高速列車支撐槽6005A-T6鋁合金/304不銹鋼連接件電偶腐蝕行為研究

趙 巖，李新魁，洪曉靜，王海冰，裴艷輝，單美樂

（1.中車唐山機車車輛有限公司動車檢修事業(yè)部，唐山063035；2.西南交通大學材料科學與工程學院，成都610031）

0 前言

近年來我國高速列車飛速發(fā)展，通過引進、消化、吸收、再創(chuàng)造，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的各類和諧號動車組系列。我國幅員遼闊，高速列車在服役過程中不可避免的與各種腐蝕環(huán)境接觸，其中海洋性環(huán)境中Cl-對高速列車的腐蝕損傷威脅最大。隨著高速列車服役時間的延長，腐蝕問題逐步顯現(xiàn)。例如設備艙支架與支撐槽的連接部位，其中設備艙支架和支撐槽為6005A-T6 鋁合金，通過304 不銹鋼角鋼和螺栓進行連接[1，2]。鋁合金的腐蝕電位通常在-0.7 V 左右[3，4]，不銹鋼的腐蝕電位在-0.2 V左右[5]，二者之間存在0.5 V的電位差，在腐蝕環(huán)境中將引起鋁合金和不銹鋼之間的電偶腐蝕問題。當發(fā)生電偶腐蝕時，低電位的鋁合金成為陽極而發(fā)生快速腐蝕[6，7]。在進行五級修的動車組列車中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)部分支撐槽出現(xiàn)嚴重腐蝕問題。由于缺乏該類型連接件的具體腐蝕參數(shù)，對該類型連接件的腐蝕損傷及腐蝕損傷的演化規(guī)律尚不明確，因此也無法對部件的剩余壽命進行評估。目前針對這類腐蝕問題均采用直接更換新部件的方法進行處理，極大地增加了高速列車的維護成本。

本文針對高速列車支撐槽部件的腐蝕問題，制備6005A-T6 鋁合金/304 不銹鋼螺栓連接件，通過電化學、腐蝕失重及表面形貌分析對其在鹽霧腐蝕環(huán)境下的腐蝕損傷隨腐蝕時間的演化規(guī)律進行了研究，以期為高速列車支撐槽部件的安全服役和維護提供指導依據(jù)。

1 材料及試驗方法

試驗材料為6005A-T6 鋁合金和304 奧氏體不銹鋼，材料的主要化學成分如表1 所示。其中6005A-T6 鋁合金經(jīng)530 ℃淬火固溶后，進行175 ℃/8 h 的峰值時效處理，基體組織為沉淀強化的第二相，彌散分布于α-Al基體上。304不銹鋼經(jīng)1 050 ℃保溫30 min 后在水中淬火固溶，金相組織為單相奧氏體，見圖1。

表1 6005A-T6鋁合金及304奧氏體不銹鋼主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

圖1 金相組織

為模擬支撐槽與設備艙支架連接部位的電偶腐蝕制備了如圖2所示的模擬件。其中深灰色部分為304 奧氏體不銹鋼，面積為（30×50） mm2，厚度4 mm。淺灰色部分為6005A-T6 鋁合金，面積為（30×50） mm2，厚度4 mm。通過304 不銹鋼螺栓將二者進行連接，緊固力矩25 N·m。為使試驗數(shù)據(jù)更接近部件的實際狀態(tài)，所有試樣均直接取自于新的支撐槽部件、連接用的304不銹鋼角鋼及螺栓。

圖2 電偶腐蝕對試樣

為研究連接件的電偶腐蝕損傷的演化過程，將電偶腐蝕對試樣放入鹽霧試驗箱中進行鹽霧腐蝕試驗。每隔200 h進行一次取樣，分別對6005A-T6鋁合金及304不銹鋼的腐蝕失重、交流阻抗、電偶腐蝕電流、電偶腐蝕電位及腐蝕形貌進行分析，總試驗時間2 000 h。

