两种铸铁的耐蚀性比较

潘鹤斌，孔小东，苏小红

(海军工程大学，武汉43003)

铸铁中碳的质量分数高于2%，而硅在1%～3%之间。由于铸铁价廉易得，容易浇注成型，缺口敏感性低，耐磨性和减震性好，对某些介质具有一定耐蚀能力，是在工业上应用广泛的结构材料。新型球墨铸铁以其精良的铸造特性、加工特性和综合机械特性，使其成为各种复杂结构如阀门、泵、管道等的首选用材［1］。海水是含盐很高的自然电解质，是自然界中腐蚀性最强的介质之一。铸铁材料在海水中腐蚀的影响因素很多，包括材料本身物理化学性能及微观结构，如石墨形态、基体组织［2］。外界环境因素如含氧量、温度、流速、pH和海洋生物等［3—7］。笔者通过试验展现常用灰铸铁和球墨铸铁在静止模拟海水条件下的腐蚀性能，并在此基础上对其腐蚀机理进行了分析，为铸铁材料在海水环境下选材和应用提供理论与实践依据。

1 试验

1.1 材料

试验材料选用普通灰铸铁和某新型球墨铸铁，其主要成分、基体组织与石墨形态见表1。

表1 试验用材料成分组织Table 1 Material composition and organization in the test

1.2 方法

挂片试验试样尺寸，规格及腐蚀数据测定等都按GJB/T 7901—1999进行。试验周期为180天，试验所用模拟海水为3%(以质量分数计)的氯化钠溶液，每10天更换1次。全部腐蚀数据均为同一材料3个试样的平均值，由试样的腐蚀速率确定铸铁的耐蚀性。

极化曲线、交流阻抗均用武汉科思特仪器有限公司生产的CS350电化学工作站所测得。试验采用常用的三电极体系，参比电极为带毛细玻璃管的饱和甘汞电极，辅助电极为铂片，工作电极为测试材料制成。电化学试验在25℃的恒温水槽中进行。线性极化测试扫描范围为-0.20～0.20 V(相对于开路电位)，速率为1.00 mV/s，采样频率为2.0 Hz，分析软件为CView 2.0。交流阻抗测试的频率为0.1～100 000 Hz，交流信号幅值为10 mV，分析软件为ZView 3.0。

2 试验结果

2.1 电化学试验

灰铸铁与球墨铸铁电化学极化试验结果如图1所示。

根据试验所得的极化曲线，实心方格线，空心三角分别对应灰铸铁与球墨铸铁。使用CView2.0对试验所得极化曲线进行Tafei拟合分析，得出的拟合数据见表2。

图1 不同浸泡时间两种铸铁的极化曲线Fig.1 Contrast of polarization curves of twomaterials after different immersion time

表2 两种铸铁极化曲线测试拟合结果Table 2 Fit results of polarization curves of the twomaterials

由图1可以看出，在同组试验中球墨铸铁的腐蚀电位比灰铸铁的高。结合表2所示数据，可以定量得到球墨铸铁和灰铸铁的腐蚀电位、腐蚀电流及腐蚀速率。第10天极化曲线的腐蚀速率行为与之前几组行为不同，可能是由于极化曲线扫描速率(1.00 mV/s)过快所致。大体上，在4组试验中球墨铸铁的腐蚀电位比灰铸铁高，腐蚀电流比灰铸铁小，腐蚀速率也比灰铸铁小。由此可以看出，球墨铸铁在3%氯化钠溶液中腐蚀越慢，耐蚀性越好。

由图2可以看出，球墨铸铁的阻抗弧均较灰铸铁的大，这说明球铁被腐蚀阻力大于灰铸铁。由表3数据分析可得，同一时间球铁的Rp值较灰铸铁都大，说明球铁的耐蚀性优于灰铸铁。

表3 两种铸铁电化学阻抗拟合结果Table 3 EIS fit results of the twomaterials

图2 不同浸泡时间两种铸铁的Nyquist图Fig.2 Nyquist diagrams of the twomaterials after different immersion time

从电化学试验所得数据还可以看出，电化学腐蚀速率的影响与时间也有关。不管是灰铸铁还是球墨铸铁，在腐蚀的最初阶段腐蚀速率很高，随着时间的延长，腐蚀速率逐渐降低。杨海洋、黄桂桥［8］总结了碳钢在海水中腐蚀及污损随时间的变化规律。文献［9—10］指出这与所形成的腐蚀锈层有关，分析了锈层下金属的腐蚀行为及影响因素，文中不再讨论分析。为了更加精确地判断球墨铸铁和灰铸铁的耐蚀性能，还采用挂片质量损失法进行测定。

