高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架用鋼焊接接頭在模擬工業(yè)大氣環(huán)境中的腐蝕行為

王云龍 陳銀莉 余 偉 李義彤

（1.北京科技大學(xué)工程技術(shù)研究院，北京 100083；2.北京科技大學(xué)鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100083）

轉(zhuǎn)向架主要由構(gòu)架或側(cè)架、輪對(duì)、搖枕、彈簧裝置、軸箱裝置和制動(dòng)裝置等零部件構(gòu)成[1-2]。高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架用鋼不僅要具有一定的強(qiáng)度和較高的韌性，同時(shí)還應(yīng)具有良好的焊接性能、抗疲勞性能和耐腐蝕性能。目前轉(zhuǎn)向架構(gòu)架用鋼（如Q345系列和S355鋼）強(qiáng)度低、低溫韌性較差，且高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架鋼材多采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)[1]。

隨著高速列車(chē)的進(jìn)一步發(fā)展，勢(shì)必需要焊接性能、耐蝕性能、力學(xué)性能更好的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架材料[3]，因此自主設(shè)計(jì)耐蝕性和焊接性良好的耐候鋼，并尋找與之匹配的焊材具有非常重要的意義。焊接接頭（welding joint，WJ）的母材（base metal，BM）、熱影響區(qū)（heat affected zone，HAZ）和焊縫金屬（weld metal，WM）的成分、組織和性能都存在一定差異，并且存在較大的焊接殘余應(yīng)力[4-5]，導(dǎo)致各部分之間常常由于電化學(xué)不均一性而產(chǎn)生局部腐蝕。Zhu等[6]研究發(fā)現(xiàn)，3Cr低合金管線(xiàn)鋼焊接接頭各部分耦合后，焊縫的自腐蝕電位正于母材的自腐蝕電位，母材作為電偶對(duì)的陽(yáng)極，腐蝕加速。林鑫等[7]發(fā)現(xiàn)，海洋用鋼焊接件各個(gè)位置在海水中的開(kāi)路電位大小為焊縫＞母材＞熱影響區(qū)。Garcia 等[8]研究發(fā)現(xiàn)，304、316L 兩種奧氏體不銹鋼焊接接頭的熱影響區(qū)均是點(diǎn)蝕的最敏感區(qū)域。上述研究表明，焊接接頭各區(qū)域都有發(fā)生點(diǎn)蝕的風(fēng)險(xiǎn)，并且焊縫和熱影響區(qū)對(duì)點(diǎn)蝕的敏感性較母材高。

Pereda等[9]使用微型電解池研究了不銹鋼焊接接頭的點(diǎn)蝕行為，發(fā)現(xiàn)焊縫的點(diǎn)蝕電位最高，耐點(diǎn)蝕性能最好，而母材的點(diǎn)蝕電位最低，點(diǎn)蝕敏感性大。Garcia等[8]研究了奧氏體不銹鋼焊接接頭的晶間腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕敏感性與碳化鉻的析出程度有關(guān)，析出程度越高，晶間腐蝕敏感性越大。關(guān)于母材組織，板條馬氏體的晶間腐蝕敏感性最大，珠光體和奧氏體次之，鐵素體最小[10-11]。黃安國(guó)等[12]研究了多種工藝焊接接頭的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)針狀鐵素體腐蝕傾向較大，但其腐蝕速率很小。

前述研究主要集中在焊接接頭各區(qū)域的腐蝕行為，而關(guān)于焊接接頭銹層的形成過(guò)程及表面形貌和合金元素在銹層中的分布對(duì)接頭腐蝕行為的影響的研究較少。本文分別選用JM-55II及CHW-50C6兩種焊絲，對(duì)自主研發(fā)的高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架用S390耐候鋼進(jìn)行焊接試驗(yàn)，并對(duì)焊接件進(jìn)行焊后熱處理和周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)。研究了兩種耐候鋼焊接接頭在模擬工業(yè)大氣環(huán)境中的腐蝕行為，揭示了銹層表面孔洞對(duì)銹層中元素分布及銹層形成過(guò)程的影響機(jī)制，為高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架在工業(yè)大氣環(huán)境中的腐蝕防護(hù)和安全運(yùn)行提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為自主設(shè)計(jì)冶煉的S390耐候鋼板，厚度為12 mm，室溫屈服強(qiáng)度不低于390 MPa，各項(xiàng)力學(xué)性能及耐工業(yè)大氣腐蝕性能均優(yōu)于高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架用S355J2W鋼。試驗(yàn)分別選用符合TB/T 2374—2008《鐵道車(chē)輛用耐大氣腐蝕鋼及不銹鋼焊接材料》的JM-55II和符合GB/T 8110—2008《氣體保護(hù)電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》的CHW-50C6兩種焊絲，進(jìn)行S390耐候鋼的焊接試驗(yàn)。S390耐候鋼及JM-55II/CHW-50C6焊絲的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1和表2所示。

