高耐蝕鐵道車輛用鋼耐腐蝕性研究

侯明山， 李秀景， 高小堯， 張 星

（河鋼股份有限公司唐山分公司， 河北 唐山 063016）

目前鐵路貨車用耐候鋼主要為450 MPa 級別，按照我國鐵路網(wǎng)的道路設(shè)計能力，載重80 t 基本已經(jīng)達(dá)到了極限（不包括專用線）。針對中國鐵路總公司提出的關(guān)于＂車輛用鋼減量化＂的目標(biāo)，按照目前80 t 車體強(qiáng)度的要求，耐候鋼屈服強(qiáng)度高于450 MPa可滿足要求，但新型鐵路車輛用鋼的開發(fā)以長壽命、高安全和低成本為前提，這就要求新型鐵路車輛用鋼具有更高的耐蝕性[1-2]。

1 實(shí)驗(yàn)材料與研究方法

試驗(yàn)材料鋼種為S450EWR，其設(shè)計思路如下：為保證高耐腐蝕性要求在普通鐵道車輛用鋼加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%～5.0%的Cr 元素，并加入Ni、Cu 元素；加入Nb、Ti 等微合金元素以達(dá)到更高強(qiáng)度級別[3]。為進(jìn)行對比以普通耐候鋼SPA-H 作為對比鋼種，試驗(yàn)鋼板的化學(xué)成分見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)鋼成分 %

試驗(yàn)鋼經(jīng)50 kg 真空感應(yīng)爐熔煉后,放入高溫箱式電阻爐加熱，經(jīng)550 mm 熱軋實(shí)驗(yàn)機(jī)組軋制，開軋溫度≥1 150 ℃；S450EWR 終軋溫度780～820 ℃，卷取溫度550～590 ℃；最終厚度為3.0 mm 熱軋板。機(jī)加工Φ60 mm 原片，并用磨床將表面進(jìn)行打磨處理，用于電化學(xué)極化曲線和阻抗檢測，采用電化學(xué)分析進(jìn)行電化學(xué)分析，分別對實(shí)驗(yàn)鋼的基體和帶繡層試樣進(jìn)行測量，同步已普通耐候鋼SPA-H 作為對比鋼種。依據(jù)Tafel 曲線外推法測得極化曲線的電流密度Icorr，通過對比極化曲線中的自腐蝕電位及相同電位下不同極化電流進(jìn)行分析，獲得所測材料的耐腐蝕性。

將實(shí)驗(yàn)所用S450EWR 鋼板加工60 mm×60 mm方片，用磨床將表面進(jìn)行打磨，進(jìn)行24，48，72，96，120，144，168 h 共7 組鹽霧實(shí)驗(yàn)，同步進(jìn)行普通耐候鋼SPA-H 鋼種進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)及條件如下：采用5%濃度的NaCl 溶液，pH 值設(shè)定為6.8，溫度為35 ℃，按照實(shí)驗(yàn)要求，試樣角度為25°，鹽霧的沉降量為1.10 mL（/h·80 cm2）。

將實(shí)驗(yàn)所用S450EWR 鋼板通過機(jī)械加工制成尺寸為60 mm×40 mm（長×寬）試樣，用于周期性浸潤實(shí)驗(yàn)，周期浸潤試驗(yàn)周期為72 h。對試樣打磨后清洗，干燥24 h 后取出試樣掛在試驗(yàn)箱中，往設(shè)備中加現(xiàn)配的NaHSO3溶液，矯正到達(dá)相應(yīng)的周期后，取出試樣熱風(fēng)吹干。經(jīng)過干燥處理24 h 后，除銹的試樣用化學(xué)方法除去銹層并清洗試樣，稱重并給出腐蝕到72 h 的腐蝕數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 電化學(xué)腐蝕

根據(jù)電化學(xué)腐蝕結(jié)果得到極化曲線如圖1 所示，S450EWR 的自腐蝕電位明顯高于SPA-H，其極化電阻為SPA-H 的2 倍；極化曲線結(jié)果可以看出，隨著Cr 含量增加，試樣的自腐蝕電位增大，約是-0.4 V 左右，S450EWR 自腐蝕電位高于SPA-H。

圖1 S450EWR 和SPA-H 的極化曲線

2.2 鹽霧實(shí)驗(yàn)

按照上述試驗(yàn)方法得到鹽霧實(shí)驗(yàn)各階段失重量如表2 和圖2 所示。

表2 S450EWR 和SPA-H 鹽霧實(shí)驗(yàn)過程失重量

圖2 S450EWR1 和SPA-H 失重對比

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，鹽霧腐蝕時間24 h 時，兩個鋼種的腐蝕失重差別不大；隨時間延長，在24～72 h 之間，S450EWR1 試樣腐蝕失重小于SPA-H；超過72 h 后，S450EWR 的耐腐蝕性明顯優(yōu)于SPA-H試樣。

