一种提高铸铁铸件耐腐蚀性能的方法与流程

本发明涉及一种提高铸铁铸件耐腐蚀性能的方法，属于金属材料耐腐蚀磨损性能的技术领域。

背景技术：

含Cr量高的铸铁被广泛应用于冶金、矿山、化工、水利等领域，但在实际使用过程中发现，这类铸铁部件常常在还没有达到预期使用寿命的情况下就发生了失效，其原因是在冶金、矿山、化工、水利这些工况中含Cr量高的铸铁不仅仅存在绝大的磨损消耗，还伴有各种程度不同的腐蚀破坏，腐蚀破坏直接影响了含Cr量高的铸铁材料的实际磨损寿命。因此，在很多特殊工况下，对含Cr量高的铸铁件，不仅要求其具有很好的耐磨性能，还必须具有较高的耐腐蚀性能。

含Cr元素较高的铸铁铸件的腐蚀破坏主要是由于外部介质的化学或电化学作用引起的，铸铁的化学成分、显微组织、存在的内应力和形变及外部条件都与铸铁腐蚀密切相关。总体上由于含有较多的提高耐腐蚀性能的Cr元素，在单纯的腐蚀环境中，如任意浓度的硝酸中含Cr量高的铸铁均有足够高的稳定性，这是因为其表面能生成一层很薄并紧密附着的Cr₂O₃氧化膜，从而大大提高耐蚀性，特别在酸性介质中，Cr促使其迅速钝化，对提高耐腐蚀性起很大作用。但是有研究表明，在腐蚀过程中，由于含Cr量高的铸铁中碳化物的电极电位高于基体，基体在腐蚀介质中处于阳极地位，是被腐蚀的主体，碳化物与基体界面会发生腐蚀，在腐蚀和磨损综合工况下，这种界面腐蚀对材料的耐磨性非常有害，因为碳化物失去支撑裸露在外而易于断裂，甚至整块发生破碎或折断，从而导致其使用寿命大幅下降。因此，含Cr量高的铸铁的耐腐蚀磨损的性能在很大程度上取决于基体的耐蚀性。而基体的耐腐蚀性主要取决于含Cr量，随着基体中含Cr量的增加，铸铁的腐蚀率降低。

在含Cr量高的铸铁的凝固过程中，初生相为(Cr,Fe)₇C₃碳化物，而Cr元素是强碳化物形成元素，容易集中分布在初生碳化物中，从而使基体中的Cr含量降低，从而影响基体的耐腐蚀性能，降低铸铁的整体耐腐蚀磨损性能。所以，Cr元素分布合理的这类铸铁铸件才能具有更好的耐腐蚀磨损性能。目前，含Cr量高的铸铁在腐蚀环境下的耐磨性能并不理想，限制了其应用；迫切需要一种能够提高这类铸铁耐腐蚀磨损性能的处理手段。而提高含Cr量高的铸铁的耐蚀性的方法之一就是提高其基体组织中Cr元素的含量。

通过增加铸铁中Cr元素的总含量可以提高基体中Cr元素的含量，但同时初生碳化物中Cr元素含量也会增加。铸铁组织中广泛分布的高硬度的M₇C₃型初生碳化物通常为长条状或杆状，随着Cr元素含量的提高，组织中M₇C₃型碳化物体积分数随之增加，Cr原子的溶入，会使M₇C₃型碳化物硬度进一步增大，相应地也增加了材料的脆性，造成铸铁铸件韧性大幅度降低，从而失去了实际使用价值。所以单纯增加总体Cr含量既是资源浪费，也不能改善含Cr量高的铸铁的使用性能。

