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摘要 在烧碱行业中，使用固碱锅采用蒸发的方法由液碱制成固碱，在目前和将 来的应用都t 分广泛，固碱锅的市场前景广阔。通过研究，在不人幅度提高成 本的前提条件下，改善材料的耐腐蚀性能，提高周碱锅的使用寿命，可以提高 固碱锅制造企业的经济效益和社会效益。 本文针对烧碱行业中广泛使用的固碱锅的要求，根据铸铁腐蚀的摹本理 论，分析了固碱锅的腐蚀机理和失效形式，着重研究了提高固碱锅材料抗局部 腐蚀性能的方法和措施。根据实际生产情况，按照钠碱和钾碱的不同工作条件， 设计了实验方案。在原用l 毒碱铁的基础上，分别设计了3 种和2 种化学成分， 与原用1 # 碱铁材料进行对比试验。经过机械性能、金相组织、均匀腐蚀和抗碱 脆性能试验，分析比较其耐碱性能。通过对各种铸铁化学成分、金相组织、机 械性能和耐碱性能的分析，并部分经过实际生产运行验证，结果发现：铸铁中 石墨形态对抗全面腐蚀性能的影响不明显，但在抗碱脆性能方面影响较明显。 单一的珠光体组织铸铁的耐碱性能好于珠光体和铁素体混合相的铸铁。在钠 碱工况条件下，l # 碱铁加钾钠变质剂并孕育处理( 3 号试样) 的铸铁耐碱蚀综 合性能比l # 碱铁提高较多。由于进行了变质和孕育处理，人为加入了大量的晶 核，改善了铸铁的凝固过程。使金相组织得到了细化，提高了材料的机械性能 和耐腐蚀性能。通过变质和孕育处理，抗拉强度由2 0 7 m p a 提高到2 2 0 m p a ：石 墨大小由5 级提高到4 级；均匀腐蚀量由1 15 克片降到0 9 8 克片；耐碱脆 性能试验的水淬次数由4 7 次提高到7 8 次。在钾碱工况条件下，1 # 碱铁加 0 ，3 - 0 5 的c r ，而不加锰铁( 5 、6 号试样) 的铸铁耐碱蚀综合性能比】# 碱铁 提高较多。出于加入了合金元素c r ，细化了基体组织，稳定了珠光体相，改善 了材料的表面钝化膜性能。由于没有加入锰铁，降低了材料中的m n 元素含量， 减少了m n 元素含量在晶界处的偏析。使材料的机械性能和耐腐蚀性能都有提 高。抗拉强度由2 13 m p a 提高到2 4 6 m p a ；均匀腐蚀量由1 _ 9 7 克片降到1 4 5 克) t ：耐碱脆性能试验的水淬次数由3 3 次提高到6 0 次。这两种材料都是在 l # 碱铁的基础上进行改性处理，制造工艺简便、成本低，是值得推广应用制造 固碱锅的好材料。 关键词：固碱锅铸铁材料耐腐蚀性能 a b s t r a c t i nc a u s t i cs o d ai n d u s t r y ，p r o d u c es o l i ds o d af r o ms o d as o l u t i o ub ym e a n so f e v a p o r a t i o na n du s i n go fc a u s t i cs o d ac o n c e n t r a t i o np o ti s ac o m m o nm e t h o da t p r e s e n ta n di nf u t u r e ，t h em a r k e tp r o s p e c to fc a u s t i cs o d ac o n c e n t r a t i o np o ti s p r e t t yg o o d u n d e ral i t t l e i n c r e a s eo fc o s t ，t h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c ec a nb e i n c r e a s e d ，a sar e s u l t ，t h es e r v i c el i f co fc a u s t i cs o d ac o n c e n t r a t i o np o tcanb e r a i s e d t h i scanr e s u l ti ng o o de c o n o m i ce f f e c to fc a u s t i cs o d ac o n c e n t r a t i o np o t m a n u f a c t u r e ra n ds o e i a lb e n e f i t t h i sa r t i c l ea n a l y z e dt h ec o r r o s i o nm e c h a n i s ma n df a f l u t es t y l eo fc a s ti f o r t ont h eb a s i so fb a s i ct h e o r yo fc o r r o s i o no f 。