铸铁是指含碳量在2%~4%（质量分数）,并且含有较多硅、锰、磷、硫等元素的铁基合金。当铸铁中的碳含量超过其在铁素体或奥氏体中的溶解度时,凝固过程中富碳相会沉淀。铸铁的最终组织结构由金属基体和碳化物或石墨组成,且取决于化学成分和凝固速度[1]。根据微观结构不同,铸铁分为白铸铁、灰铸铁、韧性铸铁和杂色铸铁。 

铸铁生产和应用具有悠久的历史,是目前使用量仅次于钢材的金属材料。美国铸造协会（AFS）对全球铸件产量的数据分析表明,从1966年（全球数据可用的第一年）到2017年,全球铸铁产量以一定的增长率逐步上升。同期,仅球墨铸铁吨位的年增长率（22.5%）即超过了铝的增长率（21.5%）,这表明铸铁在金属材料的竞争中占有较大的优势[2]。铸铁熔炼简单、成本低廉。同时,铸铁具有良好的铸造性能、相对简单的铸造工艺[3]。与钢相比,铸铁的抗拉强度、塑性及韧性都较差,但其具有优良的铸造性能以及良好的减摩性和吸振性,较低的缺口敏感性和良好的切削加工性能,且经合金化后还具有良好的耐热性和耐腐蚀性等特点。因此,铸铁在冶金矿山、机床制造、汽车拖拉机、机车城轨、动力工程、化工石化、电力、轻纺工业、水暖器材以及食品工业等行业中均有广泛应用。 

由材料与其环境之间的化学或电化学反应引起的材料力学性能退化称为腐蚀[4]。腐蚀是一种自发的、静态的破坏,但危害非常严重,对国民经济有巨大影响,是材料科学和工程领域长期关注的问题[5]。普通铸铁的耐蚀性总体上不佳,但它们在某些腐蚀介质如一些中性盐溶液、常温浓硫酸、温度和浓度不高的碱液以及中性有机介质等中,仍具有足够的耐蚀性。即便铸铁部件的使用寿命不是很长,但在一些场合其可作为易损件,定期更换,还是可以获得很好的经济效益。然而,在一些特殊应用环境中,铸铁部件腐蚀可能会影响工业生产效率,甚至带来安全隐患。因此,耐蚀铸铁作为耐蚀金属材料的一个重要分支近年来得到了高度重视。 

1.   耐蚀铸铁的发展历程与现状

1.1   耐蚀铸铁的发展历程

耐蚀铸铁最早可追溯到1799年英国人席科林研究的高镍铸铁。他发现在铸铁中加入25%（质量分数,下同）的镍可以使铸铁不锈,可惜该技术当时并没有投入实际使用[6]。早在1913年,人们已发现铝、钠、镁等合金元素对铸铁铁液有一定的净化作用。但是,直到1920年以后,关于合金元素对灰口铸铁耐蚀作用的研究结果才首次在生产中应用。1924年,英国Ferranti公司发现在铸铁中加入20%的镍,即可将铸铁中的铁素体转变为奥氏体,获得单一的奥氏体组织,该耐蚀铸铁的商业牌号为“Nomag”,是最早的商业化耐蚀铸铁。这种铸铁没有磁性,同时具备良好的耐蚀性能和耐热性能。1928年,国际镍公司成功研制了著名的白口镍硬铸铁（Ni-Hard）,其碳化物为（Fe,Cr）3C,硬度为1 000~1 150 HV,铸态组织以马氏体和残留奥氏体为主,具有优异的耐磨损性。在1930年前后,高铬白口铸铁被研制出来,其铬质量分数约为30%,基体马氏体中块状碳化物的分布较为均匀,其强韧度较高,且有较高的耐磨性和耐蚀性。从此,各种耐蚀铸铁得以迅速发展。 

