第4章 铸铁的腐蚀性能

常用金属材料的耐蚀性第4章铸铁的腐蚀性能4.1概述常用金属材料的耐蚀性普通灰铸铁（包括孕育铸铁）（片状石墨）；蠕墨铸铁；球墨铸铁；可锻铸铁（团状石墨，强度和韧性好，是白口铸铁经热处理后得到的）。4.1.1铸铁的分类:1、按断口分：灰口铸铁、白口铸铁（硬而脆）、麻口铸铁2、按合金化程度分：3、按石墨形态分：普通铸铁、合金铸铁（特殊性能铸铁，耐蚀铸铁、耐热铸铁、耐磨铸铁）常用金属材料的耐蚀性铸铁为铁、碳、硅三元合金，一般铸铁组织主要有铁素体、渗碳体、石墨三个相。4.1.2铸铁腐蚀的基本原理1、铸铁的组织：在电解质溶液中，石墨电极电位最高（+3.7V），渗碳体次之，铁素体较低（-0.44V）。因此，发生电化学腐蚀时，一般是形成以石墨或渗碳体为阴极，铁素体为阳极的原电池，造成腐蚀破坏。2、腐蚀原因：常用金属材料的耐蚀性3、石墨以中等大小，互不相连为好，球状或团絮状比片状好。4.1.3提高铸铁耐蚀性所希望的组织:1、基体最好是致密均匀的单相组织，如：奥氏体或铁素体（珠光体不如铁素体耐蚀）2、碳以碳化物形式存在为好（因为渗碳体与铁素体形成的原电池比石墨与铁素体形成的原电池的电动势小）常用金属材料的耐蚀性4.2铁锈的形成γ-Fe2O3.H2O；α-Fe2O3.H2O；FeOx（OH）3-2x（非晶态）。4.2.1铁锈结构钢铁表面上形成锈层时通常分为内外两层。外层疏松，结合不牢，内层较致密，同基体结合较牢。主要由三部分组成：常用金属材料的耐蚀性2、先生成γ-Fe2O3.H2O，然后再部分或全部地变成α-Fe2O3.H2O，即：Fe（溶解）→Fe2+（经水分解）→FeOH+（空气氧化）→γ-Fe2O3.H2O（溶解、沉积）→FeOx（OH）3-2x（固相转化、老化）→α-Fe2O3.H2O4.2.2形成过程1、铁锈主要是铁的三价氧化物，它不是由铁一次氧化形成的，而是经由二价铁离子进一步氧化生成的。3、钢铁在酸溶液中的腐蚀产物是可溶的，不生成铁锈，在弱酸性、中性或碱性水溶液中能生成锈层，常用金属材料的耐蚀性4.3铸铁中合金元素对耐蚀性的影响3、使铸铁表皮层下形成致密而牢固的保护膜。如形成SiO2，Al2O3，Cr2O3，4.3.1合金元素提高铸铁耐蚀性的主要作用：1、改变某些相的电位，降低原电池的电动势。如Cr，Mo，Cu，Ni，Si等，可提高基体的电极电位。2、改善组织，使电池数量减少，电动势变小。如加入硅14～18%，得到单一铁素体组织，加入锰得到单一奥氏体组织。常用金属材料的耐蚀性原因：硅的大量加入，使铁的表面形成比较致密与完整的Si02保护膜，这种膜具有很高的电阻率和较高的电化学稳定性。随着含硅量的增加，使致钝电流电流密度和维钝电流密度都大大降低，提高了铸铁的钝态稳定性。4.3.2铸铁中主要合金元素的作用1、Si，是提高铸铁耐酸性的主要元素。常用金属材料的耐蚀性2、Ni：原因：Ni使腐蚀电位向正方向移动。主要作用：一方面提高了铁的化学稳定性，同时又促进了铁的钝化。（高镍铸铁不仅对氧化性介质，而且对还原性介质都有较高的耐蚀性。）