球墨铸铁防锈处理的研究

    张沁媛 杨威 朱莹莹 罗威

    

    

    

    Research on the Antirust Treatment of Nodular Cast Iron

    ZHANG Qin-yuan， YANG Wei， ZHU Ying-ying， LUO Wei

    （School of Physics and Electronic Engineering， Jiaying University， Meizhou 514015， China）

    【摘? 要】论文对金属生锈的机理和种类、球墨铸铁的化学成分和结构以及金属的防锈方法进行了研究。论文提出了对球墨铸铁进行植物油镀膜、紫胶镀膜和加镍处理这三种防锈处理方法，并对前两种方法进行了试验，处理得到的球墨铸铁都具有一定的防锈性能。应用这三种方法不仅能够达到防锈的效果，而且安全无毒，适用于对生活用品和厨房器具的防锈处理。

    【Abstract】The paper studies the mechanism and types of metal rust， the chemical composition and structure of nodular cast iron， and the metal antirust methods. The paper puts forward three antirust treatment methods for nodular cast iron： vegetable oil coating， shellac coating and adding nickel treatment. The paper tests the first two methods， and the nodular cast iron obtained by the treatment has certain antirust performance. The application of these three methods can not only achieve the antirust effect， but also is safe and non-toxic， and is suitable for the antirust treatment of daily necessities and kitchen utensils.

    【關键词】球墨铸铁;生锈;防锈处理;方法;试验

    【Keywords】nodular cast iron; rust; antirust treatment; methods; test

    【中图分类号】TB331? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文献标志码】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章编号】1673-1069（2021）05-0194-03

    1 引言

    金属生锈是指金属处于潮湿空气或水中时，表面被氧化而生成一层化合物。生锈本质上是金属的氧化反应。当金属生锈后，它的机械性能和外观都会受到一定的影响，金属器件遭到破坏，这种情况增加了保养和维修机械设备的费用，导致经济损失，甚至还可能出现安全事故[1]。球墨铸铁是一种具有优良性能的铸铁材料，其强度较高，并且耐磨性能好，摩擦系数小，不含对身体有害的化学元素，广泛应用于机械制造、化工、冶金、造船和国防等领域[2]，也可用于制作烹饪器具。但是球墨铸铁的化学性质较活泼，遇水和空气后易生锈，为机械和球墨铸铁烹具的使用和维护带来了不便。对球墨铸铁进行防锈处理能够解决球墨铸铁生锈带来的设备维修与保护的费用增加等问题，为铸铁锅具的使用和清洗带来便利，因此，对球墨铸铁防锈处理方法的研究具有广阔的发展前景。

    目前，对球墨铸铁进行防锈处理的方法主要有软氮化、磷化等处理方式[3]。但经过这些方法处理过的球墨铸铁含有对人体有害的化学元素，不适合用于生产生活用品和厨房用具。本文所探讨的三种球墨铸铁防锈处理方法分别为植物油镀膜、紫胶镀膜和加镍处理。这三种防锈方法安全无污染，处理得到的球墨铸铁可用于生产不粘锅具，不会危害人体健康。

    2 球墨铸铁的特性

    影响金属生锈的主要因素包括金属自身的化学成分和结构。本文研究的金属材料为QT500-7球墨铸铁，它是一种高强度的铸铁材料。表1为QT500-7球墨铸铁的化学成分。球墨铸铁的碳是以球状石墨的形式存在于组织中的。它的制作工艺是在浇注前，向铁液中添加少量的孕育剂和球化剂，当铁液凝固后在铸铁组织中就形成了球状石墨[4]。

    3 利用球墨铸铁制造锅具的优势

    表2[5]为QT500-7球墨铸铁的力学性能。它的硬度高、耐磨性强、不含对人体有害的化学成分，适用于制作烹饪器具。并且球墨铸铁的摩擦系数小，能达到较好的不粘效果，用它制成的不粘烹具具有无涂层而不粘、易清洗、安全、耐用的优点。

    4 球墨铸铁氧化的机制

    4.1 金属生锈的机理和种类

    生锈是金属与周围环境中的水和氧发生化学或电化学反应而产生的破坏[6]。生锈分为化学腐蚀和电化学腐蚀两类。化学腐蚀指的是金属在空气中与氧直接发生氧化反应，在金属表面上生成金属氧化物而被损耗的过程。电化学腐蚀是指金属和电解质溶液之间发生了原电池作用而引起的生锈。金属器件遭到破坏的主要形式就是电化学腐蚀[7]。

