稀土、铜、硅对高硅耐酸铸铁铁耐酸性和机械性能的影响

周树扬

(温岭市联星机械有限公司，浙江 温岭 317500)

1 引言

高硅耐酸铸铁有着良好的铁耐酸性能，是一种性能卓越的铸造合金，它主要具有强耐腐蚀性、生产成本低、产品化简单、节省稀缺金属使用等优点，在承受强腐蚀性环境相接处的部件的应用中性能显著。然而，高硅耐酸铸铁也存在着一些固有的缺点，主要表现在其韧性较差、热导率低、硬度过大等缺点，这些缺点很容易造成在高硅耐酸铸铁的生产以及后期的使用过程中发生机械性能改变、折断等问题，而且难以承受高温和高压的环境。这些问题的出现也给高硅耐酸铸铁的研究带来了新的挑战，而且根据有关的先期研究表面，一旦这些因素得到克服，高硅耐酸铸铁在工程中的应用将会大幅度提升，这将会产生非常可观的市场需求。

2 实验方案

高硅耐酸铸铁的硅元素含量大约在10%－17%，碳元素含量大约在0.5%－1.2%，而目前采用的方案硅含量大多是14.5%，在这个硅含量的高硅耐酸铸铁有着很强的铁耐酸性能，但是其机械强度却不令人满意。在本次研究中，采用的方式是将现有高硅耐酸铸铁的硅含量调低，并且在其中适当的加入一定量的铜以及稀土，在保证其原有的耐酸性的同时，改善高硅耐酸铸铁的机械性能。

采用正交设计L16(4)进行实验，以降低实验的操作复杂性，同时又能很好的保证实验结果的可靠性和真实性。并且通过高温炉进行熔炼(高温炉的主要材料是一些废旧的铁、钢、硅铁等)，在进行熔炼操作时，首先需要加入废弃的钢，并且在后续逐步加入铁和硅铁，将铁水的温度升至1450℃ －1500℃，然后在高温炉中加进金属铜进行合金化的处理，待所有的工序完成后就可以进行出炉的浇注流程。而且需要在浇注之前在浇包内加入适量的稀土钙钡和钒等进行综合的处理，保持浇注操作时的温度维持在1250℃。采用的是便携式的温度计对铁水的温度进行测试，一次完成流程中的各道工序。

3 实验结果及其分析

根据实验得到的数据，对其进行综合的处理和后续的分析，结果如下:

3.1 对机械性能的影响

(1)Si含量对于机械性能的影响

通过对实验数据的比较分析可以看出，高硅耐酸铸铁具有较差的机械性能，根据有关原理进行分析可知，这是由于在高硅耐酸铸铁中，a晶体中的铁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体参数和铁原子的相比较大，这也就造成了硅的晶格发生了一定程度的改变，直接导致了高硅耐酸铸铁中内应力的出现，造成硅原子的固溶发生了变化，较以前有所增强。并且根据试验数据的分析可知，随着硅的含量的不断升高，高硅耐酸铸铁的机械性能会随之发生变化，在此表现的是随着硅含量的升高，其机械性能降低。

(2)Cu含量对于机械性能的影响

通过对实验数据的分析可知，铜的加入对于机械性能的改善是有好处的，但是铜对高硅耐酸铸铁的影响是有限的，只是在一定范围内起作用，当实验其他两个变量改变较大时可以发现，铜的含量对于机械性能的影响远远没有硅和稀土对于高硅耐酸铸铁的影响大，这也就说明铜对于高硅耐酸铸铁的影响在硅、铜、稀土中居于次要的地位。分析其作用原理可知，主要是在高硅耐酸铸铁中加入大量的铜后，会导致高硅耐酸铸铁机械性能下降。因为在常温下，α晶体中的铜只有0.2%的溶解度，当铜的量严重超出后就会发生严重的铜偏析现象。

其中铜对于高硅耐酸铸铁的机械性能的影响主要体现在对于其硬度、抗拉强度、抗弯强度的影响。实验数据显示在实验的高硅耐酸铸铁厚度基本相同时，铜对于高硅耐酸铸铁的硬度影响较小，并且在高硅耐铸铁中铜的含量超过2%后，会导致高硅耐铸铁的机械硬度发生明显的改变，强度变差，并且随着高硅耐铸铁中铜的含量的升高，在达到约6%时，高硅耐铸铁的机械强度达到最低值，这也就可以得出铜的含量能够降低机械强度;随着铜含量的升高，高硅耐铸铁的抗拉和抗弯能力也出现明显的变化，实验数据表面，在含量逼近5%时，其抗拉和抗压性能变化较为明显，但是当铜的含量超过5%继续升高时，高硅耐铸铁的机械性能会出现下降的趋势，但是其机械性能依然处于较高的水平。分析其机械性能下降的原因可能是由于过快的冷却速度导致的