c a s ti r o nt a k i n gt h es o d ac o n c e n t r a t i o n p o tu s e dw i d e l yi nc a u s t i cs o d ai n d u s t r ya st h es u b j e e ti n v e s t i g a t e d ，a n ds t u d i e d t h em e t h o d sa n dm e a s u r e st ob et a k e nt oi m p r o v et h el o c a lc o t r o s i o nr e s i s t a n c eo f s o d ac o n c e n t r a t i o np o t a c c o r d i n gt ot h ed i f i e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n so fs o d aa n d p o t a s h ，t h r e ea n dt w oc o m p o s i t i o n sw e r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l yo nt h eb a s i so ft h e o r i g i n a l1 拌b a s i ci r o n a n dc o m p a r i s o nt e s t sw e r ec a r r i e do u ti nc o n t r a s tw i t ht h e 1 # b a s i ci r o n a f t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t yt e s t ，m e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r et e s t ， u n i f o r mc o r r o s i o nt e s ta n dc a u s t i ce m b r i t t l e m e n tr e s i s t a n c et e s t ，t h ea l k a l i r e s i s t a n c e s i v e r e c o m p a r e d t h r o u g ha n a l y s i s o fc h e m i c a l c o m p o s i t i o n ， m e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t ya n da l k a l i r e s i s t a n c e o fd i f f e r e n t c a s ti r o n ，a n db a s e do nt h ep r a c t i c e s ，i ti sb e l i e v e dt h a tt h ec o n f i g u r a t i o no f g r a p h i t ei nt h ec a s ti r o nh a sa ni n c o n s p i c u o u se f f e c to nt h eg e n e r a lc o r r o s i o n r e s i s t a n c e ，w h i l ei th a sa no b v i o u se f f e c to nt h ec a u s t i ce m b r i t t l e m e n tr e s i s t a n c e t h ea l k a l ir e s i s t a n c e o fc a s ti r o no fs i n g l ep e a r l i t i cs t r u c t u r ei sb e t t e rt h a nt h a to f c a s ti r o no fac o m b i n e ds t r u c t u r eo fp e a r l i t ea n df e r r i t e u n d e rt h es o d ac o n d i t i o n s ， t h ea 1 1r o u n dp r o p e r t i e si nr e s p e c to fa l k a l ic o r r o s i o no fl 群b a s i ci r o na f t e r i n o c u l a t i o na n dm o d i f i c a t i o nb ya d d i n gk a l i u ma n ds o d i u mm o d i f i e r ( 3 # t e s tp i e c e ) a r em u c hb e t t e rt h a nt h a to fl 拌b a s i ci r o n b e c a u s et h ec a s ti r o ni si n o c u l a t e da n dm o d i f i e d ，ag r e a ta m o u n to