常用金属材料的耐蚀性原因：铬是一种易钝化金属，在氧化性介质中能使表面形成牢固而致密氧化膜。3、Cr：主要作用：使合金铸铁具有高的耐热性，而且提高了铸铁在氧化性腐蚀环境中的耐蚀性。常用金属材料的耐蚀性4、Mo：主要作用：改善合金铸铁在还原性酸及氯化物溶液中的耐蚀性。原因：在酸性氯化物溶液中，表面膜中的MoO3具有很高的稳定性。但是，只有在含有硅、铬、钼等元素的合金中，多孔的MoO3才能充分发挥其改进合金铸铁表面膜性能的作用。常用金属材料的耐蚀性原因：极易形成保护性良好的氧化膜。5、Al：主要作用：一定量的铝，可使铸铁具有良好的耐热性，而且在多种酸性溶液中具有很好的耐蚀性。常用金属材料的耐蚀性在高硅铁中作用较为明显，加入6.5～10%的铜，可以大大改善铸铁的耐热硫酸的腐蚀能力。原因被认为是铜在晶界处的析出，成为阴极元素，促进了阳极钝化。6、Cu：Cu在铸铁中对耐蚀性的作用说法不一，与各方面条件有关。常用金属材料的耐蚀性稀土元素对改善铸铁的耐热性具有良好的作用。例如：稀土镁球墨铸铁不仅具有良好的耐热性，而且具有优异的耐酸性。7、稀土元素原因：稀土具有良好的净化作用，减少杂质，使组织致密。常用金属材料的耐蚀性8、其他微量元素锑：对耐蚀性的作用因腐蚀介质不同而不同。在硫酸和硝酸中增加失重，而在盐酸和碱液中减少失重。钛：提高组织的致密性，改善铸铁的耐酸性。常用金属材料的耐蚀性对改善含磷铸铁在燃气腐蚀环境中的耐腐蚀性有效。砷：可改善铸铁的耐酸性。但随着含砷量的增加在碱中的耐蚀性恶化。钒与硼：锆：可以改善铸铁在5%硫酸和5%硝酸及海水中的耐蚀性。常用金属材料的耐蚀性4.4常用铸铁的耐蚀性与耐热性3、对水的耐蚀性好（长期以来铸铁水管被广泛应用，原因就是石墨有促进钝化作用。）4.4.1普通铸铁与球墨铸铁的耐蚀性2、在碱溶液中的耐蚀性好；1、在大气中的耐蚀性比碳钢好，但在亚硫酸气的工业大气或盐雾大气中则腐蚀加剧。常用金属材料的耐蚀性6、在土壤中受腐蚀的因素很复杂，与土壤的性质、环境和水质等有关，一般情况下不是耐蚀的。4、不耐酸的腐蚀，含有酸性物质时，耐蚀性下降；在氧化性酸中腐蚀速度比碳钢低；原因：①石墨的钝化作用消失，腐蚀电位变大。②酸性条件下，腐蚀产物被溶解，不能沉积覆盖。5、在海水中耐蚀性差；原因是Cl-破坏SiO2钝化膜。铸铁腐蚀的原因：主要是组织不均匀，特别是大量石墨的存在，形成许多微电池，从而降低了铸铁的耐蚀性。常用金属材料的耐蚀性（2）在磷酸中耐蚀性良好。在98℃以下，各种浓度的磷酸中腐蚀率大多不超过0.1mm/年。原因：有利于形成SiO2的钝化保护作用。4.4.2高硅铸铁高硅铸铁是以硅为主要合金元素而获得的Fe-Si-C合金。通常，其成分中硅含量为14.0%～18%，或更高。4-6%的铸铁具有耐热性，大于13%的铸铁具有耐酸性。1、特点：（1）这种合金在众多的化学介质中具有良好的耐蚀性，主要用于硫酸工业中。常用金属材料的耐蚀性（6）高硅铸铁的力学性能，特别是耐热冲击和机械冲击性很差，因此不能承受较大的压力和冲击以及温度的剧烈变化的环境中。