高鐵轉(zhuǎn)向架用S390耐候鋼在模擬工業(yè)大氣環(huán)境中的耐蝕性

王月影 ,王云龍 ,余 偉,2,3 ,李義彤 ,陳雨來

(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)高效軋制國(guó)家工程研究中心,北京 100083; 3.北京科技大學(xué)國(guó)家板帶先進(jìn)裝備工程技術(shù)研究中心,北京 100083)

高鐵轉(zhuǎn)向架作為列車承載和導(dǎo)向的主要部件,在服役過程中起到支撐車體和承受各種作用力的作用,是保證列車高速和安全運(yùn)行的關(guān)鍵部件[1-2]。近年來,由于我國(guó)列車不斷提速,鐵路運(yùn)行環(huán)境較復(fù)雜,對(duì)轉(zhuǎn)向架的強(qiáng)度及耐腐蝕性能的要求也越來越高[3-4]。隨著列車的不斷提速,轉(zhuǎn)向架各部件振動(dòng)逐漸加劇,高速列車轉(zhuǎn)向架應(yīng)該盡量減少懸掛中的磨耗件數(shù)量,以提高車輛的可靠性和使用壽命。因此,需要開發(fā)出具有更高強(qiáng)度、良好耐蝕性和焊接性能的耐候鋼[5-7]。

目前,我國(guó)轉(zhuǎn)向架用鋼主要有Q345 鋼、S355鋼和SMA490鋼[8]。高鐵轉(zhuǎn)向架材料主要選用歐洲標(biāo)準(zhǔn)的S355J2W 牌號(hào)和日本標(biāo)準(zhǔn)的SMA490BW牌號(hào),其特點(diǎn)是含碳量低、耐蝕性好和焊接性能好[9-11],但是其強(qiáng)度和低溫韌性無法滿足高寒環(huán)境中使用要求[3,12]。

我國(guó)高鐵運(yùn)行環(huán)境主要包括高寒、高濕熱、工業(yè)大氣和濱海大氣等復(fù)雜環(huán)境,對(duì)耐蝕性、強(qiáng)度和低溫韌性有更嚴(yán)格的要求。有研究發(fā)現(xiàn),在鋼中加入鉻、鎳、銅和磷等元素可使基體表面生成保護(hù)性銹層,這對(duì)鋼基體起到了較好的保護(hù)作用,從而提高鋼的耐蝕性[13-14]。

金屬大氣腐蝕過程緩慢,腐蝕周期長(zhǎng),通常采用室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)?zāi)M金屬大氣腐蝕行為。張琳等[15]模擬了工業(yè)大氣環(huán)境中Q235鋼和耐候鋼的腐蝕行為,結(jié)果表明耐候鋼的腐蝕速率小于Q235鋼的。劉建容等[16]通過自然環(huán)境中的大氣暴露腐蝕試驗(yàn)與室內(nèi)周期浸潤(rùn)加速腐蝕試驗(yàn),分析了低合金鋼的耐蝕性。結(jié)果表明,室內(nèi)、外環(huán)境中低合金鋼的腐蝕速率和主要腐蝕產(chǎn)物基本一致。尹雨群等[17]通過周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn),研究了Q450NQR1耐候鋼的耐蝕性。結(jié)果表明,在腐蝕48 h后,其各項(xiàng)性能均趨于穩(wěn)定,且優(yōu)于Q345鋼。

本工作采用周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn),對(duì)比分析了自主設(shè)計(jì)冶煉的S390耐候鋼和Q345B鋼在模擬工業(yè)大氣環(huán)境中的腐蝕行為,以期為高品質(zhì)轉(zhuǎn)向架用鋼在工業(yè)大氣環(huán)境中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用自主設(shè)計(jì)冶煉的S390 耐候鋼鋼(以下簡(jiǎn)稱S390),其抗拉強(qiáng)度為584 MPa,屈服強(qiáng)度為410 MPa,-40 ℃沖擊韌性為45 J,力學(xué)性能均優(yōu)于常用轉(zhuǎn)向架用鋼,對(duì)比鋼種為工業(yè)生產(chǎn)的Q345B鋼(以下簡(jiǎn)稱Q345B),兩種材料的化學(xué)成分如表1所示。

