吳 菲,肖 峰,江 波,崔銀會(huì),任學(xué)沖

(1. 北京科技大學(xué) 國家材料服役安全科學(xué)中心，北京 100083; 2. 馬鞍山鋼鐵股份有限公司，馬鞍山 243000)

C和Si含量對(duì)車輪鋼腐蝕行為的影響

吳 菲1,肖 峰2,江 波2,崔銀會(huì)2,任學(xué)沖1

(1. 北京科技大學(xué) 國家材料服役安全科學(xué)中心，北京 100083; 2. 馬鞍山鋼鐵股份有限公司，馬鞍山 243000)

利用3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl溶液室溫周期浸泡試驗(yàn)及電化學(xué)試驗(yàn)研究了不同C、Si含量車輪鋼的腐蝕行為。用失重法測(cè)量了試樣的腐蝕速率；觀察了不同腐蝕時(shí)間后試樣的表面形貌及截面形貌；利用光學(xué)表面形貌儀觀測(cè)了不同腐蝕時(shí)間后試樣表面粗糙度和腐蝕坑尺寸。結(jié)果表明：隨C含量的增加及Si含量的降低，車輪鋼穩(wěn)態(tài)腐蝕速率增大；Si含量的提高使車輪鋼自腐蝕電位升高以及表面電荷轉(zhuǎn)移電阻增大，從而提高了其耐蝕性；在試驗(yàn)周期范圍內(nèi)，不同試樣在腐蝕3 d后表面均出現(xiàn)點(diǎn)蝕，并隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，點(diǎn)蝕坑尺寸和表面粗糙度增大。點(diǎn)蝕坑的出現(xiàn)會(huì)破壞車輪鋼表面的完整性，在腐蝕坑底部造成應(yīng)力集中，危害車輪的安全運(yùn)行。

車輪鋼；周浸試驗(yàn)；腐蝕；點(diǎn)蝕；電化學(xué)

隨著列車的重載化與高速化，車輪作為重要承載運(yùn)動(dòng)部件，對(duì)其疲勞性能的要求也越來越嚴(yán)格。影響車輪疲勞性能的因素很多，如材料強(qiáng)度、表面粗糙度及表面噴丸處理等。盡管車輪的表面狀態(tài)主要由制造加工工藝決定，但在服役過程中，車輪長(zhǎng)期經(jīng)受雨、雪、潮濕大氣環(huán)境的作用，表面狀態(tài)會(huì)由于腐蝕作用而發(fā)生變化，特別是沿海濕熱環(huán)境,它對(duì)車輪的腐蝕性影響不容忽視。國內(nèi)外由于腐蝕引起的車輪疲勞失效常有報(bào)道[1-2]。大量的研究表明，碳鋼表面易發(fā)生點(diǎn)腐蝕，特別是其在含Cl-的海水或海洋性大氣環(huán)境中時(shí)，從而破壞車輪表面完整性，降低疲勞極限，引發(fā)疲勞破壞[3-5]。C和Si是車輪鋼中常用的強(qiáng)化元素，具有強(qiáng)化效果好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，不同性能要求的車輪可通過C和Si含量的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。已有的研究表明：中低碳低合金鋼腐蝕速率隨C含量的增加而增大[6-7]；當(dāng)腐蝕機(jī)理不同時(shí)，C含量對(duì)腐蝕速率的影響也不同[8]；Si含量增加可使球墨鑄鐵的耐蝕性提高[9]。目前，關(guān)于中高碳車輪鋼中C、Si含量對(duì)其耐蝕性的影響鮮有報(bào)道。本工作采用周期浸泡腐蝕試驗(yàn)研究了不同C、Si含量軋制車輪鋼在NaCl溶液中的腐蝕行為，以期為車輪鋼強(qiáng)化元素的選擇及車輪的腐蝕與防護(hù)提供參考。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)用材料為4種軋制工藝生產(chǎn)的車輪鋼，其化學(xué)成分如表1所示。由表1可見，1號(hào)、2號(hào)及3號(hào)試樣的C含量依次降低，Si含量基本相同；4號(hào)試樣與3號(hào)試樣相比，Si含量明顯降低，而C含量基本相同。在車輪輻板位置取金相試樣，經(jīng)磨制拋光后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%硝酸酒精溶液侵蝕，再用光學(xué)顯微鏡觀察試樣的顯微組織。

表1 車輪鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1 Chemical composition of wheel steels (mass) %