(3)稀土含量对于机械性能的影响

根据实验数据的分析可知，稀土的加入可以大幅度的改善高硅耐酸铸铁的机械性能，下面对其主要原因进行分析。稀土对于高硅耐酸铸铁机械性能的改善主要是由于稀土具有能够改变非金属物质的物理性质，使非金属夹杂物变得更加细小，并且其内部的物质分布呈现出球状的分布趋势;在其中加入大量净化作用的铁水，根据稀土的化学性质，在300℃时，稀土会与氢形成三价的化合物，并且其产生的化合热量要比原先的金属化合物的热量高出数倍，这些高熔点的稀土化合物在进入熔渣后会存在于铁水的表面，并且极易被排除。

3.2 对耐腐蚀能力的影响

采用的是重量法的测试方法对高硅耐酸铸铁的腐蚀速度进行测试，通过实验数据分析，在高硅耐酸铸铁中硅、铜、稀土的含量增加时，高硅耐酸铸铁的耐腐蚀性能出现显著的增强。

(1)Si含量对于耐腐蚀性能的影响

硅含量的多少直接决定着高硅耐酸铸铁的耐酸性能，是影响其耐酸性的主要因素，这主要是由于硅在一方面可以增加高硅耐酸铸铁电极的电位，造成原电池的电位差降低，并且能够在高硅耐酸铸铁的表层产生一层密度较大的保护层，这个保护层对于增加高硅耐酸铸铁的抗腐蚀能力具有重要的作用，它能够有效的抗击腐蚀性材质对于铸铁的腐蚀，从而起到增强高硅耐酸铸铁耐腐蚀性能，保护高硅耐酸铸铁的效果。而且，在高硅耐酸铸铁中硅的含量降低时，则出现与以上相反的效果，高硅耐酸铸铁的耐腐蚀性会明显的降低。

(2)Cu含量对于耐腐蚀性能的影响

在高硅耐酸铸铁中加入铜能够有效的提高其抗腐蚀性能，减缓腐蚀的速度，这主要是由于铜的加入会导致晶界处出现铜的集中化，并且大量的铜聚集会直接导致在阳极出现钝化的现象，这会直接改变高硅耐酸铸铁的耐酸性能。铜的大量富集会在铜和氧化层之间形成一个起到隔断作用的氧化层，这个氧化层的出现能够显著的改善高硅耐酸铸铁的耐腐蚀性能，有效的降低酸性物质腐蚀的速度，起到隔断氧化的作用。

(3)稀土含量对于耐腐蚀性能的影响

在高硅耐酸铸铁中加入一定量的的稀土时，会造成阳极具有较差的极化性能，这主要是由于在酸性物质的腐蚀过程中产生的一些硫化物和阳极的金属离子发生反应。在金属元素的较强的脱硫性能作用下，会大幅度的降低含硫化合物的危害，起到保护环境的作用。并且稀土的含量增加时，会使得高硅耐酸铸铁中的晶粒形势得到明显的增强，同时能够起到较强的除气效果，这些都能够显著的抑制腐蚀性物质对于高硅耐酸铸铁的腐蚀作用，降低物质中原电池的数目，显著增强高硅耐酸铸铁的耐腐蚀性能。

4 结束语

高硅耐酸铸铁已经有了一定的时间积累，并且随着技术的不断发展和创新，高硅耐酸铸铁制造技术也越来越先进。通过本文对硅、铜、稀土对于高硅耐酸铸铁机械性能和抗腐蚀性能影响的研究，可以得出一个主要结论:硅、稀土对于高硅耐酸铸铁的性能影响较铜强。在通过对实验数据的综合分析后，可以发现在对各种因素综合考虑的基础上，高硅耐酸铸铁的最佳成分比例应该是硅、铜、稀土的含量依次是:23.5%、23%、7.6%，在此配比下，高硅耐酸铸铁具有较强的机械性能和耐腐蚀性能。

［1］陈国香，肖军民.改善高硅铸铁的性能［J］.化工机械，2002年2月.

［2］朱先勇，刘耀辉，张英波，宋雨来，于思荣.新型铸态高强度珠光体球墨铸铁的研究［J］.材料热处理学报.2007 (02)

［3］龙文元，程国香.改善高硅耐酸铸铁机械性能的研究.南昌航空工业学院学报，1999

［4］陈国香，詹多产，彭玲.铜对高硅铸铁组织和性能的影响.南昌大学学报(工科版).1999