1. Tóm tắt điều hành
Gang thường tốt hơn thép cacbon trơn trong nhiều môi trường ăn mòn thông thường vì tính chất hóa học và cấu trúc vi mô của nó tạo ra tác dụng bảo vệ kép: các pha than chì trơ làm giảm diện tích kim loại hoạt động điện hóa, trong khi silicon trong nền tạo thành một lớp màng bề mặt giàu silica dày đặc giúp bịt kín và ổn định cặn ăn mòn.
Hai tác động này kết hợp với nhau làm chậm quá trình vận chuyển oxy và ion đến kim loại cơ bản và giảm tốc độ ăn mòn tổng thể trong môi trường trung tính và xâm thực nhẹ.
Ưu điểm là phụ thuộc vào ngữ cảnh: trong môi trường có tính axit cao, giảm mạnh, hoặc hợp kim kháng carbon của môi trường chứa clorua cao (ví dụ., thép không gỉ, hai mặt) hoặc vật liệu lót có thể thích hợp hơn.
2. Câu trả lời ngắn
Ganghiệu suất ăn mòn được cải thiện so với thép cacbon chủ yếu là cấu trúc vi mô và hóa học - than chì cung cấp một tính chất vật lý, lá chắn phân phối, và silicon tạo thành một màng giàu SiO₂ nhỏ gọn giúp ổn định và siết chặt cặn oxit sắt xốp.
Hai cơ chế này làm chậm quá trình oxy hóa điện hóa của sắt trong nhiều điều kiện sử dụng.
3. Nền tảng luyện kim - sự khác biệt về thành phần và cấu trúc vi mô
Các tác phẩm tiêu biểu (phạm vi đại diện)
| Yếu tố | Gang điển hình (xám / dẻo) | Cacbon điển hình (nhẹ) thép |
| Cacbon (C) | ~2,5 – 4.0 wt% (hiện diện chủ yếu dưới dạng than chì hoặc kết hợp ở dạng eutectic) | ~0,05 – 0.25 wt% (trong dung dịch rắn hoặc dưới dạng cacbua) |
| Silicon (Và) | ~1,0 – 3.5 wt% (thúc đẩy sự hình thành than chì và SiO₂) | ~0,10 – 0.50 wt% |
| Mangan (Mn) | ~0,2 – 1.0 wt% | ~0,3 – 1.5 wt% |
| Phốt pho (P) | dấu vết - 0.2 wt% (được kiểm soát) | ≤ ~0,04% trọng lượng (giữ ở mức thấp) |
| lưu huỳnh (S) | dấu vết - 0.15 wt% (được kiểm soát) | ≤ ~0,05% trọng lượng |
| Khác (hợp kim) | bổ sung nhỏ (Mg/RE dùng để tạo nốt sần; hợp kim cho các lớp đặc biệt) | khả năng vi hợp kim (NB, V., Của) |
Hàm ý: gang chứa nhiều cacbon hơn và nhiều silicon hơn đáng kể so với thép cacbon.
Điều quan trọng, trong gang hầu hết cacbon tồn tại dưới dạng than chì giai đoạn; trong thép cacbon liên kết hóa học trong nền sắt (Ferrite/Pearlite) hoặc như xi măng.
Tương phản vi cấu trúc
Gang
các nốt hoặc mảnh than chì nhúng trong nền sắt (Ferrite/Pearlite). Than chì trơ về mặt hóa học và dẫn điện; hình thái của nó (vảy vs hình cầu) cũng ảnh hưởng đến hành vi cơ học và ăn mòn.
Thép cacbon (carbon thấp / thép nhẹ)
- Cấu trúc vi mô: chủ yếu ferit + Ngọc trai (ferit = mềm, dẻo α-Fe; ngọc trai = phiến Fe + Fe₃c).
- Vị trí cacbon: hòa tan trong ferrite với số lượng nhỏ và tập trung trong Xi măng (Fe₃c) lamellae trong ngọc trai.
