C和Si含量對車輪鋼腐蝕行為的影響

吳 菲,肖 峰,江 波,崔銀會,任學沖

(1. 北京科技大學 國家材料服役安全科學中心，北京 100083; 2. 馬鞍山鋼鐵股份有限公司，馬鞍山 243000)

C和Si含量對車輪鋼腐蝕行為的影響

吳 菲1,肖 峰2,江 波2,崔銀會2,任學沖1

(1. 北京科技大學 國家材料服役安全科學中心，北京 100083; 2. 馬鞍山鋼鐵股份有限公司，馬鞍山 243000)

利用3.5%(質量分數(shù))NaCl溶液室溫周期浸泡試驗及電化學試驗研究了不同C、Si含量車輪鋼的腐蝕行為。用失重法測量了試樣的腐蝕速率；觀察了不同腐蝕時間后試樣的表面形貌及截面形貌；利用光學表面形貌儀觀測了不同腐蝕時間后試樣表面粗糙度和腐蝕坑尺寸。結果表明：隨C含量的增加及Si含量的降低，車輪鋼穩(wěn)態(tài)腐蝕速率增大；Si含量的提高使車輪鋼自腐蝕電位升高以及表面電荷轉移電阻增大，從而提高了其耐蝕性；在試驗周期范圍內，不同試樣在腐蝕3 d后表面均出現(xiàn)點蝕，并隨腐蝕時間的延長，點蝕坑尺寸和表面粗糙度增大。點蝕坑的出現(xiàn)會破壞車輪鋼表面的完整性，在腐蝕坑底部造成應力集中，危害車輪的安全運行。

車輪鋼；周浸試驗；腐蝕；點蝕；電化學

隨著列車的重載化與高速化，車輪作為重要承載運動部件，對其疲勞性能的要求也越來越嚴格。影響車輪疲勞性能的因素很多，如材料強度、表面粗糙度及表面噴丸處理等。盡管車輪的表面狀態(tài)主要由制造加工工藝決定，但在服役過程中，車輪長期經(jīng)受雨、雪、潮濕大氣環(huán)境的作用，表面狀態(tài)會由于腐蝕作用而發(fā)生變化，特別是沿海濕熱環(huán)境,它對車輪的腐蝕性影響不容忽視。國內外由于腐蝕引起的車輪疲勞失效常有報道[1-2]。大量的研究表明，碳鋼表面易發(fā)生點腐蝕，特別是其在含Cl-的海水或海洋性大氣環(huán)境中時，從而破壞車輪表面完整性，降低疲勞極限，引發(fā)疲勞破壞[3-5]。C和Si是車輪鋼中常用的強化元素，具有強化效果好、成本低等優(yōu)點，不同性能要求的車輪可通過C和Si含量的調整來實現(xiàn)。已有的研究表明：中低碳低合金鋼腐蝕速率隨C含量的增加而增大[6-7]；當腐蝕機理不同時，C含量對腐蝕速率的影響也不同[8]；Si含量增加可使球墨鑄鐵的耐蝕性提高[9]。目前，關于中高碳車輪鋼中C、Si含量對其耐蝕性的影響鮮有報道。本工作采用周期浸泡腐蝕試驗研究了不同C、Si含量軋制車輪鋼在NaCl溶液中的腐蝕行為，以期為車輪鋼強化元素的選擇及車輪的腐蝕與防護提供參考。

1 試驗

試驗用材料為4種軋制工藝生產(chǎn)的車輪鋼，其化學成分如表1所示。由表1可見，1號、2號及3號試樣的C含量依次降低，Si含量基本相同；4號試樣與3號試樣相比，Si含量明顯降低，而C含量基本相同。在車輪輻板位置取金相試樣，經(jīng)磨制拋光后用質量分數(shù)為3%硝酸酒精溶液侵蝕，再用光學顯微鏡觀察試樣的顯微組織。