fc r y s t a l n u c l e u sa r ea d d e di n t ot h em o l t e nc a s ti r o n s ot h es o l i d i f i c a t i o np r o c e s si s i m p r o v e da n df i n em e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r ei sa c q u i r e da n da l s ot h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea r ei n c r e a s e d a f t e rm o d i f i c a t i o na n d i n o c u l a t i o nt r e a t m e n t t h et e n s i l es t r e n g t hi si n c r e a s e df r o m2 0 7m p at o2 2 0m p a ， g r a p h i t es i z e i si m p r o v e df r o mg r a d e5t o g r a d e4 ，u n i f o r mc o r r o s i o nl o s si s d e c r e a s e df r o m1 1 5g r a mp e rp i e c et o0 9 8g r a mp e rp i e c e t h en u m b e ro f t i m e so f w a t e rq u e n c hd u r i n ga n t i c a u s t i ce m b r i t t l e m e n tp r o p e r t yt e s ti si n c r e a s e df r o m4 7 t o7 8 w h i l eu n d e rp o t a s hc o n d i t i o n s ，t h ea l lr o u n dp r o p e r t i e si nr e s p e c to fa l k a l i c o r r o s i o no fl # b a s i ci r o na f t e ra d d i n go 3 - 0 5 c rw i t h o u ta d d i n gm a n g a n e s e ( 5 # a n d6 # t e s tp i e c e s ) a r em u c hb e t t e rt h a nt h a to fl 撑b a s i ci r o n ( 1 # t e s tp i e c e ) b e c a u s eo fa d d i t i o no fa l l o ye l e m e n tc r t h eb a s es t r u c t u r ei sf i n e d ，t h e p e a r l i t ep h a s ei ss t a b i l i z e d ，t h ep r o p e r t yo ft h es u r f a c ep a s s i v a t i o nf i l mo ft h e m a t e r i a li si m p r o v e d a sn of e r r o m a n g a n e s ei sa d d e d t h em a n g a n e s ec o n t e n ti s r e d u c e d ，s ot h es e g r e g a t i o n sa tg r a i nb o u n d a r yi sr e d u c e d t h i sr e s u l t si ni n c r e a s e o fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h em a t e r i a l t h et e n s i l e s t r e n g t hi si n c r e a s e df r o m213 m at o2 4 6m p a u n i f o r mc o r r o s i o nl o s si sr e d u c e d f r o m1 ，9 7g r a mp e rp i e c et o1 4 5g r a mp e rp i e c e t h en u m b e ro ft i m e so fw a t e r q u e n c hd u r i n ga n t i c a u s t i ce m b r i t t l e m e n tt e s ti si n c r e a s e df r o m3 3t o6 0 t h e s e t w ok i n d so fm a t e r i a l sa r eb