表1 S390耐候鋼及JM-55II/CHW-50C6焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical compositions of S390 weathering steel and JM-55II/CHW-50C6 welding wires （mass fraction） %

表2 S390耐候鋼及JM-55II/CHW-50C6焊絲的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of S390 weathering steel and JM-55II/CHW-50C6 welding wires

采用熔化極活性氣體保護(hù)焊（metal active gas arc welding，MAG）對(duì)S390耐候鋼進(jìn)行對(duì)接焊。焊接試樣尺寸為400 mm×40 mm×12 mm。根據(jù)母材的材質(zhì)和厚度，采用60°V型坡口，焊接順序如圖1所示。采用80% Ar＋20% CO2（體積分?jǐn)?shù)）的混合氣體作為焊接保護(hù)氣。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)和設(shè)備條件，焊接速度選擇為25 cm/min，以保證焊道質(zhì)量。

圖1 焊接順序示意圖Fig.1 Schematic diagram of welding sequence

為消除焊接殘余應(yīng)力，焊后需進(jìn)行去應(yīng)力退火。將焊件以不同速率從室溫分段緩慢加熱至590℃，保溫2 h后隨爐緩冷，300℃以下出爐空冷。

對(duì)退火后的兩種焊接接頭試樣進(jìn)行干/濕周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)。腐蝕掛片尺寸為60 mm×40 mm×2 mm。另加工尺寸為20 mm×10 mm×2 mm的試樣用于銹層斷面觀察，取樣位置如圖2中B所示。用SiC水砂紙將試樣逐級(jí)打磨至1 500號(hào)，拋光后用去離子水清洗，然后用無(wú)水乙醇超聲清洗，并用丙酮清洗除油，最后用冷風(fēng)吹干放入干燥器中備用。

圖2 取樣示意圖Fig.2 Schematic diagram of sampling

腐蝕試驗(yàn)采用初始濃度為（1.0±0.05）×10－2mol/L的NaHSO3溶液，補(bǔ)給液濃度為2.0×10－2mol/L，溶液初始pH值為3.45。試驗(yàn)溫度為（45±2）℃，相對(duì)濕度為（70±5）% 。一個(gè)循環(huán)周期為60 min，其中浸潤(rùn)時(shí)間為12 min，干燥時(shí)間為48 min，烘烤干燥后表面最高溫度為（70±10）℃。

為了減小試驗(yàn)誤差，每組測(cè)5個(gè)試樣計(jì)算腐蝕速率，3組干/濕周期腐蝕試驗(yàn)時(shí)間分別為72、120、168 h。試驗(yàn)結(jié)束后，用含有緩蝕劑的酸清洗試樣表面銹蝕產(chǎn)物，室溫超聲清洗3 min，酸洗溶液配比為500 mL 36.5% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的HCl＋500 mL去離子水＋3.5 g C6H12N4＋3 g C6H5N3。酸洗后用清水沖洗，然后用無(wú)水乙醇浸泡，再用丙酮浸泡，最后用熱風(fēng)吹干放在干燥器內(nèi)24 h，稱(chēng)取質(zhì)量（精確到1 mg）。

根據(jù)TB/T 2375—1993《鐵路用耐候鋼周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)方法》，腐蝕速率的計(jì)算公式為：

