Q500E鋼的耐蝕性能研究

陳鵬生

（咸陽(yáng)師范學(xué)院，咸陽(yáng) 712000）

引言

Q500E鋼屬于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，由于具有強(qiáng)度高、塑性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于電工電子、汽車(chē)、球類(lèi)器械等民用鋼材領(lǐng)域。隨著近年來(lái)體育器械的快速發(fā)展，Q500E鋼在籃球架用鋼領(lǐng)域也逐漸占據(jù)一定市場(chǎng)份額，然而復(fù)雜使用環(huán)境下的籃球架用鋼除需要滿足較高強(qiáng)度、塑性、低溫韌性和疲勞性能外，耐腐蝕也是衡量籃球架用鋼質(zhì)量的重要指標(biāo)[1,2]。雖然我國(guó)近十年來(lái)在籃球架用鋼的研究和開(kāi)發(fā)上取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但是仍然存在研發(fā)與應(yīng)用明顯滯后于美日歐，多元合金成分、軋制工藝等與綜合性能之間的內(nèi)在關(guān)系的基礎(chǔ)研究薄弱等問(wèn)題[3]，為了提升籃球架用鋼的耐蝕性能等，目前的研究主要集中在碳含量控制、合金化技術(shù)（添加Cu、Cr、Ni和Nb等）和殘余元素（P、S等）控制上，而對(duì)于微觀組織對(duì)籃球架用鋼耐蝕性能的影響方面的報(bào)道較少，具體的作用機(jī)理也不清楚[4]。本文在調(diào)研國(guó)內(nèi)外籃球架用鋼開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的基礎(chǔ)上，選取添加了微粒Cu、Cr和Ni等元素的高強(qiáng)Q500E鋼為研究對(duì)象，考察了不同顯微組織的籃球架用鋼的耐蝕性能差異并分析了具體作用機(jī)理，以期為高性能籃球架用鋼的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為寶鋼分公司熱軋廠制備的厚度32 mm的Q500E籃球架用鋼，采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測(cè)得主要元素化學(xué)成分如表1。

表1 Q500E籃球架用鋼的化學(xué)成分（w,%）

原始Q500E籃球架用鋼板加工成圓棒試樣（Ф14 mm×72 mm），在Gleeble 3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行3種不同的熱處理：①工藝A：8 ℃/s加熱至910 ℃，保溫10 min后水冷至室溫；②工藝B：8 ℃/s加熱至760 ℃，保溫10 min后空冷至室溫；③工藝C：8 ℃/s加熱至660 ℃，保溫10 min后空冷至室溫。

沿同一方向切割塊狀金相試樣，打磨、拋光和4 %硝酸酒精溶液腐蝕后，置于Olymplus IX83型金相顯微鏡上觀察；將Q500E籃球架用鋼試樣加工成10 mm× 10 mm×2 mm塊狀試樣，采用銅導(dǎo)線焊接后用環(huán)氧樹(shù)脂封裝后制備成工作電極，飽和甘汞作為參比電極、鉑片作為輔助電極，工作電極試樣經(jīng)過(guò)機(jī)械打磨和拋光后，參照GB/T 24196-2009《金屬和合金的腐蝕 電化學(xué)試驗(yàn)方法》 ，在CHI 660A電化學(xué)工作站中進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試：①在用NaOH調(diào)節(jié)pH=7的0.01M 亞硫酸鈉溶液中進(jìn)行連續(xù)極化電阻測(cè)試，溫度為室溫，周期為14天；②在用NaOH調(diào)節(jié)pH=7的0.01M 亞硫酸鈉溶液中進(jìn)行動(dòng)電位極化曲線測(cè)試。截取40 mm×50 mm×2 mm塊狀試樣，清洗、除油和干燥后稱(chēng)重（W0），并在pH=7的0.01M 亞硫酸鈉溶液中進(jìn)行全浸腐蝕試驗(yàn)，溫度保持在25 ℃、時(shí)間為35 天，每7天更換一次溶液，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后采用1 L濃度37 %鹽酸+4 g六次甲基四胺緩蝕液對(duì)腐蝕試樣進(jìn)行除銹，清洗和吹干后稱(chēng)重（W1），然后計(jì)算腐蝕速率。采用帕納科Empyrean銳影智能X射線衍射儀對(duì)物相進(jìn)行物相；采用 ZEISS LSM700型激光共聚焦顯微鏡觀察腐蝕后的表面形貌并采用三維重構(gòu)圖統(tǒng)計(jì)50個(gè)視場(chǎng)的坑蝕數(shù)量、深度和寬度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1 為不同熱處理態(tài)籃球架用鋼的光學(xué)顯微組織。原始Q500E籃球架用鋼的光學(xué)顯微組織為多邊形鐵素體+粒狀貝氏體以及少量M/A島組織，簡(jiǎn)寫(xiě)為QPF+GBF+M/A；經(jīng)過(guò)工藝A熱處理后，Q500籃球架用鋼的光學(xué)顯微組織為灰色貝氏體，簡(jiǎn)寫(xiě)為B；經(jīng)過(guò)工藝B熱處理后，Q500籃球架用鋼的光學(xué)顯微組織為白色鐵素體+黑色珠光體，簡(jiǎn)寫(xiě)為F+P；經(jīng)過(guò)工藝C熱處理后，Q500籃球架用鋼的光學(xué)顯微組織為馬氏體+鐵素體，簡(jiǎn)寫(xiě)為F+M。