在随后的研究中,科研工作者通过在普通铸铁中添加硅、铬、镍、铝、钼等合金元素开发出了一系列耐蚀铸铁,如高硅铸铁、铬铸铁、镍铸铁和铝铸铁等。这些耐蚀铸铁已广泛应用于机械制造、交通运输和石油化工等领域。随着应用领域的拓展,对铸铁耐蚀性能和力学性能的要求也越来越高,这也是耐蚀铸铁未来的发展方向之一。 

1.2   耐蚀铸铁研究现状

通过合金化来提高铸铁耐蚀性的研究工作主要从以下三个方面开展：（1）改变显微组织在腐蚀介质中的电位,降低原电池的电动势；（2）改善石墨形状、大小和分布及基体组织,减少原电池数量；（3）对铸铁表面进行改性,使铸铁表面形成保护膜[7]。通过在铸铁中加入适当的合金元素并辅以热处理技术可以有效提升铸铁的耐蚀性能。在常见的腐蚀介质中,铸铁的合金成分对耐蚀性的影响比其显微组织的影响更显著。按照合金含量的不同,耐蚀铸铁可分为高合金耐蚀铸铁和低合金耐蚀铸铁。 

1.2.1   高合金耐蚀铸铁

常见的高合金耐蚀铸铁有高硅铸铁、高铬铸铁和高镍铸铁。 

高硅铸铁指含硅14.5%~18%（质量分数,下同）的一系列耐蚀铸铁,主要用于输送高腐蚀性流体。硅可溶入α-Fe中形成单一的α相固溶体,使基体电极电位升高。同时,硅与氧作用在表面形成的致密SiO2保护膜提高了高硅铸铁的耐蚀性。对普通高硅铸铁进行合金化和热处理也可明显改善铸铁的加工性能和在某些介质中的耐蚀性。添加混合稀土可以改变石墨形状,进一步研究发现,减少石墨含量制备的含单一铁素体超低碳高硅铁基合金可显著提高电极板寿命[8-9]。 

高铬铸铁指含铬14%~36%的耐蚀铸铁,属于白口铸铁,其组织中含有大量铬的碳化物。高铬铸铁具有优良的耐磨性、抗氧化性和耐蚀性。铬在铁素体中固溶,从而提高了铸铁的耐蚀性。ANNALISA等[10]结合堆焊和失稳热处理工艺,促进基体发生由马氏体向奥氏体转变的相变,通过微小颗粒的改变显著提高了高铬铸铁的抗侵蚀性。 

高镍铸铁指含镍12%~36%的耐蚀铸铁,其组织为奥氏体加石墨。镍在铸铁中既不形成碳化物,也不固溶于渗碳体,而是全部固溶于基体之间。高镍铸铁在高低温下的组织稳定性好,在某些酸溶液介质中耐蚀性非常强。采用粉末冶金法在镍铸铁中添加硬质颗粒可以提高工件的耐磨性[11]。 

1.2.2   低合金耐蚀铸铁

低合金耐蚀铸铁包括镍铬铸铁、含铜铸铁和含锑铸铁。 

镍铬铸铁指含镍0.1%~2%、含铬0.8%的耐蚀铸铁。镍在氧化性气氛中的热力学稳定性高,属于易钝化金属,其溶于基体可降低基体与石墨的电位差,减小腐蚀电流,改善材料的耐蚀性。镍铬铸铁是国外应用最广泛的一种低合金耐蚀铸铁,因其主要应用领域是制碱工业,故又被称为耐碱铸铁。HE等[12]以赤泥和红土镍矿为主要原料,采用50 kW电弧炉高温碳热还原技术,经中频感应炉精炼,直接生产出了低镍铬铸铁。 

含铜铸铁指含铜0.4%~0.5%的灰铸铁。铜以固溶形式存在,能够提高基体的电极电位,并形成坚固保护膜。当铸铁中同时存在镍、锰、铝、铜等元素时,铜的溶解度能显著提高,继而提高含铜铸铁的稳定性和耐蚀性。研究发现,铸铁的耐蚀性很大程度上取决于其高电化学电位元素的总含量,即镍和铜的总含量[13]。在具有简单奥氏体基体的非激冷铸铁Ni-Mn-Cu中,镍和铜的总含量较高,因而其具有较好的耐蚀性。 

