摘要：本課題針對制燒堿工業(yè)中設(shè)備的腐蝕問題，研制出不同稀土含量、不同鎳含量的稀土Ni-Cr-Cu合金鑄鐵，采用光學(xué)顯微鏡觀察材料的顯微組織；用失重法測定各合金鑄鐵在動態(tài)、高濃度下的堿腐蝕速率；采用S-3400N型掃描電鏡觀察，對其耐堿腐蝕性能進行評價進而討論稀土Ni-Cr-Cu合金鑄鐵在燒堿液中的耐堿腐蝕機理。結(jié)果表明：隨著鎳含量的增加，合金鑄鐵的耐蝕性能增加；適量稀土元素可以改善鑄鐵中石墨和碳化物的形態(tài)、分布，使石墨球化、碳化物彌散分布。

關(guān)鍵詞：稀土；Ni-Cr-Cu合金鑄鐵；顯微組織；金屬堿腐蝕

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）32-0094-03

一、引言

內(nèi)蒙古自治區(qū)天然堿儲量豐富，但在燒堿生產(chǎn)制造中設(shè)備的腐蝕問題嚴重[1]，局限了制堿工業(yè)的發(fā)展。本課題研究的合金鑄鐵是一種比較耐堿蝕的合金鑄鐵材料[2]。文獻[3]提出：當(dāng)合金鑄鐵中加入適量的稀土和鎳元素的含量時，合金鑄鐵的耐蝕性將提高。同時，結(jié)合內(nèi)蒙古包頭市稀土資源豐富的優(yōu)勢，開發(fā)新型稀土合金鑄鐵，服務(wù)于我區(qū)的工業(yè)發(fā)展，為地方經(jīng)濟的騰飛做出貢獻。

二、試驗材料及方法

1.試驗材料的成分設(shè)計及編號、化學(xué)成分。表1稀土Ni-Cr-Cu合金鑄鐵編號及化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)%），其中C=3.0%，Si=2.0%，Mn=0.6%，S<0.05%，P<0.11%，Cr=1.5%，Cu=5%。

2.試驗介質(zhì)及實驗設(shè)備。

3.試件顯微組織觀察儀器。利用蔡氏顯微鏡對試樣石墨形態(tài)和金相組織進行觀察。

三、試驗結(jié)果及分析

1.稀土對Ni-Cr-Cu合金鑄鐵石墨形態(tài)和顯微組織的影響。本實驗是在鉻、銅含量不變的基礎(chǔ)上，鎳質(zhì)量百分含量分別為3%、4%、5%的基礎(chǔ)上加入了不同含量的稀土?；w組織均為鐵素體+滲碳體+珠光體的組織。由圖1可以看出：RZ1、RZ5、RZ9中未加入稀土，石墨的形貌為片狀，加入稀土后向球狀發(fā)生了轉(zhuǎn)變，并且其球尺寸隨稀土含量的增加逐漸變小，如RZ2、RZ3、RZ6、RZ7、RZ10、RZ11圖所示，然而當(dāng)加入過量的稀土后，如圖RZ4、RZ8、RZ12所示，石墨尺寸加大，球化程度降低，又有向蠕蟲狀轉(zhuǎn)化的趨勢。

稀土的球化作用[4]是由于：石墨為密排六方晶體，在合金鑄鐵中的生長方式與在不同晶面上原子間距及結(jié)合能的大小有關(guān)。在晶面（0001）上原子結(jié)合能為100～120K Cal/mol，從熱力學(xué)上講，碳原子更容易吸附在界面能較低的晶面上，向球墨生成的方向發(fā)展。但在鑄鐵中，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]，故普通鑄鐵中，石墨優(yōu)先在棱面上沿〈1010〉方向生長，加入稀土后，由于稀土對S、O等原子的變質(zhì)作用，清除了棱面上的這些活性原子，造成石墨在棱面〈1010〉方向上長大的障礙，因而增加了其在晶面上長成蠕蟲狀和球狀的趨勢。當(dāng)加入過量的稀土后，稀土這種作用減弱，因此石墨又向大尺寸的趨勢轉(zhuǎn)化。同時，稀土也是促進白口的元素，因此隨稀土含量的增加，石墨數(shù)量減少，碳化物數(shù)量增加，可由圖1看出。

2.稀土對Ni-Cr-Cu合金鑄鐵腐蝕性能的影響。將試驗以后的試件取出，用水清洗表面粘著的腐蝕介質(zhì)，然后置于干燥皿中高溫烘干后，采用失重法計算各試件的腐蝕速率，再評定出腐蝕等級。腐蝕速率如表3所示，可以看出：隨著鎳含量的升高，合金鑄鐵腐蝕速率降低，稀土的最佳含量為0.02%～0.05%。

3.腐蝕表面微觀形貌觀察。為了進一步說明稀土含量對腐蝕速度的影響，將腐蝕后的試樣清洗干凈并進行干燥后，置于用S-3400N型掃描電子顯微鏡下觀察。圖2分別為RZ1、RZ2、RZ3、RZ4二次電子像。比較各個圖可以看出：腐蝕程度RZ4>RZ1>RZ2≈RZ3。

4.稀土作用機理探討。觀察上述試件表面腐蝕后的二次電子像可以看出：加入適量的稀土，合金鑄鐵的耐腐蝕性能提高。原因有二：（1）稀土使得石墨得以細化，溶液中原電池反應(yīng)的電極變小，進而原電池反應(yīng)的程度降低，腐蝕程度削弱，耐蝕性能提高。（2）稀土是促進白口的元素，促進碳化物形成，碳化物起到骨架的作用，提高基體的抗沖刷能力，并抑制腐蝕液的進一步侵蝕，故耐蝕性增加。

四、結(jié)論

1.合金鑄鐵中加入稀土可以改變石墨的分布形式，即從片狀石墨→蠕蟲狀→球狀→片狀轉(zhuǎn)變。

2.合金鑄鐵中加入稀土可以改變碳化物的分布形式，即彌散狀→網(wǎng)格狀。

3.稀土加入適量可以提高合金鑄鐵的耐堿腐蝕性，其最佳為0.04%。

4.隨著鎳含量的增加，合金鑄鐵的耐燒堿腐蝕性能將進一步增強。

參考文獻：

[1]張占彪，高錄，于俊.鎳材質(zhì)在我廠天然堿制燒堿中的應(yīng)用[J].純堿工業(yè)，1997，（3）：55-58.

[2]沈陽鑄造研究所.高鎳奧氏體鑄鐵耐燒堿腐蝕性能的研究[J].鑄造，1988，（6）：5-13.

[3]董俊慧，王素潔.稀土對低合金鑄鐵組織及耐堿蝕性能的影響[J].內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，21（4）：246-249.

[4]朱霞，董俊慧.稀土對Ni-Cr-Cu合金鑄鐵組織及耐堿腐蝕性能的影響[J].稀土，2002，（2）：5-7.

[5]徐光憲.稀土[M].冶金工業(yè)出版社，1995：366-372.