Bề mặt kim loại thực chất là sắt liên tục; không có pha cacbon phân tán trơ. - Hậu quả điển hình: bề mặt kim loại đồng nhất với hoạt động điện hóa đồng đều; quá trình oxy hóa vĩ mô nhanh chóng nếu không được bảo vệ.
4. Bảo vệ chống ăn mòn kép trong gang - rào cản than chì và silica (Sio₂) sự thụ động
Khả năng chống ăn mòn vượt trội của gang đối với nhiều dạng ăn mòn xuất phát từ hai cơ chế bổ sung hoạt động ở cấp độ vi cấu trúc: (1) Một hiệu ứng rào cản vật lý từ pha than chì, Và (2) Một thụ động hóa học được cung cấp bởi silic (Sio₂) sự hình thành.
Các cơ chế này cùng nhau làm chậm quá trình điện hóa dẫn đến mất kim loại và kéo dài tuổi thọ sử dụng trong nhiều môi trường ngoài trời và có nước.
Than chì - một vật chất, lá chắn vi mô
- Tính ổn định và tính trơ hóa học. Than chì là một dạng thù hình trơ về mặt hóa học của cacbon.
Nó không bị oxy hóa dễ dàng trong điều kiện môi trường thông thường (không khí, độ ẩm), do đó các hạt than chì nhúng trong ma trận kim loại không hoạt động như các vị trí anốt và không góp phần gây ra sự ăn mòn tích cực. - Che chắn quy mô vi mô. Trong gang, than chì xuất hiện dưới dạng vảy (sắt xám) hoặc nhân vật chính (sắt dễ uốn).
Các đặc tính than chì này được phân bố khắp bề mặt và dưới bề mặt và hoạt động giống như vô số tấm chắn cực nhỏ làm giảm diện tích tiếp xúc của ma trận sắt phản ứng..
Bằng cách làm gián đoạn sự tiếp xúc trực tiếp giữa sắt và các chất ăn mòn (ôxy, Nước, ion clorua), pha than chì làm giảm diện tích điện hóa hiệu quả dành cho quá trình oxy hóa. - Hiệu ứng ròng so với. thép cacbon. Thép carbon thiếu nội bộ này, pha trơ phân bố; ma trận sắt trong thép cacbon bị lộ ra đáng kể, do đó quá trình oxy hóa diễn ra đồng đều hơn và mạnh mẽ hơn trên bề mặt kim loại.
Silicon - thụ động hóa học thông qua sự hình thành màng SiO₂
- Cơ sở điện hóa. Ăn mòn sắt là một quá trình oxy hóa điện hóa trong đó nguyên tử Fe mất electron và tạo thành các loại oxit.
Sự hiện diện của silicon trong gang làm thay đổi con đường hóa học trong quá trình oxy hóa này. - Quá trình oxy hóa và hình thành màng ưu tiên. Silicon có xu hướng oxy hóa cùng với—hoặc trong một số trường hợp trước—sắt để tạo thành một khối dày đặc., silic bám dính (Sio₂) màng trên bề mặt kim loại.
Lớp silica này lấp đầy các lỗ rỗng và các khuyết tật trong lớp oxit sắt ban đầu (rỉ sét) lớp và liên kết tốt với chất nền. - Đặc tính rào cản của SiO₂. Màng SiO₂ nhỏ gọn và ổn định về mặt hóa học; nó làm giảm sự khuếch tán oxy và các ion mạnh vào kim loại và do đó làm chậm quá trình oxy hóa sắt hơn nữa.
Khi tiếp xúc ngoài trời, Lớp vảy bảo vệ trên gang thường là một màng hỗn hợp gồm oxit sắt và silica; thành phần silica cải thiện sự gắn kết và giảm sự bong tróc của lớp rỉ sét. - Tương phản với gỉ thép carbon. Rỉ sét trên thép cacbon thường bao gồm các oxit sắt xốp (FeO, Fe₂O₃, Fe₃o₄) thiếu sự chặt chẽ, cấu trúc bám dính của màng giàu silica.
Bệnh gỉ thép cacbon có xu hướng dễ vỡ, xốp và liên kết kém, vì vậy nó bong ra và để lộ ra kim loại mới - tạo ra sự tiến bộ, tăng tốc ăn mòn.