另外，有研究表明在含C约2 wt% 、Cr约24 wt%的铸铁中加入约0.2 wt%的混合稀土（含Ce约43%）可以其在弱性介质中的耐腐蚀性能，其主要原因是稀土元素化学性质非常活泼，能优先和S、O、N生成稀土化合物，在适宜的条件下浮至渣中，而使夹杂物减少，从而净化相界（碳化物和基体交界），提高相界腐蚀抗力。但稀土元素的加入量必须严格控制，因为过量的稀土元素反而会使夹杂物数量增多，来不及浮至渣中，则大多在界面富集，反而导致腐蚀速度增加与磨损腐蚀抗力降低。并且，稀土元素的加入仅能改善弱酸性介质下含Cr量高的铸铁铸铁的耐蚀性，在中性介质下作用不大。总之，通过加入稀土元素来提高含Cr量高的铸铁的耐蚀性具有风险性和局限性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：改善含Cr量高的铸铁铸件耐蚀性的方法实用性差、风险性高等缺点，在腐蚀磨损过程中含Cr量高的铸铁铸件基体组织的耐蚀性能低，在腐蚀和磨损共存的工况下腐蚀会加速铸件的磨损等问题。

本发明的目的在于提供一种提高铸铁铸件耐腐蚀性能的方法，在铸铁铸件（Cr的质量百分比为15%--25%）充型凝固后的冷却过程中，对其施加电脉冲，得到耐腐蚀性能更高的铸铁铸件，具体包括以下步骤：

（1）造型过程中将两个镍质电极埋入砂型中，镍质电极末端与砂型型腔相连，镍质电极的另一端与电脉冲发生器相连；

（2）将熔炼好的铸铁金属液浇入砂型中，金属液将两个电极末端相连，铸件完全凝固后，即冷却到固相温度点时施加尖波脉冲电流（为发挥电脉冲的电迁移作用提供了足够的温度和时间），电流频率10≤f≤45HZ、脉宽1≤ts≤10μs、电压500≤U≤1400V，当铸件冷却到固相线温度下200℃～400℃后断开电脉冲，将铸件冷却到室温，得到耐腐蚀性能提高的铸铁；由于电脉冲的电迁移作用，使得铸件中碳化物内部的C元素含量升高，Cr元素含量降低，而基体中C元素含量降低，Cr元素含量升高，使得铸件的耐腐蚀性能提高。

本发明所述步骤（1）中电极末端与砂型型腔相连，保证铸件浇注凝固后能形成电流回路。

本发明所述方法中的铸铁是指含Cr的质量百分比为15%--25%的铸铁。

本发明通过控制施加电脉冲的参数来控制铸铁中Cr元素的分布情况，从而增加基体的耐蚀性能，提高铸件整体耐腐蚀磨损性能。电脉冲施加时间的延长，可能会造成更多的能耗，并且不能得到耐腐蚀性能更好的铸铁组织，但其耐腐蚀性能也不会恶化。

本发明的特点是在将铸铁铸件完全凝固后冷却至固相线温度下200℃～400℃过程中，通过对其施加一定参数的尖波电脉冲来控制Cr元素的分布，从而得到具有优良的耐腐蚀磨损性能的铸铁铸件。本发明相比通过增加合金中Cr元素总含量来改善材料耐腐蚀性，不会提高铸铁的脆性，不会造成铸铁韧性大幅度降低，从而保证了铸铁铸件的实际使用价值。本发明相比通过加入稀土元素来改善铸铁的耐蚀性，没有稀土加入量控制不当反而导致腐蚀速度增加与磨损腐蚀抗力降低的风险。本发明处理时间短、能源消耗低、生产效率高，其核心过程是通过电脉冲对铸铁熔体中Cr、C元素的分布，来控制其凝固过程和组织中Cr元素的分布，最终获得优良的耐腐蚀磨损性能。本发明的具体特点是在铁铸件完全凝固后开始施加频率10≤f≤45HZ、脉宽1≤ts≤10μs、电压500≤U≤1400V的尖波电脉冲，待铸件冷却到固相线温度下200℃～400℃后断开电脉冲，得到Cr元素分布合理，耐腐蚀磨损性能高的组织。