表1 車輪鋼的化學成分(質量分數(shù))Tab. 1 Chemical composition of wheel steels (mass) %

周期浸泡試樣從車輪輻板位置截取，試樣尺寸為50 mm×40 mm×4 mm，試樣厚度方向與車輪輻板厚度方向一致，試樣表面經(jīng)磨制，表面粗糙度Ra為0.23 μm。試驗參考GB/T 19746-2005《金屬和合金的腐蝕-鹽溶液周浸試驗》標準進行。周期浸泡試驗采用3.5%(質量分數(shù)，下同)NaCl溶液，室溫下干濕交替的時間分別是50 min和10min，即試樣在NaCl溶液中浸泡10 min后干燥50 min，試驗時間分別為3，7，14，30，60，90 d。試樣在試驗前用無水乙醇超聲清洗，去除表面可能殘留的油污，對每塊試樣進行稱量。浸泡結束后，用50%鹽酸+3%六次甲基四胺緩蝕劑混合液清除試樣表面腐蝕產(chǎn)物，干燥，再對試樣進行稱量，根據(jù)試樣腐蝕前后質量差計算腐蝕速率，結果取3個試樣的平均值。

清除試樣表面腐蝕產(chǎn)物后，用數(shù)碼相機記錄試樣表面的宏觀形貌，并利用Bruker Contour GT-X3表面形貌儀觀察表面3D形貌，測量試樣表面粗糙度。將腐蝕后試樣取橫截面，用電木粉對試樣進行封裝，保護試樣截面形貌，對封裝試樣進行磨制及機械拋光，通過金相顯微鏡觀察截面形貌。

采用極化曲線法和電化學阻抗譜法對不同試樣進行電化學測試。電化學測試采用標準的三電極系統(tǒng)：參比電極為飽和甘汞電極(SCE)；輔助電極為Pt片電極；工作電極為測試試樣，工作面積10 mm×10 mm。試驗介質為3.5% NaCl溶液，電化學測試在Gamry Reference 600電化學工作站進行。電化學阻抗譜測試時，頻率范圍為9 Hz～900 kHz，交流激勵信號幅值為10 mV，采用Zview軟件對結果進行擬合分析。極化曲線測試時，從陰極掃到陽極，掃描范圍為-0.1～0.2 V(相對開路電位)，掃描速率為1 mV/s。

2 結果與討論

2.1 金相組織

由圖1可見，1號試樣的組織為珠光體，晶界分布不明顯，僅能通過顏色分辨不同取向的珠光體團。2號試樣中少量先共析鐵素體沿原奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，但由于鐵素體含量較少，網(wǎng)狀鐵素體不連續(xù)。3號、4號試樣中，晶界鐵素體基本成網(wǎng)狀連續(xù)分布。試驗結果表明，隨著碳含量的減少，晶界網(wǎng)狀鐵素體含量增多。

2.2 腐蝕速率

由圖2可見：在試驗初期(0～14 d)，隨時間延長所有試樣的腐蝕速率均逐漸降低，30 d后腐蝕速率基本穩(wěn)定；隨C含量的增加，穩(wěn)態(tài)腐蝕速率增大，C質量分數(shù)為0.71%時，試樣的腐蝕速率比C質量分數(shù)為0.55%時的增大了約21%。珠光體中的鐵素體相和滲碳體相的電位差較大，易形成腐蝕微電池，珠光體會隨著微電池中鐵素體陽極相的溶解而腐蝕[10]。因此，鐵素體-珠光體鋼中珠光體往往優(yōu)先腐蝕，珠光體含量越高，腐蝕微電池越多，腐蝕速率越大[11]。

由圖3可見：在試驗初期(0～14 d)，隨時間延長所有試樣的腐蝕速率均逐漸降低，30 d后腐蝕速率基本穩(wěn)定；在其他成分基本相同的情況下，當Si質量分數(shù)由0.26%增加到0.93%時，穩(wěn)態(tài)腐蝕速率降低了約19%。由此可見，增加Si含量可降低穩(wěn)態(tài)腐蝕速率，這與文獻[12]的結論一致。 Nishimura[13]認為在內部銹層中出現(xiàn)的納米級富硅氧化物顆粒具有陽離子選擇性，它能在促進致密銹層形成的同時，阻礙氯離子的進入，從而提高鋼材的耐蝕性。

