硅含量对球墨铸铁耐蚀性能的影响

蓝敏俐

(福建船政交通职业学院 机械工程系，福建 福州 350007)

0 引言

水溶液是一种弱电解质的液体，具有一定的腐蚀能力。如海水中存在着大量的Mg2+、Ca2+、OH－、Cl－等，各种金属在海水中遭受腐蚀的主要原因是高浓度Cl－的存在。由于这些Cl－的存在，使得球墨铸铁难以钝化。当金属周围存在电解质，则具有电极电位差的Fe 和石墨组成微电池，就会发生氧化还原反应。影响球墨铸铁耐蚀性能的因素包括C、Mn、P 和S 等元素，但是在常规含量范围内，它们对球墨铸铁耐蚀性的影响不明显。而Si 元素不同，它能够固溶于铁素体中，形成单一的固溶体，提高铁素体的电极电位，降低铁素体与石墨之间的电位差，从而提高球墨铸铁的耐蚀性能［1］。

1 球墨铸铁的腐蚀实验

本次试验选用4 种试样，Si 元素含量分别为1．58%、1．78%、1．96%、2．10%的球墨铸铁。用3．5%NaCl溶液全浸腐蚀试验，利用线切割将不同Si 含量的球墨铸铁试样加工成10mm×10mm×10mm 的小样，模拟静态海水全浸试验，观察不同Si 含量的球墨铸铁试样经过3．5%NaCl 溶液腐蚀过程中的组织变化，并测定其腐蚀速率。首先，打磨各球墨铸铁试样，用水冲洗干净并抛光，清洗后再用丙酮和酒精的混合溶液洗涤并烘干，然后称重，即为腐蚀前球墨铸铁试样的重量，并测量尺寸，计算表面积。使用的腐蚀液为浓度3．5%的NaCl 溶液，将处理好的试样放入溶液中。腐蚀试验结束后，用丙酮和酒精进行超声波清洗并烘干，称取试样质量，计算试样的腐蚀速率，如式(1)。

式(1)中，v失——试样的腐蚀速度，单位为g/m2·h;m0——试样腐蚀前的质量，单位为g;m1——试样腐蚀后的质量，单位为g;S——试样的表面积，单位为m2;t——试样腐蚀时间，单位为h。

2 球墨铸铁的腐蚀实验试样形貌分析

观察球铁试验腐蚀前后的试样外观，腐蚀前的试样表面具有明显金属光泽，而试样经NaCl 溶液腐蚀3d 后，其表面金属失去光泽，呈现红褐色的铁锈。9d 后，试样表面出现腐蚀小凹坑。15d 后，凹坑加深，随着试样被腐蚀时间的延长，试样表面的腐蚀程度不断加重。30d 后，试样被均匀腐蚀，得出重量损失如表1。进而观察试样的微观形貌，最早的腐蚀发生在铁素体－石墨界面、铁素体基体的晶界处，因为球墨铸铁的化学成分不均匀，使石墨和铁素体存在电极电位差，形成微电池，从而造成石墨－铁素体界面处的腐蚀，铁素体晶界处格晶畸变大，晶界处能量较高，原子排列混乱，导致晶粒与晶界间存在着电位差。铁素体晶界组分在NaCl 溶液中的溶解速率远高于铁素体的溶解速率，因此铁素体晶界处易较先被腐蚀。根据铸铁腐蚀标准，当腐蚀速率＜0．1 g/m2·h，试样耐蚀等级属于1 级，耐蚀程度好。从表1 中试样的腐蚀速率来看，均小于0．1g/m2·h，得出4 个试样属于腐蚀标准中的1 级耐蚀，耐蚀程度为完全稳定，因此，4 个试样均具有较好的耐腐蚀性能。

表1 试样的腐蚀结果(3．5%NaCl 溶液)

图1 所示为试样硅含量与腐蚀速率的关系，从图中可见，试样的腐蚀速率随着硅含量的增加而逐渐降低，因此得出，随着硅含量的增加，球铁的耐腐蚀性能逐渐增强。其原因是因为试样的显微组织中只存在铁素体和石墨，因为铁素体和石墨间存在电极电位差，才会产生金属的腐蚀现象，而硅的加入，能固溶于铁素体中，使铁素体的电极电位显著提高，从而减小了铁素体与石墨间的电极电位差，因此硅的加入能降低材料的腐蚀速率［2］。

3 球墨铸铁中不同硅含量对耐腐蚀性能的影响分析

通过对4 个不同Si 含量的球墨铸铁耐蚀试验得到实验数据，分析了Si 元素含量的不同对铸铁的耐蚀性能存在的差异，得到以下结论:(1)为了提高球墨铸铁的耐蚀性，应从组织成分的选择、基体组织的组成、石墨球的大小及数量等方面加以考虑。铸铁的五大元素中除Si 元素外，C、Mn、P 和S等元素在常规范围内对球铁的耐蚀性能没有明显影响，而Si元素的影响较明显。这是因为Si 能固溶于铁素体中形成单一相固溶体，使基体电极电位升高，降低了与石墨间的电极电位差，从而提高了耐蚀性能。(2)试样在3．5%NaCl 溶液的腐蚀过程中，作为低温高韧性球墨铸铁，石墨球并不会被NaCl 溶液所腐蚀，而在铁素体基体晶界以及石墨与铁素体界面处最先发生腐蚀。球墨铸铁常见基体组织有铁素体、珠光体、铁素体+珠光体、奥氏体、石墨和少量渗碳体等，而珠光体又是铁素体和渗碳体的混合物。在这些相中，主要都是由石墨、铁素体、渗碳体、奥氏体这几个基本相组合而成。其中石墨的电极电位值最高，为+3．7V;铁素体的电极电位值最低，为－4．4V;而奥氏体和渗碳体的电极电位值在这两者之间。只要两相间电极电位差的存在，就可以形成原电池，电极电位高的为阴极，电位低的为阳极，这两极的电位差就是原电池的电动势。因为石墨与铁素体间的电极电位差最大，因此在铁素体基体晶界以及石墨与铁素体界面处最先发生腐蚀，且表面积越大，电位差越大，腐蚀速度越快［3］。(3)球墨铸铁中随着含Si 量的增加，试样的腐蚀速率逐渐降低;4个试样的腐蚀速率均小于0．1g/m2·h，均属于1 级耐蚀，耐蚀性能良好。但是Si 含量不能过高，否则会使铸铁脆性增加，厚大件还易产生石墨漂浮现象。

4 结语

球墨铸铁在弱腐蚀性介质中使用时，需要一定的耐蚀性能，要提高球墨铸铁的耐蚀性能，C、Mn、P 和S 等元素在常规含量范围内，随着球墨铸铁中Si 含量的逐渐增加，使阳极基体与阴极的电极电位差减小，腐蚀电流降低，材料的耐蚀性能不断提高。但是Si 含量不能过高，否则会使铸铁脆性增加。

［1］师素粉，夏兰廷，李宏．铸铁材料在水环境中的腐蚀研究现状［J］．全面腐蚀控制，2009，23(2) :7～11．

［2］肖志云，等．镍和硅对低温高韧性球墨铸铁耐蚀性能的影响［J］．铸造，2011，(9) :836～840．

［3］潘鹤斌，孔小东，苏小红．两种铸铁的耐蚀性比较［J］．装备环境工程，2014，(3) :20～24．