐵注入模具，在熔融金屬中加入適量鎳元素，最后將金屬部件凝固成型，從而改變了鑄鐵材料的組織結(jié)構(gòu)，增強了耐腐蝕的性能。在加鎳的過程中，需要控制好鎳的含量，使之既能達(dá)到防銹效果，又不會產(chǎn)生毒性。經(jīng)過這種方法處理后的球墨鑄鐵可以用于烹飪用具的制作。

7 結(jié)語

通過植物油鍍膜、紫膠鍍膜和加鎳處理這三種方法，可以增強球墨鑄鐵的防銹性能。植物油鍍膜是將金屬與外部環(huán)境相隔絕，該方法能使球墨鑄鐵與水和氧氣隔開，不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致生銹。紫膠鍍膜是利用了紫膠本身優(yōu)越的防潮和防腐性能，紫膠無毒且能夠保護(hù)球墨鑄鐵不被磨損。加鎳處理是從根本上改變金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使之具有較強的防銹性能，并且能夠優(yōu)化球墨鑄鐵的耐磨性和韌性等力學(xué)性能?？傮w而言，這三種方法都具有防銹效果較好、安全無污染、操作方便等特點。

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