轉向架用Q345C鋼堆焊接頭組織及鹽霧腐蝕行為

張 強，代夫華，司 毅，王志敏，胡云瑞，馬傳平

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

轉向架用Q345C鋼堆焊接頭組織及鹽霧腐蝕行為

張 強1，代夫華1，司 毅1，王志敏1，胡云瑞1，馬傳平2

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

通過金相組織分析、力學性能試驗、極化曲線試驗和鹽霧腐蝕試驗，對比研究Q345C母材及其堆焊接頭組織、力學性能及耐蝕性能。結果表明，堆焊接頭組織與母材相比具有一定的差異。母材的沖擊韌性優于堆焊焊縫。在相同試驗條件下，Q345C母材及其堆焊接頭腐蝕初期表面均出現橘紅色的銹層，隨著試驗的進行，銹層逐漸加深，絕大部分橘紅色銹層變為黑褐色銹層腐蝕產物。堆焊焊縫的腐蝕傾向、腐蝕速度和腐蝕失重均低于母材，但相差不大，其耐蝕性能稍優于母材。

轉向架；Q345C鋼；堆焊接頭；鹽霧腐蝕

0 前言

轉向架是軌道車輛安全可靠運行最關鍵的部件之一。轉向架在使用過程中基體裸露，由于季節環境等條件的惡劣變化，經常受風沙、潮濕空氣、酸雨等侵蝕，會受到嚴重腐蝕造成安全隱患，直接危及軌道交通車輛的安全運行，影響車輛使用壽命[1-2]。從鐵路行業多年的現場調研發現構架腐蝕的主要原因有[3-5]：（1）早期生產的車輛衛生間大都采用直排式，污物容易附著在構架上，這些污物的長時間附著就形成了電化學腐蝕的環境，尤其是糞便在酵解后產生酸、氨等，會逐漸侵蝕構架上的部件。（2）由于側梁下蓋板及附加氣室下蓋板處位置較低，列車運行時容易帶起軌面的沙石，破壞油漆保護層，從衛生間排出的污物和車輛清洗時的水也容易在此聚集，給點狀腐蝕的產生提供了條件。

因此為了保證轉向架構架的服役壽命，不但要在材料選擇、力學性能等方面保證其可靠性，而且要在轉向架防腐性能方面尋求更為有效的防腐措施和解決辦法。對于已經產生腐蝕過限的轉向架，為了減少因構架報廢造成的浪費和經濟損失，工廠一般采用堆焊的方法進行焊補修復[3]。本研究在Q345C鋼表面進行堆焊，模擬堆焊焊補轉向架腐蝕過限區域，觀察和分析堆焊層組織和基本力學性能，同時對堆焊接頭進行鹽霧腐蝕試驗，為轉向架腐蝕過限區域焊補工藝的可行性和施工工藝的合理性提供基礎數據支撐。

1 試驗材料及方法

試驗材料為轉向架用Q345C鋼，其化學成分和力學性能見表1[6]。堆焊方法采用焊條電弧焊，φ4 mm J506焊條，直流反接，焊接電流110～130 A，焊接電壓按照匹配關系適當調整，預熱溫度大于10℃。

表1 Q345C鋼化學成分及基本力學性能

堆焊焊補完成后對焊補接頭進行取樣，采用Zeiss-A1M數碼金相顯微鏡進行金相檢驗，金相腐蝕液為7％的硝酸酒精；采用HVS-30維氏硬度計進行維氏硬度檢測，加載力10 kgf，加載時間15 s，間隔1 mm一個點；沖擊試驗參照GB/T2650-2008焊接接頭沖擊試驗方法制成V型缺口試樣，利用JBN-300沖擊試驗機進行試驗。

極化曲線測試試樣尺寸為10 mm×10 mm的Q345C母材（BM）和堆焊焊縫（W）。在試樣背面用電烙鐵錫焊電極導線，除工作面外其他表面用硅橡膠封樣，工作表面按400#、600#、1 000#、1 500#、2500#砂紙依次打磨，并拋光至無劃痕。電化學測試儀器為微機控制型LK-98A型電化學分析儀，采用常規的三電極法體系，工作電極為試樣、參比電極為甘汞飽和氯化鉀溶液電極（SCE）、輔助電極為金屬鉑片電極，電解質溶液分別為用去離子蒸餾水配制的質量分數為3.5％的NaCl化學分析純溶液，測試溫度35℃±1℃，電位掃描范圍-500～500 mV，掃描速度0.5 mV/s。

鹽霧腐蝕試驗試樣尺寸為45 mm×25 mm×4 mm的Q345C母材和堆焊接頭（堆焊焊縫+母材）各3個，分別編號為B-1、B-2、B-3和D-1、D-2、D-3；機械拋光后用丙酮清洗試樣表面，然后吹干，測量表面積，并用FA1004型精密天平測量試樣初始質量，精確至小數點后4位；最后將試樣放入GP/YWP90型鹽霧腐蝕試驗箱，試樣受檢驗表面與垂直方向成30°。試驗鹽溶液濃度為3.5％，試驗時鹽霧箱內溫度恒定在35℃±1℃。試驗時間為0d、3d、7d、14d、30 d，在預定時間點取出試樣吹干，用數碼相機拍攝腐蝕宏觀形貌，然后用檸檬酸銨溶液（200 g檸檬酸銨+蒸餾水配成1 000 ml溶液）清除腐蝕產物，對試樣多次重復清洗、吹干后進行失質量測量，精確至小數點后4位。

