耐烧碱蚀合金铸铁的研发

摘要：本课题针对制烧碱工业中设备的腐蚀问题，研制出不同稀土含量、不同镍含量的稀土Ni-Cr-Cu合金铸铁，采用光学显微镜观察材料的显微组织；用失重法测定各合金铸铁在动态、高浓度下的碱腐蚀速率；采用S-3400N型扫描电镜观察，对其耐碱腐蚀性能进行评价进而讨论稀土Ni-Cr-Cu合金铸铁在烧碱液中的耐碱腐蚀机理。结果表明：随着镍含量的增加，合金铸铁的耐蚀性能增加；适量稀土元素可以改善铸铁中石墨和碳化物的形态、分布，使石墨球化、碳化物弥散分布。

关键词：稀土；Ni-Cr-Cu合金铸铁；显微组织；金属碱腐蚀

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）32-0094-03

一、引言

内蒙古自治区天然碱储量丰富，但在烧碱生产制造中设备的腐蚀问题严重[1]，局限了制碱工业的发展。本课题研究的合金铸铁是一种比较耐碱蚀的合金铸铁材料[2]。文献[3]提出：当合金铸铁中加入适量的稀土和镍元素的含量时，合金铸铁的耐蚀性将提高。同时，结合内蒙古包头市稀土资源丰富的优势，开发新型稀土合金铸铁，服务于我区的工业发展，为地方经济的腾飞做出贡献。

二、试验材料及方法

1.试验材料的成分设计及编号、化学成分。表1稀土Ni-Cr-Cu合金铸铁编号及化学成分（质量分数%），其中C=3.0%，Si=2.0%，Mn=0.6%，S<0.05%，P<0.11%，Cr=1.5%，Cu=5%。

2.试验介质及实验设备。

3.试件显微组织观察仪器。利用蔡氏显微镜对试样石墨形态和金相组织进行观察。

三、试验结果及分析

1.稀土对Ni-Cr-Cu合金铸铁石墨形态和显微组织的影响。本实验是在铬、铜含量不变的基础上，镍质量百分含量分别为3%、4%、5%的基础上加入了不同含量的稀土。基体组织均为铁素体+渗碳体+珠光体的组织。由图1可以看出：RZ1、RZ5、RZ9中未加入稀土，石墨的形貌为片状，加入稀土后向球状发生了转变，并且其球尺寸随稀土含量的增加逐渐变小，如RZ2、RZ3、RZ6、RZ7、RZ10、RZ11图所示，然而当加入过量的稀土后，如图RZ4、RZ8、RZ12所示，石墨尺寸加大，球化程度降低，又有向蠕虫状转化的趋势。

稀土的球化作用[4]是由于：石墨为密排六方晶体，在合金铸铁中的生长方式与在不同晶面上原子间距及结合能的大小有关。在晶面（0001）上原子结合能为100～120K Cal/mol，从热力学上讲，碳原子更容易吸附在界面能较低的晶面上，向球墨生成的方向发展。但在铸铁中，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]，故普通铸铁中，石墨优先在棱面上沿〈1010〉方向生长，加入稀土后，由于稀土对S、O等原子的变质作用，清除了棱面上的这些活性原子，造成石墨在棱面〈1010〉方向上长大的障碍，因而增加了其在晶面上长成蠕虫状和球状的趋势。当加入过量的稀土后，稀土这种作用减弱，因此石墨又向大尺寸的趋势转化。同时，稀土也是促进白口的元素，因此随稀土含量的增加，石墨数量减少，碳化物数量增加，可由图1看出。

2.稀土对Ni-Cr-Cu合金铸铁腐蚀性能的影响。将试验以后的试件取出，用水清洗表面粘着的腐蚀介质，然后置于干燥皿中高温烘干后，采用失重法计算各试件的腐蚀速率，再评定出腐蚀等级。腐蚀速率如表3所示，可以看出：随着镍含量的升高，合金铸铁腐蚀速率降低，稀土的最佳含量为0.02%～0.05%。

3.腐蚀表面微观形貌观察。为了进一步说明稀土含量对腐蚀速度的影响，将腐蚀后的试样清洗干净并进行干燥后，置于用S-3400N型扫描电子显微镜下观察。图2分别为RZ1、RZ2、RZ3、RZ4二次电子像。比较各个图可以看出：腐蚀程度RZ4>RZ1>RZ2≈RZ3。

4.稀土作用机理探讨。观察上述试件表面腐蚀后的二次电子像可以看出：加入适量的稀土，合金铸铁的耐腐蚀性能提高。原因有二：（1）稀土使得石墨得以细化，溶液中原电池反应的电极变小，进而原电池反应的程度降低，腐蝕程度削弱，耐蚀性能提高。（2）稀土是促进白口的元素，促进碳化物形成，碳化物起到骨架的作用，提高基体的抗冲刷能力，并抑制腐蚀液的进一步侵蚀，故耐蚀性增加。

四、结论

1.合金铸铁中加入稀土可以改变石墨的分布形式，即从片状石墨→蠕虫状→球状→片状转变。

2.合金铸铁中加入稀土可以改变碳化物的分布形式，即弥散状→网格状。

3.稀土加入适量可以提高合金铸铁的耐碱腐蚀性，其最佳为0.04%。

4.随着镍含量的增加，合金铸铁的耐烧碱腐蚀性能将进一步增强。

参考文献：

[1]张占彪，高录，于俊.镍材质在我厂天然碱制烧碱中的应用[J].纯碱工业，1997，（3）：55-58.

[2]沈阳铸造研究所.高镍奥氏体铸铁耐烧碱腐蚀性能的研究[J].铸造，1988，（6）：5-13.

[3]董俊慧，王素洁.稀土对低合金铸铁组织及耐碱蚀性能的影响[J].内蒙古工业大学学报，2002，21（4）：246-249.

[4]朱霞，董俊慧.稀土对Ni-Cr-Cu合金铸铁组织及耐碱腐蚀性能的影响[J].稀土，2002，（2）：5-7.

[5]徐光宪.稀土[M].冶金工业出版社，1995：366-372.