耐燒堿蝕合金鑄鐵的研發

摘要：本課題針對制燒堿工業中設備的腐蝕問題，研制出不同稀土含量、不同鎳含量的稀土Ni-Cr-Cu合金鑄鐵，采用光學顯微鏡觀察材料的顯微組織；用失重法測定各合金鑄鐵在動態、高濃度下的堿腐蝕速率；采用S-3400N型掃描電鏡觀察，對其耐堿腐蝕性能進行評價進而討論稀土Ni-Cr-Cu合金鑄鐵在燒堿液中的耐堿腐蝕機理。結果表明：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、分布，使石墨球化、碳化物彌散分布。

關鍵詞：稀土；Ni-Cr-Cu合金鑄鐵；顯微組織；金屬堿腐蝕

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）32-0094-03

一、引言

內蒙古自治區天然堿儲量豐富，但在燒堿生產制造中設備的腐蝕問題嚴重[1]，局限了制堿工業的發展。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[3]提出：當合金鑄鐵中加入適量的稀土和鎳元素的含量時，合金鑄鐵的耐蝕性將提高。同時，結合內蒙古包頭市稀土資源豐富的優勢，開發新型稀土合金鑄鐵，服務于我區的工業發展，為地方經濟的騰飛做出貢獻。

二、試驗材料及方法

1.試驗材料的成分設計及編號、化學成分。表1稀土Ni-Cr-Cu合金鑄鐵編號及化學成分（質量分數%），其中C=3.0%，Si=2.0%，Mn=0.6%，S<0.05%，P<0.11%，Cr=1.5%，Cu=5%。

2.試驗介質及實驗設備。

3.試件顯微組織觀察儀器。利用蔡氏顯微鏡對試樣石墨形態和金相組織進行觀察。

三、試驗結果及分析

1.稀土對Ni-Cr-Cu合金鑄鐵石墨形態和顯微組織的影響。本實驗是在鉻、銅含量不變的基礎上，鎳質量百分含量分別為3%、4%、5%的基礎上加入了不同含量的稀土。基體組織均為鐵素體+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生了轉變，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，然而當加入過量的稀土后，如圖RZ4、RZ8、RZ12所示，石墨尺寸加大，球化程度降低，又有向蠕蟲狀轉化的趨勢。

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方式與在不同晶面上原子間距及結合能的大小有關。在晶面（0001）上原子結合能為100～120K Cal/mol，從熱力學上講，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，石墨優先在棱面上沿〈1010〉方向生長，加入稀土后，由于稀土對S、O等原子的變質作用，清除了棱面上的這些活性原子，造成石墨在棱面〈1010〉方向上長大的障礙，因而增加了其在晶面上長成蠕蟲狀和球狀的趨勢。當加入過量的稀土后，稀土這種作用減弱，因此石墨又向大尺寸的趨勢轉化。同時，稀土也是促進白口的元素，因此隨稀土含量的增加，石墨數量減少，碳化物數量增加，可由圖1看出。

2.稀土對Ni-Cr-Cu合金鑄鐵腐蝕性能的影響。將試驗以后的試件取出，用水清洗表面粘著的腐蝕介質，然后置于干燥皿中高溫烘干后，采用失重法計算各試件的腐蝕速率，再評定出腐蝕等級。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。為了進一步說明稀土含量對腐蝕速度的影響，將腐蝕后的試樣清洗干凈并進行干燥后，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。比較各個圖可以看出：腐蝕程度RZ4>RZ1>RZ2≈RZ3。

4.稀土作用機理探討。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化，溶液中原電池反應的電極變小，進而原電池反應的程度降低，腐蝕程度削弱，耐蝕性能提高。（2）稀土是促進白口的元素，促進碳化物形成，碳化物起到骨架的作用，提高基體的抗沖刷能力，并抑制腐蝕液的進一步侵蝕，故耐蝕性增加。

四、結論

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→蠕蟲狀→球狀→片狀轉變。

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一步增強。

參考文獻：

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

[2]沈陽鑄造研究所.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.稀土對低合金鑄鐵組織及耐堿蝕性能的影響[J].內蒙古工業大學學報，2002，21（4）：246-249.

[4]朱霞，董俊慧.稀土對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].冶金工業出版社，1995：366-372.