2 試驗結果及分析

2.1 金相組織分析

焊補堆焊接頭金相組織如圖1所示。表層堆焊層主要為柱狀晶，組織為先共析鐵素體沿柱狀晶內分布，晶內有針狀鐵素體、少量粒狀貝氏體和珠光體（見圖1a）。表層焊道與前一焊道之間交界處為細晶區，其原因是：在焊接時，最后一道焊縫對前一道焊縫起到了熱處理作用，使焊縫較為粗大的柱狀晶轉變為細小的等軸晶（與正火區組織相近），白色等軸晶為鐵素體，黑色為珠光體（見圖1b）。圖1c為最下層焊縫與母材連接的熔合區金相組織，上半部分母材側主要為呈帶狀分布的塊狀鐵素體和珠光體，下半部分焊縫側為塊狀分布的鐵素體和因重結晶而細化的珠光體，帶狀分布明顯。母材為細小呈帶狀分布的珠光體和鐵素體組織（見圖1d）。

2.2 硬度分析

對堆焊接頭從焊縫表層往下至母材進行硬度檢測，共選擇兩條線。由圖2可知，堆焊焊縫近表面硬度較高，測試線1距表面1 mm處的硬度值為184 HV，隨著距表面距離的增大，硬度值下降，但下降的趨勢較平穩，直至最下層熱影響區，最下層熱影響區硬度從約150 HV快速升至約180 HV，之后母材的硬度又有所下降。即堆焊焊縫表面和最下層熱影響區的硬度值較高，母材硬度其次，中間焊縫層的硬度最低，這與堆焊焊縫不同區域的組織密切相關。

2.3 沖擊性能

堆焊接頭常溫下沖擊試驗結果如表2所示，其中1#～3#試樣缺口開在堆焊焊縫區域，4#～6#試樣缺口開在母材區域。由表2可知，堆焊焊縫的沖擊功平均值為170 J，而母材的沖擊功平均值為203 J，說明Q345C母材的沖擊韌性優于堆焊焊縫。這是因為母材組織分布均勻，晶粒細小，沖擊韌性較好；而堆焊層焊縫組織分布不均勻、晶粒尺寸大小分布不均，所以沖擊韌性較差。

圖1 堆焊接頭金相組織

圖2 堆焊接頭硬度性能曲線

表2 沖擊試驗結果

2.4 極化曲線分析

極化曲線測試結果如表3和圖3所示。Q345C母材的自腐蝕電位Ecorr為-0.799 5 V和自腐蝕電流密度Jcorr為18.457 μA/cm2，而堆焊焊縫的Ecorr和Jcorr分別為-0.772 8 V、15.918 μA/cm2，母材的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度均大于堆焊焊縫，但非常接近。自腐蝕電位Ecorr是熱力學概念，是一個特定的腐蝕體系在沒有其他外加電流的情況下測得的金屬電位，反映被腐蝕發生的難易程度。Ecorr值越負，腐蝕傾向越大；其值越正，腐蝕傾向就越小。而自腐蝕電流密度Jcorr則是動力學概念，它表征金屬腐蝕的速度，Jcorr越大腐蝕速度越快，金屬材料的耐蝕性就越差，Jcorr越小腐蝕速度越慢，材料的耐蝕性就越好。從極化曲線測試結果來看，Q345C母材的腐蝕傾向和腐蝕速度均大于堆焊焊縫，說明堆焊焊縫的耐蝕性稍優于Q345C母材。

表3 極化曲線測試結果

圖3 堆焊焊縫和母材的極化曲線

2.5 鹽霧腐蝕行為

在不同時間點下試樣腐蝕及去除腐蝕產物后的宏觀形貌如圖4、圖5所示。無論是Q345C母材還是堆焊接頭，在腐蝕初期，試樣表面附著的橘紅色的疏松的麻點狀銹層，隨著試驗的進行，銹層顏色逐漸加深，試驗30 d后，絕大部分橘紅色銹層變為黑褐色。文獻[7]研究表明，這些銹層的腐蝕產物主要由FeO、Fe2O3、Fe3O4、γ-FeOOH和α-FeOOH構成，而對鋼的耐蝕性能的影響主要取決于銹層中最終形成的穩定的α-FeOOH腐蝕產物所占比例和分布。這是因為α-FeOOH晶體形貌呈致密團狀，晶體團相相互之間緊密堆積，決定其既有好的致密性又有好的附著力[8]。而去除腐蝕產物后，試樣表面十分粗糙，呈現出坑洼狀，有許多麻坑。在腐蝕初期（3 d）表面局部區域還殘留有未被腐蝕的原始表面，在腐蝕后期（30 d）則沒有發現未被腐蝕的原始表面，說明腐蝕先從麻點腐蝕開始，形成腐蝕產物，由于腐蝕產物主要為形狀不規則的塊狀和粉末狀，同時銹層中存在裂紋和縫隙，導致腐蝕介質容易滲入，從而接觸集體，加快腐蝕[8]，后面聚集成片，形成層狀腐蝕。

