兩種鑄鐵的耐蝕性比較

潘鶴斌，孔小東，蘇小紅

(海軍工程大學，武漢43003)

鑄鐵中碳的質量分數高于2%，而硅在1%～3%之間。由于鑄鐵價廉易得，容易澆注成型，缺口敏感性低，耐磨性和減震性好，對某些介質具有一定耐蝕能力，是在工業上應用廣泛的結構材料。新型球墨鑄鐵以其精良的鑄造特性、加工特性和綜合機械特性，使其成為各種復雜結構如閥門、泵、管道等的首選用材［1］。海水是含鹽很高的自然電解質，是自然界中腐蝕性最強的介質之一。鑄鐵材料在海水中腐蝕的影響因素很多，包括材料本身物理化學性能及微觀結構，如石墨形態、基體組織［2］。外界環境因素如含氧量、溫度、流速、pH和海洋生物等［3—7］。筆者通過試驗展現常用灰鑄鐵和球墨鑄鐵在靜止模擬海水條件下的腐蝕性能，并在此基礎上對其腐蝕機理進行了分析，為鑄鐵材料在海水環境下選材和應用提供理論與實踐依據。

1 試驗

1.1 材料

試驗材料選用普通灰鑄鐵和某新型球墨鑄鐵，其主要成分、基體組織與石墨形態見表1。

表1 試驗用材料成分組織Table 1 Material composition and organization in the test

1.2 方法

掛片試驗試樣尺寸，規格及腐蝕數據測定等都按GJB/T 7901—1999進行。試驗周期為180天，試驗所用模擬海水為3%(以質量分數計)的氯化鈉溶液，每10天更換1次。全部腐蝕數據均為同一材料3個試樣的平均值，由試樣的腐蝕速率確定鑄鐵的耐蝕性。

極化曲線、交流阻抗均用武漢科思特儀器有限公司生產的CS350電化學工作站所測得。試驗采用常用的三電極體系，參比電極為帶毛細玻璃管的飽和甘汞電極，輔助電極為鉑片，工作電極為測試材料制成。電化學試驗在25℃的恒溫水槽中進行。線性極化測試掃描范圍為-0.20～0.20 V(相對于開路電位)，速率為1.00 mV/s，采樣頻率為2.0 Hz，分析軟件為CView 2.0。交流阻抗測試的頻率為0.1～100 000 Hz，交流信號幅值為10 mV，分析軟件為ZView 3.0。

2 試驗結果

2.1 電化學試驗

灰鑄鐵與球墨鑄鐵電化學極化試驗結果如圖1所示。

根據試驗所得的極化曲線，實心方格線，空心三角分別對應灰鑄鐵與球墨鑄鐵。使用CView2.0對試驗所得極化曲線進行Tafei擬合分析，得出的擬合數據見表2。

圖1 不同浸泡時間兩種鑄鐵的極化曲線Fig.1 Contrast of polarization curves of twomaterials after different immersion time

表2 兩種鑄鐵極化曲線測試擬合結果Table 2 Fit results of polarization curves of the twomaterials

由圖1可以看出，在同組試驗中球墨鑄鐵的腐蝕電位比灰鑄鐵的高。結合表2所示數據，可以定量得到球墨鑄鐵和灰鑄鐵的腐蝕電位、腐蝕電流及腐蝕速率。第10天極化曲線的腐蝕速率行為與之前幾組行為不同，可能是由于極化曲線掃描速率(1.00 mV/s)過快所致。大體上，在4組試驗中球墨鑄鐵的腐蝕電位比灰鑄鐵高，腐蝕電流比灰鑄鐵小，腐蝕速率也比灰鑄鐵小。由此可以看出，球墨鑄鐵在3%氯化鈉溶液中腐蝕越慢，耐蝕性越好。

由圖2可以看出，球墨鑄鐵的阻抗弧均較灰鑄鐵的大，這說明球鐵被腐蝕阻力大于灰鑄鐵。由表3數據分析可得，同一時間球鐵的Rp值較灰鑄鐵都大，說明球鐵的耐蝕性優于灰鑄鐵。

表3 兩種鑄鐵電化學阻抗擬合結果Table 3 EIS fit results of the twomaterials

圖2 不同浸泡時間兩種鑄鐵的Nyquist圖Fig.2 Nyquist diagrams of the twomaterials after different immersion time

從電化學試驗所得數據還可以看出，電化學腐蝕速率的影響與時間也有關。不管是灰鑄鐵還是球墨鑄鐵，在腐蝕的最初階段腐蝕速率很高，隨著時間的延長，腐蝕速率逐漸降低。楊海洋、黃桂橋［8］總結了碳鋼在海水中腐蝕及污損隨時間的變化規律。文獻［9—10］指出這與所形成的腐蝕銹層有關，分析了銹層下金屬的腐蝕行為及影響因素，文中不再討論分析。為了更加精確地判斷球墨鑄鐵和灰鑄鐵的耐蝕性能，還采用掛片質量損失法進行測定。