含锑铸铁指加入适量锑的灰铸铁。在铸铁中加入适量的锑可以提高铸铁在酸性和碱性介质中的耐蚀性,且铸铁的耐蚀性随锑含量的增加呈先提高后降低的规律。锑是珠光体稳定剂,能阻碍珠光体的共析转变,细化共晶团。因此,锑的加入可以使铸铁的抗汽蚀性显著提高。通过热力学计算发现,锑的引入可避免石墨退化,增加石墨成核相,显著提高球墨铸铁的耐蚀性[14]。 

高合金耐蚀铸铁虽然显现出较好的耐蚀性,但其熔炼过程复杂,耗材多,成品率低；而低合金耐蚀铸铁所需合金元素少,生产工艺简单,成本低,易于推广使用。因此,从我国国情出发,结合富有资源如锰、铝、钛、硅和稀土等,研究开发铸造性能和耐蚀性优良、生产成本低的低合金耐蚀铸铁是本领域关注的焦点。探究耐蚀铸铁的耐蚀机理,结合热处理与合金化方法,调控耐蚀铸铁的组织结构,在提升耐蚀性能的同时,综合提升力学性能,以满足不同服役工况下材料的性能要求,这是今后耐蚀铸铁研究应重点关注的方向。 

2.   耐蚀铸铁的服役环境及腐蚀机制

2.1   土壤环境

铸铁管广泛用于给水、排水和煤气的输送。此外,铸铁还常作为接地极和基础设施材料等。这些铸铁部件埋在地下,因此需要考虑土壤环境对铸铁腐蚀的影响[15]。 

土壤是一个由水、空气和土壤颗粒组成的非均质多相系统。土壤中铸铁腐蚀的主要原因是材料及其周围介质的电化学不均匀性。土壤的各种物理和化学性能如含水量、含氧量、可溶性盐含量、电导率和p H,对土壤中铸铁部件的腐蚀过程都有重大影响[15-16]。土壤的物理和化学性能与土壤质地和当地气候条件密切相关,具有明显的地域特征[17]。在复杂的土壤环境中,由于周围介质的物理和化学性能的变化,铸铁材料的表面往往会产生不同的腐蚀状态,进而改变电化学腐蚀的阴极和阳极反应,而不均匀的电化学特性大大加速了埋地铸铁的腐蚀[18]。埋地铸铁的土壤腐蚀主要包括三种类型：土壤不均匀性导致的宏电池腐蚀、埋地铸铁材料表面不均匀微化学状态引起的微电池腐蚀[19]和土壤中微生物活动引起的微生物腐蚀[20]。 

针对埋地铸铁的腐蚀行为,目前采取的保护措施主要有增加铸铁部件的横截面积以补偿材料腐蚀,阴极保护技术（外加电流法和牺牲阳极法）以及涂刷防腐蚀涂层等[21]。 

2.2   海洋环境

海洋环境主要包括海洋大气带、海洋飞溅带、海洋潮差带、海洋全浸带和海底海泥带。金属的海洋腐蚀是一个极其复杂的过程,包括海洋大气腐蚀、海水侵蚀腐蚀、氯离子腐蚀、微生物腐蚀、沉积物侵蚀腐蚀及其复杂的相互作用[5]。 

海水的高导电特性使铸铁在海水中产生腐蚀电池的范围较大,微电池和宏观电池的腐蚀都极易发生,如铸铁与铜合金或者不锈钢等异种金属在海水中接触,均可能形成宏观电池造成接触部位发生电偶腐蚀。此外,在海水环境中,由于拉伸应力和电化学溶解的持续共同作用,铸铁中裂纹萌生扩展,发生以脆性方式失效的应力腐蚀[22]。 

