Q500E鋼的耐蝕性能研究

陳鵬生

（咸陽師范學院，咸陽 712000）

引言

Q500E鋼屬于低合金高強度結構鋼，由于具有強度高、塑性好等優點而被廣泛應用于電工電子、汽車、球類器械等民用鋼材領域。隨著近年來體育器械的快速發展，Q500E鋼在籃球架用鋼領域也逐漸占據一定市場份額，然而復雜使用環境下的籃球架用鋼除需要滿足較高強度、塑性、低溫韌性和疲勞性能外，耐腐蝕也是衡量籃球架用鋼質量的重要指標[1,2]。雖然我國近十年來在籃球架用鋼的研究和開發上取得了長足進步，但是仍然存在研發與應用明顯滯后于美日歐，多元合金成分、軋制工藝等與綜合性能之間的內在關系的基礎研究薄弱等問題[3]，為了提升籃球架用鋼的耐蝕性能等，目前的研究主要集中在碳含量控制、合金化技術（添加Cu、Cr、Ni和Nb等）和殘余元素（P、S等）控制上，而對于微觀組織對籃球架用鋼耐蝕性能的影響方面的報道較少，具體的作用機理也不清楚[4]。本文在調研國內外籃球架用鋼開發與應用的基礎上，選取添加了微粒Cu、Cr和Ni等元素的高強Q500E鋼為研究對象，考察了不同顯微組織的籃球架用鋼的耐蝕性能差異并分析了具體作用機理，以期為高性能籃球架用鋼的開發與應用提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗材料為寶鋼分公司熱軋廠制備的厚度32 mm的Q500E籃球架用鋼，采用電感耦合等離子發射光譜法測得主要元素化學成分如表1。

表1 Q500E籃球架用鋼的化學成分（w,%）

原始Q500E籃球架用鋼板加工成圓棒試樣（Ф14 mm×72 mm），在Gleeble 3800熱模擬試驗機上進行3種不同的熱處理：①工藝A：8 ℃/s加熱至910 ℃，保溫10 min后水冷至室溫；②工藝B：8 ℃/s加熱至760 ℃，保溫10 min后空冷至室溫；③工藝C：8 ℃/s加熱至660 ℃，保溫10 min后空冷至室溫。

沿同一方向切割塊狀金相試樣，打磨、拋光和4 %硝酸酒精溶液腐蝕后，置于Olymplus IX83型金相顯微鏡上觀察；將Q500E籃球架用鋼試樣加工成10 mm× 10 mm×2 mm塊狀試樣，采用銅導線焊接后用環氧樹脂封裝后制備成工作電極，飽和甘汞作為參比電極、鉑片作為輔助電極，工作電極試樣經過機械打磨和拋光后，參照GB/T 24196-2009《金屬和合金的腐蝕 電化學試驗方法》 ，在CHI 660A電化學工作站中進行電化學性能測試：①在用NaOH調節pH=7的0.01M 亞硫酸鈉溶液中進行連續極化電阻測試，溫度為室溫，周期為14天；②在用NaOH調節pH=7的0.01M 亞硫酸鈉溶液中進行動電位極化曲線測試。截取40 mm×50 mm×2 mm塊狀試樣，清洗、除油和干燥后稱重（W0），并在pH=7的0.01M 亞硫酸鈉溶液中進行全浸腐蝕試驗，溫度保持在25 ℃、時間為35 天，每7天更換一次溶液，實驗結束后采用1 L濃度37 %鹽酸+4 g六次甲基四胺緩蝕液對腐蝕試樣進行除銹，清洗和吹干后稱重（W1），然后計算腐蝕速率。采用帕納科Empyrean銳影智能X射線衍射儀對物相進行物相；采用 ZEISS LSM700型激光共聚焦顯微鏡觀察腐蝕后的表面形貌并采用三維重構圖統計50個視場的坑蝕數量、深度和寬度。

2 試驗結果與分析

圖1 為不同熱處理態籃球架用鋼的光學顯微組織。原始Q500E籃球架用鋼的光學顯微組織為多邊形鐵素體+粒狀貝氏體以及少量M/A島組織，簡寫為QPF+GBF+M/A；經過工藝A熱處理后，Q500籃球架用鋼的光學顯微組織為灰色貝氏體，簡寫為B；經過工藝B熱處理后，Q500籃球架用鋼的光學顯微組織為白色鐵素體+黑色珠光體，簡寫為F+P；經過工藝C熱處理后，Q500籃球架用鋼的光學顯微組織為馬氏體+鐵素體，簡寫為F+M。

