中国铸造装备与技术 2 ／ 2010
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16
灰铸铁
Cu-Cr 铸铁
Cu-Cr 球铁
Cu-Al 球铁
流速/m·s
-1
腐
蚀
速
率
/m
m·
a
-
1
图 2 低合金铸铁腐蚀速率随海水流速的变化
2
结果与讨论
低合金铸铁在流动海水中的试验结果见表 2，静
海区实海试验结果见表 3。对比表 2 和 3 可以看出：4
种低合金铸铁在各流速段中的平均腐蚀率均远大于
静海全浸区，并且随流速的增加而增大。铸铁在海水
中的腐蚀为氧去极化腐蚀，在该过程中，氧以扩散的
形式通过铁表面的静止层到达铁表面。该过程是控
制环节，
由公式
[3]
i=nFDC/X
式中 i、n、F、D、C 和 X 分别为氧的极限扩散电流
密度、交换电子数或金属离子的价数、法拉第常数、
扩散系数、溶液氧浓度和扩散层厚度。在一定条件
下，氧的扩散电流密度与扩散层厚度 X 成反比，水流
速越大，扩散层厚度越小，氧的极限扩散电流密度越
大，腐蚀速度越大。由流体力学公式计算，在水温
30℃时，该实验管道各段流速中的雷诺系数 Re垌
2300，
各流速段均为完全湍流区。铸铁基体中的 Cr、
Cu、
A1 等元素形成的难溶盐沉积于内锈层，并对致
密、牢固的 Fe
3
O
4
层的形成起促进作用。在较低流速
下内锈层保持较完好，4 种材质的腐蚀率无本质区
别，随流速增加，对锈层的冲刷作用加强，该锈层部
分脱落，化学-电化学溶解继续进行，导致腐蚀加剧。
从图 2 可以看出：海水流速由低流速（3m/s）变
化到中流速（7m/s）时，其平均腐蚀率变化特别明显，
以 Cu-A1 球铁最为明显；海水流速由中流速（7m/s）
变化到高流速（11m/s）时，其平均腐蚀率的变化幅度
相对减小。另外四种铸铁材料在整个实验过程中，平
均腐蚀率的变化趋势基本相同。将四种材质综合比
较，由表中数据可见，中、高流速时，Cu-Al 球铁腐蚀
率最大，Cu-Cr 铸铁腐蚀率最小，普通灰铁和 Cu-Cr
球铁基本处于同一腐蚀水平。从力学性能上看，球铁
的强度远高于灰铁和低合金铸铁，但其腐蚀率大于
低合金铸铁，表明动海腐蚀率与材料硬度有较大关
系
[4]
。片状石墨铸铁在高流速时的腐蚀率均小于球状
石墨铸铁，显然在动海条件下，铸铁材料受到冲蚀-
磨蚀腐蚀。球铁与灰铁的结晶特点不同，球状石墨具
有最小的表面积并孤立存在于基体中，在高流速冲
蚀-腐蚀的作用下，极易脱落；而连续分布的片状石
墨，
其在基体上的牢固性大于球状石墨。石墨一旦脱
落，在近似光滑的基体上，其微观面上表现出极大的
不平度，凹凸不平的位置，受到高速溶液的冲刷、磨
损，其腐蚀速率加大
[4]
。由表中数据明显可见：
低合金
铸铁高流速时的腐蚀率大大低于 Cu-A1 铁素体球
铁，而且小于 Cu-Cr 珠光体球铁。
试验过程中，动海区试样挂片垂直于海平面，平
行于水流方向，且试验在非封闭循环管道中进行，能
保证水流速度的均匀性，其中循环管道流速 v 随管
道半径以切应力 τ 分布示意图见图 3。
由于试样挂片较薄，忽略 4 个小平面上应力分
布，仅考虑 2 个大平面上切应力 τ 和正应力 σ。根据
图 3，试样挂片 2 个大平面上切应力 τ 方向平行于水
流方向，正应力 σ 方向垂直于水流方向，见图 4。
一方面，海水的流动性，使试样表面供氧充分，
极易在腐蚀初期形成铁的氢氧化物膜和氧化物膜。
图 3 循环管道流速随管道半径变化及切应力
τ
分布示意图
流速
水流方向
挂片
V
a
b
τ
τ
V
V
a
a
表 2 低合金铸铁在流动海水中的腐蚀率（mm/a）
材料名称
试验条件
3m/s
（30±1）℃
160h
7m/s
（34±4）℃
32h
11m/s
（34±4）℃
32h
灰铸铁
1.00
7.82
9.33
Cu-Cr 铸铁
0.95
7.18
8.66
Cu-Cr 球铁
1.10
7.67
9.59
Cu-Al 球铁
1.00
10.66
14.46
表 3 低合金铸铁全浸于静海水中的腐蚀率（mm/a）
材料名称
灰铸铁
Cu-Cr 铸铁
Cu-Cr 球铁
Cu-Al 球铁
腐蚀率
0.20
0.21
0.17
0.16
开发研究
DEVELOPING RESEARCH
图 4 试样表面的应力分布
σ
σ
τ
τ
试
样
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