鐵路車輛用高強耐候鋼的開發

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(1.河鋼集團承鋼公司，承德 067102；2.東北大學，軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819；3.河鋼集團鋼研總院，石家莊 050023)

0 引 言

大氣腐蝕是鋼鐵材料破壞的主要方式之一，世界上每年因腐蝕而報廢的金屬設備和材料量相當于金屬年產量的20%～40%，我國每年因鋼材銹蝕而造成的直接經濟損失超過100億元。耐候鋼是在普通碳鋼的成分基礎上添加少量銅、鎳、鉻等合金元素而開發的,廣泛應用于鐵路、建筑、橋梁等領域。在使用過程中，耐候鋼表面會形成一層致密的、附著牢固的腐蝕產物保護膜，阻止腐蝕介質(氧和水)對基體的進一步侵蝕，從而大大提高其耐大氣腐蝕能力[1]；其耐大氣腐蝕能力可以達到普通碳鋼的2～8倍[2-3]。

耐候鋼在鐵道車輛用鋼材中占比很大。鐵道車輛在使用過程中不斷受到大氣腐蝕和動載荷磨蝕作用，惡劣的工況環境要求所使用的鋼材具有高可靠性、長壽命、輕量化等性能，同時其成本要低。隨著鐵路現代化建設的發展，高速、重載要求的不斷提高，鐵道車輛的車體材料也開始由低強度普通碳鋼、低強度耐大氣腐蝕鋼向高強度耐大氣腐蝕鋼的方向發展，而實現鐵道車輛輕量化的有效措施之一是采用高強度材料[4]。因此，作者單位開發了Q500NQR1和Q550NQR1高強耐候鋼，研究了其顯微組織、力學性能和耐腐蝕性能，為鐵道車輛用鋼的選擇提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 化學成分設計

為滿足耐大氣腐蝕性能、力學性能和焊接性能等方面的要求，采用低碳、硫、磷，添加銅、鉻、鎳等耐大氣腐蝕元素，添加鈮、鈦等微合金化元素的設計方案對TB/T 1979-2014中的鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼——Q500NQR1和Q550NQR1耐候鋼的成分進行改進[5-6]。利用銅、鉻、鎳等合金元素實現在大氣腐蝕環境下耐候鋼的均勻鈍化；利用鈮、鈦微合金化元素和控軋控冷技術實現晶粒細化和析出強化，從而提高耐候鋼的強韌性；低碳當量則保證了良好的焊接性能。改進后2種耐候鋼的化學成分見表1。

表1 2種耐候鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of two weathering resistant steels (mass) %

1.2 中試軋制工藝

利用真空感應爐熔煉出150 kg鑄錠，鍛造成尺寸為110 mm(厚度)×110 mm(寬度)的方坯。將方坯在加熱爐中加熱到1 200 ℃保溫120 min，在450 mm四輥可逆式軋機上軋至12 mm厚。采用奧氏體完全再結晶區和未再結晶區兩階段軋制工藝，總壓下率大于70%。軋后快速冷卻至終冷溫度，終冷后進行石棉保溫冷卻以模擬卷取過程。2種耐候鋼的中試軋制工藝參數分別見表2和表3。

表2 Q500NQR1耐候鋼的中試軋制工藝參數Table 2 Pilot rolling process parameters for Q500NQR1weathering resistant steel

表3 Q550NQR1耐候鋼的中試軋制工藝參數Table 3 Pilot rolling process parameters for Q550NQR1weathering resistant steel

1.3 工業生產工藝

在1 780 mm熱連軋生產線上進行Q500NQR1和Q550NQR1耐候鋼的工業生產，工藝流程為脫硫→150 t轉爐冶煉→鋼包精煉爐(LF)精煉→RH精煉→板坯保護澆注→板坯加熱→高壓水除鱗→粗軋→(熱卷箱)→精軋→層冷→卷取→檢驗→包裝→入庫。連鑄坯厚度為200 mm，成品厚度為5 mm；軋制中間坯厚度為50.8 mm。Q500NQR1耐候鋼(鋼板號1705006001)的粗軋結束溫度為1 028 ℃，精軋終軋溫度在860～890 ℃，卷取溫度在600～640 ℃；Q550NQR1耐候鋼(鋼板號1709757001)的粗軋結束溫度為1 050 ℃，精軋終軋溫度在860～880 ℃，卷取溫度在600～640 ℃。軋后2種耐候鋼板的表面質量均優良。