第三，醫(yī)療旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨周邊國(guó)家和地區(qū)的激烈競(jìng)爭(zhēng)。海南醫(yī)療旅游產(chǎn)業(yè)剛剛起步，而臨近的泰國(guó)、印度、新加坡以及我國(guó)臺(tái)灣等醫(yī)療旅游目的地經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)成為具有較高國(guó)際聲譽(yù)的醫(yī)療旅游目的地。

式中：W 為腐蝕速率，g/（m2·h）；G0為試樣原始質(zhì)量，g；G1為試樣腐蝕后質(zhì)量，g；a為試樣長(zhǎng)度，mm；b為試樣寬度，mm；c為試樣厚度，mm；t為試驗(yàn)時(shí)間，h。

將腐蝕產(chǎn)物研磨后過(guò)400目（37 μm）篩網(wǎng)，收集符合粒度要求的粉末，然后在D8 Advance型X射線(xiàn)衍射儀（X-ray diffractometer，XRD）上進(jìn)行物相分析。利用OLS4100型激光共聚焦顯微鏡和Qutanta FEG450型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)腐蝕產(chǎn)物及銹層斷面進(jìn)行觀察。

在兩種焊接接頭試樣上取尺寸為10 mm×10 mm×2 mm的電化學(xué)試樣，取樣位置如圖2中A所示。試樣背面用銅導(dǎo)線(xiàn)連接，測(cè)試面外其余表面用環(huán)氧樹(shù)脂密封。測(cè)試面用水砂紙打磨后進(jìn)行拋光，再用無(wú)水乙醇沖洗、冷風(fēng)吹干，干燥24 h后備用。

利用RST5000型電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)試驗(yàn)，采用飽和甘汞電極作為參比電極，鉑電極作為輔助電極。為了使試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，先測(cè)開(kāi)路電位，待開(kāi)路電位穩(wěn)定后，再測(cè)極化曲線(xiàn)，掃描速率為5 mV/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭顯微組織

圖3為采用不同焊絲焊接的S390耐候鋼焊接接頭退火后各區(qū)域的顯微組織。采用JM-55II焊絲焊接的鋼的焊縫組織主要為長(zhǎng)條狀和塊狀鐵素體，尺寸較均勻，并有少量珠光體，如圖3（a）所示；采用CHW-50C6焊絲焊接的鋼的焊縫組織主要是板條狀鐵素體和晶內(nèi)珠光體，鐵素體尺寸差異較大，如圖3（d）所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，JM-55II焊絲焊接接頭的焊縫組織更加均勻。圖3（b）和圖3（e）是兩種焊絲焊接接頭熱影響區(qū)退火后的組織，兩者差異不大，主要是細(xì)小均勻的鐵素體和少量珠光體。圖3（c）和圖3（f）為母材組織，由鐵素體和珠光體組成，分布較為均勻。

圖3 采用JM-55II和CHW-50C6焊絲焊接的S390耐候鋼焊接接頭的顯微組織Fig.3 Microstructures of S390 weathering steel joints welded by using JM-55II and CHW-50C6 welding wires

2.2 干/濕周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

圖4為兩種焊絲焊接接頭試樣分別經(jīng)72、120、168 h腐蝕后的宏觀形貌?？梢?jiàn)JM-55II焊絲焊接的焊縫表面較為平整，色澤較為均勻，如圖4（a，c，e）所示。CHW-50C6焊絲焊接的焊縫表面隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)出現(xiàn)了大面積脫落現(xiàn)象，如圖4（d）中箭頭所示，尤其是腐蝕168 h后，出現(xiàn)了大塊狀脫落，如圖4（f）中矩形框所示，且存在較多小鼓包。對(duì)比可以看出，JM-55II焊絲焊接的焊縫銹層的致密性及其與基體的結(jié)合性能更好，相比CHW-50C6焊絲焊接的焊縫銹層能更好地阻隔金屬基體與腐蝕介質(zhì)的接觸。

圖4 兩種焊絲焊接接頭腐蝕不同時(shí)間后的宏觀形貌Fig.4 Macrographs of joints welded by two kinds of welding wires after corrosion for different times

圖5 兩種焊絲焊接接頭腐蝕不同時(shí)間后銹層的截面形貌Fig.5 Micrographs of cross-sections of rust layer on joints welded by two kinds of welding wires after corrosion for different times

