高铬铸铁是一种性能优良而受到特别重视的抗磨材料。由于它具有比合金钢高得多的耐磨性和比一般白口铸铁高得多的韧性和强度,同时还兼有良好的抗高温和抗腐蚀性能,加之生产便捷、成本适中,故被誉为当代最优良的抗磨料磨损材料之一。
冶金工业生产中,金属材料在含氟高温气体环境下会形成氟化物,造成强烈的腐蚀。构件除了承受高温O、S腐蚀之外,还伴随着HF气体腐蚀。普通高铬铸铁在这种环境中的寿命将大大降低。如果采用高Ni合金虽然可以延长使用寿命,但是成本也随之大大提高。如何提高高铬铸铁抗氟腐蚀性能,是一个尚待解决的问题。北京科技大学材料学院在Fe-Cr铸造高温合金中添加Al+Y,取得了重要突破。这种在高铬铸铁基础上改进合金成分所获得的新型铸铁不仅具有优于普通高铬铸铁的抗高温O、S腐蚀性能,而且在高温含HF气体中也表现出优异的抗腐蚀性能;同时,由于使用廉价合金,故制造成本仍然保持在较低水平。
所研制的新型高温合金是在工业生产中普遍采用的高铬铸铁(1.8C-0.96Si-26Cr-0.7Mn-0.7Ni余Fe)中添加4.5%的Al和0.12%的Y。测试两种铸铁在900℃含HF气氛中的腐蚀速率,发现在保温10小时后,Al/Y复合添加高铬铸铁的腐蚀质量损失仅为普通高铬铸铁的五分之一;随着腐蚀时间延长直到50个小时,Al/Y复合添加高铬铸铁的腐蚀速率始终保持在远低于普通高铬白口铸铁的水平上,表现出优越的耐氟化与耐氧化腐蚀性能。
检测分析表明,普通高铬铸铁在试验中生成的腐蚀膜较为疏松,这样就不断有合金元素通过腐蚀膜扩散到表面和HF反应生成Fe、Cr与F的化合物,这些氟化物的抗高温腐蚀能力较弱,而且消耗了本该修复氧化膜的部分合金元素,加速了试样随后的F腐蚀。由于氧化膜的缺陷未被及时修复,O可以扩散到氧化膜/基体界面继续腐蚀反应。由于腐蚀膜表层氟化反应消耗了大量由基体扩散来的合金元素,使氧化膜无法及时修复,使高温中生成的氧化膜疏松、脱落,导致其腐蚀速率非常快。对比之下,新型Al/Y高铬铸铁腐蚀膜外层的Al2O3上会逐渐富集一层AlF3,因此腐蚀膜表层主要由Al2O3和AlF3组成,这种Al2O3-AlF3结构致密且与基体结合力较强,腐蚀膜的黏附性和致密度都优于普通高铬铸铁;特别是AlF3,化学稳定性很高,其抗高温腐蚀能力比铁、铬的氟化物强得多,具有很好的抵抗HF气体腐蚀的能力;同时,Al2O3保护膜也具有强于Cr2O3的抗腐蚀能力,比起单一的Cr2O3保护层,这种复合氧/氟化膜有效地阻止了氧/氟化的进程,效果非常明显。稀土Y也起到一定的作用。由于Y的存在,不仅使含铝高铬铸铁腐蚀膜表层的Al2O3-AlF3结构更加致密,而且使腐蚀膜的黏附性和致密度都优于普通高铬铸铁,有效阻止了高温氧/氟腐蚀的进行,这就使含铝高铬铸铁在整个腐蚀过程中都保持了较低的腐蚀速率。(一员)