鑄鐵是指含碳量在2%~4%（質量分數）,并且含有較多硅、錳、磷、硫等元素的鐵基合金。當鑄鐵中的碳含量超過其在鐵素體或奧氏體中的溶解度時,凝固過程中富碳相會沉淀。鑄鐵的最終組織結構由金屬基體和碳化物或石墨組成,且取決于化學成分和凝固速度[1]。根據微觀結構不同,鑄鐵分為白鑄鐵、灰鑄鐵、韌性鑄鐵和雜色鑄鐵。
鑄鐵生產和應用具有悠久的歷史,是目前使用量僅次于鋼材的金屬材料。美國鑄造協會（AFS）對全球鑄件產量的數據分析表明,從1966年（全球數據可用的第一年）到2017年,全球鑄鐵產量以一定的增長率逐步上升。同期,僅球墨鑄鐵噸位的年增長率（22.5%）即超過了鋁的增長率（21.5%）,這表明鑄鐵在金屬材料的競爭中占有較大的優勢[2]。鑄鐵熔煉簡單、成本低廉。同時,鑄鐵具有良好的鑄造性能、相對簡單的鑄造工藝[3]。與鋼相比,鑄鐵的抗拉強度、塑性及韌性都較差,但其具有優良的鑄造性能以及良好的減摩性和吸振性,較低的缺口敏感性和良好的切削加工性能,且經合金化后還具有良好的耐熱性和耐腐蝕性等特點。因此,鑄鐵在冶金礦山、機床制造、汽車拖拉機、機車城軌、動力工程、化工石化、電力、輕紡工業、水暖器材以及食品工業等行業中均有廣泛應用。
由材料與其環境之間的化學或電化學反應引起的材料力學性能退化稱為腐蝕[4]。腐蝕是一種自發的、靜態的破壞,但危害非常嚴重,對國民經濟有巨大影響,是材料科學和工程領域長期關注的問題[5]。普通鑄鐵的耐蝕性總體上不佳,但它們在某些腐蝕介質如一些中性鹽溶液、常溫濃硫酸、溫度和濃度不高的堿液以及中性有機介質等中,仍具有足夠的耐蝕性。即便鑄鐵部件的使用壽命不是很長,但在一些場合其可作為易損件,定期更換,還是可以獲得很好的經濟效益。然而,在一些特殊應用環境中,鑄鐵部件腐蝕可能會影響工業生產效率,甚至帶來安全隱患。因此,耐蝕鑄鐵作為耐蝕金屬材料的一個重要分支近年來得到了高度重視。
1. 耐蝕鑄鐵的發展歷程與現狀
1.1 耐蝕鑄鐵的發展歷程
耐蝕鑄鐵最早可追溯到1799年英國人席科林研究的高鎳鑄鐵。他發現在鑄鐵中加入25%（質量分數,下同）的鎳可以使鑄鐵不銹,可惜該技術當時并沒有投入實際使用[6]。早在1913年,人們已發現鋁、鈉、鎂等合金元素對鑄鐵鐵液有一定的凈化作用。但是,直到1920年以后,關于合金元素對灰口鑄鐵耐蝕作用的研究結果才首次在生產中應用。1924年,英國Ferranti公司發現在鑄鐵中加入20%的鎳,即可將鑄鐵中的鐵素體轉變為奧氏體,獲得單一的奧氏體組織,該耐蝕鑄鐵的商業牌號為“Nomag”,是最早的商業化耐蝕鑄鐵。這種鑄鐵沒有磁性,同時具備良好的耐蝕性能和耐熱性能。1928年,國際鎳公司成功研制了著名的白口鎳硬鑄鐵（Ni-Hard）,其碳化物為（Fe,Cr）3C,硬度為1 000~1 150 HV,鑄態組織以馬氏體和殘留奧氏體為主,具有優異的耐磨損性。在1930年前后,高鉻白口鑄鐵被研制出來,其鉻質量分數約為30%,基體馬氏體中塊狀碳化物的分布較為均勻,其強韌度較高,且有較高的耐磨性和耐蝕性。從此,各種耐蝕鑄鐵得以迅速發展。