该材料的铸铁和加工性能也不好（易产生气孔和裂纹。）（3）在碱性溶液中的耐蚀性不好，甚至比普通铸铁还差。含Cl-的溶液也是这样。（4）在盐酸中的耐蚀性不如在硫酸和硝酸中好。这种情况下要提高耐蚀性，要把含硅量提高到18%，并加入Mo。（5）不耐亚硫酸和氢氟酸的腐蚀。（因为它们会溶解铸铁表面的硅酸盐保护膜。）常用金属材料的耐蚀性这类铸铁组织没有大的变化，主要是力学性能有所提高，用于活塞、缸套等。4.4.3镍铸铁1、镍的作用：镍是促进石墨化元素（作用不如硅，仅为硅的1/3），在铸铁中全部溶入基体形成固溶体，不形成碳化物。2、镍铸铁的种类和特点：（1）含镍量﹤4%的低镍铸铁常用金属材料的耐蚀性组织为奥氏体基体，石墨有片状和球状两种。特点：对各种无机和有机还原性稀酸，以及各类碱性溶液都有很高的耐蚀性，但在氧化性酸中耐蚀性差。由于高镍铸铁特别耐碱腐蚀，故常用来制造苏打浓缩锅，同时因在海水、海洋大气或中性盐中具有很高的耐蚀性，所以是海水淡化装置中的理想原料。组织为马氏体，硬度高，主要用于耐磨部件。马氏体铸铁中不允许基体有残余奥氏体，因为残余奥氏体在外力作用下会发生马氏体转变，导致体积膨胀而开裂。（2）含镍量4～6%的中镍铸铁（3）高镍铸铁（含镍量14～36%）常用金属材料的耐蚀性主要适用于600℃以下的的耐热件，改善铸铁对海水和低浓度酸的耐蚀性，常用于地下管道。4.4.4铬铸铁1、低铬铸铁，含铬量﹤1.0%特点：主要为了改善灰口铸铁或球墨铸铁的机械性能，以及耐热、耐蚀性和耐磨性。常用金属材料的耐蚀性⑴特点：为白口铸铁，在高温氧化和腐蚀环境下具有特别优良的耐磨性能。最适用于氧化性腐蚀介质2、高铬铸铁，含铬量13～35%⑵高铬铸铁分类：①马氏体高铬铸铁（含铬量12～20%）特点：硬度高（HRC57～58），耐蚀性好。常用金属材料的耐蚀性②奥氏体型高铬铸铁（含铬量24～28%）特点：是一种综合性能非常优秀的合金铸铁。可在铸态下直接使用，不需要热处理；可承受很大冲击，发生加工硬化，内部韧性好。③铁素体高铬铸铁（含铬量30～35%）含碳量一般低于1.5%。特点：良好的高温抗氧化能力，在含硫氧化性气氛中更突出。发生变形和裂纹的危险性较少。常用金属材料的耐蚀性含铝8%以上的铸铁具有良好的抗氧化性，但机械性能很差。因此一般将含铝量降到4～6%，并加入其它元素。4.4.5铝铸铁例如：6%Al-1%Cu的铸铁，耐热性好，高温强度相当高；4%Al-5%Si的铸铁，既耐热又耐酸。常用金属材料的耐蚀性4.4.6其它耐蚀铸铁1、加入钒的铸铁，可用于柴油机缸套等重油燃烧产物腐蚀气氛的耐磨件。2、铜铸铁在矿井的气氛下或矿水，海水中有较好的耐蚀性；（Cu一般﹥2%）3、加Mo、（0.5%）、Cr（0.6%）都可提高铸铁的耐热性。常用金属材料的耐蚀性1、合金元素提高铸铁耐蚀性的作用主要表现在那几个方面？2、提高铸铁耐蚀性所希望的组织是什么？3、写出铁锈的形成过程。4、一般情况下，珠光体与铁素体谁的耐蚀性好？为什么？5、在淡水中铸铁和钢铁的耐蚀性哪一个好？为什么？6、分析铸铁腐蚀的基本原理：作业：