表1 S390和Q345B的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of S390 and Q345B %

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)

采用輪式結(jié)構(gòu)腐蝕試驗(yàn)設(shè)備,依據(jù)TB/T 2375-93《鐵路用耐候鋼周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)。采用1.04 g/L NaHSO3溶液模擬工業(yè)大氣環(huán)境,試驗(yàn)時(shí)間分別為72,120,168 h,試樣尺寸為60 mm×40 mm×2 mm,其加工方案見圖1,每組試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)平行試樣。試驗(yàn)前,將試樣進(jìn)行去離子水清洗、無水乙醇超聲清洗和熱風(fēng)吹干后,用電子天平進(jìn)行稱量。試驗(yàn)后,將試樣進(jìn)行去離子水、無水乙醇超聲清洗和干燥保存24 h后,用電子天平進(jìn)行稱量,通過式(1)計(jì)算其腐蝕質(zhì)量損失率。

圖1 周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)試樣的加工方案Fig.1 Processing plan of periodic infiltration corrosion test sample

式中:W為試樣的腐蝕質(zhì)量損失率,g/(m2·h);G0為試驗(yàn)前試樣的質(zhì)量,g;G1為試驗(yàn)后試樣的質(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。

將試樣切割成尺寸為20 mm×10 mm×2 mm的小試樣,采用掃描電鏡(SEM)觀察其表面和截面形貌。采用由500 mL 38% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))鹽酸、500 mL蒸餾水和20 g六次甲基四胺配制成的混合溶液去除腐蝕后試樣表層的腐蝕產(chǎn)物,然后采用SEM 觀察試樣表面和截面形貌。采用X 射線衍射(XRD)分析試樣表面腐蝕產(chǎn)物的成分,XRD 測(cè)試采用銅靶,管電壓為45 kV,管電流為40 mA,采用平行光路掃描,掃描角度為10°～90°。

1.2.2 電化學(xué)測(cè)試

采用環(huán)氧樹脂和銅導(dǎo)線制備尺寸為10 mm×10 mm×2 mm 的電化學(xué)測(cè)試試樣,將試樣進(jìn)行拋光、清洗后在1.04 g/L NaHSO3溶液中腐蝕不同時(shí)間(0,72,120,168 h),再進(jìn)行電化學(xué)試驗(yàn)。電化學(xué)測(cè)試采用三電極體系,電化學(xué)測(cè)試試樣作為工作電極,鉑電極作為輔助電極,甘汞電極分別作為參比電極,測(cè)試溶液為0.01 mol/L NaHSO3酸性溶液。電化學(xué)測(cè)試后,將試樣干燥保存24 h,然后進(jìn)行極化曲線測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕質(zhì)量損失率

由圖2可知:隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),兩種材料的腐蝕速率均逐漸減小;當(dāng)腐蝕時(shí)間為72 h時(shí),S390的腐蝕質(zhì)量損失率是Q345B的65%,表明S390耐蝕性較好;當(dāng)腐蝕時(shí)間為120 h和168 h時(shí),S390的腐蝕質(zhì)量損失率分別是Q345B的66%和70%?？傮w來說,S390的耐蝕性要優(yōu)于Q345B的。

圖2 S390和Q345B在1.04 g/L NaHSO3 溶液中腐蝕不同時(shí)間后的腐蝕質(zhì)量損失率Fig.2 Corrosion weight loss rates of S390 and Q345B after corrosion in 1.04 g/L NaHSO3 for different periods of time