Hai cơ chế phối hợp với nhau như thế nào
- Phối hợp. Than chì làm giảm diện tích bề mặt sắt hoạt động có sẵn để ăn mòn, trong khi màng silica hoạt động ở nơi sắt bị ăn mòn - bịt kín và làm chậm quá trình tấn công điện hóa.
Hiệu ứng tổng hợp là tốc độ ăn mòn chậm hơn và sự hình thành lớp bề mặt kết dính hơn so với hình thành trên thép cacbon trơn.. - Kết quả thực tế. Trong nhiều môi trường nước khí quyển và không xâm thực, gang phát triển ổn định, lớp bảo vệ bám dính làm chậm sự thâm nhập sâu và mất cấu trúc.
Đây là lý do tại sao các bộ phận bằng gang có thể có tuổi thọ lâu dài trong môi trường đô thị, kiến trúc và nhiều ứng dụng công nghiệp khi không chịu tác động của các chất hóa học mạnh.
Hạn chế và cân nhắc thực tế
- Vấn đề môi trường. Màng bảo vệ giàu silica có hiệu quả trong môi trường trung tính đến ăn mòn nhẹ.
Trong điều kiện axit mạnh, môi trường oxy hóa cao, hoặc ngâm liên tục trong dung dịch clorua mạnh, những lợi ích thụ động bị giảm đi và sự ăn mòn có thể tiếp tục. - Tế bào điện cục bộ. Than chì có tính dẫn điện; nếu các khu vực tiếp xúc với than chì tiếp xúc với chất điện phân dẫn điện và có mặt kim loại anốt hơn, tương tác điện cục bộ có thể xảy ra. Thiết kế phải tránh rủi ro về điện trong các tổ hợp đa kim loại.
- Điều kiện bề mặt và lớp phủ. Lớp phủ bảo vệ, lớp lót hoặc bảo vệ cathode thường được yêu cầu khi gang phải chống lại các hóa chất mạnh, ngâm lâu, hoặc khi các yêu cầu pháp lý yêu cầu độ lọc gần như bằng không (ví dụ., Hệ thống nước uống).
Lớp phủ cũng giúp duy trì cặn giàu SiO₂ có lợi trong thời gian sử dụng ban đầu. - Kiểm soát sản xuất. Mức độ silic, Thành phần ma trận, hình thái than chì và tính toàn vẹn của vật đúc (độ xốp, sự bao gồm) tất cả đều ảnh hưởng đến hiệu quả của việc bảo vệ kép.
Thực hành đúc tốt và đặc điểm kỹ thuật thích hợp về hóa học và cấu trúc vi mô là rất cần thiết.
5. Quan điểm cơ chế điện hóa và ăn mòn
Vùng hoạt động và động học
- Mật độ dòng ăn mòn tỷ lệ thuận với diện tích hoạt động điện hóa. Bằng gang, diện tích sắt hoạt động trên một đơn vị bề mặt biểu kiến bị giảm đi do độ phủ than chì - làm giảm dòng điện anốt và tỷ lệ tổn thất kim loại ròng trong các môi trường tương tự.
- Kháng khuếch tán quy mô: dày đặc hơn, Cân giàu silica làm tăng khả năng chống khuếch tán ion và phân tử (O₂, H₂O, Cl⁻), giảm tốc độ phản ứng một cách hiệu quả.
Cân nhắc về điện (một lời cảnh báo)
- Độ dẫn than chì: Than chì có tính dẫn điện.
Khi than chì lộ ra trên bề mặt và có chất điện phân dẫn điện, Các tế bào điện cục bộ có thể hình thành ở đó than chì hoạt động như một vị trí catốt và sắt gần đó trở thành anốt. Trong một số hình học, điều này Có thể gây ra sự ăn mòn cục bộ. - Số dư ròng: Trong nhiều tình huống thực tế, màng bảo vệ và diện tích hoạt động giảm sẽ lớn hơn nguy cơ điện hóa cục bộ, nhưng thiết kế phải tránh các cấu hình trong đó than chì tạo thành các mảng cực âm cao được liên kết điện với các kim loại kém quý hơn.