在銹層截面上中下3個(gè)位置分別以10 μm等距離各取20個(gè)點(diǎn)測(cè)量銹層厚度，按照升序繪制銹層厚度分布曲線(xiàn)，如圖6（a）所示?？梢钥闯觯g168 h后，JM-55II焊絲焊接接頭銹層的厚度均勻性明顯優(yōu)于CHW-50C6焊絲焊接接頭銹層。圖6（b）為兩種焊絲焊接接頭腐蝕不同時(shí)間后銹層的平均厚度。可以看出，JM-55II和CHW-50C6兩種焊絲焊接接頭銹層的厚度分別呈減小和增大的趨勢(shì)。結(jié)合銹層宏觀形貌可知（圖4），CHW-50C6焊絲焊接接頭銹層的腐蝕產(chǎn)物更容易脫落，因此其不同腐蝕周期的銹層相對(duì)較薄且不均勻。

圖6 兩種焊絲焊接接頭腐蝕不同時(shí)間后銹層厚度分布（a）及平均厚度（b）Fig.6 Thickness distributions（a）and average thickness（b）of rust layer on joints welded by two kinds of welding wires after corrosion for different times

兩種焊絲焊接接頭的單位面積質(zhì)量損失速率隨時(shí)間的變化情況如圖7所示?？梢钥闯觯琂M-55II焊絲焊接接頭在不同腐蝕周期的單位面積質(zhì)量損失速率均低于CHW-50C6焊絲焊接接頭。而且隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，JM-55II焊絲焊接接頭的單位面積質(zhì)量損失速率逐漸減小。整體上JM-55II焊絲焊接接頭的耐蝕性能更優(yōu)。

圖7 兩種焊絲焊接接頭的單位面積質(zhì)量損失速率隨時(shí)間的變化Fig.7 Variation of mass loss rate per unit area of joints welded by two kinds of welding wires with time

圖8是兩種焊絲焊接接頭在模擬工業(yè)大氣環(huán)境中周期浸潤(rùn)試驗(yàn)不同時(shí)間后腐蝕產(chǎn)物的XRD圖譜。可以看出，兩種焊絲焊接接頭的腐蝕產(chǎn)物中均有γ-FeOOH、β-FeOOH、α-FeOOH、Fe3O4和Fe2O3，且銹層的主要組成部分為α-FeOOH，其次為γ-FeOOH。隨著試驗(yàn)周期的延長(zhǎng)，銹層中α-FeOOH的比例提高。眾所周知，α-FeOOH在電化學(xué)和熱力學(xué)上均較為穩(wěn)定，是耐候鋼穩(wěn)定銹層的重要組成部分[13-15]。因此從產(chǎn)物組成來(lái)看，兩種焊絲焊接接頭銹層的保護(hù)性能均較優(yōu)異。

圖8 兩種焊絲焊接接頭腐蝕不同時(shí)間后腐蝕產(chǎn)物的XRD圖譜Fig.8 XRD patterns of corrosion products of joints welded by two kinds of welding wires after corrosion for different times

對(duì)除銹前試樣的腐蝕形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)兩種焊絲焊接接頭銹層表面均存在一定數(shù)量的孔洞，如圖9（a）中箭頭所示；銹層截面部分區(qū)域存在分層現(xiàn)象，如圖9（d）所示。圖9（b）為孔洞周?chē)植糠糯笮蚊?，出現(xiàn)了分層結(jié)構(gòu)（虛線(xiàn)標(biāo)記），形似“火山口”，推測(cè)該孔洞起到了物質(zhì)傳輸作用，并且隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，新形成的腐蝕產(chǎn)物在干濕周期交替條件下，不斷在孔洞周?chē)逊e，達(dá)到一定高度后滑落至底部，并且隨著時(shí)間的推移，腐蝕產(chǎn)物不斷在“火山口”堆積，孔洞逐漸減小，最后被新生成的腐蝕產(chǎn)物堵塞，如圖9（c）中虛線(xiàn)區(qū)域所示，為典型的γ-FeOOH片葉狀結(jié)構(gòu)。內(nèi)銹層的分層現(xiàn)象如圖9（d）中虛線(xiàn)區(qū)域和圖9（a）所示。此外，內(nèi)銹層也出現(xiàn)了一些裂紋，裂紋也為腐蝕性陰離子和氧氣等介質(zhì)提供傳輸通道[16]。