2.2 表面腐蝕形貌

由圖3可知:腐蝕初期(72 h),S390表面的腐蝕產(chǎn)物較為致密,其上附著了少量的圓環(huán)狀腐蝕產(chǎn)物,Q345B表面的腐蝕產(chǎn)物膜較疏松,分布較均勻;對(duì)比去除腐蝕產(chǎn)物后兩種材料的表面SEM 形貌,S390表面的腐蝕坑較多,說明S390表面主要發(fā)生局部腐蝕,Q345B表面主要發(fā)生均勻腐蝕。耐候鋼的耐蝕性與腐蝕產(chǎn)物膜的結(jié)構(gòu)、成分以及電化學(xué)行為有關(guān)[19]。

圖3 S390和Q345B在1.04 g/L NaHSO3 溶液中腐蝕72 h后去除腐蝕產(chǎn)物前后的表面SEM 形貌Fig.3 Surface SEM morphology of S390 and Q345B before and after removal of corrosion products after corrosion in 1.04 g/L NaHSO3 for 72 h: (a) S390,before removal of corrosion products;(b) Q345B,before removal of corrosion products;(c) S390,after removal of corrosion products;(d) Q345B,after removal of corrosion products

由圖4和圖5可見:隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),S390和Q345B 表面的腐蝕產(chǎn)物形貌發(fā)生了顯著變化,S390表面的腐蝕產(chǎn)物逐漸變成扁平狀,Q345B表面疏松狀的腐蝕產(chǎn)物逐漸增多,根據(jù)耐候鋼耐大氣腐蝕的物理阻擋作用,從腐蝕產(chǎn)物形貌分析可知,S390 表面腐蝕產(chǎn)物的致密性和連續(xù)性均優(yōu)于Q345B表面腐蝕產(chǎn)物的,這是S390 具有較好耐蝕性的原因之一;去除腐蝕產(chǎn)物后,S390表面底層為均勻、致密的腐蝕坑,Q345B 表面底層的腐蝕產(chǎn)物仍為細(xì)顆粒狀的松散結(jié)構(gòu),兩種材料表面表層和底層的腐蝕產(chǎn)物都呈現(xiàn)出相同的形貌特征。

圖4 S390和Q345B在1.04 g/L NaHSO3 溶液中腐蝕120 h后去除腐蝕產(chǎn)物前后的表面SEM 形貌Fig.4 Surface SEM morphology of S390 and Q345B before and after removal of corrosion products after corrosion in 1.04 g/L NaHSO3 for 120 h: (a) S390,before removal of corrosion products;(b) Q345B,before removal of corrosion products;(c) S390,after removal of corrosion products;(d) Q345B,after removal of corrosion products

圖5 S390和Q345B在1.04 g/L NaHSO3 溶液中腐蝕168 h后去除腐蝕產(chǎn)物前后的表面SEM 形貌Fig.5 Surface SEM morphology of S390 and Q345B before and after removal of corrosion products after corrosion in 1.04 g/L NaHSO3 for 168 h: (a) S390,before removal of corrosion products;(b) Q345B,before removal of corrosion products;(c) S390,after removal of corrosion products;(d) Q345B,after removal of corrosion products

2.3 截面腐蝕形貌

由圖6可見:圖中左側(cè)白色區(qū)域?yàn)榻饘倩w,中間區(qū)域?yàn)楦g產(chǎn)物膜,右側(cè)平整的深色區(qū)域?yàn)槔滂倶渲?腐蝕初期(72 h),Q345B 表面的腐蝕坑比S390表面的少;隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),Q345B 表面腐蝕坑深度逐漸增大,其表面腐蝕產(chǎn)物膜不連續(xù),S390表面腐蝕逐漸趨于均勻腐蝕,且其表面腐蝕產(chǎn)物膜較為致密和連續(xù),可以起到阻隔腐蝕介質(zhì)進(jìn)入基體內(nèi)部的作用,從而減緩腐蝕進(jìn)程;當(dāng)腐蝕時(shí)間為120 h和168 h時(shí),Q345B表面腐蝕產(chǎn)物膜的厚度大于S390表面腐蝕產(chǎn)物膜的厚度。