2.3 腐蝕形貌

2.3.1 腐蝕表面形貌

由圖4可見：腐蝕3 d后， 2號試樣(C和Si質量分數(shù)分別為0.63%和0.87%)局部出現(xiàn)點蝕；腐蝕7 d后，點蝕范圍增大，大部分表面出現(xiàn)點蝕；腐蝕14d后，試樣表面基本布滿點蝕坑，且點蝕坑的尺寸有所增大。其他試樣腐蝕表面形貌的變化規(guī)律與該試樣的基本相同。

(a) 1號

(b) 2號

(c) 3號

(d) 4號圖1 不同C、Si含量車輪鋼試樣的金相組織Fig. 1 Microstructure of wheel steel specimens with different C and Si contents

圖2 不同C含量試樣在3.5% NaCl溶液中腐蝕速率 隨時間的變化Fig. 2 Corrosion rate vs time for specimens with different C contents in 3.5%NaCl solution

圖3 不同Si含量試樣在3.5% NaCl溶液中腐蝕速率 隨時間的變化Fig. 3 Corrosion rate vs time for specimens with different Si contents in 3.5% NaCl solution

由圖5可見：腐蝕30 d后，試樣點蝕坑布滿整個4號試樣(C和Si質量分數(shù)分別為0.54%和0.26%)表面；腐蝕60 d后，表面腐蝕出現(xiàn)明顯不均勻性，局部的小點蝕坑合并為尺寸較大的腐蝕坑；腐蝕90 d后，表面腐蝕的不均性進一步增加，開始出現(xiàn)明顯的高低不平。其他試樣表面形貌的變化規(guī)律與4號試樣的基本相同。

由圖6可見：腐蝕7 d后，試樣表面平均粗糙度為6.2 μm，最大腐蝕坑深度約70 μm；腐蝕14 d后，試樣表面平均粗糙度為11.4 μm，最大腐蝕坑深度約150 μm；腐蝕30 d后，試樣表面平均粗糙度為26.1 μm，最大腐蝕坑深度約300 μm；腐蝕60 d后，試樣表面平均粗糙度為53.2 μm，試樣表面出現(xiàn)較大的腐蝕坑，腐蝕表面最大高度差約500 μm。

2.3.2 腐蝕截面形貌

由圖7可見:腐蝕3 d后，試樣表面的點蝕還不明顯；腐蝕7 d后，試樣表面的點蝕逐漸明顯，但點蝕深度較淺；腐蝕14 d后，點蝕深度增加，最大約150 μm，與光學形貌儀測量結果基本相同；腐蝕30 d后，腐蝕坑深度及寬度進一步增加，腐蝕坑深度大部分在200 μm左右。腐蝕坑底部呈不規(guī)則形狀，有的腐蝕坑底部包含更小的蝕坑，與文獻[1]中引起車輪疲勞開裂的腐蝕坑具有相似的形貌，這說明利用實驗室周浸腐蝕試驗模擬車輪在自然環(huán)境中的腐蝕具有一定的可行性。點蝕導致的腐蝕坑破壞了車輪表面的完整性，使材料表面噴丸產(chǎn)生的殘余壓應力區(qū)遭到破壞[14]，同時在腐蝕坑底部產(chǎn)生應力集中，從而導致車輪產(chǎn)生早期疲勞開裂，危害車輪運行安全。

(a) 3 d (b) 7 d (c) 14 d圖4 在3.5% NaCl溶液中腐蝕不同時間后2號試樣的表面宏觀形貌Fig. 4 Macro morphology of the surface of specimen No. 2 corroded in 3.5% NaCl solution for different times

(a) 30 d (b) 60 d (c) 90 d圖5 在3.5% NaCl溶液中腐蝕不同時間后4號試樣的表面宏觀形貌Fig. 5 Macro morphology of the surface of specimen No. 4 corroded in 3.5% NaCl solution for different times