6. Chế tạo, các yếu tố xử lý và dịch vụ ảnh hưởng đến hiệu suất ăn mòn
- Mức độ silic: Si cao hơn (trong giới hạn xưởng đúc) thúc đẩy sự hình thành SiO₂ mạnh hơn; gang đúc Si điển hình ≈ 1–3 wt% so với thép carbon ≈ 0,1–0,5 wt%.
- Hình thái và phân bố than chì: Sắt dễ uốn (Nham hình cầu) và sắt xám (than chì vảy) khác nhau về cách pha than chì giao nhau trên bề mặt; phạt tiền, pha than chì được phân bố tốt giúp bảo vệ đồng đều hơn.
- Điều kiện bề mặt và quy mô: Xử lý bằng máy nghiền/nhiệt, lớp phủ nhiệt hạch, và thời tiết tự nhiên ảnh hưởng đến tốc độ phát triển của quy mô silica/oxit có lợi.
Bề mặt mới gia công có thể bị ăn mòn cho đến khi hình thành cặn ổn định. - Độ sạch và độ xốp của lò đúc: Bao gồm, lỗ phun nước hoặc sự phân chia có thể là điểm khởi đầu cho cuộc tấn công cục bộ. Thực hành đúc tốt làm giảm những rủi ro này.
- Lớp phủ & lớp lót: Gang thường nhận được lớp phủ (Epoxy, vữa xi măng, lớp lót cao su) giúp cải thiện hơn nữa tuổi thọ ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt.
7. Sự phụ thuộc vào môi trường và điều kiện dịch vụ
Môi trường mà gang có xu hướng tốt hơn thép carbon
- Tiếp xúc với khí quyển (thành thị/nông thôn)—thành phần silica cải thiện độ bám dính của lớp gỉ và làm chậm quá trình mất dần dần.
- Nước sinh hoạt và nước thải—khi được lót/phủ hoặc ở phạm vi pH ổn định, ống và phụ kiện bằng gang thường bền hơn thép nhẹ không được bảo vệ.
- Môi trường nước có tính oxy hóa vừa phải—vảy giàu silic có lợi.
Môi trường có gang không thượng đẳng
- Môi trường có tính axit cao (độ pH thấp) - màng silica có thể bị tấn công hoặc hòa tan; sắt số lượng lớn bị ăn mòn nhanh chóng.
- Môi trường clorua mạnh (nước biển, nước muối) - sự tấn công và rỗ cục bộ có thể làm suy yếu lớp màng bảo vệ; hợp kim không gỉ hoặc song công được ưa thích.
- Giảm, đất hoặc nước giàu sunfua - Ăn mòn do ảnh hưởng vi sinh vật (MIC) và các loài sunfua có thể tấn công sắt một cách nghiêm trọng.
8. Đánh đổi lựa chọn vật liệu
tại sao thép không được hợp kim nhiều silicon và tại sao lại chọn gang thay thế
Thêm hàm lượng silicon cao vào thép làm tăng khả năng chống oxy hóa và có thể khuyến khích hình thành màng bảo vệ giàu silica, nhưng nó cũng làm tăng độ giòn của hợp kim.
Đối với nhiều ứng dụng kết cấu thép—nơi có độ dẻo cao, độ dẻo dai và khả năng hàn đáng tin cậy là bắt buộc - độ giòn do hàm lượng silicon tăng cao là không thể chấp nhận được.
Kết quả là, thép carbon chính thống giữ silicon ở mức thấp và dựa vào các phương tiện khác (lớp phủ, chất ức chế, hợp kim với Mn/Cr/Mo, hoặc sử dụng hợp kim không gỉ) để đáp ứng nhu cầu ăn mòn hoặc oxy hóa.