圖6 S390和Q345B在1.04 g/L NaHSO3 溶液中腐蝕不同時(shí)間后的截面SEM 形貌Fig.6 Cross-section SEM morphology of S390 and Q345B after corrosion in 1.04 g/L NaHSO3 for different periods of time: (a) S390,72 h;(b) S390,120 h;(c) S390,168 h;(d) Q345B,72 h;(e) Q345B,120 h;(f) Q345B,168 h

沿試樣長(zhǎng)度方向,每隔10 μm 測(cè)量其表面腐蝕產(chǎn)物膜的厚度。由圖7(a)可見:腐蝕初期(72 h),S390長(zhǎng)度方向表面腐蝕產(chǎn)物膜的厚度變化較大,說明局部腐蝕強(qiáng)弱變化明顯;腐蝕中后期(120 h和168 h),S390表面腐蝕產(chǎn)物膜的厚度較為均勻;腐蝕中期(120 h),Q345B表面腐蝕產(chǎn)物膜的厚度變化不均勻,腐蝕初期(72 h)和腐蝕后期(168 h),其表面腐蝕產(chǎn)物膜的厚度變化都較為均勻。由圖7(b)可見:隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),S390表面腐蝕產(chǎn)物膜的平均厚度先從50 μm 減小到37 μm,然后又增大至42 μm,Q345B 表面腐蝕產(chǎn)物膜的平均厚度從30 μm 增大至46 μm,其腐蝕產(chǎn)物膜在腐蝕初期可能發(fā)生了部分脫落。

圖7 S390和Q345B在1.04 g/L NaHSO3 溶液中腐蝕不同時(shí)間后長(zhǎng)度方向表面腐蝕產(chǎn)物膜的厚度變化和平均厚度Fig.7 The thickness variation along the length direction(a) and average thickness (b) of corrosion product layer on the surface of S390 and Q345B after corrosion in 1.04 g/L NaHSO3 for different periods of time

綜上所述可知:腐蝕初期S390 表面產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物在腐蝕中期發(fā)生部分脫落,腐蝕末期,其表面產(chǎn)生新的腐蝕產(chǎn)物,腐蝕產(chǎn)物膜厚度增大,這對(duì)基體起到較好的保護(hù)作用;隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),Q345B表面腐蝕產(chǎn)物膜厚度逐漸增大,但是腐蝕產(chǎn)物膜較疏松,內(nèi)部有較大的孔洞,易發(fā)生脫落,且其與基體結(jié)合較弱,所以對(duì)金屬基體的保護(hù)作用較差。

2.4 腐蝕產(chǎn)物成分

根據(jù)以往研究結(jié)果,碳鋼和耐候鋼表面的腐蝕產(chǎn)物均為(α,β,γ,δ)-FeO(OH),Fe2O3和Fe3O4[7]。由圖8可見:S390和Q345B表面的腐蝕產(chǎn)物均為Fe2O3,Fe3O4和α-FeO(OH);隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),各腐蝕產(chǎn)物衍射峰的強(qiáng)度明顯增大。

圖8 S390和Q345B在1.04 g/L NaHSO3 溶液中腐蝕不同時(shí)間后表面腐蝕產(chǎn)物的XRD 譜Fig.8 XRD patterns of corrosion products on surface of S390 (a) and Q345B (b) after corrosion in 1.04 g/L NaHSO3 for different periods of time

由表2可見:腐蝕不同時(shí)間后,S390表面腐蝕產(chǎn)物中的α-FeO(OH)含量明顯高于Q345B 的,α-FeO(OH)的存在可以提高腐蝕產(chǎn)物膜的致密度,對(duì)基體起到良好的保護(hù)作用;腐蝕初期(72 h),S390表面的腐蝕產(chǎn)物中α-FeO(OH)含量較高,隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),α-FeO(OH)含量逐漸升高,腐蝕產(chǎn)物膜對(duì)基體的保護(hù)作用也逐漸提高。