鹽霧腐蝕試驗采用3.5%NaCl溶液，pH調(diào)節(jié)為5，試驗溫度25 ℃，采用連續(xù)噴霧方式。試樣在進行鹽霧腐蝕前先在丙酮溶液中超聲清洗去除油污，在10% NaOH 水溶液中浸泡10 min 后，再于HN03溶液中浸泡至表面光亮，最后用蒸餾水洗凈并烘干后分別稱重。鹽霧腐蝕開始后每間隔200 h 取一次樣，在流水中用軟毛刷去除試樣表面腐蝕產(chǎn)物，烘干后測量試樣重量。每次測量取3個平行試樣，以3個試樣的平均值作為最后的結(jié)果。

6005A-T6 鋁合金及304 不銹鋼的腐蝕損傷程度通過單位面積失重量（Δm，g ?mm2）來表示，Δm的計算公式為：

其中：m0（g）為未腐蝕試樣的重量，m1（g）為腐蝕試樣去除氧化物后的重量，S（m2）為試樣表面積。

交流阻抗測試分析分別在鹽霧腐蝕400 h、800 h、1 200 h、1 600 h 和2 000 h 后取樣進行。交流阻抗測試頻率范圍為10-2～105Hz，擾動電位5 mV，腐蝕介質(zhì)為3.5%NaCl 溶液，pH 值調(diào)節(jié)為5。交流阻抗測試分析完成后，對6005A-T6鋁合金和304 不銹鋼之間的電偶腐蝕電流和電位進行測試，測試時間1 800 s。

6005A-T6鋁合金和304不銹鋼表面的腐蝕形貌分析分別在體視顯微鏡和掃描電鏡下進行。取樣時間分別為400 h、800 h、1 200 h、1 600 h和2 000 h。

2 結(jié)果及分析

2.1 電偶腐蝕電流及電位

6005A-T6 鋁合金和304 不銹鋼電偶對在鹽霧腐蝕0 h、400 h、800 h、1 200 h、1 600h和2 000 h后的電偶腐蝕電位如圖3 所示。從圖中可以看出，在前800 h的鹽霧腐蝕過程中，6005A-T6鋁合金和304 不銹鋼之間的電偶腐蝕電位從-0.63 V 增大到-1.16 V。電偶腐蝕電位增大，將造成6005A-T6鋁合金和304不銹鋼之間的電偶腐蝕加劇。隨著鹽霧腐蝕時間進一步延長到1 600 h，電偶腐蝕電位逐步減小至-0.66 V，6005A-T6 鋁合金和304 不銹鋼之間的電偶腐蝕有所減緩。當鹽霧腐蝕時間進一步延長，電偶腐蝕電位再次出現(xiàn)增大的趨勢，6005A-T6 鋁合金和304 不銹鋼之間的電偶腐蝕再次加劇。

圖3 不同時長鹽霧腐蝕后6005A-T6鋁合金和304不銹鋼之間的電偶腐蝕電位

經(jīng)0h、400 h、800 h、1 200 h、1 600 h和2 000 h鹽霧腐蝕后的電偶腐蝕電流如圖4所示。從圖中可以看出，與電偶腐蝕電位的變化趨勢基本一致，在前800 h 腐蝕時間內(nèi)，電偶腐蝕電流隨著腐蝕時間的延長而增大，6005A-T6 鋁合金和304 不銹鋼之間電偶腐蝕加劇。隨著鹽霧腐蝕時間的進一步延長至1 600 h，電偶腐蝕電流出現(xiàn)下降的趨勢，6005A-T6 鋁合金和304 不銹鋼之間的電偶腐蝕減緩。當腐蝕時間超過1 600 h 后，電偶腐蝕電流再次出現(xiàn)增大，6005A-T6 鋁合金和304 不銹鋼之間電偶腐蝕再次加劇。

