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        兩種鑄鐵的耐蝕性比較

        2014-03-30 10:08:48潘鶴斌孔小東蘇小紅
        裝備環(huán)境工程 2014年3期
        關(guān)鍵詞:灰鑄鐵鑄鐵耐蝕性

        潘鶴斌,孔小東,蘇小紅

        (海軍工程大學(xué),武漢43003)

        鑄鐵中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于2%,而硅在1%~3%之間。由于鑄鐵價廉易得,容易澆注成型,缺口敏感性低,耐磨性和減震性好,對某些介質(zhì)具有一定耐蝕能力,是在工業(yè)上應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)材料。新型球墨鑄鐵以其精良的鑄造特性、加工特性和綜合機(jī)械特性,使其成為各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)如閥門、泵、管道等的首選用材[1]。海水是含鹽很高的自然電解質(zhì),是自然界中腐蝕性最強(qiáng)的介質(zhì)之一。鑄鐵材料在海水中腐蝕的影響因素很多,包括材料本身物理化學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu),如石墨形態(tài)、基體組織[2]。外界環(huán)境因素如含氧量、溫度、流速、pH和海洋生物等[3—7]。筆者通過試驗(yàn)展現(xiàn)常用灰鑄鐵和球墨鑄鐵在靜止模擬海水條件下的腐蝕性能,并在此基礎(chǔ)上對其腐蝕機(jī)理進(jìn)行了分析,為鑄鐵材料在海水環(huán)境下選材和應(yīng)用提供理論與實(shí)踐依據(jù)。

        1 試驗(yàn)

        1.1 材料

        試驗(yàn)材料選用普通灰鑄鐵和某新型球墨鑄鐵,其主要成分、基體組織與石墨形態(tài)見表1。

        表1 試驗(yàn)用材料成分組織Table 1 Material composition and organization in the test

        1.2 方法

        掛片試驗(yàn)試樣尺寸,規(guī)格及腐蝕數(shù)據(jù)測定等都按GJB/T 7901—1999進(jìn)行。試驗(yàn)周期為180天,試驗(yàn)所用模擬海水為3%(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)的氯化鈉溶液,每10天更換1次。全部腐蝕數(shù)據(jù)均為同一材料3個試樣的平均值,由試樣的腐蝕速率確定鑄鐵的耐蝕性。

        極化曲線、交流阻抗均用武漢科思特儀器有限公司生產(chǎn)的CS350電化學(xué)工作站所測得。試驗(yàn)采用常用的三電極體系,參比電極為帶毛細(xì)玻璃管的飽和甘汞電極,輔助電極為鉑片,工作電極為測試材料制成。電化學(xué)試驗(yàn)在25℃的恒溫水槽中進(jìn)行。線性極化測試掃描范圍為-0.20~0.20 V(相對于開路電位),速率為1.00 mV/s,采樣頻率為2.0 Hz,分析軟件為CView 2.0。交流阻抗測試的頻率為0.1~100 000 Hz,交流信號幅值為10 mV,分析軟件為ZView 3.0。

        2 試驗(yàn)結(jié)果

        2.1 電化學(xué)試驗(yàn)

        灰鑄鐵與球墨鑄鐵電化學(xué)極化試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

        根據(jù)試驗(yàn)所得的極化曲線,實(shí)心方格線,空心三角分別對應(yīng)灰鑄鐵與球墨鑄鐵。使用CView2.0對試驗(yàn)所得極化曲線進(jìn)行Tafei擬合分析,得出的擬合數(shù)據(jù)見表2。

        圖1 不同浸泡時間兩種鑄鐵的極化曲線Fig.1 Contrast of polarization curves of twomaterials after different immersion time

        表2 兩種鑄鐵極化曲線測試擬合結(jié)果Table 2 Fit results of polarization curves of the twomaterials