在隨后的研究中,科研工作者通過在普通鑄鐵中添加硅、鉻、鎳、鋁、鉬等合金元素開發出了一系列耐蝕鑄鐵,如高硅鑄鐵、鉻鑄鐵、鎳鑄鐵和鋁鑄鐵等。這些耐蝕鑄鐵已廣泛應用于機械制造、交通運輸和石油化工等領域。隨著應用領域的拓展,對鑄鐵耐蝕性能和力學性能的要求也越來越高,這也是耐蝕鑄鐵未來的發展方向之一。
1.2 耐蝕鑄鐵研究現狀
通過合金化來提高鑄鐵耐蝕性的研究工作主要從以下三個方面開展：（1）改變顯微組織在腐蝕介質中的電位,降低原電池的電動勢；（2）改善石墨形狀、大小和分布及基體組織,減少原電池數量；（3）對鑄鐵表面進行改性,使鑄鐵表面形成保護膜[7]。通過在鑄鐵中加入適當的合金元素并輔以熱處理技術可以有效提升鑄鐵的耐蝕性能。在常見的腐蝕介質中,鑄鐵的合金成分對耐蝕性的影響比其顯微組織的影響更顯著。按照合金含量的不同,耐蝕鑄鐵可分為高合金耐蝕鑄鐵和低合金耐蝕鑄鐵。
1.2.1 高合金耐蝕鑄鐵
常見的高合金耐蝕鑄鐵有高硅鑄鐵、高鉻鑄鐵和高鎳鑄鐵。
高硅鑄鐵指含硅14.5%~18%（質量分數,下同）的一系列耐蝕鑄鐵,主要用于輸送高腐蝕性流體。硅可溶入α-Fe中形成單一的α相固溶體,使基體電極電位升高。同時,硅與氧作用在表面形成的致密SiO2保護膜提高了高硅鑄鐵的耐蝕性。對普通高硅鑄鐵進行合金化和熱處理也可明顯改善鑄鐵的加工性能和在某些介質中的耐蝕性。添加混合稀土可以改變石墨形狀,進一步研究發現,減少石墨含量制備的含單一鐵素體超低碳高硅鐵基合金可顯著提高電極板壽命[8-9]。
高鉻鑄鐵指含鉻14%~36%的耐蝕鑄鐵,屬于白口鑄鐵,其組織中含有大量鉻的碳化物。高鉻鑄鐵具有優良的耐磨性、抗氧化性和耐蝕性。鉻在鐵素體中固溶,從而提高了鑄鐵的耐蝕性。ANNALISA等[10]結合堆焊和失穩熱處理工藝,促進基體發生由馬氏體向奧氏體轉變的相變,通過微小顆粒的改變顯著提高了高鉻鑄鐵的抗侵蝕性。
高鎳鑄鐵指含鎳12%~36%的耐蝕鑄鐵,其組織為奧氏體加石墨。鎳在鑄鐵中既不形成碳化物,也不固溶于滲碳體,而是全部固溶于基體之間。高鎳鑄鐵在高低溫下的組織穩定性好,在某些酸溶液介質中耐蝕性非常強。采用粉末冶金法在鎳鑄鐵中添加硬質顆?？梢蕴岣吖ぜ哪湍バ?/span>[11]。
1.2.2 低合金耐蝕鑄鐵
低合金耐蝕鑄鐵包括鎳鉻鑄鐵、含銅鑄鐵和含銻鑄鐵。
鎳鉻鑄鐵指含鎳0.1%~2%、含鉻0.8%的耐蝕鑄鐵。鎳在氧化性氣氛中的熱力學穩定性高,屬于易鈍化金屬,其溶于基體可降低基體與石墨的電位差,減小腐蝕電流,改善材料的耐蝕性。鎳鉻鑄鐵是國外應用最廣泛的一種低合金耐蝕鑄鐵,因其主要應用領域是制堿工業,故又被稱為耐堿鑄鐵。HE等[12]以赤泥和紅土鎳礦為主要原料,采用50 kW電弧爐高溫碳熱還原技術,經中頻感應爐精煉,直接生產出了低鎳鉻鑄鐵。
含銅鑄鐵指含銅0.4%~0.5%的灰鑄鐵。銅以固溶形式存在,能夠提高基體的電極電位,并形成堅固保護膜。當鑄鐵中同時存在鎳、錳、鋁、銅等元素時,銅的溶解度能顯著提高,繼而提高含銅鑄鐵的穩定性和耐蝕性。研究發現,鑄鐵的耐蝕性很大程度上取決于其高電化學電位元素的總含量,即鎳和銅的總含量[13]。在具有簡單奧氏體基體的非激冷鑄鐵Ni-Mn-Cu中,鎳和銅的總含量較高,因而其具有較好的耐蝕性。