在实际应用过程中常需通过不同保护方法将耐蚀铸铁的腐蚀降至最低,以保持其力学性能,如使用腐蚀抑制剂、聚合物涂层和环氧树脂涂层、热金属喷涂、表面合金化、热浸、光电化学阴极保护等。表面处理是一种方便且有效的提高材料耐蚀性的方法。但当采用富含铬酸盐的钝化处理或基于铬酸盐的底漆和颜料进行防腐蚀表面处理时,必须提供有效的物理屏障,阻止Cl-等侵蚀性物质进入到金属基体[5]。 

2.3   化工环境

纯碱行业大量设备腐蚀严重,导致寿命缩短。高镍铸铁由于具有较好的抗碱腐蚀性能,引起了越来越多的关注[23]。但高镍铸铁中镍含量较高,这提高了材料的生产成本。因此,亟待开发新型耐蚀材料,解决纯碱工业中生产设备严重腐蚀的问题。 

在化肥生产设备的耐腐蚀材料优选研究中发现,当铸铁中硅的质量分数达到14%~17%时,在氧化性介质中铸铁表面能形成一层以SiO2为主的保护性氧化膜,从而使铸铁在硝酸介质尤其是在高温高含量硝酸蒸气环境中,均具有良好的耐蚀性。此外,合理的防腐蚀结构改造、防腐蚀涂层技术优化,均能使铸铁的耐蚀性得到改善[24]。 

2.4   其他环境

锅具用铸铁材料的要求是污染少、传热效率高、能耗低,同时还要满足对清洁剂的抗乳化性和高平滑度。在食材烹饪时,会产生盐和有机酸共存的腐蚀环境,在该环境中铸铁容易发生局部腐蚀并逐渐失效,缩短锅具的使用寿命[25]。涂国和等[26]将铝合金、不锈钢、铁和球墨铸铁四种锅具材料进行比较,发现球墨铸铁锅的耐蚀性最好,传热性能最优秀,可以减少能源的损耗。此外,在田间作业条件下,以耐蚀铸铁为主体材料的农业机械和设备可以满足服役过程中对沙子和人工肥料、植物保护剂等耐磨、耐蚀的需求。将耐蚀铸铁用于筑路机械,也能够满足抗局部冲击性高的要求[3]。 

3.   耐蚀铸铁的耐蚀机理

尽管铸铁的腐蚀破坏形式有许多种,但就其腐蚀过程来说,大多属于电化学腐蚀的范畴。铸铁表面存在不同的相,晶界和晶体缺陷,夹杂、应力和表面损伤等。这些电化学不均匀性使铸铁表面各微观部分的电极电位不同,从而构成腐蚀微电池。在普通铸铁的基础上添加合金元素或优化铸造工艺,可使铸铁表面形成致密而且附着牢固的保护膜,提高铸铁基体的电极电位,改变组织如获得奥氏体组织或球化石墨等,最终提高铸铁的耐蚀性。 

3.1   组织结构调控

3.1.1   基体组织的影响

按照腐蚀电化学原理,理想耐蚀铸铁的组织应该是均匀单一的结构。但铸铁组织不可能是单一结构,普通铸铁的组织主要由铁素体、珠光体、渗碳体和石墨组成,它们的电极电位依次增高。初生渗碳体和珠光体的体积分数和形貌对腐蚀速率的影响不容忽视。渗碳体会加速铁素体的腐蚀,容易形成严重的微电偶腐蚀,从而促进腐蚀过程[12]。MEDY N'SKI等[13]研究发现,珠光体灰铸铁的耐蚀性最低,而在非氧化酸中单一铁素体相的腐蚀速率比珠光体或珠光体和铁素体混合组织小得多。共晶团内出现细针状铁素体会导致阳极面积增加,腐蚀类型从局部腐蚀逐渐向均匀腐蚀转变[27]。由于珠光体由铁素体与碳化铁组成,在制造过程中改变热处理温度和保温时间,可以调节铁素体和奥氏体的数量,从而改变冷却后组织中铁素体和珠光体的比例,较大幅度地提升铸铁的耐蚀性[28]。 