o t hd e v e l o p e df r o ml 撑b a s i ci r o na f t e rm o d i f i c a t i o n f o rt h e i rs i m p l ef a b r i c a t i o np r o c e s s e sa n d1 0 wc o s t s t h eu s eo ft h e s em a t e r i a l sf o r s o d ac o n c e n t r a t i o np o t sa r ew o r t h yo fe x t e n s i o n k e y w o r d s ：c a u s t i cs o d ac o n c e n t r a t i o np o t ，c a s ti r o n ，m a t e r i a l ，c o r r o s i o n r e s i s t a n c e 儿i 周碱锅材料的改进 1 绪论 1 1 国内外耐蚀铸铁发展概况 金属的腐蚀是工业生产中存在的一个严重的问题，其损失是相当惊人的。 据有关方面的不完全统计，发达国家每年因腐蚀造成的损失约占国民生产总值 的4 5 。美国在1 0 0 0 亿美元以上，我国可能达3 0 0 亿人民币i 。防止和减 缓金属材料腐蚀的最有效途径之一是提高金属材料自身的耐腐蚀能力，因而研 究开发各类具有较强耐腐蚀性能的新型材料一直是国内外研究丌发的热点。耐 蚀铸铁在工业生产中所使用的耐腐蚀金属材料中占有重要地位。在国外，研究 和开发不同使用条件下的耐腐蚀合金铸铁，特别是铸造工艺简便、生产成本低 的低合金耐蚀铸铁得到了广泛的应用。但国内仍有部分工厂采用国外五十年代 盛行的低合金铸铁配方生产耐蚀铸铁件，且品种单一。无论从资源利用或生产 成本考虑均不合理，亟待研究开发适合国情的低合金耐蚀铸铁。 我国在选择耐蚀材料方面存在不少问题，其中突出表现在“优材贬用，劣 材泛用”的不合理倾向。就以黑色铸件而言，国内不少工厂不大注意分析铸件 服役条件，习惯采用“保险系数大”的不锈钢或高镍奥氏体铸铁：另一种极端 倾向是着眼于方便，干脆就采用普通灰铸铁。结果不仅导致生产技术复杂，成 本上升，工艺出品率低；而且因材质过于低劣，影响生产的正常运行，严重降 低生产率。因此，多年来，国内外从事耐蚀铸铁研究的人员，着重进行以下两 方面的工作。一方面，想方设法改善已有高合金铸铁的性能，使一种材料尽可 能适用于多种服役条件：另一方面，研究开发新的合金铸铁，特别是低合金铸 铁以达到在保证铸件性能合格的前提下，降低生产成本，简化工艺，提高技术 经济效益。下面综述国内外有关耐蚀铸铁的研究和发展概况。 1 1 1 高合金耐蚀铸铁 1 1 1 1 高硅铸铁 化学成分与耐蚀性能 硅是高硅铸铁的主要合金元素，其量一般为1 4 5 1 8 。碳通常为o ，5 1 o ，最高不得超过1 5 ，m n 、p 、s 等元素的含量与普通灰铸铁相同。高硅 铸铁的耐蚀性能与含硅量密切相关，见图1 1 。一般含硅量不得低于1 4 ，因 硅量低于1 4 时，铸铁的耐蚀性受氧化铁膜的控制，高于1 4 时则受s i 0 2 膜 的控制。有人曾将硅加入量降至1 2 ，同时加入2 c u ，结果发现耐蚀性能显 著下降，腐蚀率升高了8 1 2 倍 2 j 。 周碱锅材料的改进 高硅铸铁是优良的耐酸腐蚀材料。在大多数无机酸( 热的盐酸、磷酸除外) 中均有很强的耐蚀性能、原因是铸铁表面的s i 0 2 薄膜对于这些酸类稳定性极 高。 时间h 04 o2 0 一二丁1 2 44 8s ji 6 9 时间n 图1 - 1 高硅灰铁( 实线) 和高硅球铁( 虚线) 的耐蚀性2 f i g u r e1 1c o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fh i g hs i l i c o ng r a yc a s ti r o n ( s o l i dl i n e ) a n dh i g hs i l i c o ns p h e r i o d a lg r a p h i t ec a s ti r o n ( d a s h e dl i n e ) 2 a 在1 0 h 2 s o 。中b di o h c i 中 1 ，5 9 s i ，2 ，6 - - 1 2 s i ，3 ，7 - - 1 5 s i ，4 ，8 - - 1 8 s i 但苛性碱及h f 能溶解s i 0 2 保护膜，因此高硅铸铁在熔融钙及h f 介质中，其 耐蚀性比灰铸铁还要差。 机械性能 高硅铸铁最主要缺点是强度和韧性低。一般抗拉强度仅7 0 - - 8 0 m p a ，且硬 度高，只能研磨加工，故不宜用作高压设备及冲击载荷部件。搬运，安装及使 用过程中也要避免撞击。这样就阻障了高硅铸铁的推广应用。 改善高硅铸铁的机械性能而又不降低其耐蚀性能的工作受到各国铸造工 作者的普遍注意。稀土复合孕育处理是提高机械性能的有效措施。强度和冲击 韧性可提高2 0 一1 0 0 以上，耐蚀性亦可升高1 0 9 0 。