高耐候熱軋H型鋼耐候性能影響規(guī)律研究

彥井成,吳保橋, 張 建,程 鼎,潘紅波,汪 杰

(1.馬鋼股份公司技術(shù)中心 安徽馬鞍山 243000；2.安徽工業(yè)大學(xué)工程研究院 安徽馬鞍山 243002)

耐候鋼指的是耐大氣腐蝕鋼，其特點(diǎn)是在鋼中加入少量Cu、P、Cr、Ni等合金元素，使其在銹層與基體之間形成一層致密氧化物膜，減緩了銹蝕向內(nèi)部發(fā)展，從而大大提高了鋼材的耐大氣腐蝕能力。我國典型耐候鋼為09CuPTiRE 、09CuPCrNi 及在此基礎(chǔ)上開發(fā)的一些鋼種，強(qiáng)度級(jí)別多為295 MPa和345 MPa，近年開發(fā)的Q420NQR1、Q450NQR1耐候鋼，強(qiáng)度滿足要求，但耐候性能沒有提高。

隨著鐵路高速、重載技術(shù)的快速發(fā)展，為了延長車體使用壽命，對(duì)車輛制造用鋼的耐候性能的要求不斷提高，因此對(duì)更高耐候性能熱軋H型鋼提出了開發(fā)要求。為了正確評(píng)價(jià)合金元素與組織狀態(tài)對(duì)高耐候熱軋結(jié)構(gòu)鋼耐候性能的影響規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)室采用電化學(xué)方法對(duì)不同材料的腐蝕熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行檢測，對(duì)不同材料耐NaHSO3的腐蝕機(jī)理進(jìn)行分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為熱軋H型鋼，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 熱軋H型鋼化學(xué)成分/(Wt：%)

試驗(yàn)用材料經(jīng)線切割加工為10×10×4 mm小試樣。

動(dòng)電位極化曲線采用經(jīng)典三電極體系，試驗(yàn)溶液為0.01 mol/L的NaHSO3溶液；試驗(yàn)用材料為工作電極，Pt電極為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，極化曲線測試前首先測試試樣的開路電位，以使電極表面穩(wěn)定，電極表面穩(wěn)定后以1.667 mv/s的掃描速率進(jìn)行動(dòng)電位極化實(shí)驗(yàn)(在室溫下進(jìn)行)。

對(duì)不同浸泡時(shí)間的試樣進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜測量，電化學(xué)阻抗也采用經(jīng)典三電極體系，測試溶液為0.01 mol/L的NaHSO3溶液，電化學(xué)阻抗的測試頻率為100 KHz-10 MHz，施加的正弦波幅值為5 mv，利用ZView軟件對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行等效電路擬合。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 極化曲線的結(jié)果

圖1為電化學(xué)試驗(yàn)的金相組織照片，由圖1可看出，1號(hào)試驗(yàn)鋼為鐵素體+貝氏體，鐵素體晶粒較粗大；2號(hào)試驗(yàn)鋼為鐵素體+珠光體+貝氏體+島狀馬氏體復(fù)合組織，晶粒尺寸較粗大；3號(hào)試驗(yàn)鋼為鐵素體+貝氏體組織；4號(hào)試驗(yàn)鋼為細(xì)小的鐵素體+粒狀珠光體組織；5號(hào)試驗(yàn)鋼為鐵素體+珠光體組織。

圖1 電化學(xué)試驗(yàn)金相照片

2.2 試驗(yàn)鋼的動(dòng)電位極化曲線

隨著腐蝕時(shí)間的延長，5種鋼的極化曲線腐蝕電流隨著腐蝕電壓的增加而增加，最終趨于穩(wěn)定，除4號(hào)試驗(yàn)鋼有微弱鈍化之外，其余4種試驗(yàn)鋼沒有出現(xiàn)明顯的極化特征，說明五種鋼在NaHSO3溶液中都呈現(xiàn)活性溶解狀態(tài)，在腐蝕過程中受陽極電荷轉(zhuǎn)移受控制；而4號(hào)試驗(yàn)鋼出現(xiàn)微弱鈍化主要是其晶粒細(xì)小，Cr含量高，在開始階段4號(hào)試驗(yàn)鋼在晶界處先腐蝕，由于晶粒細(xì)小，腐蝕相對(duì)均勻，當(dāng)腐蝕到一定程度時(shí)，表面形成一層致密的銹層起到一定的保護(hù)作用，阻礙電子運(yùn)動(dòng)，因此出現(xiàn)一個(gè)微弱鈍化現(xiàn)象；隨著電壓進(jìn)一步加大，表面銹層被擊破，又開始出現(xiàn)腐蝕。