Gang, Ngược lại, là một sự thỏa hiệp có chủ ý khác. Luyện kim đúc chấp nhận độ dẻo giảm để đổi lấy những lợi thế thường mang tính quyết định trong các ứng dụng cụ thể:
- Khả năng đúc tuyệt vời. Carbon cao, tan chảy silicon cao tạo ra các pha than chì và tan chảy chất lỏng lấp đầy các khuôn phức tạp, cho phép các hình dạng gần lưới và các tính năng tích hợp (xương sườn mỏng, Ông chủ, đoạn văn nội bộ) khó hoặc tốn kém để thực hiện bằng cách chế tạo.
- Hành vi ăn mòn và mài mòn nội tại. Cấu trúc vi mô của gang (than chì + ma trận sắt cộng với silicon tăng cao) tạo ra sự kết hợp của các hiện tượng bề mặt—bao phủ than chì và hình thành cặn giàu silic—thường làm chậm sự ăn mòn và cải thiện khả năng chống mài mòn trong các điều kiện trung tính hoặc có tính xâm thực nhẹ.
- Độ cứng đúc và khả năng chống mài mòn cao hơn. Nhiều loại gang mang lại độ cứng bề mặt cao hơn và tuổi thọ mài mòn tốt hơn cho các bộ phận tiếp xúc với các hạt mài mòn (ví dụ như máy bơm, vỏ cánh quạt và các bộ phận xử lý bùn).
- Chi phí và khả năng sản xuất cho các hình dạng phức tạp. Dành cho hình học phức tạp ở khối lượng nhỏ đến trung bình, gang thường có tổng chi phí thấp hơn so với các cụm thép hàn hoặc gia công.
Tóm lại: thép tránh hàm lượng silic cao vì độ dẻo dai và độ dẻo thường quan trọng hơn đối với kết cấu, cụm hàn;
gang chấp nhận độ dẻo giảm để có được khả năng đúc vượt trội, hiệu suất mài mòn và mức độ chống ăn mòn nội tại—làm cho nó trở thành lựa chọn ưu tiên cho nhiều vỏ máy bơm, thân van và các bộ phận đúc khác xử lý môi trường mài mòn hoặc nước.
So sánh vật liệu đại diện
Ghi chú: giá trị là phạm vi kỹ thuật điển hình cho các dạng sản phẩm phổ biến (đúc sẵn cho sắt dẻo, bình thường hóa/cán cho thép carbon).
Thuộc tính thực tế phụ thuộc vào lớp, xử lý nhiệt, quy mô phần và thực hành của nhà cung cấp. Luôn xác nhận bằng chứng chỉ vật liệu và thử nghiệm dành riêng cho ứng dụng.
| Tài sản / Diện mạo | Gang dẻo điển hình (ví dụ: EN-GJS-400-15) | Thép cacbon kết cấu điển hình (ví dụ: AN S355 / A572) |
| Độ bền kéo điển hình, RM | ≈ 370–430 MPa | ≈ 470–630 MPa |
| 0.2% bằng chứng / năng suất (RP0.2) | ≈ 250Mạnh300 MPa (khoảng.) | ≈ 355 MPa (phút) |
| Độ giãn dài, MỘT (%) | ≥ 15% (TYP. 15–20%) | ≈ 18–25% (giá trị cấu trúc điển hình) |
| độ cứng Brinell (HB) | ≈ 130–180 HB (phụ thuộc ma trận) | ≈ 120–180 HB (thay đổi khi xử lý nhiệt) |
| mô đun Young (GPa) | ≈ 160–170 | ≈ 200–210 |
| Tỉ trọng (g·cm⁻³) | ≈ 7,1–7,3 | ≈ 7.85 |
| Khả năng đúc / tự do hình học | Xuất sắc (hình dạng gần net, phần mỏng có thể) | Kém → vừa phải (chế tạo hoặc gia công nặng cần thiết cho các hình dạng phức tạp) |
| Khả năng gia công | Tốt (Chup AIDS than chì phá vỡ; vấn đề ma trận) | Tốt → xuất sắc (phụ thuộc vào hàm lượng cacbon; thép C thấp dễ gia công) |
Mặc / khả năng chống mài mòn |
Tốt hơn (tùy chọn độ cứng bề mặt cao hơn và khả năng thêm lớp lót mặt cứng) | Thấp hơn (yêu cầu xử lý nhiệt hoặc hợp kim để chống mài mòn) |