球化处理则能显著改善 耐腐蚀性能，见图l 。1 、表1 1 。向高硅铸铁中加入1 5 c u 、0 8 m o 、0 7 c r ， 并采用l ；r e 处理，可得到单一高硅铁素体和均匀分布细条状石墨及部分点状 分教相的基体组织，c u 、m o 、c r 溶于铁素体而强化基体，可使抗弯强度提高 1 倍，在沸腾硝酸及硫酸中的耐蚀性能也大为改善。向高硅铸铁中加入0 2 石 墨，0 4 c u 和o 0 0 5 m g ，不仅使抗弯强度达到3 7 8 m p a ，h b 降至3 l5 。可进 行切削加工，而且在硫酸和硝酸中的耐蚀性能也明显提高p i 。苏联则在h c l5 ( 1 4 6 5 s i ) 中添加4 1 0 c u 、0 1 0 3 v 、0 0 5 一o 2 y 、0 1 1 一o3 p b 及 0 1 0 3 s e 等合金元素，使其强度性能和冲击值均比l c 15 提高1 倍以上。 耐蚀性能则提高了1 ，5 2 0 倍。 为改善高硅铸铁在盐酸及其它酸中的抗蚀能力，添加3 5 6 m o 即得抗 窿 固碱锅材料的改进 氯铸铁。加入3 5 左右的镍亦有良好效果 7 1 。 表1 - 1 高硅灰铁和高硅球铁的耐蚀性【7 】 t a b l e1 - lc o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fh i g hs i l i c o ng r a yc a s ti r o n a n dh i g hs i l i c o ns p h e r i o d a lg r a p h i t ec a s ti r o n 【7 】 不同介质中的失重量g m 2 h s i 量 石墨形态 2 0 h g o 3 0 h 2 s o 。1 0 h c i 1 0 5 1 0 8 1 1 0 8 15 片状 7 8 02 0 2 2 3 5 9 9 2 4球状4 81 1 73 1 5 13 3 8 片状 1 6 71 2 3 52 6 9 1 4 2 2 球状0 4 71 4 52 3 7 1 7 5 5 片状 4 01 0 9 01 79 1 7 6 4 球状0 1 40 2 08 5 1 1 1 2 高铬铸铁 化学成分与耐蚀性能 高铬铸铁通常化学成分为1 4 - - 3 6 c r 、1 2 c 、l 一2 s i 。高铬铸铁一般 具有铁素体和部分碳化物的组织，故属于白口铸铁。 高铬铸铁的耐蚀性能与含碳量密切相关，1 c 大致要消耗6 1 6 c r 而生 成碳化物。为了保证耐蚀性，铸铁中固溶状态的铬不能低于1 2 1 3 。在氧化 性介质( 如任何浓度的硝酸) 中高铬铸铁均有足够高的稳定性。这是因为在氧 化性介质中，铸铁产生钝化，表面生成厚为1 0 0 a 的氧化膜，阻碍介质与基体 金属的进一步作用。在海水、磷酸、醋酸和乳酸介质中，高铬铸铁亦很稳定。 含m o 的高铬铸铁可耐各种浓度硫酸介质的腐蚀，见表1 2 。 机械性能 高铬铸铁不仅具有优良的机械性能( ob 可达4 0 0 m p a 以上) ，同时还有很高 的耐热及抗磨损性能。因此可用于熔化有色金属的坩埚。但高铬铸铁机加工性 能差，通常只能在铸态下使用。在泥浆及其它含有硬质点的悬浮液中，高铬铸 铁亦显示出既耐蚀又抗磨的优越性能。 同碱锅材料的改进 表1 。2 禽m o 高铬铸铁耐硫酸介质的腐蚀性能【1 7 j t a b l el 一2c o r r o s i o nr e s i s t a n c et os u l f u r i ca c i do fh i g hc h r o m i u m c a s ti r o nw i t hm oc o n t e n t1 2 1 h 。s o 。溶液 腐蚀速度毫米年 浓度 温度 31 0 0 2 01 0 1 2 5 7 0l5 0 9 09 0 为进一步提高高铬铸铁的耐蚀性，可添加2 - - 3 m o 或3 4 a 1 。向高铬 铸铁中加入1 2 n i ，3 5 c u 并用硅钙合金脱氧，不仅可以减少合金的氧化 烧损，而且在含有s 0 2 甚至少量( 5 ) h f 的氧化性介质中，也具有很高的稳 定性。 1 1 1 3 高镍铸铁 化学成分与耐蚀性能 高镍铸铁含有1 4 - - 2 0 n i 。因基体组织为奥氏体加石墨，又称为高镍奥氏 体铸铁( 俗称不锈铁，国际商品名为n i r e s i s t ) 。高镍铸铁按除镍以外所加合 金元素又分为镍铜、镍铬及镍硅型等铸铁。高镍铸铁在某些有机酸如醋酸、柠 檬酸等介质中具有相当高的稳定性，在一些常温无机酸( h c l 、h 。s o 。、h p o 。等) 稀溶液中亦很耐腐蚀。但高镍铸铁主要是用于耐蚀溶液和海水腐蚀的结构件。 如在13 0 的7 5 k o h 溶液中，其腐蚀速度小于0 1 毫米年。用高镍铸铁 ( 1 4 n i 、6 c u 、3 c r ) 制造的海水泵上中3 m 的叶轮，工作8 年后几乎无腐 蚀。 机械性能 高镍铸铁通常在热处理后使用，此时它具有高温和低温下显微组织稳定性 好的特点。