2.2 掛片試驗

灰鑄鐵與球墨鑄鐵掛片試驗試樣經過清洗干燥后的宏觀腐蝕如圖3所示。

圖3中H1，H2，H3均為灰鑄鐵試樣，Q1，Q2，Q3為球墨鑄鐵試樣。顯而易見，兩種鑄鐵的腐蝕遍布整個試樣表面，而且每種鑄鐵3塊試樣遭到近似相同程度的腐蝕，這些都符合均勻腐蝕的典型特征。此外，灰鑄鐵較球鐵的腐蝕更加明顯，腐蝕程度更強。根據腐蝕速率公式得到的數據見表4。

圖3 試樣掛片試驗后宏觀腐蝕形貌Fig.3 Macroscopic morphology of materials after corrosion tests

表4 試樣掛片腐蝕試驗結果Table 4 Corrosion test results ofmaterials

由表4可以看出，灰鑄鐵和球墨鑄鐵都出現了質量損失，而且差別明顯，灰鑄鐵平均質量損失大約是球鐵的1.7倍。

從上述試驗可知，盡管鑄鐵的電化學試驗與掛片試驗得出腐蝕速率大小存在一定的差別，但是展現兩種材料腐蝕性能的結論是一致的。球墨鑄鐵的腐蝕速率小于灰鑄鐵，即耐蝕性優于灰鑄鐵。

2.3 結果分析

海水中鹽的質量分數為3.5%左右，是強電解質溶液，電導大，電阻性阻滯很小，不僅微觀電池活性大，同時宏觀電池活性也大。海水中鑄鐵的腐蝕速率相當大，因為海水中大量存在的Cl-離子能阻礙鑄鐵產生陽極鈍化，所以鑄鐵在海水中陽極鈍化困難。氯化鈉溶液不直接參與鑄鐵腐蝕過程中的電化學反應，只是作為腐蝕介質為電化學反應傳輸電子，NaCl提高傳輸電子的量增多，腐蝕速率增高［11］。

海水中鑄鐵的腐蝕主要是氧去極化的電化學腐蝕過程，它是腐蝕反應的主要環節。

陽極反應:Fe→Fe2++2e

陰極反應:1/2O2+H2O+2e→2OH-

溶液中:Fe2++2OH-→Fe(OH)2

進一步氧化:4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)2

氫氧化鐵部分脫水成為鐵銹:2Fe(OH)2-2H2O→Fe2O3·H2O或Fe(OH)2-H2O→FeOOH

這就是鑄鐵中主要的電化學腐蝕過程［12—13］。由此可見，鑄鐵在海水中的電化學腐蝕主要是金屬基體被腐蝕，石墨實際不參與反應。

灰鑄鐵中石墨以網絡狀分布在基體組織內。在鹽水、土壤中鐵的電位低，優先被腐蝕，只剩下由石墨和鐵銹組成的海綿狀物體，稱作石墨化，屬于選擇性腐蝕組織。球墨鑄鐵內部不存在像灰鑄鐵那樣的石墨骨架，不會發生石墨化，然而，石墨化腐蝕是一個緩慢的過程。如果處于快速腐蝕的環境中，灰鑄鐵將發生整個表面的均勻腐蝕，而不是石墨化腐蝕。

鑄鐵表面鄰近石墨處的基體腐蝕程度深。在一項海水噴霧腐蝕試驗中，鑄鐵處于活化腐蝕狀態，各種石墨形態鑄鐵的腐蝕率由低到高的次序是:球鐵、蠕鐵、A型石墨鑄鐵和枝晶石墨鑄鐵［14］。鑄鐵中石墨電位最高，滲碳體、珠光體、鐵素體電位依次降低［15］。文中所采用灰鑄鐵的微觀組織為片狀石墨和珠光體，球鐵為球狀石墨和鐵素體。

珠光體是鐵素體和滲碳體的機械混合物。在電解質溶液中，珠光體基體的灰鑄鐵主要是由石墨與珠光體構成原電池，試驗所用球鐵主要是由石墨和鐵素體構成的原電池。顯然，灰鑄鐵的微電池數量比單一鐵素體基體的球鐵多。由于珠光體中的滲碳體也可以成為陰極，加速了其鄰近鐵素體的腐蝕，從而灰鑄鐵較球鐵在海水中腐蝕更快更強。根據熱力學原理又可得，單純一種組織要比多種組織穩定，鐵素體比珠光體穩定。綜上所述，在NaCl溶液中球鐵的耐蝕性優于灰鑄鐵。

石墨與基體接觸的表面積越大，電化學腐蝕的速率越高［16］。灰鑄鐵中石墨形態為均勻細小的片狀，連續分布;而球墨鑄鐵的石墨形態為球狀，孤立分布。Fe電極、石墨電極和周圍電解質溶液構成無數個微電池。在相同的其他條件下，球墨鑄鐵的相對接觸面積較灰鑄鐵小很多。這意味著球鐵的陰極面積比灰鑄鐵小，從而導致球鐵電化學腐蝕速率較小，因此，球鐵電化學腐蝕傾向低于灰鑄鐵，耐蝕性較高。

3 結論

1)在3%氯化鈉溶液中，球墨鑄鐵和灰鑄鐵是均勻腐蝕的，主要是金屬基體組織腐蝕，腐蝕是均勻全面的，不存在選擇性。

2)在3%氯化鈉溶液中，球墨鑄鐵腐蝕速率低于灰鑄鐵，耐蝕性好于灰鑄鐵。

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