含銻鑄鐵指加入適量銻的灰鑄鐵。在鑄鐵中加入適量的銻可以提高鑄鐵在酸性和堿性介質中的耐蝕性,且鑄鐵的耐蝕性隨銻含量的增加呈先提高后降低的規律。銻是珠光體穩定劑,能阻礙珠光體的共析轉變,細化共晶團。因此,銻的加入可以使鑄鐵的抗汽蝕性顯著提高。通過熱力學計算發現,銻的引入可避免石墨退化,增加石墨成核相,顯著提高球墨鑄鐵的耐蝕性[14]。
高合金耐蝕鑄鐵雖然顯現出較好的耐蝕性,但其熔煉過程復雜,耗材多,成品率低；而低合金耐蝕鑄鐵所需合金元素少,生產工藝簡單,成本低,易于推廣使用。因此,從我國國情出發,結合富有資源如錳、鋁、鈦、硅和稀土等,研究開發鑄造性能和耐蝕性優良、生產成本低的低合金耐蝕鑄鐵是本領域關注的焦點。探究耐蝕鑄鐵的耐蝕機理,結合熱處理與合金化方法,調控耐蝕鑄鐵的組織結構,在提升耐蝕性能的同時,綜合提升力學性能,以滿足不同服役工況下材料的性能要求,這是今后耐蝕鑄鐵研究應重點關注的方向。
2. 耐蝕鑄鐵的服役環境及腐蝕機制
2.1 土壤環境
鑄鐵管廣泛用于給水、排水和煤氣的輸送。此外,鑄鐵還常作為接地極和基礎設施材料等。這些鑄鐵部件埋在地下,因此需要考慮土壤環境對鑄鐵腐蝕的影響[15]。
土壤是一個由水、空氣和土壤顆粒組成的非均質多相系統。土壤中鑄鐵腐蝕的主要原因是材料及其周圍介質的電化學不均勻性。土壤的各種物理和化學性能如含水量、含氧量、可溶性鹽含量、電導率和p H,對土壤中鑄鐵部件的腐蝕過程都有重大影響[15-16]。土壤的物理和化學性能與土壤質地和當地氣候條件密切相關,具有明顯的地域特征[17]。在復雜的土壤環境中,由于周圍介質的物理和化學性能的變化,鑄鐵材料的表面往往會產生不同的腐蝕狀態,進而改變電化學腐蝕的陰極和陽極反應,而不均勻的電化學特性大大加速了埋地鑄鐵的腐蝕[18]。埋地鑄鐵的土壤腐蝕主要包括三種類型：土壤不均勻性導致的宏電池腐蝕、埋地鑄鐵材料表面不均勻微化學狀態引起的微電池腐蝕[19]和土壤中微生物活動引起的微生物腐蝕[20]。
針對埋地鑄鐵的腐蝕行為,目前采取的保護措施主要有增加鑄鐵部件的橫截面積以補償材料腐蝕,陰極保護技術（外加電流法和犧牲陽極法）以及涂刷防腐蝕涂層等[21]。
2.2 海洋環境
海洋環境主要包括海洋大氣帶、海洋飛濺帶、海洋潮差帶、海洋全浸帶和海底海泥帶。金屬的海洋腐蝕是一個極其復雜的過程,包括海洋大氣腐蝕、海水侵蝕腐蝕、氯離子腐蝕、微生物腐蝕、沉積物侵蝕腐蝕及其復雜的相互作用[5]。
海水的高導電特性使鑄鐵在海水中產生腐蝕電池的范圍較大,微電池和宏觀電池的腐蝕都極易發生,如鑄鐵與銅合金或者不銹鋼等異種金屬在海水中接觸,均可能形成宏觀電池造成接觸部位發生電偶腐蝕。此外,在海水環境中,由于拉伸應力和電化學溶解的持續共同作用,鑄鐵中裂紋萌生擴展,發生以脆性方式失效的應力腐蝕[22]。