        由圖1可以看出,在同組試驗(yàn)中球墨鑄鐵的腐蝕電位比灰鑄鐵的高。結(jié)合表2所示數(shù)據(jù),可以定量得到球墨鑄鐵和灰鑄鐵的腐蝕電位、腐蝕電流及腐蝕速率。第10天極化曲線的腐蝕速率行為與之前幾組行為不同,可能是由于極化曲線掃描速率(1.00 mV/s)過快所致。大體上,在4組試驗(yàn)中球墨鑄鐵的腐蝕電位比灰鑄鐵高,腐蝕電流比灰鑄鐵小,腐蝕速率也比灰鑄鐵小。由此可以看出,球墨鑄鐵在3%氯化鈉溶液中腐蝕越慢,耐蝕性越好。

        由圖2可以看出,球墨鑄鐵的阻抗弧均較灰鑄鐵的大,這說明球鐵被腐蝕阻力大于灰鑄鐵。由表3數(shù)據(jù)分析可得,同一時間球鐵的Rp值較灰鑄鐵都大,說明球鐵的耐蝕性優(yōu)于灰鑄鐵。

        表3 兩種鑄鐵電化學(xué)阻抗擬合結(jié)果Table 3 EIS fit results of the twomaterials

        圖2 不同浸泡時間兩種鑄鐵的Nyquist圖Fig.2 Nyquist diagrams of the twomaterials after different immersion time

        從電化學(xué)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)還可以看出,電化學(xué)腐蝕速率的影響與時間也有關(guān)。不管是灰鑄鐵還是球墨鑄鐵,在腐蝕的最初階段腐蝕速率很高,隨著時間的延長,腐蝕速率逐漸降低。楊海洋、黃桂橋[8]總結(jié)了碳鋼在海水中腐蝕及污損隨時間的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[9—10]指出這與所形成的腐蝕銹層有關(guān),分析了銹層下金屬的腐蝕行為及影響因素,文中不再討論分析。為了更加精確地判斷球墨鑄鐵和灰鑄鐵的耐蝕性能,還采用掛片質(zhì)量損失法進(jìn)行測定。

        2.2 掛片試驗(yàn)

        灰鑄鐵與球墨鑄鐵掛片試驗(yàn)試樣經(jīng)過清洗干燥后的宏觀腐蝕如圖3所示。

        圖3中H1,H2,H3均為灰鑄鐵試樣,Q1,Q2,Q3為球墨鑄鐵試樣。顯而易見,兩種鑄鐵的腐蝕遍布整個試樣表面,而且每種鑄鐵3塊試樣遭到近似相同程度的腐蝕,這些都符合均勻腐蝕的典型特征。此外,灰鑄鐵較球鐵的腐蝕更加明顯,腐蝕程度更強(qiáng)。根據(jù)腐蝕速率公式得到的數(shù)據(jù)見表4。

        圖3 試樣掛片試驗(yàn)后宏觀腐蝕形貌Fig.3 Macroscopic morphology of materials after corrosion tests

        表4 試樣掛片腐蝕試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Corrosion test results ofmaterials

        由表4可以看出,灰鑄鐵和球墨鑄鐵都出現(xiàn)了質(zhì)量損失,而且差別明顯,灰鑄鐵平均質(zhì)量損失大約是球鐵的1.7倍。

        從上述試驗(yàn)可知,盡管鑄鐵的電化學(xué)試驗(yàn)與掛片試驗(yàn)得出腐蝕速率大小存在一定的差別,但是展現(xiàn)兩種材料腐蝕性能的結(jié)論是一致的。球墨鑄鐵的腐蝕速率小于灰鑄鐵,即耐蝕性優(yōu)于灰鑄鐵。

        2.3 結(jié)果分析

        海水中鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%左右,是強(qiáng)電解質(zhì)溶液,電導(dǎo)大,電阻性阻滯很小,不僅微觀電池活性大,同時宏觀電池活性也大。海水中鑄鐵的腐蝕速率相當(dāng)大,因?yàn)楹K写罅看嬖诘腃l-離子能阻礙鑄鐵產(chǎn)生陽極鈍化,所以鑄鐵在海水中陽極鈍化困難。氯化鈉溶液不直接參與鑄鐵腐蝕過程中的電化學(xué)反應(yīng),只是作為腐蝕介質(zhì)為電化學(xué)反應(yīng)傳輸電子,NaCl提高傳輸電子的量增多,腐蝕速率增高[11]。