材料的组织决定了其性能。因此,通过调控耐蚀铸铁的组织,如消除柱状枝晶和沿晶界连续分布的粗大条片状碳化物,细化晶粒[29],形成以单一铁素体为主,间距细小、弥散度高的组织结构,可综合提高铸铁的耐蚀性、塑韧性和切削性,增强耐蚀铸铁的市场竞争力。 

3.1.2   石墨形态的影响

铸铁腐蚀的特殊性在于铸铁的“石墨化”[30]。石墨通常以网络状分布在基体内,因其较强的阴极性,在多数腐蚀介质中石墨既不发生化学反应也不发生溶解。在一定的介质条件下,大量的石墨和其他组织在铸铁中构成微电池,铁基体腐蚀后,遗留下一个多孔的石墨骨架,最终石墨和腐蚀产物存留于铁器表面,这种腐蚀称为石墨化腐蚀。其实质是一种相选择性浸出腐蚀。石墨对铸铁耐蚀性的影响取决于其形态,不能一概而论。 

在各种稀酸中,普通铸铁一般处于活性溶解状态,腐蚀速率很高,不易形成具有保护性的腐蚀产物层。石墨作为有效阴极会加速基体的腐蚀。在二维平面上,石墨含量相同的球墨铸铁中球状石墨总面积比灰铸铁中片状石墨的总面积小得多,石墨分布更加均匀,因而球墨铸铁的腐蚀速率比灰铸铁低[31-32]。 

在自然环境（大气、水和土壤）和碱性介质中,铸铁处于钝化态,其电化学腐蚀阴极过程是耗氧反应。石墨网络和腐蚀产物组成了附着在铸铁表面的不透性保护膜,对铸铁腐蚀速率有重要影响,细致的珠光体和连续性好的片状石墨有利于获得致密的表面膜。 

石墨在铸铁中主要呈片层状分布,其腐蚀弱化效应取决于其大小、形状和分布[33]。石墨片的存在会破坏基体的连续性,导致灰铸铁对空化侵蚀的抵抗力相对较差。同时,石墨片起到应力集中的作用,形成的腐蚀产物体积大于母材的体积,体积的增加迫使各层分离并导致金属剥落或分层[34]。对于任何给定的基体,块状石墨的弱化效应最大,其次是片状石墨,然后是球状石墨。石墨含量越多,铸铁腐蚀越剧烈,球状石墨互相隔离,表面积小,因此含有球状石墨的铸铁的腐蚀速率比含有片状石墨的灰铁低得多。块状石墨在共晶凝固早期形成,并在球状石墨形成之前形成[35]。共晶胞的生长速率与片状石墨的生长速率相同,但比过冷石墨的生长速率慢。由此可见,块状石墨是由奥氏体和石墨的耦合共晶生长产生的。防止块状石墨形成的最有效措施是提高冷却速率、细晶强化、控制微量元素和添加特定合金元素。 

3.2   合金元素的影响

在铸铁中加入合金元素可以提高基体的电极电位,促进形成更稳定致密的保护膜,降低阳极、阴极活性,提高材料的耐蚀性。 

镍不形成任何碳化物,几乎全部固溶于基体中,起固溶强化作用。镍元素促进珠光体形成,也会使铸铁表面形成保护膜,隔绝铸铁表面与外界物质的接触,使铸铁避免受到侵蚀而产生铁锈[36]。 

铜是热力学稳定性较高的合金元素,固溶于金属基体中,不形成碳化物,有利于提高基体电极电位,提高铸铁的耐蚀性。添加铜可使铸铁中的石墨变粗,加速珠光体的形成,显著提高灰铸铁基体的强度和硬度,在一定程度上提高灰铸铁在大气中的耐蚀性[37]。 

锰是一种很强的奥氏体稳定元素[38]。在奥氏体化温度下,奥氏体中碳和合金元素的平衡含量增加,阻止珠光体析出,稳定奥氏体,提高材料的耐蚀性。锰不会形成自己的碳化物[39]。锰的加入虽然可部分代替镍的作用,但锰含量过多会降低工件的力学性能,通常铸铁中锰的质量分数为1.5%~2.5%[7]。 