本发明的优点和有益效果是：

（1）采用本发明，在铸铁铸件凝固后的冷却过程中，从固相温度点开始施加电流频率10≤f≤45HZ、脉宽1≤ts≤10μs、电压500≤U≤1400V的尖波电脉冲，待铸件冷却到固相线温度以下200℃～400℃后断开电脉冲，得到Cr元素分布合理，具有更好的耐腐蚀磨损性能高的组织。

（2）本发明所述方法操作简单、能耗低、处理时间短、生产效率高。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2为对成分1的两种铸件样品施加电脉冲与未施加电脉冲的Cr元素分布EDS面扫描照片；

图3为对成分2的两种铸件样品施加电脉冲与未施加电脉冲的Cr元素分布EDS线扫描照片；

图4为NaCl腐蚀实验极化曲线；

图1中1-沙箱；2-镍电极；3-电脉冲发生器；4-热电偶；5-温度记录仪。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例1

本实施例所述提高铸铁铸件耐腐蚀性能的方法，本实施例处理样品的成分和固、液转变温度如表1所示，按成分编号为1、2、3，具体包括以下步骤：

（1）造型过程中将两个镍质电极埋入砂型中，镍质电极末端与砂型型腔相连，位置靠近铸件的工作面，镍质电极的另一端与电脉冲发生器相连；

（2）将熔炼好的三种成分的铸铁金属液在高于各自液相线40℃浇入砂型中，金属液将两个电极末端相连，形成闭合回路，浇注结束后铸件冷却到各自固相线温度时立即施加尖波电脉冲，待铸件冷却到固相线以下温度时断开电脉冲，得到三个成分的电脉冲处理的铸铁铸件；其中，尖波电脉冲的工艺参数如表2所示。

采用相同熔炼-浇铸-冷却过程获得三个成分的未施加电脉冲的铸件试样； 使用扫描电镜（SEM）、能谱（EDS）、电子探针（EPMA）分析1、2、3三个成分未加电脉冲试样及脉冲处理试样组织中元素的分布情况（参见图2 及图3）；

从得到的六种铸铁铸件上切取试样，制成边长为8mm的立方体，并利用电化学工作站测试两试样在3.5%NaCl溶液中的Tafel曲线，有效反应面积为0.64mm²，扫描速率为0.001V/s ；1、2、3三种成分的铸铁铸件实验数据分别对应图4 中的(a)、(b)、(c)；

图2为成分1的铸铁铸件的Cr元素分布EDS面扫描照片，其中（a）为未施加电脉冲试样，(b)为施加电脉冲试样。从图2可知采用本发明的电脉冲方法处理后，铸件组织中初生碳化物的整体区域颜色比未处理过的更浅，说明Cr元素含量更少，而基体中Cr元素含量提高。

图3为成分2的铸铁铸件的SEM及元素分布EDS线扫描照片，其中（a）为未施加电脉冲试样，(b)为施加电脉冲试样。从图3可知采用本发明的电脉冲方法处理后的，铸件组织中初生碳化物中Cr元素含量降低，而基体中Cr元素含量升高。

从表3可知三种成分的铸铁铸件组织中，经过电脉冲后组织中初生碳化物的Cr元素含量有所降低，而Fe元素含量增多。

图4为NaCl腐蚀实验极化曲线，图4 a ~ c 分别对应成分为1、2、3的铸铁铸件实验结果；从图4中NaCl极化曲线级数据中可以得到，三种成分的试样，经过电脉冲处理的试样的腐蚀电位均大于相同成分的未经过电脉冲处理的，因此从中可以得出，经过本发明所述方法处理过的铸铁铸件具有更好的耐腐蚀磨损性能。结果表明本发明具有操作简单、能耗低、处理时间短、生产效率高，以及能制备出Cr元素分布合理，耐腐蚀磨损性能高的铸铁铸件等优点。

表1 三种铸铁的成分及固、液转变温度

表2 电脉冲工艺参数

表3铸铁铸件组织中初生碳化物元素EPMA分析结果（wt%）

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