N800CF低碳貝氏體鋼及其焊接接頭腐蝕行為研究

張志毅 汪認 崔云龍 史春元 劉洋 金成

摘要：采用周期浸蝕試驗研究了N800CF低碳貝氏體鋼及其焊接接頭在模擬工業大氣環境下的耐腐蝕行為，并與SMA490BW和Q345C兩種材料進行了對比。通過計算腐蝕失重率以及電化學極化曲線分析其腐蝕行為與機理。結果表明，N800CF低碳貝氏體鋼耐工業大氣腐蝕性能低于SMA490BW耐候鋼，但好于Q345C低合金鋼;N800CF低碳貝氏體鋼接頭的耐蝕性能高于母材，且不同焊接熱輸入下的N800CF低碳貝氏體鋼接頭在腐蝕前期耐蝕性相差不大，隨著腐蝕時間的延長，線能量為15 kJ/cm時焊接接頭耐蝕性最好，當線能量達到18 kJ/cm時其耐蝕性相對較差。

關鍵詞：N800CF低碳貝氏體鋼;焊接接頭;周期浸潤腐蝕;腐蝕失重;極化曲線

中圖分類號：TG457.11文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）11-0098-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.18

0 前言

隨著我國高速鐵路運輸的不斷提速，對列車組的輕量化提出了更高的要求，目前我國制造高速動車組轉向架焊接構架的主要用鋼為SMA490BW耐候鋼和Q345C低合金鋼[1]，低碳貝氏體高強鋼作為一種具有高強度與高韌性的低合金鋼，用其代替傳統轉向架用鋼，以實現高速動車組的減重，具有廣闊的應用前景[2-5]。

由于轉向架的可靠性在列車運行中的重要作用，需要對比新型低碳貝氏體高強鋼與傳統轉向架用鋼的焊接接頭質量與性能，評價其焊接接頭的可靠程度，才能進一步討論其是否可以投入使用。李恒奎[6]等通過周期浸蝕和鹽霧實驗分析研究了動車組轉向架用鋼的耐候性能。胡潔[7]等研究了轉向架用耐候鋼母材與焊絲匹配對接頭應力腐蝕性能的影響，結果表明焊接過程會在一定程度上改變母材的耐蝕性，進而影響構件整體的耐蝕性。文中主要研究NF800CF新一代低碳貝氏體高強鋼與SMA490BW耐候鋼和Q345C低合金鋼在耐腐蝕性能上的差異，并對比三種焊接熱輸入下的接頭耐腐蝕性能，為低碳貝氏體高強鋼在列車轉向架中的應用提供試驗依據。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗用鋼采用南鋼生產的N800CF低碳貝氏體高強鋼，板材尺寸350 mm×150 mm×12 mm，焊絲采用符合GB/T8810-1995標準的大西洋焊接材料有限責任公司生產的CHW-80C1（直徑φ1.2 mm）實心焊絲，N800CF鋼母材和焊絲的化學成分及力學性能如表1、表2所示。

母材耐蝕性對比試驗用鋼采用SMA490BW耐候鋼和Q345C低合金鋼，其化學成分及力學性能分別如表3、表4所示。

1.2 試驗方法

（1）試板的焊接。

采用常規MAG焊接工藝對N800CF低碳貝氏體鋼板進行焊接，采用TransPuls Synergic 5000 CMT氣保護焊機，接頭形式為對接，坡口角度60°，鈍邊尺寸1.0 mm，組焊間隙1.5 mm，保護氣體流量22 L/min。焊接工藝參數如表5所示。

（2）周浸腐蝕試驗。

分別對三種母材及三種不同焊接熱輸入下的焊接接頭進行周期浸潤腐蝕試驗，試驗參照標準TB/T2375-93進行，腐蝕環境為模擬工業大氣（溶液為初始濃度1.0×10-2 mol/L的NaHSO3溶液，補充液為2.0×10-2 mol/L的NaHSO3溶液，溶液溫度為45±2 ℃，濕度為70±5%RH）。腐蝕試樣尺寸為60 mm×40 mm×3 mm，焊接接頭試樣焊縫位于試樣中心線，試樣中心線一端加工φ2.5通孔，用于懸掛試樣。將試件表面打磨光滑，先后用石油醚及酒精和丙酮清洗表面，采用FL-65型周期浸潤腐蝕試驗機進行試驗。試驗分為25 h、50 h、75 h、100 h、125 h、150 h六個周期，每個周期取4個平行試樣（1個進行組織觀察，3個進行失重測量），每一循環周期60±3 min，浸潤時間為12±1.5 min，烘烤后試樣表面最高溫度為70 ℃±10 ℃。稱重試樣在試驗后采用含緩蝕劑的鹽酸溶液去除表面銹層，隨后用清水清洗，再用無水乙醇、丙酮浸泡后吹干，干燥24 h后進行稱重，并計算試樣腐蝕失重率，計算方法如下：