2.3 周期性浸潤實(shí)驗(yàn)

72 h 腐蝕數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 耐蝕鋼腐蝕速率（對比樣SPA-H）

試樣腐蝕的宏觀樣貌如圖3 所示。

圖3 S450EWR 和SPA-H 腐蝕72h 的宏觀形貌

當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至72 h 時，對比鋼SPA-H 表面出現(xiàn)大量氧化鐵皮脫落，脫落部分是由于腐蝕相在這些區(qū)域優(yōu)先生長所致，脫落后仍然發(fā)生氧化作用，并且剛脫落后露出黑色的Fe3O4基體，隨著時間的進(jìn)行黑色的內(nèi)層氧化鐵皮繼續(xù)發(fā)生氧化進(jìn)一步向棕紅色Fe2O3的轉(zhuǎn)變。高耐蝕鋼試樣表面布滿銹層并且顏色向紅褐色轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生致密的銹層，顏色鮮亮，沒有發(fā)現(xiàn)鼓包和銹層脫落現(xiàn)象，銹層與基體結(jié)合牢固，形成一層較致密的銹層，同時不再有露出的基體，有效保護(hù)了基體與腐蝕介質(zhì)的相互作用，減緩了腐蝕的速率。

2.4 討論

2.4.1 腐蝕的電化學(xué)原理

根據(jù)大氣腐蝕機(jī)理及所進(jìn)行的極化曲線測試、腐蝕實(shí)驗(yàn)等結(jié)果，可以得出在開始階段腐蝕介質(zhì)快速進(jìn)入鋼材表面基體，高耐蝕鋼S450EWR 和普通耐候鋼SPA-H 的腐蝕速度都很快，快速形成紅繡。此時金屬表面活性對陽極反應(yīng)速度影響占主導(dǎo)，基體組織中的晶界、亞晶界、位錯和夾雜物等缺陷位置的活性較高，反應(yīng)的自由能低，更易優(yōu)先腐蝕[4-5]。在腐蝕開始階段，高耐蝕鋼S450EWR 的耐蝕性能的優(yōu)越性表現(xiàn)不明顯。

腐蝕后期，由于耐腐蝕元素的差異，高耐蝕鋼S450EWR 和普通耐候鋼SPA-H 兩個鋼種的腐蝕過程有很大區(qū)別。高耐蝕鋼的銹層增厚并致密化，導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)的浸潤和干燥都比較緩慢，氧的供給和擴(kuò)散也受到很大限制，電化學(xué)反應(yīng)的速度變慢，自腐蝕電位提高，自腐蝕電流減小，陽極溶解速度減慢[6]。這其中合金元素的影響是很大的，它直接導(dǎo)致耐候鋼內(nèi)銹層的生成。

2.4.2 耐候鋼中合金元素對耐蝕性的作用

試驗(yàn)鋼種S450EWR 和對比鋼種SPA-H 耐腐蝕性元素最大差別為Cr 元素，相差10 倍左右，文獻(xiàn)認(rèn)為添加Cr 元素還可以阻止干濕交替過程中干燥時Fe3+→Fe2+的還原反應(yīng)，從而提高鋼的耐候性[7-8]。同時Cr 元素通過對腐蝕反應(yīng)電化學(xué)過程的影響，使初始生成的銹層致密，阻止腐蝕反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看高Cr 含量的S450EWR 耐腐蝕性明顯提升。

3 結(jié)語

通過電化學(xué)測極化曲線和CCT 腐蝕實(shí)驗(yàn)等研究了高耐蝕鐵道車輛用S450EWR 鋼種的耐腐蝕性能，同時通過觀察銹層的表面形貌和分析實(shí)驗(yàn)鋼銹層的形成過程，得到以下結(jié)論：

1）根據(jù)電化學(xué)腐蝕結(jié)果看，隨著Cr 含量等耐腐蝕元素的增加，試樣的自腐蝕電位增大，約是-0.4 V左右，S450EWR 自腐蝕電位高于SPA-H。

2）鹽霧腐蝕在24 h 時，兩個鋼種的腐蝕失重差別不大；隨時間延長，在24～72 h 之間，S450EWR1試樣腐蝕失重小于SPA-H；超過72 h 后，S450EWR的耐腐蝕性明顯優(yōu)于SPA-H 試樣。

3）通過觀察實(shí)驗(yàn)鋼腐蝕后的銹層可以看到，高耐蝕鋼試樣表面布滿銹層并且顏色向紅褐色轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生致密的銹層，顏色鮮亮，沒有發(fā)現(xiàn)鼓包和銹層脫落現(xiàn)象，銹層與基體結(jié)合牢固，形成一層較致密的銹層，同時不再有露出的基體，有效保護(hù)了基體與腐蝕介質(zhì)的相互作用，減緩了腐蝕的速率。

4）提高Cr 元素能顯著改善高耐蝕鐵道車輛用鋼的耐蝕性。