高镍铸铁机械性能良好并易于机械加工。 为了降低高镍铸铁的成本，通常加入2 4 c r 、5 7 c u 或2 - - 4 m n 来 取代部分镍。如成分为3 5 c 、1 1 s i 的铸铁，加入4 m n 、2 c u 可使n i 降至6 8 。采用如下热处理工艺：9 5 0 一9 8 0 退火2 小时后入油或空气冷却， 在2 0 0 保温一段时间后空冷，可不降低耐蚀性。加c r 则可提高铸铁对2 5 热硫酸、醋酸及5 草酸的耐蚀性。加m o 则能显著提高铸铁的耐蚀性，且含 m 0 5 时效果最为显著。含7 5 c u 、2 5 c r 的高镍奥氏体铸铁特别适用于在 高速流体的冲刷以及悬浮质点的腐蚀条件下工作的零件“。 崮碱锅材料的改进 1 1 1 4 铝铸铁 化学成分与耐蚀性能 用于耐蚀目的的铝铸铁，其成分为4 7 a 1 ，27 3 4 c ，1 4 2 ，0 s i ， 0 6 一o 8 m n ，p 、s 均低于0 1 2 。铝铸铁的酬蚀性能主要取决于表面生成的 a l ：0 。保护膜。a l ：0 。保护膜在碱性介质中稳定性极高，困此铝铸铁主要用于制 碱工业。 机械性能 铝铸铁的机械性能与h t 2 0 0 的水平接近，但与含硅量密切相关。随含硅 量增加，铝铸铁的抗拉强度有明显下降( 图1 2 ) 。铝铸铁通常具有铁素体+ 石 墨的基体组织，故易于切削加工。此外，铝铸铁还是优良的耐热材料。 为进一步改善铝铸铁的机械和耐蚀性能，可将含硅量增加到4 6 ，并进 行球化处理。此时，铸铁硬度虽有升高，但耐蚀及耐磨性能也得到显著提高。 1 1 2 低合金耐蚀铸铁 由于高合金耐蚀铸铁存在工艺出品率低，生产成本高，熔铸工艺较为复杂 以及大都需要采用电炉熔炼等问题，在一定程度上限制了高合金铸铁的生产与 应用。近年来，已有不少国家结合本国资源，研究开发了部分新型低合金耐蚀 铸铁。 用于低合金耐蚀铸铁的合金元素主要有c r 、n i 、c u 、t i 、a 1 、m o 、s b 、 m n 、s n 、p 等。众所周知，单相组织如奥氏体或铁素体热力学稳定性高，耐蚀 性好。合金化使组织复杂似乎不利于耐蚀性提高。实际上合金元素主要通过提 高基体组织组成物的电极电位，改进石墨的形态及分布以获得均匀致密的组织 来提高铸铁的耐蚀性。田岛治等人采用线性极化技术研究含0 1 8 4 8 c 的 f e f e 。c 合金在h ：s 0 。溶液中的腐蚀速率，发现f e 。c 的形态与大小对腐蚀率的 影响比其数量要大得多。这亦间接证明了上述观点。 甜 1 8 0l 14ibl820： s j ( j 图1 2含s i 量对铸铁ob 的影响】 f i g 1 2t h ee f f e c to fs io nbf o rt h ec a s ti r o n 崮槭踊材科刁改进 铸铁的耐蚀性能主要取决于化学成分及合金元素在基体组织中的分布。不 同合金元素的合金化能得到性能各异的低合金耐蚀铸铁。实践证明，多种元素 复合合金化时，对耐蚀性具有最大的效果，其耐蚀性可提高3 5 倍。 1 ， 2 1 镍铬铸铁 低台金化镍铬铸铁( 简称镍铬铸铁) 中，铬低于1 ，促进碳化物生成并 使铸铁获得细晶、致密的铸造组织。此外，铬能提高铸铁的抗生长性能。镍通 常低于3 ，以防止产生马氏体，影响机加工性能。含2 2 5 n i 时，铸铁的 耐蚀性最好。镍铬铸铁在各种浓度和温度的碱介质中是稳定的。在5 0 0 熔融 k o h 中，低合金化铬镍铸铁( 34 5 3 6 c ，1 5 一l ，7 s i ，0 5 5 0 7 m n ) 耐 蚀性与n i 、c r 含量的关系见表1 3 。 用于碱介质中的镍铬铸铁的碳、硅主要成分应分别控制在3 5 5 和1 8 以 下。特别是硅高于1 8 时，将使铸铁机械性能和耐蚀性降低。镍铬铸铁是国 外应用最广泛的一种低合金耐蚀铸铁。表1 4 为国外镍铬铸铁的成分和性能。 近年来，国内已有厂家采用镍铬铸铁生产耐海水及其它介质腐蚀的零件。 1 1 。2 2 含铜及铜铝锰铸铁 灰铸铁中c u 0 ，5 时，铸铁中出现自由状态的铜相，可产生坚固保护膜。但铸铁中同时 有n i 、m n 、a l 、c r 等存在时，铜的溶解度显著提高。另一方面，自由铜相与 基体金属铁形成微电池引起电化学腐蚀。铜能提高铸铁在海水、h n 0 3 及h c i 介质中的耐蚀性。特别在h c i 中，铸铁表面形成一层c u c l 填补了石墨空隙， 阻止介质的渗入。图1 3 为不同铸铁在海水中的腐蚀速度。铸铁中含铜量达 l ，5 时，可显著提高在硫酸中的稳定性。 