1.4 試驗方法

在中試和工業生產的鋼板上截取金相試樣，經打磨、拋光、體積分數4%硝酸酒精腐蝕后，利用LEICAQ550IW型光學顯微鏡進行顯微組織觀察。在鋼板上橫向截取圓棒狀拉伸試樣，標距為50 mm，根據GB/T 228.1-2010，在5105-SANS型微機控制電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速度為3 mm·min-1。按照GB/T 229-2007，在ZBC2452-B型擺錘式沖擊試驗機上進行沖擊試驗，試驗溫度-40 ℃，沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，開V型缺口。

根據TB/T 2375-1993，對工業生產耐候鋼和對比用Q345B鋼同時進行周期浸潤腐蝕試驗，腐蝕試驗箱型號為ZQFS-1200OZ，腐蝕介質為0.01 mol·L-1NaHSO3溶液，pH在4.4～4.8，補給液為0.02 mol·L-1NaHSO3溶液。采用干濕交替方式，試驗溫度為(45±2) ℃，相對濕度為70%±5%，設置紅外燈烘烤環境，烘烤后試樣表面的最高溫度為(70±10) ℃，腐蝕時間分別為24，72，168，240，360 h。周期浸潤腐蝕試驗后，用數碼相機觀察試樣表面的宏觀腐蝕形貌，用FEI QUANTA 600型掃描電鏡(SEM)觀察表面和截面微觀腐蝕形貌，截面試樣用環氧樹脂進行鑲嵌，利用JEOL-8530F型電子探針(EPMA)對銹層成分進行分析。利用X射線衍射儀(XRD)進行物相分析，采用銅靶，Kα射線，掃描步長0.04°，用帶有PDF-2標準卡片庫的MDI Jade軟件通過峰值位置自動匹配法來進行物相的確定。用由500 mL鹽酸+1 000 mL蒸餾水+3.5 g六次甲基四胺組成的溶液去除表面腐蝕產物層(銹層)，表面銹層去除干凈后用酒精清洗，冷風吹干，置于干燥器皿中干燥24 h,取出，稱取質量，計算腐蝕速率和相對腐蝕速率，計算公式分別為

×106

(1)

WR=W/WC

(2)

式中：W為腐蝕速率，g·mm-2·h-1；WR為相對腐蝕速率；m0為腐蝕前試樣的質量，g；m1為腐蝕后試樣的質量，g；a為試樣長度，mm；b為試樣寬度，mm；c為試樣厚度，mm；WC為對比材料Q345B鋼的腐蝕速率。

2 試驗結果與討論

2.1 中試軋制耐候鋼的顯微組織和力學性能

由圖1可以看出，3種工藝軋制后Q500NQR1耐候鋼的顯微組織均由均勻細小的鐵素體、珠光體和少量貝氏體組成。

由圖2可知：3種工藝軋制后Q550NQR1耐候鋼的顯微組織與Q500NQR1耐候鋼的基本相同，也均由均勻細小的鐵素體、珠光體和少量貝氏體組成。

圖1 不同工藝軋制后Q500NQR1耐候鋼的顯微組織Fig.1 Microstructures of Q500NQR1 weathering resistant steel after rolling with different processes:(a) process 1-1; (b) process 1-2 and (c) process 1-3

圖2 不同工藝軋制后Q550NQR1耐候鋼的顯微組織Fig.2 Microstructures of Q550NQR1 weathering resistant steel after rolling with different processes:(a) process 2-1; (b) process 2-2 and (c) process 2-3

由表4可見：不同工藝軋制后2種耐候鋼的力學性能均滿足標準指標要求，在具有高強度的同時保持了低的屈強比，并具有良好的沖擊韌性和塑性；Q500NQR1耐候鋼的-40 ℃沖擊功遠高于標準指標下限值，而Q550NQR1耐候鋼具有更低的屈強比。

2.2 工業生產耐候鋼的顯微組織和拉伸性能

由圖3可見，工業生產Q500NQR1和Q550NQR1耐候鋼的顯微組織均主要由均勻的鐵素體、珠光體和少量貝氏體組成，晶粒度11.5級。

由表5可知：工業生產Q500NQR1和Q550NQR1耐候鋼的拉伸性能良好，滿足TB/T 1979-2014標準指標要求，且塑性良好，保證了成形性。

表4 不同工藝軋制后2種耐候鋼的力學性能及標準指標Table 4 Mechanical properties of two weathering resistant steels after rolling with different processes and the standard indices

圖3 工業生產Q500NQR1和Q550NQR1耐候鋼的顯微組織Fig.3 Microstructures of Q500NQR1 (a) and Q550NQR1 (b) weathering resistant steels by industrial production

表5 工業生產2種耐候鋼的拉伸性能Table 5 Tensile properties of two weathering resistantsteels by industrial production

2.4 工業生產耐候鋼的耐腐蝕性能

圖4 2種耐候鋼和Q345B鋼的腐蝕速率隨腐蝕時間的變化曲線Fig.4 Corrosion rate vs corrosion time curves of two weatheringresistant steels and Q345B steel

