本發(fā)明涉及一種提高鑄鐵鑄件耐腐蝕性能的方法，屬于金屬材料耐腐蝕磨損性能的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

含Cr量高的鑄鐵被廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、化工、水利等領(lǐng)域，但在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，這類鑄鐵部件常常在還沒有達(dá)到預(yù)期使用壽命的情況下就發(fā)生了失效，其原因是在冶金、礦山、化工、水利這些工況中含Cr量高的鑄鐵不僅僅存在絕大的磨損消耗，還伴有各種程度不同的腐蝕破壞，腐蝕破壞直接影響了含Cr量高的鑄鐵材料的實際磨損壽命。因此，在很多特殊工況下，對含Cr量高的鑄鐵件，不僅要求其具有很好的耐磨性能，還必須具有較高的耐腐蝕性能。

含Cr元素較高的鑄鐵鑄件的腐蝕破壞主要是由于外部介質(zhì)的化學(xué)或電化學(xué)作用引起的，鑄鐵的化學(xué)成分、顯微組織、存在的內(nèi)應(yīng)力和形變及外部條件都與鑄鐵腐蝕密切相關(guān)。總體上由于含有較多的提高耐腐蝕性能的Cr元素，在單純的腐蝕環(huán)境中，如任意濃度的硝酸中含Cr量高的鑄鐵均有足夠高的穩(wěn)定性，這是因為其表面能生成一層很薄并緊密附著的Cr₂O₃氧化膜，從而大大提高耐蝕性，特別在酸性介質(zhì)中，Cr促使其迅速鈍化，對提高耐腐蝕性起很大作用。但是有研究表明，在腐蝕過程中，由于含Cr量高的鑄鐵中碳化物的電極電位高于基體，基體在腐蝕介質(zhì)中處于陽極地位，是被腐蝕的主體，碳化物與基體界面會發(fā)生腐蝕，在腐蝕和磨損綜合工況下，這種界面腐蝕對材料的耐磨性非常有害，因為碳化物失去支撐裸露在外而易于斷裂，甚至整塊發(fā)生破碎或折斷，從而導(dǎo)致其使用壽命大幅下降。因此，含Cr量高的鑄鐵的耐腐蝕磨損的性能在很大程度上取決于基體的耐蝕性。而基體的耐腐蝕性主要取決于含Cr量，隨著基體中含Cr量的增加，鑄鐵的腐蝕率降低。

在含Cr量高的鑄鐵的凝固過程中，初生相為(Cr,Fe)₇C₃碳化物，而Cr元素是強碳化物形成元素，容易集中分布在初生碳化物中，從而使基體中的Cr含量降低，從而影響基體的耐腐蝕性能，降低鑄鐵的整體耐腐蝕磨損性能。所以，Cr元素分布合理的這類鑄鐵鑄件才能具有更好的耐腐蝕磨損性能。目前，含Cr量高的鑄鐵在腐蝕環(huán)境下的耐磨性能并不理想，限制了其應(yīng)用；迫切需要一種能夠提高這類鑄鐵耐腐蝕磨損性能的處理手段。而提高含Cr量高的鑄鐵的耐蝕性的方法之一就是提高其基體組織中Cr元素的含量。

通過增加鑄鐵中Cr元素的總含量可以提高基體中Cr元素的含量，但同時初生碳化物中Cr元素含量也會增加。鑄鐵組織中廣泛分布的高硬度的M₇C₃型初生碳化物通常為長條狀或桿狀，隨著Cr元素含量的提高，組織中M₇C₃型碳化物體積分?jǐn)?shù)隨之增加，Cr原子的溶入，會使M₇C₃型碳化物硬度進(jìn)一步增大，相應(yīng)地也增加了材料的脆性，造成鑄鐵鑄件韌性大幅度降低，從而失去了實際使用價值。所以單純增加總體Cr含量既是資源浪費，也不能改善含Cr量高的鑄鐵的使用性能。

