高鐵轉向架用S390耐候鋼在模擬工業大氣環境中的耐蝕性

王月影 ,王云龍 ,余 偉,2,3 ,李義彤 ,陳雨來

(1.北京科技大學工程技術研究院,北京 100083;2.北京科技大學高效軋制國家工程研究中心,北京 100083; 3.北京科技大學國家板帶先進裝備工程技術研究中心,北京 100083)

高鐵轉向架作為列車承載和導向的主要部件,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行的關鍵部件[1-2]。近年來,由于我國列車不斷提速,鐵路運行環境較復雜,對轉向架的強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,轉向架各部件振動逐漸加劇,高速列車轉向架應該盡量減少懸掛中的磨耗件數量,以提高車輛的可靠性和使用壽命。因此,需要開發出具有更高強度、良好耐蝕性和焊接性能的耐候鋼[5-7]。

目前,我國轉向架用鋼主要有Q345 鋼、S355鋼和SMA490鋼[8]。高鐵轉向架材料主要選用歐洲標準的S355J2W 牌號和日本標準的SMA490BW牌號,其特點是含碳量低、耐蝕性好和焊接性能好[9-11],但是其強度和低溫韌性無法滿足高寒環境中使用要求[3,12]。

我國高鐵運行環境主要包括高寒、高濕熱、工業大氣和濱海大氣等復雜環境,對耐蝕性、強度和低溫韌性有更嚴格的要求。有研究發現,在鋼中加入鉻、鎳、銅和磷等元素可使基體表面生成保護性銹層,這對鋼基體起到了較好的保護作用,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,通常采用室內加速腐蝕試驗模擬金屬大氣腐蝕行為。張琳等[15]模擬了工業大氣環境中Q235鋼和耐候鋼的腐蝕行為,結果表明耐候鋼的腐蝕速率小于Q235鋼的。劉建容等[16]通過自然環境中的大氣暴露腐蝕試驗與室內周期浸潤加速腐蝕試驗,分析了低合金鋼的耐蝕性。結果表明,室內、外環境中低合金鋼的腐蝕速率和主要腐蝕產物基本一致。尹雨群等[17]通過周期浸潤腐蝕試驗,研究了Q450NQR1耐候鋼的耐蝕性。結果表明,在腐蝕48 h后,其各項性能均趨于穩定,且優于Q345鋼。

本工作采用周期浸潤腐蝕試驗,對比分析了自主設計冶煉的S390耐候鋼和Q345B鋼在模擬工業大氣環境中的腐蝕行為,以期為高品質轉向架用鋼在工業大氣環境中的應用提供理論依據。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗采用自主設計冶煉的S390 耐候鋼鋼(以下簡稱S390),其抗拉強度為584 MPa,屈服強度為410 MPa,-40 ℃沖擊韌性為45 J,力學性能均優于常用轉向架用鋼,對比鋼種為工業生產的Q345B鋼(以下簡稱Q345B),兩種材料的化學成分如表1所示。

表1 S390和Q345B的化學成分Tab.1 Chemical composition of S390 and Q345B %

1.2 試驗方法

1.2.1 周期浸潤腐蝕試驗

采用輪式結構腐蝕試驗設備,依據TB/T 2375-93《鐵路用耐候鋼周期浸潤腐蝕試驗方法》標準,進行周期浸潤腐蝕試驗。采用1.04 g/L NaHSO3溶液模擬工業大氣環境,試驗時間分別為72,120,168 h,試樣尺寸為60 mm×40 mm×2 mm,其加工方案見圖1,每組試驗設置5個平行試樣。試驗前,將試樣進行去離子水清洗、無水乙醇超聲清洗和熱風吹干后,用電子天平進行稱量。試驗后,將試樣進行去離子水、無水乙醇超聲清洗和干燥保存24 h后,用電子天平進行稱量,通過式(1)計算其腐蝕質量損失率。

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

式中:W為試樣的腐蝕質量損失率,g/(m2·h);G0為試驗前試樣的質量,g;G1為試驗后試樣的質量,g;a為試樣長度,mm;b為試樣寬度,mm;c為試樣厚度,mm;t為試驗時間,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% (質量分數)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物的成分,XRD 測試采用銅靶,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 電化學測試

采用環氧樹脂和銅導線制備尺寸為10 mm×10 mm×2 mm 的電化學測試試樣,將試樣進行拋光、清洗后在1.04 g/L NaHSO3溶液中腐蝕不同時間(0,72,120,168 h),再進行電化學試驗。電化學測試采用三電極體系,電化學測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,測試溶液為0.01 mol/L NaHSO3酸性溶液。電化學測試后,將試樣干燥保存24 h,然后進行極化曲線測試。

2 結果與討論

2.1 腐蝕質量損失率

由圖2可知:隨著腐蝕時間的延長,兩種材料的腐蝕速率均逐漸減小;當腐蝕時間為72 h時,S390的腐蝕質量損失率是Q345B的65%,表明S390耐蝕性較好;當腐蝕時間為120 h和168 h時,S390的腐蝕質量損失率分別是Q345B的66%和70%。總體來說,S390的耐蝕性要優于Q345B的。

