重軌鋼腐蝕的研究進展

吳世杰，劉麗霞,b，彭軍,b

（內蒙古科技大學 a.材料與冶金學院，b.內蒙古自治區先進陶瓷與器件重點實驗室，內蒙古 包頭 014010）

從1997年至2007年，我國鐵路完成六次大提速。開行時速200 km/h以上的車組52對，出現中國品牌的 CRH，形成一批快速客運通道，高速鐵路進一步發展。京包、京九等鐵路速度提升至200 km/h；京滬、京廣最高時速達250 km/h，我國鐵路已經進入高速發展時期。發展高速鐵路有利于交通狀況改善，歐美、亞洲等國和地區均計劃進一步發展高速鐵路。

據統計，全世界每年金屬腐蝕是地震、水災、臺風等自然災害造成損失總和的6倍。多年來，鐵路腐蝕給鐵路行業帶來了巨大的經濟損失和安全隱患。鋼軌腐蝕會導致整個鐵軌的損壞，給交通帶來巨大的安全風險，造成人民財產的損失[1]。鋼軌腐蝕問題越來越受到人們的重視，大氣腐蝕已成為影響鋼軌使用壽命的重要因素。隨著我國社會的發展，大氣污染日益加重，鋼軌腐蝕的問題必然會更加嚴重。因此，為了提高鋼軌耐蝕性能，國內外相關科技工作者很早就開始在鋼軌腐蝕機理、銹層成分、腐蝕電化學等方面進行了理論研究與技術探索，但實際應用卻進展緩慢。國內對鋼軌損傷的研究僅限于對鋼軌的機械和疲勞分析，很少考慮各種腐蝕因素（如水分、大氣污染、溫差、雜散電流等）的影響。所以，研究鋼軌的腐蝕原理，找出防止其腐蝕的措施十分必要。

1 國內外重軌鋼研究簡介

鋼軌是軌道結構的重要組成部分，承擔著引導車輪、傳遞載荷的作用。我國早期使用的鋼軌為碳素鋼軌，隨著經濟的發展，開始使用微合金和合金鋼軌，90年代又成功研發了Cr-Mn-Mo系貝氏體鋼軌，近幾年國內開發碳質量分數為 0.90%～1.0%的過共析鋼軌，目前正在進行使用考核[2]。重軌鋼在我國主要是指生產60～70 kg/m的重軌（含道岔）使用的鋼種。國內重軌鋼生產廠家包括包鋼、武鋼、鞍鋼、攀鋼、邯鋼等鋼鐵企業。攀鋼主要生產的鋼種有 U71Mn/U71MnG、U75V/U75VG、U78CrV等材質鋼軌，道岔用50AT、60AT、60D40、60TY等品種鋼軌。鞍鋼主要生產的鋼種有U71Mn/U71MnG、U75V/U75VG、U77MnCr等材質鋼軌，道岔用 50AT、60AT等品種鋼軌。包鋼和武鋼生產百米定尺鋼軌[3]。目前關于高速重軌鋼的研究主要集中在提高重軌鋼的抗疲勞、抗磨耗性能和純凈度方面。

國外大約有23家比較知名的重軌生產廠家，一直在研制高強重軌鋼。日本新日鐵公司[4]研制出來的高強重軌鋼是過共析鋼軌鋼，通過增加鋼軌成分中的碳含量，達到增加珠光體組織中滲碳體片層厚度的目的，進而使重軌鋼具有更高的強度和耐磨性。英鋼聯研究開發出硬度達 445HB的低碳馬氏體鋼軌，該鋼軌的耐磨性和韌性均較高[6]。德國Thyssenstarh研制出的高強重軌鋼是貝氏體鋼軌，軌頭硬度達425HB，已經進行了鋪設試驗，證實其耐磨性比普通熱處理鋼軌好。貝氏體鋼軌強度高、韌性和塑性好，是珠光體鋼軌的2～5倍，同時還易于與珠光體鋼軌焊接。美國鐵路、日本NKK和Burlington Northern聯合開發了“抗破損”的高強重軌鋼，與普通鋼軌相比，該種鋼軌具有更強的抗破損能力[5]。

國內通過在重軌鋼中添加合金元素，改善鋼軌性能，提高鋼軌耐磨性方面的研究較多。攀鋼通過添加V研制開發了PD3、PD4等合金重軌鋼，包鋼通過添加V、Nb、Cr、RE，研制開發了U75V、U76CrRE、BNbRE等合金重軌鋼。鋪設結果表明，添加了合金元素的重軌鋼，其耐磨性能和使用壽命均比普通鋼軌有所提高。