另外，有研究表明在含C約2 wt% 、Cr約24 wt%的鑄鐵中加入約0.2 wt%的混合稀土（含Ce約43%）可以其在弱性介質(zhì)中的耐腐蝕性能，其主要原因是稀土元素化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，能優(yōu)先和S、O、N生成稀土化合物，在適宜的條件下浮至渣中，而使夾雜物減少，從而凈化相界（碳化物和基體交界），提高相界腐蝕抗力。但稀土元素的加入量必須嚴(yán)格控制，因為過量的稀土元素反而會使夾雜物數(shù)量增多，來不及浮至渣中，則大多在界面富集，反而導(dǎo)致腐蝕速度增加與磨損腐蝕抗力降低。并且，稀土元素的加入僅能改善弱酸性介質(zhì)下含Cr量高的鑄鐵鑄鐵的耐蝕性，在中性介質(zhì)下作用不大?？傊ㄟ^加入稀土元素來提高含Cr量高的鑄鐵的耐蝕性具有風(fēng)險性和局限性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：改善含Cr量高的鑄鐵鑄件耐蝕性的方法實用性差、風(fēng)險性高等缺點，在腐蝕磨損過程中含Cr量高的鑄鐵鑄件基體組織的耐蝕性能低，在腐蝕和磨損共存的工況下腐蝕會加速鑄件的磨損等問題。

本發(fā)明的目的在于提供一種提高鑄鐵鑄件耐腐蝕性能的方法，在鑄鐵鑄件（Cr的質(zhì)量百分比為15%--25%）充型凝固后的冷卻過程中，對其施加電脈沖，得到耐腐蝕性能更高的鑄鐵鑄件，具體包括以下步驟：

（1）造型過程中將兩個鎳質(zhì)電極埋入砂型中，鎳質(zhì)電極末端與砂型型腔相連，鎳質(zhì)電極的另一端與電脈沖發(fā)生器相連；

（2）將熔煉好的鑄鐵金屬液澆入砂型中，金屬液將兩個電極末端相連，鑄件完全凝固后，即冷卻到固相溫度點時施加尖波脈沖電流（為發(fā)揮電脈沖的電遷移作用提供了足夠的溫度和時間），電流頻率10≤f≤45HZ、脈寬1≤ts≤10μs、電壓500≤U≤1400V，當(dāng)鑄件冷卻到固相線溫度下200℃～400℃后斷開電脈沖，將鑄件冷卻到室溫，得到耐腐蝕性能提高的鑄鐵；由于電脈沖的電遷移作用，使得鑄件中碳化物內(nèi)部的C元素含量升高，Cr元素含量降低，而基體中C元素含量降低，Cr元素含量升高，使得鑄件的耐腐蝕性能提高。

本發(fā)明所述步驟（1）中電極末端與砂型型腔相連，保證鑄件澆注凝固后能形成電流回路。

本發(fā)明所述方法中的鑄鐵是指含Cr的質(zhì)量百分比為15%--25%的鑄鐵。

本發(fā)明通過控制施加電脈沖的參數(shù)來控制鑄鐵中Cr元素的分布情況，從而增加基體的耐蝕性能，提高鑄件整體耐腐蝕磨損性能。電脈沖施加時間的延長，可能會造成更多的能耗，并且不能得到耐腐蝕性能更好的鑄鐵組織，但其耐腐蝕性能也不會惡化。

本發(fā)明的特點是在將鑄鐵鑄件完全凝固后冷卻至固相線溫度下200℃～400℃過程中，通過對其施加一定參數(shù)的尖波電脈沖來控制Cr元素的分布，從而得到具有優(yōu)良的耐腐蝕磨損性能的鑄鐵鑄件。本發(fā)明相比通過增加合金中Cr元素總含量來改善材料耐腐蝕性，不會提高鑄鐵的脆性，不會造成鑄鐵韌性大幅度降低，從而保證了鑄鐵鑄件的實際使用價值。本發(fā)明相比通過加入稀土元素來改善鑄鐵的耐蝕性，沒有稀土加入量控制不當(dāng)反而導(dǎo)致腐蝕速度增加與磨損腐蝕抗力降低的風(fēng)險。本發(fā)明處理時間短、能源消耗低、生產(chǎn)效率高，其核心過程是通過電脈沖對鑄鐵熔體中Cr、C元素的分布，來控制其凝固過程和組織中Cr元素的分布，最終獲得優(yōu)良的耐腐蝕磨損性能。本發(fā)明的具體特點是在鐵鑄件完全凝固后開始施加頻率10≤f≤45HZ、脈寬1≤ts≤10μs、電壓500≤U≤1400V的尖波電脈沖，待鑄件冷卻到固相線溫度下200℃～400℃后斷開電脈沖，得到Cr元素分布合理，耐腐蝕磨損性能高的組織。

本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果是：

（1）采用本發(fā)明，在鑄鐵鑄件凝固后的冷卻過程中，從固相溫度點開始施加電流頻率10≤f≤45HZ、脈寬1≤ts≤10μs、電壓500≤U≤1400V的尖波電脈沖，待鑄件冷卻到固相線溫度以下200℃～400℃后斷開電脈沖，得到Cr元素分布合理，具有更好的耐腐蝕磨損性能高的組織。