(a) 7 d (b) 14 d

(c) 30 d (d) 60 d圖6 在3.5% NaCl溶液中腐蝕不同時間后試樣表面3D形貌(單位：mm)Fig. 6 3D morphology of the surface of specimen corroded in 3.5% NaCl solution for different times (unit: mm)

(a) 3 d

(b) 7 d

(c) 14 d

2.4 電化學行為

由圖8(a)可見，Si含量高的3號試樣的自腐蝕電位高于Si含量低的4號試樣的，分別為-525 mV和-577 mV。金屬自腐蝕電位越高，腐蝕的傾向性越低，說明3號試樣的腐蝕傾向性較低。由圖8(b)可見，3號試樣的容抗弧直徑大于4號試樣的，這說明3號試樣的電荷轉移電阻略高于4號試樣的，使得腐蝕反應的速率較低。電化學試驗結果表明，腐蝕初期高Si含量車輪鋼的耐蝕性優(yōu)于低Si含量車輪鋼的，但對于長周期周浸腐蝕速率結果還需進一步考慮腐蝕產(chǎn)物及其電化學行為。

(a) 極化曲線

(b) 電化學阻抗譜圖8 Si含量不同的兩組試樣在3.5% NaCl溶液中的 極化曲線圖和電化學阻抗譜Fig. 8 Polarization curves (a) and EIS (b) of specimens with different Si contents in 3.5% NaCl solution

3 結論

(1) 腐蝕初期，隨著腐蝕時間的延長，車輪鋼的平均腐蝕速率逐漸下降，在30 d左右時達到穩(wěn)定，基本不再隨時間變化。隨著車輪鋼中C含量的增加及Si含量的降低，車輪鋼穩(wěn)態(tài)腐蝕速率增大。

(2) 腐蝕初期，車輪鋼中Si含量的提高使材料自腐蝕電位升高以及電荷轉移電阻增大，從而提高其耐蝕性。

(3) 周期浸泡3 d后，車輪鋼表面開始出現(xiàn)點蝕，隨著腐蝕時間的延長，點蝕坑數(shù)量和尺寸不斷增大，車輪鋼表面粗糙度增加；腐蝕60 d后，車輪鋼表面腐蝕坑開始連接，出現(xiàn)較大的腐蝕坑。點蝕坑的出現(xiàn)破壞了車輪鋼表面的完整性，會在蝕坑底部造成應力集中，危害車輪的運行安全。

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Effects of C and Si Content on Corrosion Behavior of Wheel Steel

WU Fei1, XIAO Feng2, JIANG Bo2, CUI Yin-hui2, REN Xue-chong1

(1. National Center for Materials Service Safety, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2. Ma′anshan Steel & Iron Co., Ltd., Ma′anshan 243000, China)

Corrosion behavior of wheel steel with different C and Si contents was investigated using alternate immersion test and electrochemical test in 3.5% (mass fraction) NaCl solution. The corrosion rate was calculated based on the weight loss measurement. The surface morphology and cross section of specimens corroded for different times were observed. The surface roughness and the size of corrosion pits on the surface of specimens corroded for different times were measured using optical metrology. The results show that the corrosion rate increased with the increase of C content and with the decrease of Si content. The free corrosion potential and charge transfer resistance increased with the increase of Si content, resulting in the improvement of corrosion resistance of wheel steel. Corrosion pits existed on the surface of specimens corroded for 3 days, and the surface roughness and the size of corrosion pits increased with the prolongation of corrosion time. Corrosion pits can destroy the integrity of wheel surface and make stress concentrate on the bottom of pits, which are harmful to the operation safety of the wheels.

wheel steel; alternate immersion test; corrosion; pitting; electrochemistry

10.11973/fsyfh-201702008

2015-10-01

國家自然科學基金(U1234207)； 國家高技術研究發(fā)展計劃(2015AA034302)

任學沖(1978-)，副研究員，博士，從事金屬材料服役性能研究，13426328515，renxchong@163.com

TG174

A

1005-748X(2017)02-0124-05