圖1 Q500E籃球架用鋼的光學(xué)顯微組織

圖2為四種不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼的極化電阻曲線。在0~1 d范圍內(nèi)，不同顯微組織的籃球架用鋼的極化電阻都出現(xiàn)明顯下降，這主要是因?yàn)殚_(kāi)始階段試樣表面保護(hù)膜發(fā)生了破裂所致；隨著腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)至3 d，試樣表面開(kāi)始形成腐蝕產(chǎn)物層，且保護(hù)膜層也逐漸發(fā)生自我修復(fù)，4種籃球架用鋼的極化電阻都出現(xiàn)急速增大；繼續(xù)延長(zhǎng)腐蝕時(shí)間，腐蝕產(chǎn)物層的逐漸增厚，對(duì)籃球架用鋼基體的保護(hù)作用增強(qiáng)，極化電阻隨著腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)而呈緩慢增加趨勢(shì)。對(duì)比分析可見(jiàn)，貝氏體組織的籃球架用鋼在1~3 d時(shí)的極化電阻相對(duì)其它組織的籃球架用鋼要增加更快，其次為QPF+GBF+M/A和F+P，而F+M組織的籃球架用鋼的極化電阻增加速度最快，這主要與籃球架用鋼表面的保護(hù)膜自我修復(fù)功能有關(guān)，即貝氏體鋼的保護(hù)膜自我修復(fù)功能最強(qiáng)[5]。在腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)至4 d及以上時(shí)，相同腐蝕時(shí)間下極化電阻從大至小的順序?yàn)锽>QPF+GBF+M/A>F+P>F+M，根據(jù)極化電阻和材料耐腐蝕性能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知[6]，極化電阻越大則材料耐蝕性能愈好，可見(jiàn)，四種不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼中貝氏體組織籃球架用鋼的耐蝕性能最好。

圖2 四種不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼的極化電阻曲線

圖3為四種不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼的動(dòng)電位極化曲線，表2中列出了極化曲線擬合得到的βa值?？梢?jiàn)，4種籃球架用鋼的腐蝕電位較為相近，基本都介于（-550~-600）V之間，但是相對(duì)而言，不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼的腐蝕電位略有差異，其中，組織為B的籃球架用鋼的腐蝕電位最正，其次為QPF+GBF+M/A和F+P，而F+M組織的籃球架用鋼的腐蝕電位最負(fù)。腐蝕電位是熱力學(xué)參數(shù)，可以表征材料的腐蝕傾向，腐蝕電位越正則材料的腐蝕傾向越小[7]。從βa值擬合結(jié)果來(lái)看，βa值從大至小順序?yàn)椋築>QPF+GBF+ M/A>F+P>F+M，而βa值是表征材料耐蝕性能好壞的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，反映材料阻礙陽(yáng)極反應(yīng)的能力，βa值越大則表明材料表面活化能越低，材料耐蝕性能越好[8]，可見(jiàn)極化曲線測(cè)試結(jié)果與極化電阻結(jié)果較好吻合。