圖2 S390和Q345B在1.04 g/L NaHSO3 溶液中腐蝕不同時間后的腐蝕質量損失率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表面的腐蝕產物較為致密,其上附著了少量的圓環狀腐蝕產物,Q345B表面的腐蝕產物膜較疏松,分布較均勻;對比去除腐蝕產物后兩種材料的表面SEM 形貌,S390表面的腐蝕坑較多,說明S390表面主要發生局部腐蝕,Q345B表面主要發生均勻腐蝕。耐候鋼的耐蝕性與腐蝕產物膜的結構、成分以及電化學行為有關[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:隨著腐蝕時間的延長,S390和Q345B 表面的腐蝕產物形貌發生了顯著變化,S390表面的腐蝕產物逐漸變成扁平狀,Q345B表面疏松狀的腐蝕產物逐漸增多,根據耐候鋼耐大氣腐蝕的物理阻擋作用,從腐蝕產物形貌分析可知,S390 表面腐蝕產物的致密性和連續性均優于Q345B表面腐蝕產物的,這是S390 具有較好耐蝕性的原因之一;去除腐蝕產物后,S390表面底層為均勻、致密的腐蝕坑,Q345B 表面底層的腐蝕產物仍為細顆粒狀的松散結構,兩種材料表面表層和底層的腐蝕產物都呈現出相同的形貌特征。

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:圖中左側白色區域為金屬基體,中間區域為腐蝕產物膜,右側平整的深色區域為冷鑲樹脂;腐蝕初期(72 h),Q345B 表面的腐蝕坑比S390表面的少;隨著腐蝕時間的延長,Q345B 表面腐蝕坑深度逐漸增大,其表面腐蝕產物膜不連續,S390表面腐蝕逐漸趨于均勻腐蝕,且其表面腐蝕產物膜較為致密和連續,可以起到阻隔腐蝕介質進入基體內部的作用,從而減緩腐蝕進程;當腐蝕時間為120 h和168 h時,Q345B表面腐蝕產物膜的厚度大于S390表面腐蝕產物膜的厚度。

圖6 S390和Q345B在1.04 g/L NaHSO3 溶液中腐蝕不同時間后的截面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

沿試樣長度方向,每隔10 μm 測量其表面腐蝕產物膜的厚度。由圖7(a)可見:腐蝕初期(72 h),S390長度方向表面腐蝕產物膜的厚度變化較大,說明局部腐蝕強弱變化明顯;腐蝕中后期(120 h和168 h),S390表面腐蝕產物膜的厚度較為均勻;腐蝕中期(120 h),Q345B表面腐蝕產物膜的厚度變化不均勻,腐蝕初期(72 h)和腐蝕后期(168 h),其表面腐蝕產物膜的厚度變化都較為均勻。由圖7(b)可見:隨著腐蝕時間的延長,S390表面腐蝕產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 表面腐蝕產物膜的平均厚度從30 μm 增大至46 μm,其腐蝕產物膜在腐蝕初期可能發生了部分脫落。

圖7 S390和Q345B在1.04 g/L NaHSO3 溶液中腐蝕不同時間后長度方向表面腐蝕產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 表面產生的腐蝕產物在腐蝕中期發生部分脫落,腐蝕末期,其表面產生新的腐蝕產物,腐蝕產物膜厚度增大,這對基體起到較好的保護作用;隨著腐蝕時間的延長,Q345B表面腐蝕產物膜厚度逐漸增大,但是腐蝕產物膜較疏松,內部有較大的孔洞,易發生脫落,且其與基體結合較弱,所以對金屬基體的保護作用較差。

2.4 腐蝕產物成分

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

圖8 S390和Q345B在1.04 g/L NaHSO3 溶液中腐蝕不同時間后表面腐蝕產物的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:腐蝕不同時間后,S390表面腐蝕產物中的α-FeO(OH)含量明顯高于Q345B 的,α-FeO(OH)的存在可以提高腐蝕產物膜的致密度,對基體起到良好的保護作用;腐蝕初期(72 h),S390表面的腐蝕產物中α-FeO(OH)含量較高,隨著腐蝕時間的延長,α-FeO(OH)含量逐漸升高,腐蝕產物膜對基體的保護作用也逐漸提高。

表2 S390和Q345B在1.04 g/L NaHSO3 溶液中腐蝕不同時間后表面腐蝕產物的半定量分析結果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化為Fe2+,水解生成Fe(OH)+,生成不穩定的中間產物Fe(OH)2,進一步被氧化生成Fe(OH)3,這對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;隨著腐蝕時間的延長,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軸左上方。

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

經過周期浸潤腐蝕試驗后,電化學反應中的陽極過程被耐候鋼表面生成的腐蝕產物膜抑制,達到了減緩金屬基體腐蝕的目的。從電化學角度來看,S390表面腐蝕產物膜的保護作用強于Q345B 表面腐蝕產物膜的。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間延長均呈下降的趨勢。在整個周期浸潤腐蝕試驗過程中,S390耐候鋼的腐蝕質量損失率是Q345B鋼的65%～70%,表明S390耐候鋼的耐蝕性始終優于Q345B鋼的。

(2) 隨腐蝕時間的延長,Q345B 鋼表面腐蝕產物膜的厚度逐漸增加,且部分腐蝕產物膜發生脫落,S390耐候鋼表面腐蝕產物膜較致密和均勻,且其長度方向腐蝕產物膜的厚度變化不大,S390耐候鋼腐蝕產物膜中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耐候鋼表面腐蝕產物膜對基體的保護作用較好。