圖4 不同時間點試樣宏觀腐蝕形貌

從試樣腐蝕和去除腐蝕產物后的宏觀和微觀形貌來看，Q345C母材和堆焊接頭的腐蝕過程形貌變化并沒有太大的區別。

Q345C母材和堆焊接頭各3個試樣的平均腐蝕失重數據如表4所示，腐蝕失重曲線見圖6。由表4和圖6可知，腐蝕前期（3 d）堆焊接頭的平均失重量大于Q345C母材，說明該階段堆焊接頭腐蝕速度要快于Q345C母材；而在3d以后三個階段一直到試驗結束（30 d），母材的腐蝕失重大于堆焊接頭，說明3～30 d這段時間母材的腐蝕速度大于堆焊接頭，但兩者相差不大，說明在誤差允許范圍內，可以認為兩者腐蝕速度相同。

3 結論

（1）Q345C堆焊焊縫表面和最下層熱影響區的硬度值較高，母材硬度其次，中間焊縫層的硬度最低，這與堆焊焊縫不同區域的組織密切相關。Q345C母材的沖擊韌性優于堆焊焊縫。

（2）Q345C母材的自腐蝕電位Ecorr為-0.7995 V，自腐蝕電流密度Jcorr為18.457 μA/cm2；而堆焊焊縫的Ecorr和Jcorr分別為-0.7728V、16.918μA/cm2。堆焊焊縫的腐蝕傾向和腐蝕速度均低于母材，但相差不大，其耐蝕性能稍優于母材。

（3）Q345C母材和堆焊接頭腐蝕初期出現橘紅色的銹層，隨著試驗的進行，銹層逐漸加深，試驗30 d后，絕大部分橘紅色銹層變為組織較為致密的黑褐色銹層腐蝕產物。在試驗周期內Q345C母材的腐蝕速度略大于堆焊焊縫，但相差不大。

（4）對比Q345C母材和堆焊接頭的組織、基本力學性能、極化曲線和鹽霧腐蝕試驗結果發現，試驗所用堆焊焊補工藝用于實際腐蝕過限區域的補焊是可行的。

圖5 不同時間點試樣去除腐蝕產物后的表面微觀形貌

表4 平均腐蝕失重數據

圖6 腐蝕失重曲線

[1]陰敬甲.S355J2W耐候鋼焊接接頭腐蝕性能研究[D].北京：北京交通大學，2011.

[2]盧峰華，范瑋，馬傳平.CW200K轉向架焊接殘余應力無損測量[J].電焊機，2016，46（1）：36

[3]胡廣勝，姜建東.206P型轉向架焊接構架銹蝕原因及補強處理分析[J].鐵道車輛，2011，49（7）：40-41.

[4]曾令金.客車焊接轉向架腐蝕情況調查研究[J].鐵道車輛，2011，49（3）：37-39.

[5]傅振亮.鐵道客車轉向架腐蝕機理及涂層防腐工藝研究[D].遼寧：大連交通大學，2008.

[6]GB/T 1591-2008，低合金高強度結構鋼[S].

[7]肖魁，董超芳，李曉剛，等.碳鋼和耐候鋼加速腐蝕實驗研究[J].裝備環境工程，2007，4（3）：5-8.

[8]郭麗娟，魯二敬，田慧，等.S355J2G3與Q345R低合金鋼焊接接頭耐腐蝕性能對比研究[J].熱加工工藝，2013，42（3）：26-27.

Microstructure and salt spray corrosion behavior of bogie Q345C steel surfacing weld

ZHANG Qiang1，DAI Fuhua1，SI Yi1，WANG Zhimin1，HU Yunrui1，MA Chuanping2
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.College of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The microstructure，mechanical properties and corrosion resistance of Q345C steel base metal and its surfacing weld were comparatively studied by microstructure analysis，basic mechanical properties test，polarization curve test and salt spray corrosion test.The results show that,there are some difference of the microstructure between Q345C steel base metal and its surfacing weld，and the impact toughness of the base metal is superior to surfacing weld.Under the same testing conditions，the surface of Q345C steel base metal and surfacing weld both generate orange rust layer in the initial corrosion，along with tests，rust layer gradually changes color，becomes dark brown with dense tissue.The corrosion tendency，corrosion rate and corrosion weight loss of surfacing weld are lower than the Q345C steel base metal，but the difference is small，and the corrosion performance is slightlybetter than the base metal.

bogie；Q345C steel；surfacing weld；salt spray corrosion

TG455

A

1001－2303（2016）06－0107-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.22

2016-04-22

張強（1986—），男，工程師，在讀博士，主要從事軌道車輛車體及轉向架設計與工藝開發工作。