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，按照我國鐵路網的道路設計能力，載重80 t 基本已經達到了極限（不包括專用線）。針對中國鐵路總公司提出的關于＂車輛用鋼減量化＂的目標，按照目前80 t 車體強度的要求，耐候鋼屈服強度高于450 MPa可滿足要求，但新型鐵路車輛用鋼的開發以長壽命、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 實驗材料與研究方法

試驗材料鋼種為S450EWR，其設計思路如下：為保證高耐腐蝕性要求在普通鐵道車輛用鋼加入質量分數為3.0%～5.0%的Cr 元素，并加入Ni、Cu 元素；加入Nb、Ti 等微合金元素以達到更高強度級別[3]。為進行對比以普通耐候鋼SPA-H 作為對比鋼種，試驗鋼板的化學成分見表1。

表1 實驗鋼成分 %

試驗鋼經50 kg 真空感應爐熔煉后,放入高溫箱式電阻爐加熱，經550 mm 熱軋實驗機組軋制，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。機加工Φ60 mm 原片，并用磨床將表面進行打磨處理，用于電化學極化曲線和阻抗檢測，采用電化學分析進行電化學分析，分別對實驗鋼的基體和帶繡層試樣進行測量，同步已普通耐候鋼SPA-H 作為對比鋼種。依據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行分析，獲得所測材料的耐腐蝕性。

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

將實驗所用S450EWR 鋼板通過機械加工制成尺寸為60 mm×40 mm（長×寬）試樣，用于周期性浸潤實驗，周期浸潤試驗周期為72 h。對試樣打磨后清洗，干燥24 h 后取出試樣掛在試驗箱中，往設備中加現配的NaHSO3溶液，矯正到達相應的周期后，取出試樣熱風吹干。經過干燥處理24 h 后，除銹的試樣用化學方法除去銹層并清洗試樣，稱重并給出腐蝕到72 h 的腐蝕數據。

2 實驗結果與討論

2.1 電化學腐蝕

根據電化學腐蝕結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 鹽霧實驗

按照上述試驗方法得到鹽霧實驗各階段失重量如表2 和圖2 所示。

表2 S450EWR 和SPA-H 鹽霧實驗過程失重量

圖2 S450EWR1 和SPA-H 失重對比

由實驗數據可以看出，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 的耐腐蝕性明顯優于SPA-H試樣。

2.3 周期性浸潤實驗

72 h 腐蝕數據如表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

當實驗進行至72 h 時，對比鋼SPA-H 表面出現大量氧化鐵皮脫落，脫落部分是由于腐蝕相在這些區域優先生長所致，脫落后仍然發生氧化作用，并且剛脫落后露出黑色的Fe3O4基體，隨著時間的進行黑色的內層氧化鐵皮繼續發生氧化進一步向棕紅色Fe2O3的轉變。高耐蝕鋼試樣表面布滿銹層并且顏色向紅褐色轉變，產生致密的銹層，顏色鮮亮，沒有發現鼓包和銹層脫落現象，銹層與基體結合牢固，形成一層較致密的銹層，同時不再有露出的基體，有效保護了基體與腐蝕介質的相互作用，減緩了腐蝕的速率。

2.4 討論

2.4.1 腐蝕的電化學原理

根據大氣腐蝕機理及所進行的極化曲線測試、腐蝕實驗等結果，可以得出在開始階段腐蝕介質快速進入鋼材表面基體，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速度影響占主導，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，反應的自由能低，更易優先腐蝕[4-5]。在腐蝕開始階段，高耐蝕鋼S450EWR 的耐蝕性能的優越性表現不明顯。

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別。高耐蝕鋼的銹層增厚并致密化，導致腐蝕介質的浸潤和干燥都比較緩慢，氧的供給和擴散也受到很大限制，電化學反應的速度變慢，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，它直接導致耐候鋼內銹層的生成。

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，文獻認為添加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，從而提高鋼的耐候性[7-8]。同時Cr 元素通過對腐蝕反應電化學過程的影響，使初始生成的銹層致密，阻止腐蝕反應進一步進行。從實驗結果看高Cr 含量的S450EWR 耐腐蝕性明顯提升。

3 結語

通過電化學測極化曲線和CCT 腐蝕實驗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驗鋼銹層的形成過程，得到以下結論：

1）根據電化學腐蝕結果看，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的耐腐蝕性明顯優于SPA-H 試樣。

3）通過觀察實驗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變，產生致密的銹層，顏色鮮亮，沒有發現鼓包和銹層脫落現象，銹層與基體結合牢固，形成一層較致密的銹層，同時不再有露出的基體，有效保護了基體與腐蝕介質的相互作用，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。