U68CuCr耐蝕鋼軌抗腐蝕性能研究

朱 敏 李 闖 金 明 趙國(guó)知 袁 清 劉 剛

(1.寶鋼股份中央研究院(青山) 湖北 武漢： 430081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所 北京：100081；3.中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司 廣東 廣州：510088；4.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北 武漢：430081；5.武漢鋼鐵有限公司 湖北 武漢：430081)

獅子洋隧道是廣深港高速鐵路的一部分，位于廣州南沙區(qū)與東莞虎門(mén)之間，全長(zhǎng)10.8公里，該區(qū)段運(yùn)行動(dòng)車(chē)組，最高時(shí)速350km/h，目前使用的是常規(guī)U71MnG鋼軌[1-3]。該隧道靠近南海，存在海水滲漏現(xiàn)象，常年處于濕熱狀態(tài)，隧道環(huán)境中含有Cl-，鋼軌常年處于腐蝕和磨損環(huán)境中。腐蝕和磨損現(xiàn)象廣泛存在于石油、化工、煤礦、電力、冶金等工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)備中，是造成材料損失和設(shè)備失效的主要原因之一。金屬產(chǎn)品受到腐蝕后，金屬每腐蝕1% (wt%)，其強(qiáng)度下降大約10%，當(dāng)雙面腐蝕達(dá)到5%，會(huì)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全可靠性，甚至危及人的生命安全[4-6]。由于腐蝕和磨損問(wèn)題對(duì)鐵路運(yùn)輸設(shè)施造成損失，運(yùn)行成本增加，同時(shí)造成鐵路運(yùn)行安全隱患[7-9]，為此鋼軌生產(chǎn)和使用部門(mén)亟需開(kāi)發(fā)出新型耐蝕鋼軌，開(kāi)展耐腐蝕鋼軌相關(guān)研究，盡快在腐蝕環(huán)境中采用耐蝕軌，減少鋼軌的腐蝕，保證鐵路的運(yùn)行安全。

寶鋼股份武漢鋼鐵有限公司研發(fā)出新型耐腐蝕鋼軌U68CuCr，為了保障列車(chē)運(yùn)行安全性，有必要對(duì)耐蝕鋼軌U68CuCr進(jìn)行抗腐蝕性能研究，明確耐腐蝕鋼軌在獅子洋隧道環(huán)境下的腐蝕規(guī)律和腐蝕行為，為新型耐腐蝕鋼軌維護(hù)和更換提供依據(jù)，確保高鐵線(xiàn)路獅子洋隧道服役安全性。本文對(duì)常規(guī)U71MnG鋼軌和新型耐蝕鋼軌U68CuCr進(jìn)行了鹽霧實(shí)驗(yàn)和電化學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，為新型耐蝕鋼軌U68CuCr在腐蝕環(huán)境下的應(yīng)用和服役安全性提供了參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料分別為武鋼生產(chǎn)的U71MnG鋼軌和U68CuCr耐蝕軌。鹽霧實(shí)驗(yàn)試樣尺寸為10mm×10mm×5mm，鹽霧實(shí)驗(yàn)依據(jù)GB/T 10125《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)——鹽霧試驗(yàn)》進(jìn)行，按照實(shí)際測(cè)量的廣深港高鐵獅子洋隧道滲水中的Cl-含量為2.5%設(shè)定鹽霧溶液濃度，具體實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 鹽霧實(shí)驗(yàn)方案

將經(jīng)過(guò)鹽霧實(shí)驗(yàn)后的試樣用環(huán)氧樹(shù)脂包封后制成工作電極，電極面積為100mm2，用蒸餾水清洗表面，冷風(fēng)吹干，進(jìn)行電化學(xué)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備為德國(guó)Zahner電化學(xué)工作站，恒溫水浴溫度為25℃，測(cè)試開(kāi)路電位時(shí)間為30分鐘，當(dāng)開(kāi)路電位穩(wěn)定后，在該電位下測(cè)試電化學(xué)阻抗譜，交流電流幅值為10mV，初始頻率為100000Hz，終止頻率為0.01Hz。在相對(duì)開(kāi)路電位(-0.3～+0.3)V的范圍內(nèi)測(cè)試動(dòng)態(tài)極化電位曲線(xiàn)，電位掃描速率為0.5mV/s。根據(jù)測(cè)得的開(kāi)路電位、動(dòng)電位極化曲線(xiàn)和交流阻抗譜，分析和對(duì)比U71MnG鋼軌和U68CuCr耐蝕鋼軌抗腐蝕性能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 極化曲線(xiàn)

圖1為U71MnG鋼軌與U68CuCr耐蝕鋼軌試樣分別經(jīng)過(guò)鹽霧實(shí)驗(yàn)腐蝕0h、24h、144h和360h后的極化曲線(xiàn)。根據(jù)U71MnG鋼軌與U68CuCr耐蝕鋼軌在不同腐蝕周期下的動(dòng)電位極化曲線(xiàn)可以看出，兩個(gè)鋼種經(jīng)過(guò)腐蝕后，對(duì)應(yīng)極化曲線(xiàn)陰極部分沒(méi)有表現(xiàn)出明顯變化，說(shuō)明隨著腐蝕的進(jìn)行，樣品電極表面積累的銹層對(duì)于陰極反應(yīng)過(guò)程影響不大。陽(yáng)極部分出現(xiàn)較明顯的差別，說(shuō)明腐蝕產(chǎn)物的堆積影響了鋼種陽(yáng)極腐蝕過(guò)程。U68CuCr耐蝕鋼軌在未腐蝕條件下存在陽(yáng)極鈍化現(xiàn)象，U71MnG鋼軌無(wú)陽(yáng)極鈍化現(xiàn)象，這是由于U68CuCr耐蝕鋼軌中含有鈍化性很強(qiáng)的金屬元素Cr，提高了材料的鈍化性能，說(shuō)明耐腐蝕軌基體材料具有更好的抗腐蝕性。另外，兩個(gè)鋼種試樣經(jīng)相同條件24h鹽霧腐蝕后，極化曲線(xiàn)陽(yáng)極均產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象，說(shuō)明在經(jīng)過(guò)腐蝕后，樣品表面均產(chǎn)生了銹層，阻礙了腐蝕過(guò)程，因此表現(xiàn)出陽(yáng)極鈍化現(xiàn)象。