周期浸泡試樣從車輪輻板位置截取，試樣尺寸為50 mm×40 mm×4 mm，試樣厚度方向與車輪輻板厚度方向一致，試樣表面經(jīng)磨制，表面粗糙度Ra為0.23 μm。試驗(yàn)參考GB/T 19746-2005《金屬和合金的腐蝕-鹽溶液周浸試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。周期浸泡試驗(yàn)采用3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)NaCl溶液，室溫下干濕交替的時(shí)間分別是50 min和10min，即試樣在NaCl溶液中浸泡10 min后干燥50 min，試驗(yàn)時(shí)間分別為3，7，14，30，60，90 d。試樣在試驗(yàn)前用無水乙醇超聲清洗，去除表面可能殘留的油污，對(duì)每塊試樣進(jìn)行稱量。浸泡結(jié)束后，用50%鹽酸+3%六次甲基四胺緩蝕劑混合液清除試樣表面腐蝕產(chǎn)物，干燥，再對(duì)試樣進(jìn)行稱量，根據(jù)試樣腐蝕前后質(zhì)量差計(jì)算腐蝕速率，結(jié)果取3個(gè)試樣的平均值。

清除試樣表面腐蝕產(chǎn)物后，用數(shù)碼相機(jī)記錄試樣表面的宏觀形貌，并利用Bruker Contour GT-X3表面形貌儀觀察表面3D形貌，測(cè)量試樣表面粗糙度。將腐蝕后試樣取橫截面，用電木粉對(duì)試樣進(jìn)行封裝，保護(hù)試樣截面形貌，對(duì)封裝試樣進(jìn)行磨制及機(jī)械拋光，通過金相顯微鏡觀察截面形貌。

采用極化曲線法和電化學(xué)阻抗譜法對(duì)不同試樣進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試。電化學(xué)測(cè)試采用標(biāo)準(zhǔn)的三電極系統(tǒng)：參比電極為飽和甘汞電極(SCE)；輔助電極為Pt片電極；工作電極為測(cè)試試樣，工作面積10 mm×10 mm。試驗(yàn)介質(zhì)為3.5% NaCl溶液，電化學(xué)測(cè)試在Gamry Reference 600電化學(xué)工作站進(jìn)行。電化學(xué)阻抗譜測(cè)試時(shí)，頻率范圍為9 Hz～900 kHz，交流激勵(lì)信號(hào)幅值為10 mV，采用Zview軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行擬合分析。極化曲線測(cè)試時(shí)，從陰極掃到陽極，掃描范圍為-0.1～0.2 V(相對(duì)開路電位)，掃描速率為1 mV/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 金相組織

由圖1可見，1號(hào)試樣的組織為珠光體，晶界分布不明顯，僅能通過顏色分辨不同取向的珠光體團(tuán)。2號(hào)試樣中少量先共析鐵素體沿原奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出，但由于鐵素體含量較少，網(wǎng)狀鐵素體不連續(xù)。3號(hào)、4號(hào)試樣中，晶界鐵素體基本成網(wǎng)狀連續(xù)分布。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著碳含量的減少，晶界網(wǎng)狀鐵素體含量增多。

2.2 腐蝕速率

由圖2可見：在試驗(yàn)初期(0～14 d)，隨時(shí)間延長(zhǎng)所有試樣的腐蝕速率均逐漸降低，30 d后腐蝕速率基本穩(wěn)定；隨C含量的增加，穩(wěn)態(tài)腐蝕速率增大，C質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.71%時(shí)，試樣的腐蝕速率比C質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.55%時(shí)的增大了約21%。珠光體中的鐵素體相和滲碳體相的電位差較大，易形成腐蝕微電池，珠光體會(huì)隨著微電池中鐵素體陽極相的溶解而腐蝕[10]。因此，鐵素體-珠光體鋼中珠光體往往優(yōu)先腐蝕，珠光體含量越高，腐蝕微電池越多，腐蝕速率越大[11]。

由圖3可見：在試驗(yàn)初期(0～14 d)，隨時(shí)間延長(zhǎng)所有試樣的腐蝕速率均逐漸降低，30 d后腐蝕速率基本穩(wěn)定；在其他成分基本相同的情況下，當(dāng)Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.26%增加到0.93%時(shí)，穩(wěn)態(tài)腐蝕速率降低了約19%。由此可見，增加Si含量可降低穩(wěn)態(tài)腐蝕速率，這與文獻(xiàn)[12]的結(jié)論一致。 Nishimura[13]認(rèn)為在內(nèi)部銹層中出現(xiàn)的納米級(jí)富硅氧化物顆粒具有陽離子選擇性，它能在促進(jìn)致密銹層形成的同時(shí)，阻礙氯離子的進(jìn)入，從而提高鋼材的耐蝕性。