2.2 挂片试验

灰铸铁与球墨铸铁挂片试验试样经过清洗干燥后的宏观腐蚀如图3所示。

图3中H1，H2，H3均为灰铸铁试样，Q1，Q2，Q3为球墨铸铁试样。显而易见，两种铸铁的腐蚀遍布整个试样表面，而且每种铸铁3块试样遭到近似相同程度的腐蚀，这些都符合均匀腐蚀的典型特征。此外，灰铸铁较球铁的腐蚀更加明显，腐蚀程度更强。根据腐蚀速率公式得到的数据见表4。

图3 试样挂片试验后宏观腐蚀形貌Fig.3 Macroscopic morphology of materials after corrosion tests

表4 试样挂片腐蚀试验结果Table 4 Corrosion test results ofmaterials

由表4可以看出，灰铸铁和球墨铸铁都出现了质量损失，而且差别明显，灰铸铁平均质量损失大约是球铁的1.7倍。

从上述试验可知，尽管铸铁的电化学试验与挂片试验得出腐蚀速率大小存在一定的差别，但是展现两种材料腐蚀性能的结论是一致的。球墨铸铁的腐蚀速率小于灰铸铁，即耐蚀性优于灰铸铁。

2.3 结果分析

海水中盐的质量分数为3.5%左右，是强电解质溶液，电导大，电阻性阻滞很小，不仅微观电池活性大，同时宏观电池活性也大。海水中铸铁的腐蚀速率相当大，因为海水中大量存在的Cl-离子能阻碍铸铁产生阳极钝化，所以铸铁在海水中阳极钝化困难。氯化钠溶液不直接参与铸铁腐蚀过程中的电化学反应，只是作为腐蚀介质为电化学反应传输电子，NaCl提高传输电子的量增多，腐蚀速率增高［11］。

海水中铸铁的腐蚀主要是氧去极化的电化学腐蚀过程，它是腐蚀反应的主要环节。

阳极反应:Fe→Fe2++2e

阴极反应:1/2O2+H2O+2e→2OH-

溶液中:Fe2++2OH-→Fe(OH)2

进一步氧化:4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)2

氢氧化铁部分脱水成为铁锈:2Fe(OH)2-2H2O→Fe2O3·H2O或Fe(OH)2-H2O→FeOOH

这就是铸铁中主要的电化学腐蚀过程［12—13］。由此可见，铸铁在海水中的电化学腐蚀主要是金属基体被腐蚀，石墨实际不参与反应。

灰铸铁中石墨以网络状分布在基体组织内。在盐水、土壤中铁的电位低，优先被腐蚀，只剩下由石墨和铁锈组成的海绵状物体，称作石墨化，属于选择性腐蚀组织。球墨铸铁内部不存在像灰铸铁那样的石墨骨架，不会发生石墨化，然而，石墨化腐蚀是一个缓慢的过程。如果处于快速腐蚀的环境中，灰铸铁将发生整个表面的均匀腐蚀，而不是石墨化腐蚀。

铸铁表面邻近石墨处的基体腐蚀程度深。在一项海水喷雾腐蚀试验中，铸铁处于活化腐蚀状态，各种石墨形态铸铁的腐蚀率由低到高的次序是:球铁、蠕铁、A型石墨铸铁和枝晶石墨铸铁［14］。铸铁中石墨电位最高，渗碳体、珠光体、铁素体电位依次降低［15］。文中所采用灰铸铁的微观组织为片状石墨和珠光体，球铁为球状石墨和铁素体。

珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物。在电解质溶液中，珠光体基体的灰铸铁主要是由石墨与珠光体构成原电池，试验所用球铁主要是由石墨和铁素体构成的原电池。显然，灰铸铁的微电池数量比单一铁素体基体的球铁多。由于珠光体中的渗碳体也可以成为阴极，加速了其邻近铁素体的腐蚀，从而灰铸铁较球铁在海水中腐蚀更快更强。根据热力学原理又可得，单纯一种组织要比多种组织稳定，铁素体比珠光体稳定。综上所述，在NaCl溶液中球铁的耐蚀性优于灰铸铁。

石墨与基体接触的表面积越大，电化学腐蚀的速率越高［16］。灰铸铁中石墨形态为均匀细小的片状，连续分布;而球墨铸铁的石墨形态为球状，孤立分布。Fe电极、石墨电极和周围电解质溶液构成无数个微电池。在相同的其他条件下，球墨铸铁的相对接触面积较灰铸铁小很多。这意味着球铁的阴极面积比灰铸铁小，从而导致球铁电化学腐蚀速率较小，因此，球铁电化学腐蚀倾向低于灰铸铁，耐蚀性较高。

3 结论

1)在3%氯化钠溶液中，球墨铸铁和灰铸铁是均匀腐蚀的，主要是金属基体组织腐蚀，腐蚀是均匀全面的，不存在选择性。

2)在3%氯化钠溶液中，球墨铸铁腐蚀速率低于灰铸铁，耐蚀性好于灰铸铁。

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