圖1 U71MnG鋼軌與U68CuCr耐蝕鋼軌腐蝕不同時(shí)間后的極化曲線(xiàn)

自腐蝕電位和自腐蝕電流是重要的腐蝕電化學(xué)參數(shù)，能夠在一定程度上反映出材料的腐蝕傾向和規(guī)律。經(jīng)Tafel擬合后[10]，可得到U71MnG鋼軌與U68CuCr耐蝕鋼軌在腐蝕不同時(shí)間后的自腐蝕電位和自腐蝕電流(見(jiàn)表2)。由表2中可以看出，U68CuCr鋼軌自腐蝕電位始終小于U71MnG鋼軌，未經(jīng)腐蝕試樣差異較大，說(shuō)明U68CuCr耐蝕鋼軌基體材料具有更好的抗腐蝕性能。經(jīng)過(guò)鹽霧腐蝕后的試樣，兩種鋼軌試樣表面均產(chǎn)生了銹層，隔絕了大部分腐蝕液，對(duì)內(nèi)部基體起到了保護(hù)作用，自腐蝕電位趨于平穩(wěn)，兩者之間的自腐蝕電位差異變小。因此，極化曲線(xiàn)和自腐蝕電位均證明U68CuCr耐蝕鋼軌耐蝕性能優(yōu)于U71MnG鋼軌。從兩個(gè)鋼軌試樣的自腐蝕電流可以看出，U68CuCr鋼軌自腐蝕電流始終小于U71MnG鋼軌，而且U68CuCr鋼軌自腐蝕電流變化較小，在(0.4～4.5)×10-5A/m2之間變化，而U71MnG鋼軌自腐蝕電流在(0.4～9.5)×10-5A/m2之間變化。兩種鋼軌的自腐蝕電流表明U71MnG鋼軌腐蝕速度約是U68CuCr耐蝕鋼軌的3.5倍。

表2 鋼軌的自腐蝕電流和自腐蝕電位

2.2 交流阻抗譜

圖2為U71MnG鋼軌與U68CuCr耐蝕鋼軌試樣分別經(jīng)過(guò)鹽霧實(shí)驗(yàn)腐蝕0h、24h、144h和360h后的交流阻抗譜?？梢钥闯觯涣髯杩棺V由一個(gè)高頻容抗弧組成。隨著腐蝕時(shí)間的增加，容抗弧向下壓扁，這是因?yàn)殡姌O表面產(chǎn)生銹層導(dǎo)致表面粗糙，電極/電解液界面性質(zhì)不穩(wěn)定，產(chǎn)生了彌散效應(yīng)。容抗弧半徑代表了銹層對(duì)電荷傳輸?shù)淖璧K能力，即銹層電阻，表征了表面銹層對(duì)基體的保護(hù)能力，通過(guò)比較奈奎斯特圖中容抗弧半徑可以看出，兩個(gè)鋼軌試樣銹層電阻都是逐漸減小，即抗腐蝕性能減弱。但是，U68CuCr耐蝕鋼軌樣品容抗弧半徑大于U71MnG鋼軌試樣，說(shuō)明U68CuCr耐蝕鋼軌銹層對(duì)基體的保護(hù)作用優(yōu)于U71MnG鋼軌。

圖2 U71MnG鋼軌與U68CuCr耐蝕鋼軌腐蝕不同時(shí)間后的奈奎斯特圖

3 結(jié)論

采用德國(guó)Zahner 電化學(xué)工作站對(duì)相同腐蝕條件下腐蝕后的U68CuCr耐蝕鋼軌與U71MnG鋼軌試樣進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，繪制得到動(dòng)電位極化曲線(xiàn)和交流阻抗譜，得到如下結(jié)論：

(1)U68CuCr耐蝕鋼軌在未腐蝕條件下存在陽(yáng)極鈍化現(xiàn)象，U71MnG鋼軌無(wú)陽(yáng)極鈍化現(xiàn)象，說(shuō)明U68CuCr耐蝕鋼軌基體材料耐蝕性能優(yōu)于U71MnG鋼軌。

(2)隨著腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)，兩個(gè)鋼軌試樣銹層電阻都是逐漸減小，即抗腐蝕性能減弱。但是U68CuCr耐蝕鋼軌樣品容抗弧半徑大于U71MnG鋼軌試樣，說(shuō)明U68CuCr耐蝕鋼軌銹層對(duì)基體的保護(hù)作用優(yōu)于U71MnG鋼軌。

(3)兩個(gè)鋼軌的自腐蝕電流表明U71MnG鋼軌腐蝕速度約是U68CuCr耐蝕鋼軌的3.5倍。