| Hành vi ăn mòn nội tại (không bị ngăn cấm) | Thường vượt trội trong môi trường trung tính/khí quyển do than chì + sự hình thành cặn silic; hoạt động tốt khi được lót/phủ | Nói chung năng động hơn; hình thành rỉ sét xốp có thể vỡ ra trừ khi được bảo vệ |
| Tính hàn | Trung bình đến khó - hàn yêu cầu các quy trình đặc biệt vì C và than chì cao (hàn sửa chữa khả thi nhưng cần kiểm soát) | Xuất sắc - hàn thường xuyên với vật tư tiêu hao và mã tiêu chuẩn |
độ dẻo dai (sự va chạm / gãy xương) |
Tốt đối với sắt dẻo; thấp hơn nhiều loại thép dành cho tiết diện mỏng hoặc khía sắc nhọn | Cao hơn - thép thường có độ bền cao và khả năng chống va đập |
| Hồ sơ chi phí điển hình (phần) | Tổng chi phí thấp hơn cho các bộ phận đúc phức tạp (ít gia công/lắp ráp) | Chi phí vật liệu mỗi kg thấp hơn; chi phí chế tạo/gia công cao hơn cho hình học phức tạp |
| Các ứng dụng điển hình | Bơm & thân van, nhà ở, mặc các bộ phận, phụ kiện đô thị | Thành viên kết cấu, khung hàn, bình chịu áp lực, trục, rèn |
9. Kết luận
Gang thường có khả năng chống ăn mòn cao hơn thép cacbon vì quá trình luyện kim của nó cung cấp hai cơ chế bảo vệ nội tại:
Một sự phân tán, Pha than chì trơ về mặt hóa học làm giảm bề mặt sắt hoạt động điện hóa, và hàm lượng silicon tương đối cao thúc đẩy sự hình thành mật độ dày đặc, màng bề mặt giàu silica, giúp ổn định quy mô ăn mòn và làm chậm quá trình oxy hóa hơn nữa.
Những tính năng này làm cho gang đặc biệt hiệu quả trong môi trường trung tính đến hung hăng nhẹ, đặc biệt là nơi hình học đúc phức tạp, chống mài mòn, và hiệu quả chi phí là quan trọng.
Câu hỏi thường gặp
Gang có bao giờ rỉ sét như thép không??
KHÔNG. Gang vẫn bị ăn mòn, nhưng thường chậm hơn trong nhiều môi trường do rào cản than chì và cặn giàu silic. Trong điều kiện khắc nghiệt nó có thể bị ăn mòn nhanh như thép.
Sắt dễ uốn có tốt hơn sắt xám để ăn mòn không?
Cả hai đều được hưởng lợi từ màng silica; Than chì hình cầu của sắt dẻo thường có đặc tính cơ học và ăn mòn đồng đều hơn so với than chì vảy trong sắt xám.
Lớp phủ sẽ phủ nhận lợi thế than chì/Silica?
Lớp phủ (Epoxy, cao su, lót xi măng) thêm sự bảo vệ và được sử dụng phổ biến - chúng bổ sung cho những lợi ích nội tại.
Tuy nhiên, nếu lớp phủ không thành công, cơ chế nền tảng vẫn quan trọng trong suốt thời gian tồn tại còn lại.
Than chì có thể gây ra sự ăn mòn điện?
Than chì tiếp xúc có tính dẫn điện và có thể hoạt động âm tính; trong một số kết hợp và hình học kim loại nhất định, nó có thể làm trầm trọng thêm sự tấn công cục bộ. Thiết kế để tránh khớp nối điện hoặc cách ly các tiếp điểm.
Lớp phủ vẫn cần thiết trên gang?
Thường thì có. Lớp phủ hoặc lớp lót (Epoxy, vữa xi măng, cao su, Fbe) bổ sung sự bảo vệ nội tại, ngăn chặn cuộc tấn công cục bộ sớm, và là tiêu chuẩn cho nước uống được, chất lỏng tích cực hoặc dịch vụ chôn cất.