式中 W為腐蝕失重率（單位：g/m2·h）;G0為試樣原始質量（單位：g）;G1為試樣試后質量（單位：g）;a、b、c分別為試樣的長度、寬度、厚度（單位：mm）;t為試驗時間（單位：h）。

2 試驗結果與討論

2.1 周浸試驗失重結果

（1）N800CF低碳貝氏體鋼母材。

通過模擬工業大氣環境下周期浸潤試驗的失重情況，比較N800CF貝氏體高強鋼、SMA490BW耐候鋼以及Q345C低合金鋼母材的腐蝕性能，結果如表6所示。由表6可知，三種母材的腐蝕失重率均呈現先增大后減小的趨勢，其原因是在腐蝕過程中，基體表面形成銹層，并且阻礙反應的繼續進行，隨著腐蝕周期的增加，銹層厚度不斷累積，阻礙作用不斷提高，腐蝕失重率會在循環周期為75 h時達到最大值。根據失重率對比，其中Q345C低合金鋼母材具有最高的失重率，N800CF貝氏體鋼次之，SMA490BW耐候鋼失重率最低。由此可見，工業大氣條件下，Q345C低合金鋼耐蝕性最差，SMA490BW耐候鋼耐蝕性最好，N800CF低碳貝氏體鋼耐蝕性介于二者之間。

不同焊接熱輸入下N800CF低碳貝氏體鋼的焊接接頭周浸腐蝕失重率如表7所示，其變化趨勢與母材一致，均為先增后減，其中在75 h時，由于前期腐蝕失重率較大，腐蝕速率較快，銹層厚度增長也較快，12 kJ/cm和18 kJ/cm低碳貝氏體鋼焊接接頭及母材在此時失重率達到最大;而15 kJ/cm低碳貝氏體鋼焊接接頭前期腐蝕速率較慢，銹層形成且加厚的速度較慢，其失重率最大值出現滯后至100 h。通過比較周浸腐蝕失重數值可知，不同焊接熱輸入的低碳貝氏體鋼焊接接頭腐蝕失重率均高于母材，其中18 kJ/cm的焊接接頭腐蝕失重率最高，12 kJ/cm接頭腐蝕失重率在腐蝕周期75 h之前高于15 kJ/cm，腐蝕周期大于75 h時，由于15 kJ/cm接頭腐蝕失重率曲線峰值的滯后，其腐蝕失重率高于12 kJ/cm接頭。由上述分析可得出，N800CF低碳貝氏體鋼的MAG焊對接接頭的耐蝕性能整體優于母材，熱輸入18 kJ/cm接頭耐蝕性最差，腐蝕周期75 h前，12 kJ/cm接頭耐蝕性高于15 kJ/cm接頭，75 h后反之。

2.2 銹層分析

腐蝕周期25 h、150 h后三種母材試樣表面宏觀形貌分別如圖1、圖2所示。周浸腐蝕過程中，試樣表面出現表層黃褐色以及底層黑色兩種腐蝕產物。其中腐蝕周期為25 h時，試件表面銹層主要為表層的黃褐色腐蝕產物，隨著腐蝕進行至150 h后，疏松的黃褐色產物逐漸從試件表面脫落，顯露出緊貼基體并且較為致密的黑色腐蝕產物，黑腐蝕產物的形成表明腐蝕產物中二價鐵氧化物逐漸增多[8-9]。Q345C母材試樣表面黃褐色產物脫落最為明顯，N800CF次之，SMA490BW母材腐蝕產物脫落最不明顯。