（2）本發(fā)明所述方法操作簡單、能耗低、處理時間短、生產(chǎn)效率高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的工藝流程圖；

圖2為對成分1的兩種鑄件樣品施加電脈沖與未施加電脈沖的Cr元素分布EDS面掃描照片；

圖3為對成分2的兩種鑄件樣品施加電脈沖與未施加電脈沖的Cr元素分布EDS線掃描照片；

圖4為NaCl腐蝕實驗極化曲線；

圖1中1-沙箱；2-鎳電極；3-電脈沖發(fā)生器；4-熱電偶；5-溫度記錄儀。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于所述內(nèi)容。

實施例1

本實施例所述提高鑄鐵鑄件耐腐蝕性能的方法，本實施例處理樣品的成分和固、液轉(zhuǎn)變溫度如表1所示，按成分編號為1、2、3，具體包括以下步驟：

（1）造型過程中將兩個鎳質(zhì)電極埋入砂型中，鎳質(zhì)電極末端與砂型型腔相連，位置靠近鑄件的工作面，鎳質(zhì)電極的另一端與電脈沖發(fā)生器相連；

（2）將熔煉好的三種成分的鑄鐵金屬液在高于各自液相線40℃澆入砂型中，金屬液將兩個電極末端相連，形成閉合回路，澆注結(jié)束后鑄件冷卻到各自固相線溫度時立即施加尖波電脈沖，待鑄件冷卻到固相線以下溫度時斷開電脈沖，得到三個成分的電脈沖處理的鑄鐵鑄件；其中，尖波電脈沖的工藝參數(shù)如表2所示。

采用相同熔煉-澆鑄-冷卻過程獲得三個成分的未施加電脈沖的鑄件試樣； 使用掃描電鏡（SEM）、能譜（EDS）、電子探針（EPMA）分析1、2、3三個成分未加電脈沖試樣及脈沖處理試樣組織中元素的分布情況（參見圖2 及圖3）；

從得到的六種鑄鐵鑄件上切取試樣，制成邊長為8mm的立方體，并利用電化學(xué)工作站測試兩試樣在3.5%NaCl溶液中的Tafel曲線，有效反應(yīng)面積為0.64mm²，掃描速率為0.001V/s ；1、2、3三種成分的鑄鐵鑄件實驗數(shù)據(jù)分別對應(yīng)圖4 中的(a)、(b)、(c)；

圖2為成分1的鑄鐵鑄件的Cr元素分布EDS面掃描照片，其中（a）為未施加電脈沖試樣，(b)為施加電脈沖試樣。從圖2可知采用本發(fā)明的電脈沖方法處理后，鑄件組織中初生碳化物的整體區(qū)域顏色比未處理過的更淺，說明Cr元素含量更少，而基體中Cr元素含量提高。

圖3為成分2的鑄鐵鑄件的SEM及元素分布EDS線掃描照片，其中（a）為未施加電脈沖試樣，(b)為施加電脈沖試樣。從圖3可知采用本發(fā)明的電脈沖方法處理后的，鑄件組織中初生碳化物中Cr元素含量降低，而基體中Cr元素含量升高。

從表3可知三種成分的鑄鐵鑄件組織中，經(jīng)過電脈沖后組織中初生碳化物的Cr元素含量有所降低，而Fe元素含量增多。

圖4為NaCl腐蝕實驗極化曲線，圖4 a ~ c 分別對應(yīng)成分為1、2、3的鑄鐵鑄件實驗結(jié)果；從圖4中NaCl極化曲線級數(shù)據(jù)中可以得到，三種成分的試樣，經(jīng)過電脈沖處理的試樣的腐蝕電位均大于相同成分的未經(jīng)過電脈沖處理的，因此從中可以得出，經(jīng)過本發(fā)明所述方法處理過的鑄鐵鑄件具有更好的耐腐蝕磨損性能。結(jié)果表明本發(fā)明具有操作簡單、能耗低、處理時間短、生產(chǎn)效率高，以及能制備出Cr元素分布合理，耐腐蝕磨損性能高的鑄鐵鑄件等優(yōu)點。

表1 三種鑄鐵的成分及固、液轉(zhuǎn)變溫度

表2 電脈沖工藝參數(shù)

表3鑄鐵鑄件組織中初生碳化物元素EPMA分析結(jié)果（wt%）

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