圖3 四種不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼的動(dòng)電位極化曲線

表2 四種不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼的βa值

圖4為四種不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼全浸腐蝕試驗(yàn)后的腐蝕失重-時(shí)間和失重速率-時(shí)間曲線。可見(jiàn)，隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼的腐蝕失重都呈現(xiàn)逐漸升高、腐蝕失重速率呈現(xiàn)逐漸減小特征。相同腐蝕時(shí)間內(nèi)，腐蝕失重從高至低順序?yàn)镕+M>F+P>QPF+GBF+M>B，腐蝕失重速率從高至低順序?yàn)椋篎+M>F+P>QPF+GBF+M>B。此外，在前20天范圍內(nèi)，材料的腐蝕速率下降較快而后趨于穩(wěn)定，這主要是因?yàn)殚_(kāi)始階段腐蝕產(chǎn)物層較薄，表明還沒(méi)有形成致密銹層[9]，而隨著腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)至20天以上時(shí)，籃球架用鋼表面銹層增厚且致密性增加，能夠較好的抑制基體與腐蝕介質(zhì)的相互作用[10]，因此腐蝕速率較小且較為平穩(wěn)。

圖4 四種不同顯微組織的腐蝕失重-時(shí)間和失重速率-時(shí)間曲線

圖5 為四種不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼全浸腐蝕35天后表面腐蝕特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從坑蝕數(shù)量-時(shí)間曲線看，隨著腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)，四種不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼的表面坑蝕數(shù)量逐漸增多，但是B和QPF+GBF+M組織籃球架用鋼的腐蝕坑增長(zhǎng)數(shù)量較慢，且單位面積坑蝕數(shù)量明顯小于F+P和F+M組織籃球架用鋼，相同腐蝕時(shí)間內(nèi)的B組織籃球架用鋼坑蝕數(shù)量最少，如在浸泡時(shí)間為7天時(shí)，F(xiàn)+M、F+P、QPF+GBF+M和B組織籃球架用鋼的坑蝕數(shù)量分別為56、46、26和22個(gè)。從坑蝕寬度-時(shí)間曲線看，坑蝕寬度（平均寬度）隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與坑蝕數(shù)量相同，即坑蝕寬度會(huì)隨著腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)而增加，而相同腐蝕時(shí)間內(nèi)的B組織籃球架用鋼坑蝕寬度最小。從坑蝕深度-時(shí)間曲線看，坑蝕深度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與坑蝕數(shù)量和寬度一致。隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，四種不同顯微組織的籃球架用鋼的腐蝕寬度和腐蝕深度逐漸增加，但是相對(duì)而言，腐蝕后期的腐蝕深度增加速度變快，這說(shuō)明籃球架用鋼的局部腐蝕越來(lái)越明顯[11]。此外，四種不同顯微組織的籃球架用鋼的深度差異性相較于數(shù)量較小，這表明籃球架用鋼表面坑蝕深度是獨(dú)立發(fā)展的[12,13]。