全世界的鋼鐵和金屬設備每年因腐蝕造成的損失非常高，腐蝕帶來的環境污染等問題在嚴重時甚至讓人民的生命安全難以得到保障。按照產生腐蝕的環境狀態，腐蝕可以分為大氣腐蝕、土壤腐蝕、微生物腐蝕、淡水和海水腐蝕，鐵路鋼軌的腐蝕多數情況下屬于大氣腐蝕。根據機理的不同，可以將腐蝕分為化學腐蝕和電化學腐蝕，鋼軌腐蝕屬于電化學腐蝕。鐵路軌道的腐蝕主要發生在海邊、陰暗隧道和濕潤的大氣環境中，其失效的主要原因是大氣腐蝕和應力損壞。鋼軌腐蝕是以下因素的綜合作用，首先，大氣中的濕潤空氣、污染的氣體、雨水和晝夜溫差為軌道的電化學腐蝕提供了條件。其次，機車的頻繁應力導致軌道變形和進一步加快電化學腐蝕。同時，由于軌道對地面的絕緣受限，機車牽引電流在電路回路中不可避免地泄漏，這使得電化學反應速度加快，鐵路腐蝕加劇[1]。

2 合金元素對重軌鋼腐蝕的影響

目前重軌鋼中加入的合金元素有C、Si、Mn、V、Nb、Ti、W、Cu、Al、Si、Cr或Ni等，其中 C是添加最廣的元素，可以提高屈服點及抗拉強度，但其對材料的塑性和沖擊性的影響是消極的，當材料中 C的質量分數超過0.23%時，鋼材焊接性能急劇下降，大氣腐蝕能力變差，已發生銹蝕現象。這是因為碳元素的氧化過電位較低，發生腐蝕現象的熱力學趨勢較大。Si通常在煉鋼的過程中作為還原劑和氧化劑，所以鋼材一般都含有Si，可以明顯增強鋼材的彈性極限值，屈服點和抗拉伸強度也會提高。Mn在鋼鐵煉制的過程中通常作為良好的脫氧、脫硫劑，錳鋼較普通鋼材具有許多優點，如機械強度高、韌性更強、硬度高、抗拉伸能力好，同時熱處理及加工性能方面同樣表現優異，淬性好，屈服點較普通鋼提高40%，耐磨性能優異，但高錳鋼影響材料的抗腐蝕性能和焊接性能。在不同環境下合金元素對腐蝕速率的影響是不同的，Cr可有效降低鋼材在較高 Cl?濃度中的點腐蝕速率，相反，Cu、P可以有效防止二氧化硫污染的影響[7]。V在鋼鐵生產過程中起到優良脫氧劑的作用，鋼材中V的添加可以使材料的強度和韌性顯著增加，并且在后續熱處理的過程中對微觀組織的晶粒有細化作用，并且在高溫高壓下抗氫腐蝕能力明顯增強。

Nb的添加主要作用于鋼材微觀組織，細化晶粒的同時可以使材料過熱敏感性降低，回火脆性減弱，強度增強，抗大氣腐蝕性能提高，高溫高壓下耐受氫、氮、氧的腐蝕，并且適當的添加可以使材料易于焊接。王曉麗等[8-9]在U76CrRE重軌鋼中添加合金元素Nb，在模擬工業大氣腐蝕中發現，Nb的添加有利于銹層中物質的生成，因此加入適量的Nb有利于提高鋼材的耐腐蝕性。通過研究表明，RE在基體的局部富集促進了銹層中穩定性α-FeOOH的快速生成，改善了重軌鋼在工業大氣環境下的耐腐蝕性能。吳志峰等[10]研究發現，La可以使點蝕電位升高，添加La后腐蝕銹層更加連續、致密，腐蝕性粒子難以進入金屬基體，從而使得重軌鋼的耐腐蝕性能提高。竇為學等[11]在U75V高速重軌鋼中加入合金元素Cr，通過電化學研究發現，適量的Cr有利于提高鋼基體銹層的致密性，進而提高耐腐蝕性。加入質量分數0.45%Cr的試驗鋼自腐蝕電流密度比其他三種試驗鋼都低，耐腐蝕能最佳。