表1 - 3 低合金铸铁耐蚀性与n i 、c r 含量的关系 1 2 1 ( 在5 0 0 熔融k o h 中) t a b l e1 3t h ee f f e c to fn ia n dc ront h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fl o wa l l o yc a s ti r o n ( i nm o l t e nk o h a t5 0 0 、 固碱锅材料的改进 表1 - 4 国外镍铬铸铁的成分和性能】 t a b l e1 4c o n t e n ta n dp r o p e r t i e so fa b r o a dn i c k e la n dc h r o m i u mc a s ti r o n 化学 cs im nps c r n iobfh b l = 成分 l o m p a6 0 0 m 耐碱 3 2 1 2 一0 5 o 1 5 0 6 一o 6 一3 2 2 0 0 8 9 1 撑3 6i ，5o 80 3 0 o 1 o 8 1 o3 8 2 3 0 耐碱 3 2 1 5 0 4 一0 4 0 3 5 一3 2 2 1 0 8 9 2 群 3 62 oo 80 3 0 。1 0 6o 5 03 82 6 0 。具有下列成分的铸铁：3 4 3 5 c 、1 6 5 2 0 s i 、0 4 一o 5 a i 、1 5 2 o c u 、0 3 7 0 4 2 p 、0 0 4 0 0 5 s 、改变其中锰的含量( 0 7 8 ) ，可获 得珠光体一铁素体、珠光体一马氏体、奥氏体一马氏体及单相奥氏体基体组织。 进行磨损条件下的腐蚀试验，发现铸铁的耐磨损性能与耐蚀性能成正比。当基 体为珠光体一马氏体时，其耐蚀性及在水质、干磨或腐蚀介质中的耐磨性能最 佳。对成分为3 2 3 8 c ，3 3 4 5 s i 、1 5 3 5 c u 、0 5 1 5 m n 、0 1 2 ，5 a 1 和0 0 0 8 0 2 s b 的铸铁采用球化处理，可获得高强度的耐海水腐蚀 铸铁( 船舶结构件) ，其机械性能可达到：ob = 7 7 0 一8 0 0 m p a ，6 = 3 。2 3 。6 ， a k = 3 o 3 6 x 1 0 s j m 2 ，h b = 2 6 9 2 7 7 ，腐蚀率为o 0 3 9 0 0 4 lg m 2 h 1 2 5j 。铃本韶 也等人发现：0 3 1 2 m n ，0 ，7 3 5 c u 能大幅度减缓铸铁在各种腐蚀环境中 的锈层生成。 c d 嵌 翅 趣 时间h 图1 3 海水中不同材质铸铁的耐蚀性2 3 】 f i g u r e1 - 3c o r r o s i o nr e s i s t a n c eo fc a s ti r o no fd i f f e r e n tc o n t e n ti ns e a w a t e r 2 3 1 l 一普通灰铸铁2 一含铜铸铁3 一高镍铸铁 1 1 2 3 锑铸铁 7 固碱锅材料的改进 锑合金化_ 提高铸铁在一系列碱和酸( 特别是h c i ) 中的l 刚蚀性。锑是 种强有力的珠光体稳定剂，其作用比锡强l 倍，比铜则强1 0 0 倍1 27 1 。这是因为 铸铁结晶过程中，锑在碳晶核和基体的边界上形成厚3 0 一4 0 a 、含2 0 3 0 s b 的薄膜，阻止了共析转变期问碳在石墨晶核上的进步析出。锑合金化的突出 问题是急剧降低铸铁强度，使硬度升高，但耐h c i 腐蚀性能比普通灰铸铁提高 9 倍，见图1 4 。耐海水腐蚀性能亦明显提高。 含锑耐蚀铸铁可采用冲天炉铁水制得。为获得细小均匀分布的石墨，应提 高铸铁总碳量，控制硅量在1 5 左右，m n 0 6 ，s 、p o 0 8 ，为改善铸铁 机械性能，可采用锑、铜复合舍金化。 锑改善铸铁耐h c i 腐蚀的性能十分突出。含锑的低合金铸铁在室温、 1 0 h c i 溶液中的腐蚀速度为1 6g m 2 h ，而普通灰铸铁则为7 8 ，5g m 2 h 、在工 业硫酸中，经1 0 0 小时试验，含锑铸铁的耐蚀性能优于高镍舆氏体铸铁，腐蚀 速度分别为0 1 0 0 8g m 2 h 和0 1 2 6 0g m 2 h 。 1 1 2 4 其它低合金铸铁 铝钛铸铁 此类铸铁是将合金化混合发热剂置于浇包中冲入铁水制得。在中性和碱性 介质中，铝钛铸铁稳定性极高，此类铸铁机械性能好，易切削加工，典型化学 成分及在几种介质中的腐蚀率见表1 5 。 l 己0 虹 80 蛐 4 0 05l01 与 s b + c u t 图1 4 铸铁的化学稳定性与( c u + s b ) 的关系 2 0 l f i g u r e1 4t h ee f f e c to f ( c u + s b ) c o n t e n to nc h e m i c a ls t a b i l i t yo fc a s ti r o n 1 2 0 1 - 8 h c l ，4 7 h2 2 0 1 0 h c i ，5 0 h 周碱锅材料的改进 表1 5 铝钛铸铁的耐蚀性能【2 9 1 t a b l e1 5c o r r o s i o nr e s i s t i n gp r o p e r t i e so fa l u m i n u ma n dt i t a n i u mc a s ti r o n1 2 9 化学成分机械性能铸态腐蚀速率毫米年 obow 人造 n a o hh c l cs i m n a l t i h b m p a m p a 海水水溶液水溶液 3 i 22 5 10 7 8o 4 81 2 43 3 66 1 22 s 5o 0 1 3 40 0 0 2 60 2 3 2 6 3 3 22 2 70 4 90 7 21 5 63 9 16 5 72 6 00 0 0 9 50 0 0 2 7o 2 l o o 3 5 81 9 8o 7 10 9 42 1 23 9 56 7 72 7 80 0 0 9 9o o o l 2o 1 2 0 6 试验表明，此种合金虽机械性能优良，但生产工艺不容易掌握，即使得到 表1 5 中的化学成分和机械性能，铸铁的耐蚀性并不理想。