圖5 四種不同顯微組織的籃球架用鋼的表面腐蝕特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖6為四種不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼全浸腐蝕35天后表面銹層的X射線衍射分析結(jié)果。對(duì)比分析可知，顯微組織不同的籃球架用鋼的腐蝕產(chǎn)物類(lèi)型相同，即都主要為α-FeOOH、γ-FeOOH和Fe3O4，但是不同物相的衍射峰強(qiáng)度存在一定差異。其中，α-FeOOH和Fe3O4的衍射峰強(qiáng)度變化較小，而γ-FeOOH衍射峰強(qiáng)度變化較大，且從特征峰的強(qiáng)弱程度判斷[13]，γ-FeOOH含量從高至低順序?yàn)椋篎+M>F+P>QPF+GBF+M>B，因此，反映在α/γ*比值上（α表征α-FeOOH含量，γ*表征γ-FeOOH和Fe3O4含量）則表現(xiàn)為α/γ值最大的為F+M組織的籃球架用鋼，而B(niǎo)組織籃球架用鋼的α/γ值最小，根據(jù)Kaminura等人[14]的研究成果可知，籃球架用鋼表面銹層中α/γ值越大則表示銹層越穩(wěn)定，可以對(duì)籃球架用鋼基體起到更好的保護(hù)作用，從這個(gè)角度出發(fā)，四種不同顯微組織的籃球架用鋼的耐腐蝕性能從高至低順序?yàn)椋築>QPF+GBF+M/A> F+P>F+M，這與前述的全浸腐蝕和電化學(xué)腐蝕測(cè)試結(jié)果相吻合。此外，四種不同顯微組織籃球架用鋼的表面銹層中都可檢測(cè)到Fe相，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)的銹層整體較薄，X射線穿透銹層進(jìn)入了基體所致。

圖6 四種不同顯微組織的籃球架用鋼的XRD圖譜

從上述的研究結(jié)果可知，在開(kāi)發(fā)高強(qiáng)耐候籃球架用鋼的過(guò)程中，除向合金中添加微合金化元素等手段外，進(jìn)一步通過(guò)組織調(diào)控獲得具有B或者QPF+GBF+M/A組織的籃球架用鋼是可行的有效方案。從組織特征來(lái)看，B組織籃球架用鋼具有較好的耐蝕性能，這主要是因?yàn)樨愂象w基體中有均勻彌散分布的滲碳體析出，基體中各晶粒之間的電位差較小，不易形成腐蝕微電池效應(yīng)[15]；QPF+GBF+M/A組織籃球架用鋼也具有相對(duì)較好的耐蝕性能，這主要是因?yàn)榛w組織基本都為成分相對(duì)均勻的鐵素體，而M/A島組織含量較少；F+P和F+M組織籃球架用鋼中鐵素體周?chē)须娢徊钕嗖钶^大的珠光體和馬氏體組織，容易形成原電池化學(xué)反應(yīng)，因此耐蝕性能相對(duì)較差。此外，組織差異較大的基體組織中的原電池作用強(qiáng)度也有所不同[16]，如F+M組織籃球架用鋼中作為陽(yáng)極的鐵素體會(huì)相較于作為陰極的馬氏體組織溶解更多，從而加速局部腐蝕反應(yīng)，而組織差異性較小的貝氏體組織中則主要以均勻腐蝕為主。

3 結(jié)論

1）原始Q500E籃球架用鋼的組織為多邊形鐵素體+粒狀貝氏體以及少量M/A島（QPF+GBF+M/A），工藝A、工藝B和工藝C熱處理的組織分別為貝氏體（B）、鐵素體+珠光體（F+P）和馬氏體+鐵素體（F+M）。

2）在腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)至4d及以上時(shí)，四種不同顯微組織的籃球架用鋼在相同腐蝕時(shí)間下極化電阻從大至小的順序?yàn)锽>QPF+GBF+M/A>F+P>F+M；四種不同顯微組織的籃球架用鋼的βa值從大至小順序?yàn)椋築>QPF+GBF+ M/A>F+P>F+M，腐蝕失重速率從高至低順序?yàn)椋篎+M>F+P>QPF+GBF+M>B。

3）全浸腐蝕35天后，B組織籃球架用鋼表面相對(duì)較為平整，除少量細(xì)小點(diǎn)蝕坑外，主要以均勻腐蝕為主；QPF+GBF+M組織籃球架用鋼表面坑蝕數(shù)量增多，但是坑蝕深度較淺；F+P和F+M組織籃球架用鋼表面坑蝕數(shù)量較多，表現(xiàn)為局部腐蝕特征?？游g深度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與坑蝕數(shù)量和寬度一致，即隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，四種不同顯微組織的籃球架用鋼的坑蝕數(shù)量、腐蝕寬度和腐蝕深度逐漸增加，但是籃球架用鋼表面坑蝕深度是獨(dú)立發(fā)展的。