Y.H.Qian等[12]研究了Cr含量對鋼軌耐腐蝕性能的影響，Cr的加入提高了鋼的鈍化能力，除銹后，Cr質量分數大于7%的鋼的腐蝕電流密度明顯降低。T.Misawa等[13]的研究結果表明，合金元素在重軌鋼的內層銹層中富集，使得鋼軌的內層銹層明顯比碳鋼的內層銹層致密，增強了鋼的耐蝕性。T.Kamimura[14]研究了含Cr鋼在濕/干循環過程中的腐蝕，發現在干燥過程中，含Cr鋼的腐蝕速率低是由于在Cr摻雜的氧化物存在下，生銹層內的銹蝕減少，Fe2+的形成受到抑制，從而提高了Cr重軌鋼的耐腐蝕性。同時通過電化學分析，也能了解到重軌鋼腐蝕速率較低。

B.Panda等[15]采用失重法、紅外光譜、銹蝕形貌和EIS分析等方法，研究了添加銅、鉬、鉻、鎳、硅合金的新型鋼軌鋼在潮濕干燥鹽霧49 a后的腐蝕行為，所有鋼軌的減重值相似。所有鋼軌內層和外層鐵銹層的鑒定相為非晶 γ-FeOOH（lepidocrocite）、Fe3?xO4（磁鐵礦）、非晶 α-FeOOH（goethite）和非晶δ-FeOOH。在所有鋼軌中，Fe3?xO4被認為是主要的銹蝕相。與C-Mn、Cu-Si鋼軌鋼相比，Cu-Mo、Cr-Mn、Cu-Ni、Cr-Cu-Ni、Cr-Cu-Ni、Cr-Cu-Si鋼軌鋼的 ZCP要高，所有鋼軌鋼在沒有任何外部電位情況下的自由腐蝕電位（FCP）均相似。由于氧在室溫下的最大溶解度很低，陰極反應速率受氧從本體溶液擴散到鋼表面的限制，因此所有鋼軌鋼的陰極反應均受到擴散的限制。在銹蝕 49 a后，所有鋼軌的阻抗譜中均出現了兩個時間常數。通過對低頻阻抗數據的比較發現，鉻銅鎳鋼軌的擴散效應低于其他鋼軌。曝露氣體條件下中性溶液的主要還原反應是氧的還原（O2+2H2O+4e=4OH?），這與CrCuNi鋼軌銹蝕大孔數減少有關。CrCuNi和CrCuNiSi鋼軌上形成的致密鐵銹使得高頻區域的阻抗較高，耐腐蝕性能更好。CrCuNi和CrCuNiSi鋼軌表面銹蝕的顯微形貌如圖1所示[15]。

圖1 CrCuNi和CrCuNiSi鋼軌表面銹蝕的顯微形貌Fig.1 SEM micrograph of corrosion on CrCuNi and CrCuNiSi steel rails surface

3 組織結構對重軌鋼腐蝕的影響

在很長時間內，國內外學者就合金元素和晶粒尺寸等對鋼大氣腐蝕性能的影響做了很多研究，卻很少研究金相組織對鋼腐蝕的影響。由于鋼軌的腐蝕日益嚴重，人們逐漸發現金相組織對鋼的腐蝕也有較大程度的影響。有人曾對不同組織的耐候鋼進行耐腐蝕分析，發現低碳貝氏體組織比其他組織類型的鋼更耐腐蝕。在模擬大氣腐蝕環境下，馬氏體鋼耐腐蝕性能大于針狀鐵素體鋼和珠光體+鐵素體鋼。不同組織對鋼的耐腐蝕性能有很大的影響，所以非常有必要研究組織對鋼腐蝕的作用和機理[16]。重軌鋼通過熱處理的方法來減少組織晶間間距，以提高其耐腐蝕性。郭佳等[17]研究發現顯微組織直接影響鋼初期腐蝕，并間接影響長期腐蝕。在初期腐蝕時，鐵素體鋼中大角晶界易于優先腐蝕，而貝氏體內小角晶界擇優腐蝕減弱，鐵素體加珠光體的擇優腐蝕集中于珠光體及其邊界。鐵素體裸鋼有較強的耐腐蝕性，貝氏體與鐵素體+珠光體裸鋼初期耐腐蝕性差，長期腐蝕性能更優。貝氏體鋼不僅具備優良的強韌性，也具備優良的耐腐蝕性能。鐵素體+珠光體鋼的長期耐腐蝕性能也較好的原因可能是由于珠光體中的滲碳體片對銹層與基體起鉚接作用[18]。