不同焊接熱輸入下低碳貝氏體鋼焊接接頭腐蝕表面宏觀形貌如圖3所示。腐蝕周期為25 h時，在腐蝕前期母材與焊縫表面均為黃褐色腐蝕產物，隱約可以分辨出焊縫和母材，并且不同焊接熱輸入下焊縫腐蝕表面區別不明顯，說明在腐蝕前期不同焊接熱輸入焊縫耐蝕性能接近，結果與表7接頭試樣周浸腐蝕失重數據相吻合。腐蝕進行到150 h后，三種焊接熱輸入下腐蝕表面宏觀形貌特征基本相同，試樣表層黃褐色腐蝕產物部分脫落，露出下層較為致密的黑色腐蝕產物，其中焊縫區黑色腐蝕產物較為明顯。

2.3 極化曲線

三種材料母材在模擬工業大氣環境浸泡30 min以及14天的極化曲線如圖4所示。結合表8的自腐蝕電流密度及自腐蝕電位測量值可知，自腐蝕電位高低依次為SMA490BW耐候鋼>N800CF低碳貝氏體鋼>Q345C，自腐蝕電流密度SMA490BW耐候鋼

浸泡14天后，三種材料的自腐蝕電位下降，自腐蝕電流密度增大，相比30 min時耐蝕性均有所下降，其中SMA490BW耐候鋼自腐蝕電位耐蝕性變化最小，說明其長時間浸泡形成的質量相對較高，在一定程度上阻礙了反應的進行，而N800CF低碳貝氏體鋼及Q345C鋼自腐蝕電位明顯下降，自腐蝕電流密度也明顯增大，說明其形成的銹層質量較差，對反應的阻礙作用較小[10]。

結合周浸腐蝕結果可以看出，三種母材的耐蝕性能依次為：SMA490BW耐候鋼>N800CF低碳貝氏體鋼>Q345C。這是因為Cr元素的加入能夠促進腐蝕過程中鈍化膜的形成，明顯提高鋼的耐蝕性[11]，耐候鋼中加入的Cr元素含量明顯高于另外兩種母材，所以其耐蝕性優于N800CF低碳貝氏體鋼和Q345C;N800CF中加入的Mo元素能夠起到細化晶粒、增大晶界比例的作用，當加入較少的Mo元素會降低P、S在晶界上的濃度，提高局部耐蝕性能，但由于N800CF低碳貝氏體鋼中Mo的含量高于0.1%，晶粒過于細化，會使晶界反應自由能降低并且低于晶粒本身，從而導致材料的耐蝕性能下降，低于SMA490BW耐候鋼[9];Cu元素在材料表面的富集，是材料表面形成穩定氧化膜的基礎，Q345中Cu元素含量相對較低，因此其形成的氧化膜質量最差，耐蝕性最低[12]。

不同焊接熱輸入下焊縫區極化曲線如圖4所示，自腐蝕電流密度及自腐蝕電位測量值如表9所示。

由圖4a所示，在浸泡30 min后，三種焊接熱輸入下焊縫的極化曲線形狀相同，自腐蝕電位和自腐蝕電流密度差別不大，說明在腐蝕前期，三種焊接熱輸入下接頭焊縫區耐蝕性能相當。由圖4b可知，浸泡14天后，不同焊接熱輸入下焊縫的自腐蝕電位均有所下降，相比腐蝕前期耐蝕性降低，其中焊接熱輸入為15 kJ/cm時，自腐蝕電位下降最不明顯，12 kJ/cm次之，18 kJ/cm時自腐蝕電位明顯下降。結果表明，三種焊接熱輸入下，在腐蝕前期不同焊接熱輸入耐蝕性能差別不大，隨著腐蝕的進行，15 kJ/cm焊縫耐蝕性逐漸優于12 kJ/cm和18 kJ/cm焊縫，18 kJ/cm形成銹層質量相對最差，耐蝕性最低。

3 結論

（1）N800CF低碳貝氏體鋼耐模擬工業大氣腐蝕性能低于SMA490BW耐候鋼，但好于Q345C低合金鋼。

（2）不同焊接熱輸入下N800CF低碳貝氏體鋼接頭耐蝕性能均高于母材。

（3）不同焊接熱輸入下的N800CF低碳貝氏體鋼接頭在腐蝕前期耐蝕性相差不大，隨著腐蝕時間的延長，15 kJ/cm焊接接頭耐蝕性最好，12 kJ/cm次之，18 kJ/cm耐蝕性相對較差。

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