如在8 0 4 0 n a 0 h 溶液中，铸铁的腐蚀率达0 1 2 l 毫米年，远高于表中数据。 锡铸铁 2 s n 可提高铸铁在酸性介质中的耐蚀性，但在碱性介质中，锡起负作用。 提高铸铁耐酸能力的有效途径是采用s n c u = 1 5 2 0 的复合合金化处理。加 s n ，c u 的铸铁在9 3 h 。s o 。中具有优良的抗气泡腐蚀能力。锡使铸铁脆性增加， 强度下降，硬度升高，加上资源缺乏，故含锡低合金铸铁应用较少。 铬磷铸铁 含0 5 一o 6 c r 的灰铸铁，随含磷量升高，在高温n a o h 溶液中的耐蚀性能 大为改善，见图1 5 。用普通灰铸铁成分：3 2 3 5 c 、2 o s i 、0 ，4 一o 6 m n 、 。 卜 h 、趔l 盐酸 ， 卜 0 。i n o l l 镕 卜 0 1 n o l t 醋日 o 40 60 , 8 叫( c r ) ( z ) b ) 图2 - 6 铬的质量分数对铸铁在各种介质中腐蚀率的影响 1 9 】 f i g u r e2 6t h ee f f e c to fm a s sp e r c e n t a g eo fc h r o m i u mi ne a s ti r o n o nc o r r o s i o nr a t ei nv a r i o u sm e d i u m f l 9 试验条件：温度1 5 5 时间2 8 d a ) 在氯化铵液、水中耐蚀率的影响b ) 在酸中耐蚀率的影响 2 4 圊碱锅材料的改进 n bio 1 。 2 1 r 霜 i ? 一j k r 7 r 9一 j 一 j j j d 7 图2 7 含铬低合金铸铁在流动海水中的腐蚀速度【2 0 l f i g u r e2 - 7t h ec o r r o s i o nr a t eo fc h r o m i u ml o wa l l o yc a s ti r o n i nf l o w i n gs e a w a t e r 2 0 】 r 3 r 9 ( c r ) = o 5 1 6 片状石墨铸铁 d 3 d 7 ( 1 ) f c r ) = 1 o 2 - 3 球状石墨铸铁 f c 2 0 普通灰铸铁 试验海水流速：1 5 m s ，时间：3 0 d 可以改善铸铁在海水中的耐蚀性，见表2 - 2 。在含硫高的冷或热的重油中， 加铜铸铁腐蚀率降低，所以石油工业适于采用含铜铸铁。有研究表明，在 稀的硫酸、硝酸或醋酸中都有一个腐蚀率最低的铸铁含铜适宜量，含量过 低或过高都使腐蚀增加。例如在质量分数1 0 的硫酸中，铸铁最适宜的铜 的质量分数为l 。但实际上普通铸铁和各种低合金铸铁在稀酸中的腐蚀 率很高，没有实用价值。 锡在铸铁中的作用与铜相似。在铜的质量分数为0 1 1 o 的铸铁中加入 质量分数小于0 3 的锡可大大提高铸铁抗潮湿工业大气的腐蚀能力。当这 种含c u 、s n 的铸铁中加入质量分数为0 3 的c r 时，在0 5 m o l l 的硫酸 中的腐蚀率比普通无合金铸铁有所降低。铸铁中加锡也能提高在浓硫酸中 的耐蚀性。 阎碱锅材料的改进 l 。 萎咖小 、i 一尘一一，1 _ 一i - _ ；一1 (1 “止 u，j二j 二j ( c a ) ( z ) 图2 - 8 高铬铸铁在2 0 。c 饱和食盐水中的 腐蚀率与基体固熔铬量的关系2 2 】 f i g u r e2 - 8t h ee f f e c to fc h r o m i u ms o l u t ei nt h eh i g hc h r o m i u mc a s ti r o n o i l ，c o r r o s i o nr a t e i ns a t u r a t e ds a l ts o l u t i o na t2 04 cr 2 2 j 表2 2 在不同流速的海水中铸铁含铜、锡量对铸铁相对腐蚀失重系数的影响 【19 】 t a b l e2 - 2t h ee f f e c to fc o p p e ra n dt i nc o n t e n ti nc a s ti r o no r lr e l a t i v ec o r r o s i o n l o s sf a c t o ri ns e a w a t e ro fd i f f e r e n tf l o wr a t e 1 9 海水的流速m s 1 2 9 14 9 2 7 0 9