圖9 JM-55II焊絲焊接接頭腐蝕不同時(shí)間后銹層的微觀形貌Fig.9 Microstructures of rust layer on joint welded by JM-55II welding wire after corrosion for different times

圖10為JM-55II焊絲焊接接頭腐蝕168 h后銹層截面的元素面掃描結(jié)果?？梢钥闯觯珻r元素存在明顯的分層現(xiàn)象（如圖10（e）中箭頭所示）。Cu和Ni元素的分層現(xiàn)象不明顯，整體分布較為均勻。分析發(fā)現(xiàn)，Cr元素在外銹層也出現(xiàn)了富集現(xiàn)象，這與很多學(xué)者只在內(nèi)銹層發(fā)現(xiàn)Cr的富集不同[17-22]。在干/濕交替環(huán)境下，合金元素在電解液中溶解形成離子，并富集在孔洞周?chē)?，再到干燥條件下，腐蝕產(chǎn)物脫水附著在銹層表面，如此反復(fù)多個(gè)周期，形成合金元素的分層現(xiàn)象[21]。

圖10 JM-55II焊絲焊接接頭腐蝕168 h后銹層截面的元素面掃描結(jié)果Fig.10 Elemental mapping results of cross section of rust layer on joint welded by JM-55II welding wire after corrosion for 168 h

2.3 動(dòng)電位極化曲線(xiàn)

圖11為兩種焊絲焊縫在濃度為0.01 mol/L的NaHSO3溶液中腐蝕不同周期的動(dòng)電位極化曲線(xiàn)。根據(jù)Tafel曲線(xiàn)法擬合焊縫的自腐蝕電位（Ecorr）和自腐蝕電流密度（icorr），結(jié)果如表3所示。

圖11 兩種焊絲焊縫腐蝕不同周期的極化曲線(xiàn)Fig.11 Polarization curves of weld of joints welded by two kinds of welding wires after corrosion for different cycles

表3 兩種焊絲焊縫腐蝕不同周期的自腐蝕電位（Ecorr）和自腐蝕電流密度（icorr）Table 3 Self-corrosion potential（Ecorr）and selfcorrosion current density（icorr）of weld of joints welded by two kinds of welding wires after corrosion for different cycles

由圖11和表3可見(jiàn)，未經(jīng)腐蝕焊縫的自腐蝕電位（Ecorr）最負(fù)，隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，焊縫的自腐蝕電位向左上方移動(dòng)，說(shuō)明帶有致密銹層的試樣不易被腐蝕。對(duì)比可以看出，JM-55II焊絲焊縫的極化曲線(xiàn)位置偏向左上方，因此其在模擬工業(yè)大氣環(huán)境中的耐蝕性能更好。從表3可見(jiàn)，JM-55II焊絲焊縫在腐蝕168 h時(shí)的電極電位為－0.506 4 V，高于CHW-50C6焊絲焊縫的－0.523 5 V，因此前者銹層的保護(hù)性能更優(yōu)。從圖11（a）可以看出，JM-55II焊絲焊縫腐蝕72 h時(shí)的自腐蝕電位最高，說(shuō)明其耐蝕性最好，這與CHW-50C6焊絲焊縫的自腐蝕電位逐漸上移不同。原因是腐蝕120 h的銹層由于應(yīng)力作用出現(xiàn)少量脫落和再生長(zhǎng)[23]，因此腐蝕72 h的銹層耐蝕性更優(yōu)。

3 結(jié)論

（1）采用JM-55II和CHW-50C6焊絲焊接的S390耐候鋼板，前者焊接接頭的耐蝕性更優(yōu)，主要是由于JM-55II焊絲中Cu和Cr含量更高，其銹層的致密性及其與基體的結(jié)合性能更好。

（2）兩種焊絲焊接接頭銹層中均出現(xiàn)了一些孔洞和裂紋，這些孔洞和裂紋會(huì)成為侵蝕性陰離子和氧氣的傳輸通道，降低焊接接頭的耐蝕性。

（3）銹層表面孔洞是銹層中Cr、Cu元素分層偏聚的主要原因。