        海水中鑄鐵的腐蝕主要是氧去極化的電化學(xué)腐蝕過程,它是腐蝕反應(yīng)的主要環(huán)節(jié)。

        陽極反應(yīng):Fe→Fe2++2e

        陰極反應(yīng):1/2O2+H2O+2e→2OH-

        溶液中:Fe2++2OH-→Fe(OH)2

        進(jìn)一步氧化:4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)2

        氫氧化鐵部分脫水成為鐵銹:2Fe(OH)2-2H2O→Fe2O3·H2O或Fe(OH)2-H2O→FeOOH

        這就是鑄鐵中主要的電化學(xué)腐蝕過程[12—13]。由此可見,鑄鐵在海水中的電化學(xué)腐蝕主要是金屬基體被腐蝕,石墨實(shí)際不參與反應(yīng)。

        灰鑄鐵中石墨以網(wǎng)絡(luò)狀分布在基體組織內(nèi)。在鹽水、土壤中鐵的電位低,優(yōu)先被腐蝕,只剩下由石墨和鐵銹組成的海綿狀物體,稱作石墨化,屬于選擇性腐蝕組織。球墨鑄鐵內(nèi)部不存在像灰鑄鐵那樣的石墨骨架,不會發(fā)生石墨化,然而,石墨化腐蝕是一個緩慢的過程。如果處于快速腐蝕的環(huán)境中,灰鑄鐵將發(fā)生整個表面的均勻腐蝕,而不是石墨化腐蝕。

        鑄鐵表面鄰近石墨處的基體腐蝕程度深。在一項(xiàng)海水噴霧腐蝕試驗(yàn)中,鑄鐵處于活化腐蝕狀態(tài),各種石墨形態(tài)鑄鐵的腐蝕率由低到高的次序是:球鐵、蠕鐵、A型石墨鑄鐵和枝晶石墨鑄鐵[14]。鑄鐵中石墨電位最高,滲碳體、珠光體、鐵素體電位依次降低[15]。文中所采用灰鑄鐵的微觀組織為片狀石墨和珠光體,球鐵為球狀石墨和鐵素體。

        珠光體是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物。在電解質(zhì)溶液中,珠光體基體的灰鑄鐵主要是由石墨與珠光體構(gòu)成原電池,試驗(yàn)所用球鐵主要是由石墨和鐵素體構(gòu)成的原電池。顯然,灰鑄鐵的微電池數(shù)量比單一鐵素體基體的球鐵多。由于珠光體中的滲碳體也可以成為陰極,加速了其鄰近鐵素體的腐蝕,從而灰鑄鐵較球鐵在海水中腐蝕更快更強(qiáng)。根據(jù)熱力學(xué)原理又可得,單純一種組織要比多種組織穩(wěn)定,鐵素體比珠光體穩(wěn)定。綜上所述,在NaCl溶液中球鐵的耐蝕性優(yōu)于灰鑄鐵。

        石墨與基體接觸的表面積越大,電化學(xué)腐蝕的速率越高[16]?;诣T鐵中石墨形態(tài)為均勻細(xì)小的片狀,連續(xù)分布;而球墨鑄鐵的石墨形態(tài)為球狀,孤立分布。Fe電極、石墨電極和周圍電解質(zhì)溶液構(gòu)成無數(shù)個微電池。在相同的其他條件下,球墨鑄鐵的相對接觸面積較灰鑄鐵小很多。這意味著球鐵的陰極面積比灰鑄鐵小,從而導(dǎo)致球鐵電化學(xué)腐蝕速率較小,因此,球鐵電化學(xué)腐蝕傾向低于灰鑄鐵,耐蝕性較高。

        3 結(jié)論

        1)在3%氯化鈉溶液中,球墨鑄鐵和灰鑄鐵是均勻腐蝕的,主要是金屬基體組織腐蝕,腐蝕是均勻全面的,不存在選擇性。

        2)在3%氯化鈉溶液中,球墨鑄鐵腐蝕速率低于灰鑄鐵,耐蝕性好于灰鑄鐵。

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