在實際應用過程中常需通過不同保護方法將耐蝕鑄鐵的腐蝕降至最低,以保持其力學性能,如使用腐蝕抑制劑、聚合物涂層和環氧樹脂涂層、熱金屬噴涂、表面合金化、熱浸、光電化學陰極保護等。表面處理是一種方便且有效的提高材料耐蝕性的方法。但當采用富含鉻酸鹽的鈍化處理或基于鉻酸鹽的底漆和顏料進行防腐蝕表面處理時,必須提供有效的物理屏障,阻止Cl-等侵蝕性物質進入到金屬基體[5]。
2.3 化工環境
純堿行業大量設備腐蝕嚴重,導致壽命縮短。高鎳鑄鐵由于具有較好的抗堿腐蝕性能,引起了越來越多的關注[23]。但高鎳鑄鐵中鎳含量較高,這提高了材料的生產成本。因此,亟待開發新型耐蝕材料,解決純堿工業中生產設備嚴重腐蝕的問題。
在化肥生產設備的耐腐蝕材料優選研究中發現,當鑄鐵中硅的質量分數達到14%~17%時,在氧化性介質中鑄鐵表面能形成一層以SiO2為主的保護性氧化膜,從而使鑄鐵在硝酸介質尤其是在高溫高含量硝酸蒸氣環境中,均具有良好的耐蝕性。此外,合理的防腐蝕結構改造、防腐蝕涂層技術優化,均能使鑄鐵的耐蝕性得到改善[24]。
2.4 其他環境
鍋具用鑄鐵材料的要求是污染少、傳熱效率高、能耗低,同時還要滿足對清潔劑的抗乳化性和高平滑度。在食材烹飪時,會產生鹽和有機酸共存的腐蝕環境,在該環境中鑄鐵容易發生局部腐蝕并逐漸失效,縮短鍋具的使用壽命[25]。涂國和等[26]將鋁合金、不銹鋼、鐵和球墨鑄鐵四種鍋具材料進行比較,發現球墨鑄鐵鍋的耐蝕性最好,傳熱性能最優秀,可以減少能源的損耗。此外,在田間作業條件下,以耐蝕鑄鐵為主體材料的農業機械和設備可以滿足服役過程中對沙子和人工肥料、植物保護劑等耐磨、耐蝕的需求。將耐蝕鑄鐵用于筑路機械,也能夠滿足抗局部沖擊性高的要求[3]。
3. 耐蝕鑄鐵的耐蝕機理
盡管鑄鐵的腐蝕破壞形式有許多種,但就其腐蝕過程來說,大多屬于電化學腐蝕的范疇。鑄鐵表面存在不同的相,晶界和晶體缺陷,夾雜、應力和表面損傷等。這些電化學不均勻性使鑄鐵表面各微觀部分的電極電位不同,從而構成腐蝕微電池。在普通鑄鐵的基礎上添加合金元素或優化鑄造工藝,可使鑄鐵表面形成致密而且附著牢固的保護膜,提高鑄鐵基體的電極電位,改變組織如獲得奧氏體組織或球化石墨等,最終提高鑄鐵的耐蝕性。
3.1 組織結構調控
3.1.1 基體組織的影響
按照腐蝕電化學原理,理想耐蝕鑄鐵的組織應該是均勻單一的結構。但鑄鐵組織不可能是單一結構,普通鑄鐵的組織主要由鐵素體、珠光體、滲碳體和石墨組成,它們的電極電位依次增高。初生滲碳體和珠光體的體積分數和形貌對腐蝕速率的影響不容忽視。滲碳體會加速鐵素體的腐蝕,容易形成嚴重的微電偶腐蝕,從而促進腐蝕過程[12]。MEDY N'SKI等[13]研究發現,珠光體灰鑄鐵的耐蝕性最低,而在非氧化酸中單一鐵素體相的腐蝕速率比珠光體或珠光體和鐵素體混合組織小得多。共晶團內出現細針狀鐵素體會導致陽極面積增加,腐蝕類型從局部腐蝕逐漸向均勻腐蝕轉變[27]。由于珠光體由鐵素體與碳化鐵組成,在制造過程中改變熱處理溫度和保溫時間,可以調節鐵素體和奧氏體的數量,從而改變冷卻后組織中鐵素體和珠光體的比例,較大幅度地提升鑄鐵的耐蝕性[28]。
材料的組織決定了其性能。因此,通過調控耐蝕鑄鐵的組織,如消除柱狀枝晶和沿晶界連續分布的粗大條片狀碳化物,細化晶粒[29],形成以單一鐵素體為主,間距細小、彌散度高的組織結構,可綜合提高鑄鐵的耐蝕性、塑韌性和切削性,增強耐蝕鑄鐵的市場競爭力。