由圖4可以看出，2種耐候鋼腐蝕速率隨時間的變化規律相同，均可分為2個階段：第1階段(0～168 h)為腐蝕減緩階段，此階段內的腐蝕速率隨腐蝕時間的延長而下降；第2階段(168～360 h)為腐蝕平穩階段，此階段內的腐蝕速率隨腐蝕時間的延長趨于平穩。在腐蝕初期，2種耐候鋼的腐蝕速率均迅速降低，這是由于在鋼基體的表面形成了一層腐蝕產物層，對基體與腐蝕介質之間的電化學反應起到了阻礙作用；在腐蝕后期，鋼基體表面形成了較厚的銹層，且銹層變得致密穩定，起到了保護膜的作用，阻礙了基體與腐蝕介質的深度反應，導致腐蝕速率趨于穩定[5]。Q500NQR1和Q550NQR1耐候鋼的腐蝕速率均明顯低于Q345B鋼的，且當腐蝕時間為72 h時，相對腐蝕速率(相對于Q345B鋼)分別為44.5%，40.1%，滿足相對腐蝕速率(相對于Q345B鋼)低于55%的TB/T 1979-2014標準要求。

由圖5可知：在腐蝕24 h后，Q500NQR1和Q550NQR1耐候鋼表面即產生一層薄而均勻的銹層，隨著腐蝕時間的延長，銹層的顏色由淺變深，且銹層完整，與基體的結合較緊密； Q345B鋼表面的銹層顏色深淺不一，在腐蝕后期有大量腐蝕產物從鋼基體上脫離，不能很好地起到阻擋腐蝕介質對基體的侵蝕作用。

由圖6可以看出：在腐蝕初期，對比用Q345B鋼表面的銹層呈疏松多孔狀，腐蝕360 h時表面腐蝕產物呈發散的針狀團簇，致密性能很差，空氣及腐蝕介質容易進入基體；腐蝕168 h時2種耐候鋼表面的腐蝕產物變成球狀團簇，腐蝕360 h時腐蝕產物長大，團簇間變得緊密，這種緊密的結構能夠阻礙腐蝕介質進入基體，起到很好的保護作用。

圖5 2種耐候鋼和Q345B鋼在腐蝕不同時間后的表面宏觀形貌Fig.5 Surface macromorphology of two weathering resistant steels and Q345B steel after corrosion for different times: (a-e) Q345B steel;(f-j) Q500NQR1 weathering resistant steel and (k-o) Q550NQR1 weathering resistant steel

圖6 2種耐候鋼和Q345B鋼在腐蝕不同時間后的表面微觀形貌Fig.6 Surface micromorphology of two weathering resistant steels and Q345B steel after corrosion for different times: (a-c) Q345B steel;(d-f) Q500NQR1 weathering resistant steel and (g-i) Q550NQR1 weathering resistant steel

由圖7可以看出：腐蝕24 h時，銅元素并未在銹層中出現富集；腐蝕72 h時，銅、鉻、磷和鎳元素在銹層中均出現明顯富集。銅、鉻在基體與銹層之間的富集說明形成了富銅鉻的阻擋層，該阻擋層與鋼基體結合牢固，具有較好的保護作用，有利于提高耐腐蝕性能。

圖7 腐蝕不同時間后Q500NQR1耐候鋼表層的截面SEM形貌和元素分布Fig.7 SEM morphology (a, c) and element distribution (b, d) on cross section of surface layer of Q500NQR1 weatheringresistant steel after corrosion for different times

3 結 論

(1) 中試軋制和工業生產的Q500NQR1和Q550NQR1耐候鋼的顯微組織均由鐵素體、珠光體和貝氏體組成；2種耐候鋼均具有高的強度和良好的沖擊韌性，滿足鐵道車輛用耐大氣腐蝕鋼的標準指標要求。

(2) 工業生產的Q500NQR1和Q550NQR1耐候鋼的耐大氣腐蝕性能優良，腐蝕72 h時的相對腐蝕速率(對比材料為Q345B鋼)分別為44.5%，40.1%，滿足鐵路用耐候鋼的標準要求；隨著腐蝕時間的延長，耐候鋼表面的腐蝕產物逐漸變成球狀團簇，且球狀團簇間變得緊密，能有效阻礙腐蝕介質對鋼基體的侵蝕。

(3) 當腐蝕72 h時，Q500NQR1耐候鋼表面銹層中銅、鉻、磷和鎳元素均出現了明顯富集現象，說明在鋼基體與腐蝕介質之間形成了富銅鉻阻擋層，且該阻擋層與鋼基體結合較好，能起到良好的保護作用。

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