铸铁中加入铬的目的是生成铬垢,其生长缓慢,可作为屏障对铸铁基体起到保护作用[40],结合热处理可以改善和控制材料性能,提高强硬度,改善抗冲蚀性,以达到特定腐蚀环境的应用要求[41]。 

铸铁中添加适当含量的铝,能够提高铸铁保护性氧化层的耐久性,但同时也会增加材料的脆性。相较于奥氏体铸铁,高铝合金铸铁具有抗氧化性强和使用寿命长等优点,同时由于铝替代镍,材料成本只是奥氏体铸铁的四分之一[42]。高铝铸铁可由受污染的铝废料制成,因此它极有可能成为一种重要的生态材料,但铝在熔炼时会产生烧损及其他危害,不宜加入太多[43]。 

磷对铸铁腐蚀的影响不明显。磷共晶本身和石墨一样具有较高的抗蚀能力,但附加微电池的产生会起负作用。磷在奥氏体中的溶解度有限,随着碳含量的增加,溶解度降低,促进石墨的偏析,形成铁素体和磷化铁的共晶稳定体[44-45]。当磷质量分数为0.4%~0.6%时,铸铁稳定性能好,对中性介质及大气腐蚀的抵抗能力强,但在碱性介质中,磷会加重腐蚀。 

合理添加稀土元素,可以有效提高低合金铸铁的耐蚀性能。稀土元素可细化石墨,使原电池反应的电极变小,弱化腐蚀程度,提高耐蚀性能。稀土元素可以促进碳化物形成,碳化物起到骨架作用,提高基体的抗冲蚀能力[46]。 

在铸铁中加入合金元素时,应严格控制加入量和种类,需考虑经济成本,同时也要注意负面作用,以适应生产条件。 

3.3   防护层

3.3.1   渗碳

渗碳处理工艺可对试样表面的硬度、耐磨性和耐蚀性产生较大影响。加热碳源产生的游离碳原子扩散到铸铁表面并沉淀,形成的碳化物涂层可以显著提高表面硬度、耐磨性和抗氧化性[47]。常用的渗碳剂有无烟煤、天然和合成石墨以及石油焦。乙炔合成过程中产生的冲天炉焦炭、木炭和渗碳剂也可用于渗碳[48]。渗碳剂配额应为固体金属电荷的3.8%~5.0%,最终的量取决于渗碳剂等级和采用的渗碳方法[49]。 

3.3.2   渗氮

铸铁经过渗氮处理后,零件表面的硬度提高,更加耐腐蚀、抗疲劳,在中性介质中这种作用更强。因此,渗氮处理广泛应用于各类精密零件,长期在强腐蚀性环境和其他要求较高环境中使用的零部件。KONDAKCI等[50]证明了氮化能够提升灰铸铁的耐蚀性。LIU等[51]则进一步证明氮化后铸铁的耐磨性和耐蚀性都得到了增强。 

相较于其他渗氮方式,离子渗氮具有渗氮速度快、渗层厚度与组织可控、工件变形量小、净化表面和绿色环保等优点。在低温范围内,离子渗氮可提高灰铸铁表面的耐蚀性,而不会改变其结构[52]。 

3.3.3   碳氮共渗

在工件表面同时渗入碳、氮元素,以渗碳为主,渗氮为辅的工艺被称为碳氮共渗。该工艺的处理温度低于普通渗碳温度,为700~960 ℃。共渗介质是一种活性介质,其中同时含有碳与氮元素。碳和氮梯度对氮和碳扩散有交互促进作用,与传统渗氮相比,氮碳共渗能够在略微升高的工艺温度下以更短的工艺时间形成类似的表面结构,提高工件的耐磨性、抗疲劳性和耐蚀性[53]。 

