周樹揚(yáng)

(溫嶺市聯(lián)星機(jī)械有限公司，浙江 溫嶺 317500)

1 引言

高硅耐酸鑄鐵有著良好的鐵耐酸性能，是一種性能卓越的鑄造合金，它主要具有強(qiáng)耐腐蝕性、生產(chǎn)成本低、產(chǎn)品化簡單、節(jié)省稀缺金屬使用等優(yōu)點(diǎn)，在承受強(qiáng)腐蝕性環(huán)境相接處的部件的應(yīng)用中性能顯著。然而，高硅耐酸鑄鐵也存在著一些固有的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在其韌性較差、熱導(dǎo)率低、硬度過大等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)很容易造成在高硅耐酸鑄鐵的生產(chǎn)以及后期的使用過程中發(fā)生機(jī)械性能改變、折斷等問題，而且難以承受高溫和高壓的環(huán)境。這些問題的出現(xiàn)也給高硅耐酸鑄鐵的研究帶來了新的挑戰(zhàn)，而且根據(jù)有關(guān)的先期研究表面，一旦這些因素得到克服，高硅耐酸鑄鐵在工程中的應(yīng)用將會(huì)大幅度提升，這將會(huì)產(chǎn)生非常可觀的市場需求。

2 實(shí)驗(yàn)方案

高硅耐酸鑄鐵的硅元素含量大約在10%－17%，碳元素含量大約在0.5%－1.2%，而目前采用的方案硅含量大多是14.5%，在這個(gè)硅含量的高硅耐酸鑄鐵有著很強(qiáng)的鐵耐酸性能，但是其機(jī)械強(qiáng)度卻不令人滿意。在本次研究中，采用的方式是將現(xiàn)有高硅耐酸鑄鐵的硅含量調(diào)低，并且在其中適當(dāng)?shù)募尤胍欢康你~以及稀土，在保證其原有的耐酸性的同時(shí)，改善高硅耐酸鑄鐵的機(jī)械性能。

采用正交設(shè)計(jì)L16(4)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以降低實(shí)驗(yàn)的操作復(fù)雜性，同時(shí)又能很好的保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和真實(shí)性。并且通過高溫爐進(jìn)行熔煉(高溫爐的主要材料是一些廢舊的鐵、鋼、硅鐵等)，在進(jìn)行熔煉操作時(shí)，首先需要加入廢棄的鋼，并且在后續(xù)逐步加入鐵和硅鐵，將鐵水的溫度升至1450℃ －1500℃，然后在高溫爐中加進(jìn)金屬銅進(jìn)行合金化的處理，待所有的工序完成后就可以進(jìn)行出爐的澆注流程。而且需要在澆注之前在澆包內(nèi)加入適量的稀土鈣鋇和釩等進(jìn)行綜合的處理，保持澆注操作時(shí)的溫度維持在1250℃。采用的是便攜式的溫度計(jì)對(duì)鐵水的溫度進(jìn)行測試，一次完成流程中的各道工序。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行綜合的處理和后續(xù)的分析，結(jié)果如下:

3.1 對(duì)機(jī)械性能的影響

(1)Si含量對(duì)于機(jī)械性能的影響

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較分析可以看出，高硅耐酸鑄鐵具有較差的機(jī)械性能，根據(jù)有關(guān)原理進(jìn)行分析可知，這是由于在高硅耐酸鑄鐵中，a晶體中的鐵原子被一定量的硅原子所替代，而且由于通常的硅原子的晶體參數(shù)和鐵原子的相比較大，這也就造成了硅的晶格發(fā)生了一定程度的改變，直接導(dǎo)致了高硅耐酸鑄鐵中內(nèi)應(yīng)力的出現(xiàn)，造成硅原子的固溶發(fā)生了變化，較以前有所增強(qiáng)。并且根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知，隨著硅的含量的不斷升高，高硅耐酸鑄鐵的機(jī)械性能會(huì)隨之發(fā)生變化，在此表現(xiàn)的是隨著硅含量的升高，其機(jī)械性能降低。