    4.2 金属材料的防锈处理方法

    ①改善金属的储存环境：储藏金属的环境应该满足干燥、相对湿度较低等条件。禁止将金属物品与含水量较高的物品共同储存，避免物体之间相互影响导致金属生锈。此外，要注意保持储藏环境的清洁。②保护层法：第一，在金属表面覆盖油漆、珐琅、塑料、植物油、防锈油等抗氧化的非金属材料;第二，运用热镀、电镀等措施，在金属外部镀上一层不易被腐蚀的金属，例如，镍;第三，利用化学方法使得钢铁表面生成一层致密的保护膜，隔绝外部的水和氧气，从而达到防锈效果。③对腐蚀介质进行处理：消除机器中的腐蚀介质，例如，在金属器件中放置干燥剂或缓蚀剂等。④气体防锈：使化學药品挥发并吸附或沉积在金属的表面，从而减轻金属的生锈。⑤电化学保护法：依据电化学原理对金属采取措施，将被保护的金属作为腐蚀电池的阴极，从而达到防止金属生锈的效果。主要有两种方法，分别是外加电流保护法和牺牲阳极的阴极保护法。⑥改变金属的内部结构：制造防生锈的合金，例如，在普通钢铁中加入铬、镍等元素制成不锈钢。

    4.3 球墨铸铁生锈的表现和影响

    图1和图2为球墨铸铁生锈前后的图片。铁锈呈棕黄色，生锈之后球墨铸铁的不粘性能减弱。使用生锈的铸铁锅烹饪会发生粘锅的现象，对锅具的清洗造成不便。并且使用生锈的锅具进行烹饪，会对人体健康造成不利影响。

    5 球墨铸铁烹具的食用安全性

    铸铁是制作锅具时常用的材料。用球墨铸铁制作的锅具具有无涂层而不粘的优点，但生锈会影响这种不粘性能，导致烹饪时出现粘锅的问题。更严重的是，如果不及时清除铁锈，烹饪时铁锈可能会进入食物，并随着食物进入人体。摄入过量的铁锈会刺激人体的胃肠道和消化道，容易导致消化不良、腹痛、消化道出血等后果，对人体健康造成严重危害。因此，对球墨铸铁烹具进行防锈处理，可以避免铁锈对人体的伤害，有利于保护人们的身体健康。

    6 球墨铸铁防锈处理的方法

    6.1 植物油镀膜

    要防止金属生锈，可以对金属表面进行处理，使金属与外界环境中的水和氧气相隔绝。常用的表面防锈处理方法有涂覆防锈油、电镀，等等，但这些防锈方法会使金属材料带上有毒物质。如果使用食用油对球墨铸铁表面进行镀膜处理，得到的金属材料不含对人体有害的化学物质，安全无污染，可用于制造厨房用具，保护人体健康。

    食用油分为植物油和动物油两种。这两种食用油有如下区别：在含量上，植物油含有较多的不饱和脂肪酸，而动物油含有较多的饱和脂肪酸和胆固醇，医学研究表明，食用过多的饱和脂肪酸，容易引起高血压、冠心病等心血管疾病;在人体的吸收上，和植物油相比，动物油更难消化、更难吸收。综合考虑，利用植物油对球墨铸铁进行镀膜处理是更优的选择。

    6.1.1 试验方案

    ①油膜附着：首先对球墨铸铁进行清洁打磨，然后将金属材料表面分为两个区域，一半（右边）涂覆适量的植物油并使其分布均匀，另一半（左边）不作任何处理。涂油后的球墨铸铁如图3所示。

    ②热处理：热处理分为三个阶段，包括低温烘烤阶段、高温加热阶段和降温处理阶段。在涂覆了植物油之后，首先以80℃的温度对金属进行加热处理，当油膜完全干燥后，再使球墨铸铁的表面全部沾上水，并用100℃的温度加热球墨铸铁，观察有油膜和无油膜的金属材料的变化情况，最后对金属进行降温处理。

    6.1.2 试验结果与讨论

    当温度升高到150℃左右时，会形成一层致密稳定的棕黄色油膜。在高温加热阶段，有油膜的金属没有生锈，而没有油膜的金属迅速出现锈迹，如图4所示。这是因为植物油将球墨铸铁与周围介质分隔开，使得金属不会与氧发生氧化反应而引起生锈。由此可见，用植物油对球墨铸铁表面进行防锈处理能够达到较好的防生锈、抗氧化的功效，增强铸铁烹具的适用性。