3.1.2 石墨形態的影響
鑄鐵腐蝕的特殊性在于鑄鐵的“石墨化”[30]。石墨通常以網絡狀分布在基體內,因其較強的陰極性,在多數腐蝕介質中石墨既不發生化學反應也不發生溶解。在一定的介質條件下,大量的石墨和其他組織在鑄鐵中構成微電池,鐵基體腐蝕后,遺留下一個多孔的石墨骨架,最終石墨和腐蝕產物存留于鐵器表面,這種腐蝕稱為石墨化腐蝕。其實質是一種相選擇性浸出腐蝕。石墨對鑄鐵耐蝕性的影響取決于其形態,不能一概而論。
在各種稀酸中,普通鑄鐵一般處于活性溶解狀態,腐蝕速率很高,不易形成具有保護性的腐蝕產物層。石墨作為有效陰極會加速基體的腐蝕。在二維平面上,石墨含量相同的球墨鑄鐵中球狀石墨總面積比灰鑄鐵中片狀石墨的總面積小得多,石墨分布更加均勻,因而球墨鑄鐵的腐蝕速率比灰鑄鐵低[31-32]。
在自然環境（大氣、水和土壤）和堿性介質中,鑄鐵處于鈍化態,其電化學腐蝕陰極過程是耗氧反應。石墨網絡和腐蝕產物組成了附著在鑄鐵表面的不透性保護膜,對鑄鐵腐蝕速率有重要影響,細致的珠光體和連續性好的片狀石墨有利于獲得致密的表面膜。
石墨在鑄鐵中主要呈片層狀分布,其腐蝕弱化效應取決于其大小、形狀和分布[33]。石墨片的存在會破壞基體的連續性,導致灰鑄鐵對空化侵蝕的抵抗力相對較差。同時,石墨片起到應力集中的作用,形成的腐蝕產物體積大于母材的體積,體積的增加迫使各層分離并導致金屬剝落或分層[34]。對于任何給定的基體,塊狀石墨的弱化效應最大,其次是片狀石墨,然后是球狀石墨。石墨含量越多,鑄鐵腐蝕越劇烈,球狀石墨互相隔離,表面積小,因此含有球狀石墨的鑄鐵的腐蝕速率比含有片狀石墨的灰鐵低得多。塊狀石墨在共晶凝固早期形成,并在球狀石墨形成之前形成[35]。共晶胞的生長速率與片狀石墨的生長速率相同,但比過冷石墨的生長速率慢。由此可見,塊狀石墨是由奧氏體和石墨的耦合共晶生長產生的。防止塊狀石墨形成的最有效措施是提高冷卻速率、細晶強化、控制微量元素和添加特定合金元素。
3.2 合金元素的影響
在鑄鐵中加入合金元素可以提高基體的電極電位,促進形成更穩定致密的保護膜,降低陽極、陰極活性,提高材料的耐蝕性。
鎳不形成任何碳化物,幾乎全部固溶于基體中,起固溶強化作用。鎳元素促進珠光體形成,也會使鑄鐵表面形成保護膜,隔絕鑄鐵表面與外界物質的接觸,使鑄鐵避免受到侵蝕而產生鐵銹[36]。
銅是熱力學穩定性較高的合金元素,固溶于金屬基體中,不形成碳化物,有利于提高基體電極電位,提高鑄鐵的耐蝕性。添加銅可使鑄鐵中的石墨變粗,加速珠光體的形成,顯著提高灰鑄鐵基體的強度和硬度,在一定程度上提高灰鑄鐵在大氣中的耐蝕性[37]。
錳是一種很強的奧氏體穩定元素[38]。在奧氏體化溫度下,奧氏體中碳和合金元素的平衡含量增加,阻止珠光體析出,穩定奧氏體,提高材料的耐蝕性。錳不會形成自己的碳化物[39]。錳的加入雖然可部分代替鎳的作用,但錳含量過多會降低工件的力學性能,通常鑄鐵中錳的質量分數為1.5%~2.5%[7]。