表2 S390和Q345B在1.04 g/L NaHSO3 溶液中腐蝕不同時(shí)間后表面腐蝕產(chǎn)物的半定量分析結(jié)果Tab.2 Semi-quantitative analysis results of corrosion products on surface of S390 and Q345B after corrosion in 1.04 g/L NaHSO3 for different periods of time

2.5 電化學(xué)行為

鐵在0.01 mol/L NaHSO3酸性溶液中的溶解步驟依次為失去電子轉(zhuǎn)化為Fe2+,水解生成Fe(OH)+,生成不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物Fe(OH)2,進(jìn)一步被氧化生成Fe(OH)3,這對(duì)鐵的腐蝕起到了阻礙作用。由圖9可見:S390裸鋼的腐蝕電位和腐蝕電流密度與Q345B 裸鋼的相差不大,S390 裸鋼的腐蝕電位略大于Q345B 裸鋼的,原因是S390中含有少量的合金元素;隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),S390的腐蝕電位逐漸正移,Q345B 的腐蝕電位變化不大;在不同腐蝕時(shí)間條件下,與Q345B 的極化曲線相比,S390的極化曲線更加偏向坐標(biāo)軸左上方。

圖9 S390和Q345B在1.04 g/L NaHSO3 溶液中腐蝕不同時(shí)間后的極化曲線Fig.9 Polarization curves of S390 and Q345B after corrosion in 1.04 g/L NaHSO3 solution for different periods of time

經(jīng)過周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)后,電化學(xué)反應(yīng)中的陽極過程被耐候鋼表面生成的腐蝕產(chǎn)物膜抑制,達(dá)到了減緩金屬基體腐蝕的目的。從電化學(xué)角度來看,S390表面腐蝕產(chǎn)物膜的保護(hù)作用強(qiáng)于Q345B 表面腐蝕產(chǎn)物膜的。有研究表明,S355J2W 鋼和SMA490BW 鋼在含SO32-溶液中腐蝕75 h后,兩種材料的自腐蝕電位分別為-0.719 5 V和-0.724 8 V,腐蝕電流分別為1.345 8 A 和1.108 5 A[20]。S390在1.04 g/L NaHSO3溶液中腐蝕72 h后,其自腐蝕電位和腐蝕電流分別為-0.578 3 V 和-4.707 6 A,這表明S390的耐蝕性較好。

3 結(jié)論

(1) S390 耐候鋼和Q345B 鋼在0.01 mol/L NaHSO3溶液中的腐蝕速率隨腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)均呈下降的趨勢(shì)。在整個(gè)周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)過程中,S390耐候鋼的腐蝕質(zhì)量損失率是Q345B鋼的65%～70%,表明S390耐候鋼的耐蝕性始終優(yōu)于Q345B鋼的。

(2) 隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),Q345B 鋼表面腐蝕產(chǎn)物膜的厚度逐漸增加,且部分腐蝕產(chǎn)物膜發(fā)生脫落,S390耐候鋼表面腐蝕產(chǎn)物膜較致密和均勻,且其長(zhǎng)度方向腐蝕產(chǎn)物膜的厚度變化不大,S390耐候鋼腐蝕產(chǎn)物膜中α-FeO(OH)的含量高于Q345B鋼的。

(3) 未腐蝕的S390耐候鋼的自腐蝕電位和腐蝕電流與Q345B鋼的非常接近,腐蝕168 h后,兩種材料的自腐蝕電位分別為-0.374 4 V和-0.537 8 V,表明S390耐候鋼表面腐蝕產(chǎn)物膜對(duì)基體的保護(hù)作用較好。