圖4 不同時長鹽霧腐蝕后6005A-T6鋁合金和304不銹鋼之間的電偶腐蝕電流

2.2 腐蝕失重

6005A-T6 鋁合金和304 不銹鋼的單位面積失重量隨鹽霧腐蝕時間的變化規(guī)律如圖5所示。從圖中可以看出，相同腐蝕時間下6005A-T6 鋁合金的單位面積失重量比304不銹鋼高70倍左右，低電位的6005-A-T6鋁合金在電偶腐蝕中作為陽極發(fā)生嚴重的腐蝕。圖3 中的曲線斜率即為材料的腐蝕速率。從圖中可以看出，6005A-T6 鋁合金和304 不銹鋼的腐蝕速率呈相互抑制關(guān)系。在前800 h 腐蝕時間范圍內(nèi)，6005A-T6 鋁合金的腐蝕速率呈加速狀態(tài)，而304 不銹鋼的腐蝕速率則基本維持穩(wěn)定，這是由于304不銹鋼氧化膜很薄，能夠在較短的時間內(nèi)形成致密的氧化膜而鈍化[5]，而6005A-T6鋁合金來不及形成致密的氧化膜則持續(xù)發(fā)生腐蝕。隨著腐蝕時間的延長，6005A-T6 鋁合金表面的氧化膜逐步穩(wěn)定，304不銹鋼表面的氧化膜由于Cl-的作用發(fā)生點蝕破壞，使得6005A-T6 鋁合金和304 不銹鋼之間的電偶腐蝕電流密度降低，6005A-T6 鋁合金的腐蝕速率降低，304 不銹鋼的腐蝕速率加快。當腐蝕時間超過1 400 h后，由于304不銹鋼較強的自鈍化能力，其表面的氧化膜得到修復，使得6005A-T6 鋁合金和304 不銹鋼之間的電偶腐蝕電流密度再次增大，6005A-T6 鋁合金的腐蝕速率再次加快，而304 不銹鋼的腐蝕速率則基本趨于穩(wěn)定。

圖5 單位面積失重隨腐蝕時間的變化趨勢

2.3 腐蝕形貌

經(jīng)過400 h、800 h、1 200 h、1 600 h和2 000 h鹽霧腐蝕后6005A-T6 鋁合金和304 不銹鋼表面體視顯微鏡下的腐蝕形貌如圖6所示。從圖中可以看出，隨鹽霧腐蝕時間的延長，6005A-T6 鋁合金和304不銹鋼表面均發(fā)生了不同程度的腐蝕，其形貌與腐蝕失重隨時間的變化趨勢形成良好的對應。對于6005A-T6 鋁合金，隨著腐蝕時間的增加，表面持續(xù)形成氧化膜，在1 200 h 時形成的氧化膜十分致密，具有良好的保護作用，在一定程度上可以降低電偶腐蝕速率；隨著腐蝕時間的進一步延長，6005A-T6 鋁合金表面氧化膜持續(xù)增加并出現(xiàn)龜裂，保護性降低，其電偶腐蝕速率增大。304不銹鋼表面的腐蝕形貌以點蝕為主。在前1 200 h 的鹽霧腐蝕中，304 不銹鋼表面的點蝕分布比較稀疏，此時的腐蝕速率較低；腐蝕至1 600 h時，304不銹鋼表面的點蝕面積明顯增大，腐蝕速率有所加快；腐蝕2 000 h后的304不銹鋼表面點蝕面積較1 600 h沒有出現(xiàn)明顯的增加，說明腐蝕速率沒有出現(xiàn)持續(xù)的加速。

圖6 6005A-T6鋁合金和304不銹鋼表面體視顯微鏡下的腐蝕形貌

掃描電鏡下6005A-T6 鋁合金和304 不銹鋼表面典型的腐蝕形貌如圖7 所示。對于6005A-T6 鋁合金而言，除均勻腐蝕和點蝕外，α-Al 基體晶界也發(fā)生了腐蝕，甚至發(fā)生開裂，如圖7（a）所示。304不銹鋼表面則以點蝕和均勻腐蝕為主，未發(fā)現(xiàn)沿晶腐蝕特征，如圖7（b）所示。

圖7 掃描電鏡下6005A-T6鋁合金和304不銹鋼表面典型的腐蝕形貌

3 結(jié)論

（1）低電位的6005A-T6鋁合金在腐蝕電偶中作為陽極發(fā)生嚴重腐蝕，單位面積失重比304不銹鋼高70倍左右。

（2）腐蝕速率受電偶腐蝕電流和電位控制，6005A-T6 鋁合金呈先增大，再減緩，最后再次增大的趨勢；304 不銹鋼則先保持一定的腐蝕速率，隨后加劇，最后再次保持一定的速率。

（3）304 不銹鋼表面以均勻腐蝕和點蝕形貌為主，6005A-T6 鋁合金表面則出現(xiàn)了明顯的晶間腐蝕開裂。