邵軍[19]研究了組織為馬氏體、貝氏體＋鐵素珠、珠光體＋鐵素體的低合金高強度船板鋼在酸性氯離子環境下的耐蝕性，結果表明組織對鋼的耐蝕性有明顯的影響。馬氏體結構單一以及碳化析出量少，結構之間沒有明顯的相位差，腐蝕反應均勻分布在鋼材表面，易形成致密的銹層，對基體具有較好的保護效果。董杰吉[20]等研究發現，由于碳濃度分布不均，加速了鐵素體+珠光體組織鋼中微電池的形成，降低了鋼的耐蝕性。ULCB鋼是一種均勻、細密的板條狀貝氏體組織，不會產生明顯的電化學效應，因而ULCB鋼具有良好的耐蝕性，能夠滿足使用條件。Z.F.Wang等[21]比較了加速循環腐蝕試驗后的ULCB鋼和09CuPCrNi鋼的耐蝕性，并研究了微觀結構對腐蝕的影響，發現采用均勻的組織、較低的碳含量、大量的低角度邊界和隨機分布的Σ3邊界可以有效地提高ULCB鋼的耐蝕性。

任安超等[22]通過掃描電鏡觀察和測量 U75V和U68CrCu鋼軌鋼的珠光體，研究這兩種鋼早期的腐蝕機理。研究結果表明，熱軋后 U68CrCu鋼軌鋼珠光體片層間距明顯減少，表面形成更多的微電池，更容易形成均勻腐蝕，銹層更加致密。相對于U68CrCu，U75V鋼軌珠光體片層間距大且比較粗糙，形成微電池相對較少，更容易發生點腐蝕，從而導致腐蝕速度相對較快。珠光體鋼容易被腐蝕主要與珠光體片層間距有關，如圖2所示。微觀組織為珠光體復相組織的U71Mn鋼樣，經過周期性浸潤腐蝕，自腐蝕電位隨著時間的增加而降低，腐蝕傾向較大，腐蝕電流的增加表明，隨著腐蝕的進一步發展，鋼材的抗腐蝕能力降低。通過對腐蝕產物的觀察可知，銹層形貌較為粗糙，且分布均勻性差，其中包含的滲碳體會在U71Mn內部產生腐蝕微電池，進而使得鋼中鐵素體組織的腐蝕速率增加。

圖2 U68CrCu鋼軌鋼珠光體腐蝕Fig.2 Pearlite corrosion of U68CrCu steel rail

D.Clover[23]研究表明，腐蝕/滲透速率的變化部分是由微觀結構的差異而造成的。研究發現，具有帶狀鐵素體/珠光體結構的鋼在局部腐蝕方面表現不佳，這歸因于碳化鐵相滲碳體（Fe3C）的分離分布。相比之下，觀察到的所有其他微觀結構為均勻的滲碳體。鋼的細化鐵素體、鐵素體/粗粒、點針狀珠光體/珠光體或回火馬氏體微觀組織的腐蝕性能存在微不足道的差異。無論如何，鐵素體/粗粒和少量珠光體/珠光體材料在平均腐蝕和滲透性方面表現得更好。D.Clover推測，在富碳相和大塊鋼之間形成了電偶，注意到滲碳體相對于鐵是陰極的。同樣，與鐵相比，錳的陽極性更強，這可能有利于在錳和大塊材料之間形成一對電偶。顯然，這兩種效應將相互競爭。錳還影響鋼中含碳相的形成，富含錳的區域有優先形成珠光體的趨勢。T.Perez[24]等研究表明，鐵素體在珠光體晶粒中的優先腐蝕，珠光體鋼表面形成層狀或片狀滲碳體（珠光體為滲碳體的層狀結構，Fe3C、鐵氧體和鐵）。隨后，碳酸鐵垢被困在片層珠光體之間，進而形成電解質和鋼之間的物理屏障，然而，表面不均勻的鱗片覆蓋可能有利于局部腐蝕。

4 熱處理工藝或加工工藝對重軌鋼腐蝕的影響

通過不同熱處理工藝獲取不同細小程度的珠光體組織，研究珠光體組織對抗大氣腐蝕的影響。研究不同的熱處理工藝，以獲取不同程度的晶粒，達到不同的耐腐蝕效果，從而研究不同的重軌鋼耐腐蝕性能。周麗等[25]對含Cr重軌鋼進行不同加工工藝處理，以模擬其在工業大氣環境下的腐蝕，研究表明，經軋制處理的含Cr重軌鋼的耐腐蝕性明顯比經鍛造處理的高。含Cr重軌鋼經軋制處理后能促進保護性銹層增加，提高了銹層阻止侵蝕性介質穿透的能力。另外，軋制處理可提高重軌鋼的耐工業性大氣腐蝕性。隨時間的增加，軋制鋼比鑄造鋼更容易生成均勻的銹層。

