4.2.3　铸铁

1. 分类

按断口形貌不同，铸铁可分为灰口铸铁、白口铸铁（硬而脆）、麻口铸铁；按合金化程度不同，铸铁可分为普通铸铁、合金铸铁（特殊性能铸铁，如耐蚀铸铁、耐热铸铁、耐磨铸铁）；按石墨形态不同，铸铁可分为普通灰口铸铁（包括孕育铸铁，石墨呈片状）、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）。

2. 腐蚀的基本原理

铸铁的组织为铁、碳、硅三元合金，一般铸铁组织主要有铁素体、渗碳体、石墨3个相。在电解质溶液中，石墨的电极电位最高（+0.795V），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，从而造成腐蚀破坏。

为了提高铸铁的耐蚀性，通常在铸铁中加入少量合金元素，如硅、铬、铝、铜和镍等，形成耐蚀铸铁，具体方法如下。

（1）利用合金化形成表面保护膜。加入铝、硅、铬等合金元素后，在铸铁表面形成一层完整、致密、结合良好的保护膜。

（2）提高基体的电极电位。加入硅、铬、钼、铜、镍和磷等合金元素，促使作为阳极的铸铁基体表面形成Cr2O3、SiO2保护膜而变为钝态，从而提高基体的电极电位，阻滞电化学腐蚀过程的进行，提高耐蚀性。

（3）改善铸铁组织。通过形成单相奥氏体或铁素体组织，石墨球化等方法，使腐蚀原电池数量减少，或者使腐蚀介质不易进入铸铁内部，进而提高铸铁的耐蚀性。

3. 耐蚀性

1）普通铸铁

普通铸铁由于价廉易得、易于浇铸成型、缺口敏感性低、耐磨性和减震性好，而得到广泛应用。

普通铸铁在大气中的耐蚀性比碳钢好，在潮湿且含有SO2的工业大气或含有氯离子的海洋大气中则腐蚀加剧，腐蚀速率远高于在农村大气中的腐蚀速率。普通铸铁在水中的腐蚀速率较低，原因是在较硬的水质中，铸铁表面易形成水垢，此外，石墨有促进钝化作用，阻止了铸铁的腐蚀过程；但在软化水或去离子水中，铸铁表面不易形成水垢，腐蚀速率反而较高。

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，其成分中的含硅量为14%～18%。含硅量为4%～6%的铸铁具有耐热性，含硅量大于13%的铸铁具有耐酸性。这种合金在许多化学介质中，表面能形成一层以SiO2为主的致密保护膜，因而具有良好的耐蚀性。

高硅铸铁在碱性溶液中的耐蚀性不好，甚至比普通铸铁还差。在含Cl-的溶液中也是这样，原因是碱性溶液或Cl-能破坏SiO2钝化膜。

3）镍铸铁

含镍量小于4%的低镍铸铁的组织没有大的变化，主要是力学性能有所提高，可用于制作活塞、缸套等。

含镍量为4%～6%的中镍铸铁的组织为马氏体，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存在，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。

高镍铸铁（含镍量为14%～36%）的组织为奥氏体基体，石墨有片状和球状两种。其特点是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。

高镍铸铁在海洋大气、海水和重型盐类水溶液中具有良好的耐蚀性。在碱中，如在质量分数低于50%的氢氧化钠、质量分数低于75%的氢氧化钾溶液中具有良好的耐蚀性，但在热碱中高镍铸铁会产生应力腐蚀。由于高镍铸铁特别耐碱腐蚀，故常用来制造苏打浓缩锅。

高镍铸铁的抗缝隙腐蚀和点蚀的能力比不锈钢的好。高镍铸铁在海水、海洋大气或中性盐中具有很高的耐蚀性，并且具有良好的耐冲蚀性、耐热性、耐磨性，因此常用于制作耐海水腐蚀的材料，如海水泵、阀和管道等，是海水淡化装置中的理想原料。

4）铬铸铁

低铬铸铁的含铬量小于1.0%。铬的加入主要是为了改善灰口铸铁或球墨铸铁的力学性能，以及耐热性、耐蚀性和耐磨性。它主要用于制作在600℃以下工作的耐热件，改善铸铁对海水和低浓度酸的耐蚀性，常用于制造地下管道。

高铬铸铁的含铬量为13%～35%。其属于白口铸铁，在高温氧化和腐蚀环境下具有特别优良的耐磨性能，适用于氧化性腐蚀介质。它可分为以下3类。

（1）马氏体高铬铸铁（含铬量为12%～20%）。其硬度高（57～58HRC），耐蚀性好。

（2）奥氏体型高铬铸铁（含铬量为24%～28%）。它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（含铬量为30%～35%），含碳量一般低于1.5%。它具有良好的高温抗氧化能力，在含硫的氧化性气氛中更为突出。其发生变形和裂纹的危险性较小。

高铬铸铁在大气、海水、矿水、硝酸、浓硫酸、磷酸、通气盐酸、大多数有机酸、碱液、盐溶液等介质中有良好的耐蚀性，尤其在一些氧化性酸中，铸铁表面能形成一层致密的氧化膜，可使耐蚀性大为提高。

高铬铸铁除具有良好的耐蚀性外，还具有良好的铸造性、耐热性和耐磨性，因此常用于制造泵体、阀体、离心机件及熔化有色合金的坩埚等。

5）铝铸铁

含铝量为8%以上的铸铁具有良好的抗氧化性，但力学性能很差。因此一般将含铝量降到4%～6%，并加入其他元素。

例如，6%A1-1%Cu的铸铁，耐热性好，高温强度相当高；54%A1-5%Si的铸铁，既耐热又耐酸。

6）其他耐蚀铸铁

这类铸铁主要是指低合金铸铁，往往是在铸铁中加入少量的合金元素，多数情况是为了改善铸铁的力学性能，但也可改善铸铁在某种介质中的耐蚀性。例如，加入钒的铸铁，可用于柴油机缸套等在重油燃烧产物造成的腐蚀气氛中工作的耐磨件。含铜量大于2%的铸铁在矿井的气氛下或矿水、海水中有较好的耐蚀性；加入0.5%Mo、0.6%Cr都可提高铸铁的耐热性。

在制碱工业，特别是联碱工业中，腐蚀性流体介质为中性或弱碱性（pH 8～9）。

碳钢和普通铸铁的静态腐蚀并不严重，但是在实际生产中，由于母液中Cl-浓度高，金属表面难以建立起稳定的钝化膜，且设备是开口操作，流动的液体吸氧，对金属产生氧去极化腐蚀，再加上介质中含有大量的结晶粒子，其冲刷摩擦加速了钢铁在这种介质中的腐蚀过程。铸铁中加入中等含量的Al、Si、Cu等合金元素能提高其在这种介质中的耐蚀性。低合金铸铁的耐蚀性如表4-6所示。