鑄鐵中加入鉻的目的是生成鉻垢,其生長緩慢,可作為屏障對鑄鐵基體起到保護作用[40],結合熱處理可以改善和控制材料性能,提高強硬度,改善抗沖蝕性,以達到特定腐蝕環境的應用要求[41]。
鑄鐵中添加適當含量的鋁,能夠提高鑄鐵保護性氧化層的耐久性,但同時也會增加材料的脆性。相較于奧氏體鑄鐵,高鋁合金鑄鐵具有抗氧化性強和使用壽命長等優點,同時由于鋁替代鎳,材料成本只是奧氏體鑄鐵的四分之一[42]。高鋁鑄鐵可由受污染的鋁廢料制成,因此它極有可能成為一種重要的生態材料,但鋁在熔煉時會產生燒損及其他危害,不宜加入太多[43]。
磷對鑄鐵腐蝕的影響不明顯。磷共晶本身和石墨一樣具有較高的抗蝕能力,但附加微電池的產生會起負作用。磷在奧氏體中的溶解度有限,隨著碳含量的增加,溶解度降低,促進石墨的偏析,形成鐵素體和磷化鐵的共晶穩定體[44-45]。當磷質量分數為0.4%~0.6%時,鑄鐵穩定性能好,對中性介質及大氣腐蝕的抵抗能力強,但在堿性介質中,磷會加重腐蝕。
合理添加稀土元素,可以有效提高低合金鑄鐵的耐蝕性能。稀土元素可細化石墨,使原電池反應的電極變小,弱化腐蝕程度,提高耐蝕性能。稀土元素可以促進碳化物形成,碳化物起到骨架作用,提高基體的抗沖蝕能力[46]。
在鑄鐵中加入合金元素時,應嚴格控制加入量和種類,需考慮經濟成本,同時也要注意負面作用,以適應生產條件。
3.3 防護層
3.3.1 滲碳
滲碳處理工藝可對試樣表面的硬度、耐磨性和耐蝕性產生較大影響。加熱碳源產生的游離碳原子擴散到鑄鐵表面并沉淀,形成的碳化物涂層可以顯著提高表面硬度、耐磨性和抗氧化性[47]。常用的滲碳劑有無煙煤、天然和合成石墨以及石油焦。乙炔合成過程中產生的沖天爐焦炭、木炭和滲碳劑也可用于滲碳[48]。滲碳劑配額應為固體金屬電荷的3.8%~5.0%,最終的量取決于滲碳劑等級和采用的滲碳方法[49]。
3.3.2 滲氮
鑄鐵經過滲氮處理后,零件表面的硬度提高,更加耐腐蝕、抗疲勞,在中性介質中這種作用更強。因此,滲氮處理廣泛應用于各類精密零件,長期在強腐蝕性環境和其他要求較高環境中使用的零部件。KONDAKCI等[50]證明了氮化能夠提升灰鑄鐵的耐蝕性。LIU等[51]則進一步證明氮化后鑄鐵的耐磨性和耐蝕性都得到了增強。
相較于其他滲氮方式,離子滲氮具有滲氮速度快、滲層厚度與組織可控、工件變形量小、凈化表面和綠色環保等優點。在低溫范圍內,離子滲氮可提高灰鑄鐵表面的耐蝕性,而不會改變其結構[52]。
3.3.3 碳氮共滲
在工件表面同時滲入碳、氮元素,以滲碳為主,滲氮為輔的工藝被稱為碳氮共滲。該工藝的處理溫度低于普通滲碳溫度,為700~960 ℃。共滲介質是一種活性介質,其中同時含有碳與氮元素。碳和氮梯度對氮和碳擴散有交互促進作用,與傳統滲氮相比,氮碳共滲能夠在略微升高的工藝溫度下以更短的工藝時間形成類似的表面結構,提高工件的耐磨性、抗疲勞性和耐蝕性[53]。
3.3.4 表面改性
利用表面改性技術對球墨鑄鐵表面進行熔覆和合金化處理,可提高球墨鑄鐵表面的硬度、耐磨性和耐蝕性。常用的表面改性技術有熱噴涂、堆焊、激光表面合金化以及等離子束表面合金化等[54-55]。