E.Robert[26]研究了低水平的拉伸應變應用于先前腐蝕的鋼試樣，結果表明低水平拉伸應變對金屬表面的附著銹蝕損失的影響相對較小，Songbo Yin[27]研究了預變形對碳鋼磨損腐蝕協同效應的影響，結果表明總的磨損和腐蝕磨損協同作用均隨應變率的增加而增強。預變形對腐蝕磨損有兩個影響。一方面，之前的應變硬化可能或多或少有利于耐磨性[28-29]，因為隨著材料硬度的增加，磨損損失降低，盡管這種好處會受到位錯構型的影響。另一方面，預變形引起的位錯密度的增加會增大腐蝕速率[30]，從而增強磨損腐蝕的協同作用，進而導致更大的材料損失。更重要的是，其他缺陷，特別是之前的高應變率變形所產生的高密度微裂紋，可能會在腐蝕磨損過程中顯著惡化目標材料的力學性能。腐蝕輔助裂紋擴展已被廣泛研究[31]，裂紋主要通過溶解作用擴展，殘余韌帶在外加應力的作用下因機械斷裂而失效[32]。朱曄[33]研究了U74鋼軌，獲得超細珠光體，結果表明變形溫度控制在850～900 ℃、變形程度控制在50%時珠光體片層間距最小，并且隨冷卻速度增加而減小。變形溫度在850～900 ℃時，球團最小，并隨變形程度、冷卻速度的增大而減小。通過多道次熱軋變形工藝模擬試驗測定獲得超細珠光體組織的最佳變形工藝為 850 ℃終軋、5～10 ℃/s。細化珠光體晶粒有利于提高耐腐蝕性。

吳慶輝等[34]通過在熱模擬機上對耐腐蝕鋼進行單道次壓縮試驗，測定在變形溫度和變形量一定的情況下，降低變形速率有利于原奧氏體動態再結晶行為，空冷后獲得的珠光體間距減少。劉天模等[35]研究了不同冷卻速度對珠光體重軌鋼組織和性能的影響，發現冷卻速度主要影響鋼的珠光體片間距，但對珠光體的大小沒有明顯影響。細化珠光體片間距可以提高鋼的耐腐蝕性。鋼材腐蝕是一個嚴重的問題，因此研究鋼的腐蝕機理和腐蝕性能，目的是提出保護措施和防腐辦法。吳紅艷[36]采用多道次軋制，用TEM觀察試驗鋼組織為針狀鐵素體和板條貝氏體，析出物為Ti和Nb的復合碳氮化物。在熱連軋生產線上采用兩階段軋制，生產了09CuPTi系耐候鋼。結果表明，在腐蝕初期，腐蝕速度隨干濕循環次數的增加而增大，在后期腐蝕速度逐漸降低，09CuPTi鋼的腐蝕速率與SPA-H鋼相當，但低于Q345鋼。09CuPTi鋼銹層分為內外兩層，內銹層致密，主要由 α-FeOOH和少量γ-Fe2O3組成；Q345鋼銹層主要由 α-FeOOH、γ-Fe2O3和Fe3O4組成。電化學試驗表明，腐蝕產物促進陰極過程，抑制陽極過程。

5 結語

隨著中國鐵路建設和鐵路運輸的發展，應該加快耐腐蝕鐵路的研發，以滿足我國多樣化的氣候。雖然研究耐腐蝕鋼軌鋼多年，但還有許多亟待解決的課題，例如合金元素含量與非晶態銹物質之間的關系、工業大氣氣氛中β-FeOOH和SO42+的關系、銹層穩定化技術的開發、新型經濟耐候鋼種的研發、缺乏對重軌鋼腐蝕數據標準化等等。應該結合自身特點，借鑒外國先進研究成果，開發適合我國的耐腐蝕的重軌鋼，在重軌鋼中加入合金元素、不同組織、熱處理等加工工藝來研究鋼軌腐蝕。重軌鋼腐蝕過程是一個非常復雜的過程，包含物理領域、化學領域、電化學領域等多個學科領域。對大氣腐蝕的機理研究，應該在不同階段采用不同的研究方法進行機理、銹層產物探索。在原有的基礎上，結合一些新的研究手段，能使我們更清楚地了解重軌鋼腐蝕產物結構及演變作用機理。