2.3 腐蝕形貌

2.3.1 腐蝕表面形貌

由圖4可見：腐蝕3 d后， 2號(hào)試樣(C和Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.63%和0.87%)局部出現(xiàn)點(diǎn)蝕；腐蝕7 d后，點(diǎn)蝕范圍增大，大部分表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕；腐蝕14d后，試樣表面基本布滿點(diǎn)蝕坑，且點(diǎn)蝕坑的尺寸有所增大。其他試樣腐蝕表面形貌的變化規(guī)律與該試樣的基本相同。

(a) 1號(hào)

(b) 2號(hào)

(c) 3號(hào)

(d) 4號(hào)圖1 不同C、Si含量車輪鋼試樣的金相組織Fig. 1 Microstructure of wheel steel specimens with different C and Si contents

圖2 不同C含量試樣在3.5% NaCl溶液中腐蝕速率 隨時(shí)間的變化Fig. 2 Corrosion rate vs time for specimens with different C contents in 3.5%NaCl solution

圖3 不同Si含量試樣在3.5% NaCl溶液中腐蝕速率 隨時(shí)間的變化Fig. 3 Corrosion rate vs time for specimens with different Si contents in 3.5% NaCl solution

由圖5可見：腐蝕30 d后，試樣點(diǎn)蝕坑布滿整個(gè)4號(hào)試樣(C和Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.54%和0.26%)表面；腐蝕60 d后，表面腐蝕出現(xiàn)明顯不均勻性，局部的小點(diǎn)蝕坑合并為尺寸較大的腐蝕坑；腐蝕90 d后，表面腐蝕的不均性進(jìn)一步增加，開始出現(xiàn)明顯的高低不平。其他試樣表面形貌的變化規(guī)律與4號(hào)試樣的基本相同。

由圖6可見：腐蝕7 d后，試樣表面平均粗糙度為6.2 μm，最大腐蝕坑深度約70 μm；腐蝕14 d后，試樣表面平均粗糙度為11.4 μm，最大腐蝕坑深度約150 μm；腐蝕30 d后，試樣表面平均粗糙度為26.1 μm，最大腐蝕坑深度約300 μm；腐蝕60 d后，試樣表面平均粗糙度為53.2 μm，試樣表面出現(xiàn)較大的腐蝕坑，腐蝕表面最大高度差約500 μm。

2.3.2 腐蝕截面形貌

由圖7可見:腐蝕3 d后，試樣表面的點(diǎn)蝕還不明顯；腐蝕7 d后，試樣表面的點(diǎn)蝕逐漸明顯，但點(diǎn)蝕深度較淺；腐蝕14 d后，點(diǎn)蝕深度增加，最大約150 μm，與光學(xué)形貌儀測(cè)量結(jié)果基本相同；腐蝕30 d后，腐蝕坑深度及寬度進(jìn)一步增加，腐蝕坑深度大部分在200 μm左右。腐蝕坑底部呈不規(guī)則形狀，有的腐蝕坑底部包含更小的蝕坑，與文獻(xiàn)[1]中引起車輪疲勞開裂的腐蝕坑具有相似的形貌，這說明利用實(shí)驗(yàn)室周浸腐蝕試驗(yàn)?zāi)M車輪在自然環(huán)境中的腐蝕具有一定的可行性。點(diǎn)蝕導(dǎo)致的腐蝕坑破壞了車輪表面的完整性，使材料表面噴丸產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力區(qū)遭到破壞[14]，同時(shí)在腐蝕坑底部產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致車輪產(chǎn)生早期疲勞開裂，危害車輪運(yùn)行安全。

(a) 3 d (b) 7 d (c) 14 d圖4 在3.5% NaCl溶液中腐蝕不同時(shí)間后2號(hào)試樣的表面宏觀形貌Fig. 4 Macro morphology of the surface of specimen No. 2 corroded in 3.5% NaCl solution for different times