3.3.4   表面改性

利用表面改性技术对球墨铸铁表面进行熔覆和合金化处理,可提高球墨铸铁表面的硬度、耐磨性和耐蚀性。常用的表面改性技术有热喷涂、堆焊、激光表面合金化以及等离子束表面合金化等[54-55]。 

热喷涂和堆焊技术是借助高能量密度的热源将具有独特使用性能的合金涂料熔融成液态金属,沉积在基体材料表面,通过液态金属与基体材料以原子结合的方式改变基体材料的化学成分和微观组织,从而获得良好耐磨、耐蚀及耐热性能的合金涂层[55-56] 

激光合金化是利用激光束的热量将材料表面和涂料加热并熔融,随后在冷却凝固的过程中,材料表面形成新的微观组织,进而形成耐蚀、耐热等的合金涂层[57]。同激光合金化相比,激光熔覆会使填充的合金材料完全熔化,而基体材料部分熔化,凝固后形成冶金结合界面。 

3.4   其他

针对水泥混凝土搅拌和输送等腐蚀工况下发生的磨损腐蚀,一般使用复合变质处理的方法对高合金耐磨耐蚀铸铁进行表面改性处理[29]。复合变质处理以一定比例的稀土、硼、钛混合物为复合变质剂,可细化铸铁的组织,改善碳化物形态、大小和分布,消除枝状组织和网状碳化物,使碳化物由粗大片状变为短棒状和颗粒状,尺寸明显减小,从而使高合金铸铁在高应力腐蚀工况下获得优良的力学性能和耐磨耐蚀性能,提高其在水泥混凝土搅拌、输送等高应力腐蚀磨损工况下的服役寿命,降低材料消耗。此外,改变预处理条件、孕育剂、热处理参数（热处理温度/浸泡时间）,细化碳化物微观结构等均可提高铸铁的耐蚀性[58]。 

4.   耐蚀铸铁的应用

4.1   化工石化设备

基于成本和操作性能的综合考虑,表面形成钝化膜的高硅铸铁即使在高温下也能抵抗浓酸和稀酸、碱盐溶液的腐蚀,最适用于化工领域[58]。因此,高硅铸铁被广泛用于制造管道配件、离心泵和活塞泵。高镍奥氏体铸铁是近年来国外发展最迅速的工程结构材料,其在碱性环境中具有良好的耐蚀性[59]。但高镍奥氏体铸铁生产成本较高,这限制了其在我国制碱行业中的应用。因此,研制新型低成本的耐碱腐蚀合金铸铁迫在眉睫。 

4.2   发动机部件

近年来,由于环境污染问题日益严重,作为替代燃料,生物柴油用量不断增加。与普通柴油比,生物柴油及其混合物对汽车金属如铜、铝、铸铁等的腐蚀性更强。为此,DESHPANDE等[60]采用球墨铸铁制造活塞和活塞环等发动机零件,并对铸铁进行适当的热处理,避免点蚀的产生,完美解决了生物柴油与接触金属的腐蚀、摩擦腐蚀和不稳定性等问题,以及燃料容器低存储的困境。 

4.3   接地网

近年来,高压、大容量、远距离输电的高压直流输电系统在我国的输电系统中得到了广泛应用。除土壤腐蚀外,埋在土壤中的接地极在接地电流作用下还会发生电解反应,加速腐蚀,甚至出现严重的安全事故。高硅铸铁中引入的硅可以减小铁素体和石墨之间的电位差,对基体起到保护作用,使高硅铸铁具有优异的耐蚀性,保证了其广阔的应用前景[61]。ZHENG等[62]对铜、碳钢、镀锌钢、铸铁和石墨等5种常见接地材料的腐蚀速率进行比较。结果表明,在接地电流作用下,5种接地材料的耐蚀性从大到小顺序为：石墨、碳钢、铜、铸铁、镀锌钢。铸铁中硅的质量分数仅为2%~2.9%,其耐蚀性略低于碳钢。当铸铁中硅的质量分数达到14.5%时,表面氧化后形成的SiO2膜可以减少腐蚀。然而,SiO2是一种绝缘材料,会增大接地网的电阻率,并增加“累积”效应。在接地网条件下,电偶的腐蚀速率与交流电流强度呈正相关。电偶和交流干扰的协同效应,使接地网腐蚀进一步恶化。所以,必须选择合适的电流注入位置,增加流点数量,消除或减少电流累积效应[63]。 