從圖2可看出，5種試驗(yàn)鋼的自腐蝕電位分別為：1號(hào)：-0.624V；2號(hào)：-0.624V；3號(hào)：-0.706V；4號(hào)：-0.73V；5號(hào)：-0.747V。即1號(hào)與2號(hào)試驗(yàn)鋼的腐蝕傾向性最小，5號(hào)的腐蝕傾向性最大。這主要與試驗(yàn)鋼的成分與組織有關(guān)，當(dāng)鋼中珠光體含量與鐵素體含量相當(dāng)以及晶粒較細(xì)時(shí)，試驗(yàn)鋼更容易發(fā)生腐蝕，結(jié)合圖1試驗(yàn)鋼的金相組織照片可看出，5號(hào)試驗(yàn)鋼的組織為鐵素體+珠光體，珠光體含量較多，因此很容易發(fā)生腐蝕；而4號(hào)試驗(yàn)鋼晶粒細(xì)小，在晶界以及細(xì)小碳化物處容易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象；而1號(hào)試驗(yàn)鋼組織為粗大的鐵素體與貝氏體組織，其形成腐蝕原電池的傾向性最小，因此其腐蝕傾向性最小。

圖2 試驗(yàn)鋼在0.01mol/L的NaHSO3溶液中的動(dòng)電位極化曲線

2.3.2 腐蝕后期

3號(hào)、1號(hào)和4號(hào)試驗(yàn)鋼耐腐蝕性較好，試樣表面的銹層均已達(dá)一定厚度，并且銹層之間的孔隙也基本已填充，由阻抗譜可看出，Cr含量高的此時(shí)阻抗譜較大，這是因?yàn)榇藭r(shí)銹層均有一定厚度，Cr含量高，Cr在銹層與銹層孔隙處富集，增加銹層的致密性，阻礙電子的運(yùn)動(dòng)，從而增大其阻抗譜可形成穩(wěn)定的腐蝕銹層。

圖3 腐蝕前期

圖4 腐蝕后期

3 小結(jié)

通過電化學(xué)方法對(duì)5種不同材料的腐蝕熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行檢測分析，得出以下結(jié)論：

圖7 腐蝕速率

試驗(yàn)鋼初期腐蝕傾向性主要由其組織結(jié)構(gòu)所決定，也即晶粒粗大、碳化物含量越少的組織結(jié)構(gòu)，對(duì)初期的耐蝕性越好。

隨著浸泡時(shí)間的延長，Cr含量較高的試驗(yàn)鋼的阻抗值整體上呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，而Cr含量較低與無Cr的試驗(yàn)鋼的阻抗值變化無明顯規(guī)律，說明隨著Cr含量的增加與浸泡時(shí)間的延長，其銹層的致密性與穩(wěn)定性逐漸增大。

從不同合金試驗(yàn)鋼在同一浸泡周期下的阻抗譜得出，在浸泡初期，Cr含量高有利于耐蝕性的改善；隨著浸泡時(shí)間的延長，到浸泡中期時(shí)，其耐蝕性主要受銹層厚度與保護(hù)性的影響，因此此時(shí)無Cr試驗(yàn)鋼的耐蝕性稍優(yōu)于含Cr試驗(yàn)鋼；當(dāng)浸泡時(shí)間進(jìn)一步延長時(shí)，到浸泡后期，由于此時(shí)表面銹層已達(dá)到一定厚度，并且銹層穩(wěn)定性較好，因此此時(shí)高Cr試驗(yàn)鋼的耐蝕性優(yōu)于低Cr、無Cr試驗(yàn)鋼的耐蝕性。