熱噴涂和堆焊技術是借助高能量密度的熱源將具有獨特使用性能的合金涂料熔融成液態金屬,沉積在基體材料表面,通過液態金屬與基體材料以原子結合的方式改變基體材料的化學成分和微觀組織,從而獲得良好耐磨、耐蝕及耐熱性能的合金涂層[55-56]
激光合金化是利用激光束的熱量將材料表面和涂料加熱并熔融,隨后在冷卻凝固的過程中,材料表面形成新的微觀組織,進而形成耐蝕、耐熱等的合金涂層[57]。同激光合金化相比,激光熔覆會使填充的合金材料完全熔化,而基體材料部分熔化,凝固后形成冶金結合界面。
3.4 其他
針對水泥混凝土攪拌和輸送等腐蝕工況下發生的磨損腐蝕,一般使用復合變質處理的方法對高合金耐磨耐蝕鑄鐵進行表面改性處理[29]。復合變質處理以一定比例的稀土、硼、鈦混合物為復合變質劑,可細化鑄鐵的組織,改善碳化物形態、大小和分布,消除枝狀組織和網狀碳化物,使碳化物由粗大片狀變為短棒狀和顆粒狀,尺寸明顯減小,從而使高合金鑄鐵在高應力腐蝕工況下獲得優良的力學性能和耐磨耐蝕性能,提高其在水泥混凝土攪拌、輸送等高應力腐蝕磨損工況下的服役壽命,降低材料消耗。此外,改變預處理條件、孕育劑、熱處理參數（熱處理溫度/浸泡時間）,細化碳化物微觀結構等均可提高鑄鐵的耐蝕性[58]。
4. 耐蝕鑄鐵的應用
4.1 化工石化設備
基于成本和操作性能的綜合考慮,表面形成鈍化膜的高硅鑄鐵即使在高溫下也能抵抗濃酸和稀酸、堿鹽溶液的腐蝕,最適用于化工領域[58]。因此,高硅鑄鐵被廣泛用于制造管道配件、離心泵和活塞泵。高鎳奧氏體鑄鐵是近年來國外發展最迅速的工程結構材料,其在堿性環境中具有良好的耐蝕性[59]。但高鎳奧氏體鑄鐵生產成本較高,這限制了其在我國制堿行業中的應用。因此,研制新型低成本的耐堿腐蝕合金鑄鐵迫在眉睫。
4.2 發動機部件
近年來,由于環境污染問題日益嚴重,作為替代燃料,生物柴油用量不斷增加。與普通柴油比,生物柴油及其混合物對汽車金屬如銅、鋁、鑄鐵等的腐蝕性更強。為此,DESHPANDE等[60]采用球墨鑄鐵制造活塞和活塞環等發動機零件,并對鑄鐵進行適當的熱處理,避免點蝕的產生,完美解決了生物柴油與接觸金屬的腐蝕、摩擦腐蝕和不穩定性等問題,以及燃料容器低存儲的困境。
4.3 接地網
近年來,高壓、大容量、遠距離輸電的高壓直流輸電系統在我國的輸電系統中得到了廣泛應用。除土壤腐蝕外,埋在土壤中的接地極在接地電流作用下還會發生電解反應,加速腐蝕,甚至出現嚴重的安全事故。高硅鑄鐵中引入的硅可以減小鐵素體和石墨之間的電位差,對基體起到保護作用,使高硅鑄鐵具有優異的耐蝕性,保證了其廣闊的應用前景[61]。ZHENG等[62]對銅、碳鋼、鍍鋅鋼、鑄鐵和石墨等5種常見接地材料的腐蝕速率進行比較。結果表明,在接地電流作用下,5種接地材料的耐蝕性從大到小順序為：石墨、碳鋼、銅、鑄鐵、鍍鋅鋼。鑄鐵中硅的質量分數僅為2%~2.9%,其耐蝕性略低于碳鋼。當鑄鐵中硅的質量分數達到14.5%時,表面氧化后形成的SiO2膜可以減少腐蝕。然而,SiO2是一種絕緣材料,會增大接地網的電阻率,并增加“累積”效應。在接地網條件下,電偶的腐蝕速率與交流電流強度呈正相關。電偶和交流干擾的協同效應,使接地網腐蝕進一步惡化。所以,必須選擇合適的電流注入位置,增加流點數量,消除或減少電流累積效應[63]。