4.4   水环境

目前,许多城市的供水网络仍然大量使用铸铁和球墨铸铁管,包括直径较大的干管[64]。城市供水用铸铁管通常使用水泥衬里防止管道内部腐蚀,使用煤焦油和沥青等保护涂层防止外部腐蚀。此外,铸铁材料常用于制造船体,但用该铸铁制造的船体质地较为脆弱,不能进行高温锻压等操作,故此类型的船体大多在江、河、湖等淡水区域使用[65]。进一步提升铸铁材料自身的物理、化学性能,可促使船体的防腐蚀性能和防污性能不断提升。 

在海洋大气环境中,灰铸铁一度被广泛用于主要基础设施[66]。澳大利亚在1880~1920年建造的许多桥梁都是以铸铁为桥墩。100多年后,上部结构已被更换,但铸铁桥墩仍处于较好的应用状态[67]。夏卿坤等[68]开发了一种以价格低廉的工业废钢为主要原料生产球墨铸铁的方法,通过该方法制备的球墨铸铁具有极佳的耐蚀性和力学性能,可以广泛应用于海洋环境中,有较好的推广应用价值。 

4.5   厨具

我国传统的铁锅材料均是由铸铁炼制。铸铁锅的表面防锈处理有喷涂处理和氮化处理。这两种处理方式都会在铁锅表面残留大量有害物质。王志刚[36]针对球墨铸铁锅开发了一种防锈处理方法：在熔炼时加入镍、铬等元素,改变其内部结构,在球墨铸铁表面形成保护膜,隔绝球墨铸铁表面与外界物质的接触,避免侵蚀。另外,植物油镀膜、紫胶镀膜等方法也可以有效避免球墨铸铁生锈现象的发生。吴晓光[69]利用食品级防锈油浸对铸铁锅进行防锈处理,即将清洗好的铸铁锅体放到旋转振动式油浸炉中,在95 ℃的防锈油内经过高速旋转、振动、低速旋转、浸泡、烘干、冷却后擦干。该方法提高了食品级铸铁锅的表面耐蚀性。 

5.   结束语

近年来关于如何提高铸铁的耐蚀性是一个研究热点,也是未来铸铁行业发展的趋势所在。中国经济的迅速增长将给我国的铸造产业提供更多的机会,为耐蚀铸铁的生产与应用提供广阔前景。在提高铸铁耐蚀性的同时,低成本、轻量化设计将更加贴合市场需求。从技术发展的前景来看,耐蚀铸铁必将成为设计与应用并重的重要材料。 

虽然,耐蚀铸铁作为接地网的研究报道较少,但耐蚀铸铁件良好的铸造性能、相对简单的铸造工艺、耐蚀性良好等优势,结合埋地铸铁工况良好与现有接地材料费用昂贵的现状,铸铁作为接地网材料是完全可行的。解决合金元素调配以及腐蚀产物电阻等一系列问题后,以耐蚀铸铁为接地网材料必将有良好的发展前景。 

目前,国内外还难以有效保证耐蚀铸铁生产的经济性、稳定性,生产过程仍存在废品率高、经济性差等问题。另外,大吨位耐蚀铸铁的生产仍是困扰国内外专家的技术难题。这些因素都很大程度上限制了耐蚀铸铁的广泛使用。因此,解决耐蚀铸铁生产的经济性、稳定性和大吨位耐蚀铸铁件制备的可能性,将是攻克耐蚀铸铁无法大规模推广使用问题的关键所在。同时,提高铸件产量,改善所生产铸件的美观性,降低缺陷产件概率,减少污染物排放量,提高生产过程的竞争力,将是耐蚀铸铁成为市场主力的必经之路。