    6.2 紫胶镀膜

    紫胶是紫胶虫吸食寄主树木的汁液后分泌出的一种多功能的天然树脂。紫胶的主要成分是紫胶树脂。紫胶树脂具有防腐蚀、防潮、耐磨等优良性能。因此，在球墨铸铁表面覆盖紫胶，可以有效地防止金属生锈，保护内部金属不受磨损。紫胶无毒，无刺激性，被广泛应用于食品和医药行业。因此，将紫胶涂覆在烹饪用具表面，不但可以防锈，而且不会对人体健康造成伤害。从发展趋势上讲，紫胶是可再生资源，用途广泛，使用安全。并且我国的天然紫胶资源较丰富，因此，利用紫胶防锈的方法具有较好的发展前景[8]。

    6.2.1 试验方案

    ①油膜附着：首先用砂纸对金属材料进行打磨，去除表面的铁锈。然后将球墨铸铁表面分为两个区域，一半（右边）均匀地涂抹适量的紫胶液，另一半（左边）不作处理。覆盖紫胶液后的球墨铸铁如图5所示。

    ②热处理：在覆盖了紫胶液之后，首先以80℃的温度对球墨铸铁进行加热处理，当紫胶液完全干燥后，形成了紫胶保护膜。然后冲洗金属表面，不需擦干金属材料上的水分，继续用100℃的温度加热球墨铸铁，观察有膜和无膜的金属的变化情况。

    6.2.2 试验结果与讨论

    当温度升高到102℃左右时，会形成一层紫胶保护膜。继续加热，有紫胶膜的一半没有生锈，而无膜的一侧出现了生锈的情况，如图6所示。因此，用紫胶液对球墨铸铁进行镀膜处理能够达到良好的防锈效果，而且紫胶膜能够延长锅具的使用寿命，使锅具具有耐磨性强、健康环保的优点。

    6.3 加镍处理

    金属材料的防锈处理方法，除了对表面进行处理外，还可以采用改变金属的内部结构的方法。常用的方法是在金属材料内部加入适量的铬、镍等元素，将其制成不易生锈的合金。在普通钢铁中加镍可以制成不锈钢，这是因为镍在空气中会形成致密的氧化层，该氧化层能够隔绝金属内部，使之不再继续氧化，从而增强了金属的耐腐蚀性能。并且，将镍与铬共同加入金属材料中，可以改变金属的晶体结构，形成奥氏体晶体结构，从而优化不锈钢的防锈性能。

    因此，可以利用浇注的方法在球墨铸铁中添加镍元素。具体工艺是把熔融的球墨铸铁注入模具，在熔融金属中加入适量镍元素，最后将金属部件凝固成型，从而改变了铸铁材料的组织结构，增强了耐腐蚀的性能。在加镍的过程中，需要控制好镍的含量，使之既能达到防锈效果，又不会产生毒性。经过这种方法处理后的球墨铸铁可以用于烹饪用具的制作。

    7 结语

    通过植物油镀膜、紫胶镀膜和加镍处理这三种方法，可以增强球墨铸铁的防锈性能。植物油镀膜是将金属与外部环境相隔绝，该方法能使球墨铸铁与水和氧气隔开，不会发生化学反应而导致生锈。紫胶镀膜是利用了紫胶本身优越的防潮和防腐性能，紫胶无毒且能够保护球墨铸铁不被磨损。加镍处理是从根本上改变金属的内部结构，使之具有较强的防锈性能，并且能够优化球墨铸铁的耐磨性和韧性等力学性能。总体而言，这三种方法都具有防锈效果较好、安全无污染、操作方便等特点。

    【参考文献】

    【1】温惠清.浅析金属的锈蚀及其防止[J].胜利油田职工大学学报，2002（4）：23-24.

    【2】林聪.中国冶金百科全书：金属材料[M].北京：冶金工业出版社，2001.

    【3】陈永明，管敏超，叶成刚.45钢与QT450-10的表面耐腐蚀处理工艺及性能研究[J].橡塑技术与装备，2014（24）：21-24.

    【4】邓安华.金属材料简明辞典[M].北京：冶金工业出版社，1992.

    【5】温秉权.金属材料手册[M].北京：电子工业出版社，2009.

    【6】郭召.精密金属零件锈蚀原因与防锈措施[J].装备机械，2019（4）：1-3+34.

    【7】李晶，郭开智，雷永豪.浅析金属零件的锈蚀与防锈[J].科技致富向导，2011（3）：170+177.

    【8】黄喜坚，唐辉，王莉莉.紫胶的特性及应用[J].杭州化工，2009（1）：11-15.