4.4 水環境
目前,許多城市的供水網絡仍然大量使用鑄鐵和球墨鑄鐵管,包括直徑較大的干管[64]。城市供水用鑄鐵管通常使用水泥襯里防止管道內部腐蝕,使用煤焦油和瀝青等保護涂層防止外部腐蝕。此外,鑄鐵材料常用于制造船體,但用該鑄鐵制造的船體質地較為脆弱,不能進行高溫鍛壓等操作,故此類型的船體大多在江、河、湖等淡水區域使用[65]。進一步提升鑄鐵材料自身的物理、化學性能,可促使船體的防腐蝕性能和防污性能不斷提升。
在海洋大氣環境中,灰鑄鐵一度被廣泛用于主要基礎設施[66]。澳大利亞在1880~1920年建造的許多橋梁都是以鑄鐵為橋墩。100多年后,上部結構已被更換,但鑄鐵橋墩仍處于較好的應用狀態[67]。夏卿坤等[68]開發了一種以價格低廉的工業廢鋼為主要原料生產球墨鑄鐵的方法,通過該方法制備的球墨鑄鐵具有極佳的耐蝕性和力學性能,可以廣泛應用于海洋環境中,有較好的推廣應用價值。
4.5 廚具
我國傳統的鐵鍋材料均是由鑄鐵煉制。鑄鐵鍋的表面防銹處理有噴涂處理和氮化處理。這兩種處理方式都會在鐵鍋表面殘留大量有害物質。王志剛[36]針對球墨鑄鐵鍋開發了一種防銹處理方法：在熔煉時加入鎳、鉻等元素,改變其內部結構,在球墨鑄鐵表面形成保護膜,隔絕球墨鑄鐵表面與外界物質的接觸,避免侵蝕。另外,植物油鍍膜、紫膠鍍膜等方法也可以有效避免球墨鑄鐵生銹現象的發生。吳曉光[69]利用食品級防銹油浸對鑄鐵鍋進行防銹處理,即將清洗好的鑄鐵鍋體放到旋轉振動式油浸爐中,在95 ℃的防銹油內經過高速旋轉、振動、低速旋轉、浸泡、烘干、冷卻后擦干。該方法提高了食品級鑄鐵鍋的表面耐蝕性。
5. 結束語
近年來關于如何提高鑄鐵的耐蝕性是一個研究熱點,也是未來鑄鐵行業發展的趨勢所在。中國經濟的迅速增長將給我國的鑄造產業提供更多的機會,為耐蝕鑄鐵的生產與應用提供廣闊前景。在提高鑄鐵耐蝕性的同時,低成本、輕量化設計將更加貼合市場需求。從技術發展的前景來看,耐蝕鑄鐵必將成為設計與應用并重的重要材料。
雖然,耐蝕鑄鐵作為接地網的研究報道較少,但耐蝕鑄鐵件良好的鑄造性能、相對簡單的鑄造工藝、耐蝕性良好等優勢,結合埋地鑄鐵工況良好與現有接地材料費用昂貴的現狀,鑄鐵作為接地網材料是完全可行的。解決合金元素調配以及腐蝕產物電阻等一系列問題后,以耐蝕鑄鐵為接地網材料必將有良好的發展前景。
目前,國內外還難以有效保證耐蝕鑄鐵生產的經濟性、穩定性,生產過程仍存在廢品率高、經濟性差等問題。另外,大噸位耐蝕鑄鐵的生產仍是困擾國內外專家的技術難題。這些因素都很大程度上限制了耐蝕鑄鐵的廣泛使用。因此,解決耐蝕鑄鐵生產的經濟性、穩定性和大噸位耐蝕鑄鐵件制備的可能性,將是攻克耐蝕鑄鐵無法大規模推廣使用問題的關鍵所在。同時,提高鑄件產量,改善所生產鑄件的美觀性,降低缺陷產件概率,減少污染物排放量,提高生產過程的競爭力,將是耐蝕鑄鐵成為市場主力的必經之路。
文章來源——材料與測試網