(2)Cu含量對(duì)于機(jī)械性能的影響

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知，銅的加入對(duì)于機(jī)械性能的改善是有好處的，但是銅對(duì)高硅耐酸鑄鐵的影響是有限的，只是在一定范圍內(nèi)起作用，當(dāng)實(shí)驗(yàn)其他兩個(gè)變量改變較大時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，銅的含量對(duì)于機(jī)械性能的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有硅和稀土對(duì)于高硅耐酸鑄鐵的影響大，這也就說明銅對(duì)于高硅耐酸鑄鐵的影響在硅、銅、稀土中居于次要的地位。分析其作用原理可知，主要是在高硅耐酸鑄鐵中加入大量的銅后，會(huì)導(dǎo)致高硅耐酸鑄鐵機(jī)械性能下降。因?yàn)樵诔叵?，α晶體中的銅只有0.2%的溶解度，當(dāng)銅的量嚴(yán)重超出后就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的銅偏析現(xiàn)象。

其中銅對(duì)于高硅耐酸鑄鐵的機(jī)械性能的影響主要體現(xiàn)在對(duì)于其硬度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度的影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示在實(shí)驗(yàn)的高硅耐酸鑄鐵厚度基本相同時(shí)，銅對(duì)于高硅耐酸鑄鐵的硬度影響較小，并且在高硅耐鑄鐵中銅的含量超過2%后，會(huì)導(dǎo)致高硅耐鑄鐵的機(jī)械硬度發(fā)生明顯的改變，強(qiáng)度變差，并且隨著高硅耐鑄鐵中銅的含量的升高，在達(dá)到約6%時(shí)，高硅耐鑄鐵的機(jī)械強(qiáng)度達(dá)到最低值，這也就可以得出銅的含量能夠降低機(jī)械強(qiáng)度;隨著銅含量的升高，高硅耐鑄鐵的抗拉和抗彎能力也出現(xiàn)明顯的變化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表面，在含量逼近5%時(shí)，其抗拉和抗壓性能變化較為明顯，但是當(dāng)銅的含量超過5%繼續(xù)升高時(shí)，高硅耐鑄鐵的機(jī)械性能會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，但是其機(jī)械性能依然處于較高的水平。分析其機(jī)械性能下降的原因可能是由于過快的冷卻速度導(dǎo)致的

(3)稀土含量對(duì)于機(jī)械性能的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知，稀土的加入可以大幅度的改善高硅耐酸鑄鐵的機(jī)械性能，下面對(duì)其主要原因進(jìn)行分析。稀土對(duì)于高硅耐酸鑄鐵機(jī)械性能的改善主要是由于稀土具有能夠改變非金屬物質(zhì)的物理性質(zhì)，使非金屬夾雜物變得更加細(xì)小，并且其內(nèi)部的物質(zhì)分布呈現(xiàn)出球狀的分布趨勢(shì);在其中加入大量凈化作用的鐵水，根據(jù)稀土的化學(xué)性質(zhì)，在300℃時(shí)，稀土?xí)c氫形成三價(jià)的化合物，并且其產(chǎn)生的化合熱量要比原先的金屬化合物的熱量高出數(shù)倍，這些高熔點(diǎn)的稀土化合物在進(jìn)入熔渣后會(huì)存在于鐵水的表面，并且極易被排除。

3.2 對(duì)耐腐蝕能力的影響

采用的是重量法的測試方法對(duì)高硅耐酸鑄鐵的腐蝕速度進(jìn)行測試，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在高硅耐酸鑄鐵中硅、銅、稀土的含量增加時(shí)，高硅耐酸鑄鐵的耐腐蝕性能出現(xiàn)顯著的增強(qiáng)。