(a) 30 d (b) 60 d (c) 90 d圖5 在3.5% NaCl溶液中腐蝕不同時(shí)間后4號(hào)試樣的表面宏觀形貌Fig. 5 Macro morphology of the surface of specimen No. 4 corroded in 3.5% NaCl solution for different times

(a) 7 d (b) 14 d

(c) 30 d (d) 60 d圖6 在3.5% NaCl溶液中腐蝕不同時(shí)間后試樣表面3D形貌(單位：mm)Fig. 6 3D morphology of the surface of specimen corroded in 3.5% NaCl solution for different times (unit: mm)

(a) 3 d

(b) 7 d

(c) 14 d

2.4 電化學(xué)行為

由圖8(a)可見，Si含量高的3號(hào)試樣的自腐蝕電位高于Si含量低的4號(hào)試樣的，分別為-525 mV和-577 mV。金屬自腐蝕電位越高，腐蝕的傾向性越低，說明3號(hào)試樣的腐蝕傾向性較低。由圖8(b)可見，3號(hào)試樣的容抗弧直徑大于4號(hào)試樣的，這說明3號(hào)試樣的電荷轉(zhuǎn)移電阻略高于4號(hào)試樣的，使得腐蝕反應(yīng)的速率較低。電化學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，腐蝕初期高Si含量車輪鋼的耐蝕性優(yōu)于低Si含量車輪鋼的，但對(duì)于長(zhǎng)周期周浸腐蝕速率結(jié)果還需進(jìn)一步考慮腐蝕產(chǎn)物及其電化學(xué)行為。

(a) 極化曲線

(b) 電化學(xué)阻抗譜圖8 Si含量不同的兩組試樣在3.5% NaCl溶液中的 極化曲線圖和電化學(xué)阻抗譜Fig. 8 Polarization curves (a) and EIS (b) of specimens with different Si contents in 3.5% NaCl solution

3 結(jié)論

(1) 腐蝕初期，隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，車輪鋼的平均腐蝕速率逐漸下降，在30 d左右時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，基本不再隨時(shí)間變化。隨著車輪鋼中C含量的增加及Si含量的降低，車輪鋼穩(wěn)態(tài)腐蝕速率增大。

(2) 腐蝕初期，車輪鋼中Si含量的提高使材料自腐蝕電位升高以及電荷轉(zhuǎn)移電阻增大，從而提高其耐蝕性。

(3) 周期浸泡3 d后，車輪鋼表面開始出現(xiàn)點(diǎn)蝕，隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，點(diǎn)蝕坑數(shù)量和尺寸不斷增大，車輪鋼表面粗糙度增加；腐蝕60 d后，車輪鋼表面腐蝕坑開始連接，出現(xiàn)較大的腐蝕坑。點(diǎn)蝕坑的出現(xiàn)破壞了車輪鋼表面的完整性，會(huì)在蝕坑底部造成應(yīng)力集中，危害車輪的運(yùn)行安全。

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Effects of C and Si Content on Corrosion Behavior of Wheel Steel

WU Fei1, XIAO Feng2, JIANG Bo2, CUI Yin-hui2, REN Xue-chong1

(1. National Center for Materials Service Safety, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2. Ma′anshan Steel & Iron Co., Ltd., Ma′anshan 243000, China)

Corrosion behavior of wheel steel with different C and Si contents was investigated using alternate immersion test and electrochemical test in 3.5% (mass fraction) NaCl solution. The corrosion rate was calculated based on the weight loss measurement. The surface morphology and cross section of specimens corroded for different times were observed. The surface roughness and the size of corrosion pits on the surface of specimens corroded for different times were measured using optical metrology. The results show that the corrosion rate increased with the increase of C content and with the decrease of Si content. The free corrosion potential and charge transfer resistance increased with the increase of Si content, resulting in the improvement of corrosion resistance of wheel steel. Corrosion pits existed on the surface of specimens corroded for 3 days, and the surface roughness and the size of corrosion pits increased with the prolongation of corrosion time. Corrosion pits can destroy the integrity of wheel surface and make stress concentrate on the bottom of pits, which are harmful to the operation safety of the wheels.

wheel steel; alternate immersion test; corrosion; pitting; electrochemistry

10.11973/fsyfh-201702008

2015-10-01

國家自然科學(xué)基金(U1234207)； 國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2015AA034302)

任學(xué)沖(1978-)，副研究員，博士，從事金屬材料服役性能研究，13426328515，renxchong@163.com

TG174

A

1005-748X(2017)02-0124-05