(1)Si含量對(duì)于耐腐蝕性能的影響

硅含量的多少直接決定著高硅耐酸鑄鐵的耐酸性能，是影響其耐酸性的主要因素，這主要是由于硅在一方面可以增加高硅耐酸鑄鐵電極的電位，造成原電池的電位差降低，并且能夠在高硅耐酸鑄鐵的表層產(chǎn)生一層密度較大的保護(hù)層，這個(gè)保護(hù)層對(duì)于增加高硅耐酸鑄鐵的抗腐蝕能力具有重要的作用，它能夠有效的抗擊腐蝕性材質(zhì)對(duì)于鑄鐵的腐蝕，從而起到增強(qiáng)高硅耐酸鑄鐵耐腐蝕性能，保護(hù)高硅耐酸鑄鐵的效果。而且，在高硅耐酸鑄鐵中硅的含量降低時(shí)，則出現(xiàn)與以上相反的效果，高硅耐酸鑄鐵的耐腐蝕性會(huì)明顯的降低。

(2)Cu含量對(duì)于耐腐蝕性能的影響

在高硅耐酸鑄鐵中加入銅能夠有效的提高其抗腐蝕性能，減緩腐蝕的速度，這主要是由于銅的加入會(huì)導(dǎo)致晶界處出現(xiàn)銅的集中化，并且大量的銅聚集會(huì)直接導(dǎo)致在陽極出現(xiàn)鈍化的現(xiàn)象，這會(huì)直接改變高硅耐酸鑄鐵的耐酸性能。銅的大量富集會(huì)在銅和氧化層之間形成一個(gè)起到隔斷作用的氧化層，這個(gè)氧化層的出現(xiàn)能夠顯著的改善高硅耐酸鑄鐵的耐腐蝕性能，有效的降低酸性物質(zhì)腐蝕的速度，起到隔斷氧化的作用。

(3)稀土含量對(duì)于耐腐蝕性能的影響

在高硅耐酸鑄鐵中加入一定量的的稀土?xí)r，會(huì)造成陽極具有較差的極化性能，這主要是由于在酸性物質(zhì)的腐蝕過程中產(chǎn)生的一些硫化物和陽極的金屬離子發(fā)生反應(yīng)。在金屬元素的較強(qiáng)的脫硫性能作用下，會(huì)大幅度的降低含硫化合物的危害，起到保護(hù)環(huán)境的作用。并且稀土的含量增加時(shí)，會(huì)使得高硅耐酸鑄鐵中的晶粒形勢(shì)得到明顯的增強(qiáng)，同時(shí)能夠起到較強(qiáng)的除氣效果，這些都能夠顯著的抑制腐蝕性物質(zhì)對(duì)于高硅耐酸鑄鐵的腐蝕作用，降低物質(zhì)中原電池的數(shù)目，顯著增強(qiáng)高硅耐酸鑄鐵的耐腐蝕性能。

4 結(jié)束語

高硅耐酸鑄鐵已經(jīng)有了一定的時(shí)間積累，并且隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，高硅耐酸鑄鐵制造技術(shù)也越來越先進(jìn)。通過本文對(duì)硅、銅、稀土對(duì)于高硅耐酸鑄鐵機(jī)械性能和抗腐蝕性能影響的研究，可以得出一個(gè)主要結(jié)論:硅、稀土對(duì)于高硅耐酸鑄鐵的性能影響較銅強(qiáng)。在通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析后，可以發(fā)現(xiàn)在對(duì)各種因素綜合考慮的基礎(chǔ)上，高硅耐酸鑄鐵的最佳成分比例應(yīng)該是硅、銅、稀土的含量依次是:23.5%、23%、7.6%，在此配比下，高硅耐酸鑄鐵具有較強(qiáng)的機(jī)械性能和耐腐蝕性能。

［1］陳國香，肖軍民.改善高硅鑄鐵的性能［J］.化工機(jī)械，2002年2月.

［2］朱先勇，劉耀輝，張英波，宋雨來，于思榮.新型鑄態(tài)高強(qiáng)度珠光體球墨鑄鐵的研究［J］.材料熱處理學(xué)報(bào).2007 (02)

［3］龍文元，程國香.改善高硅耐酸鑄鐵機(jī)械性能的研究.南昌航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1999

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