圖1 Q500E籃球架用鋼的光學顯微組織

圖2為四種不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼的極化電阻曲線。在0~1 d范圍內，不同顯微組織的籃球架用鋼的極化電阻都出現明顯下降，這主要是因為開始階段試樣表面保護膜發生了破裂所致；隨著腐蝕時間延長至3 d，試樣表面開始形成腐蝕產物層，且保護膜層也逐漸發生自我修復，4種籃球架用鋼的極化電阻都出現急速增大；繼續延長腐蝕時間，腐蝕產物層的逐漸增厚，對籃球架用鋼基體的保護作用增強，極化電阻隨著腐蝕時間延長而呈緩慢增加趨勢。對比分析可見，貝氏體組織的籃球架用鋼在1~3 d時的極化電阻相對其它組織的籃球架用鋼要增加更快，其次為QPF+GBF+M/A和F+P，而F+M組織的籃球架用鋼的極化電阻增加速度最快，這主要與籃球架用鋼表面的保護膜自我修復功能有關，即貝氏體鋼的保護膜自我修復功能最強[5]。在腐蝕時間延長至4 d及以上時，相同腐蝕時間下極化電阻從大至小的順序為B>QPF+GBF+M/A>F+P>F+M，根據極化電阻和材料耐腐蝕性能之間的對應關系可知[6]，極化電阻越大則材料耐蝕性能愈好，可見，四種不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼中貝氏體組織籃球架用鋼的耐蝕性能最好。

圖2 四種不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼的極化電阻曲線

圖3為四種不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼的動電位極化曲線，表2中列出了極化曲線擬合得到的βa值。可見，4種籃球架用鋼的腐蝕電位較為相近，基本都介于（-550~-600）V之間，但是相對而言，不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼的腐蝕電位略有差異，其中，組織為B的籃球架用鋼的腐蝕電位最正，其次為QPF+GBF+M/A和F+P，而F+M組織的籃球架用鋼的腐蝕電位最負。腐蝕電位是熱力學參數，可以表征材料的腐蝕傾向，腐蝕電位越正則材料的腐蝕傾向越小[7]。從βa值擬合結果來看，βa值從大至小順序為：B>QPF+GBF+ M/A>F+P>F+M，而βa值是表征材料耐蝕性能好壞的動力學參數，反映材料阻礙陽極反應的能力，βa值越大則表明材料表面活化能越低，材料耐蝕性能越好[8]，可見極化曲線測試結果與極化電阻結果較好吻合。

圖3 四種不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼的動電位極化曲線

表2 四種不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼的βa值

圖4為四種不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼全浸腐蝕試驗后的腐蝕失重-時間和失重速率-時間曲線。可見，隨著腐蝕時間的延長，不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼的腐蝕失重都呈現逐漸升高、腐蝕失重速率呈現逐漸減小特征。相同腐蝕時間內，腐蝕失重從高至低順序為F+M>F+P>QPF+GBF+M>B，腐蝕失重速率從高至低順序為：F+M>F+P>QPF+GBF+M>B。此外，在前20天范圍內，材料的腐蝕速率下降較快而后趨于穩定，這主要是因為開始階段腐蝕產物層較薄，表明還沒有形成致密銹層[9]，而隨著腐蝕時間延長至20天以上時，籃球架用鋼表面銹層增厚且致密性增加，能夠較好的抑制基體與腐蝕介質的相互作用[10]，因此腐蝕速率較小且較為平穩。

圖4 四種不同顯微組織的腐蝕失重-時間和失重速率-時間曲線

圖5 為四種不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼全浸腐蝕35天后表面腐蝕特征統計結果。從坑蝕數量-時間曲線看，隨著腐蝕時間延長，四種不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼的表面坑蝕數量逐漸增多，但是B和QPF+GBF+M組織籃球架用鋼的腐蝕坑增長數量較慢，且單位面積坑蝕數量明顯小于F+P和F+M組織籃球架用鋼，相同腐蝕時間內的B組織籃球架用鋼坑蝕數量最少，如在浸泡時間為7天時，F+M、F+P、QPF+GBF+M和B組織籃球架用鋼的坑蝕數量分別為56、46、26和22個。從坑蝕寬度-時間曲線看，坑蝕寬度（平均寬度）隨時間的變化趨勢與坑蝕數量相同，即坑蝕寬度會隨著腐蝕時間延長而增加，而相同腐蝕時間內的B組織籃球架用鋼坑蝕寬度最小。從坑蝕深度-時間曲線看，坑蝕深度隨時間的變化趨勢與坑蝕數量和寬度一致。隨著浸泡時間延長，四種不同顯微組織的籃球架用鋼的腐蝕寬度和腐蝕深度逐漸增加，但是相對而言，腐蝕后期的腐蝕深度增加速度變快，這說明籃球架用鋼的局部腐蝕越來越明顯[11]。此外，四種不同顯微組織的籃球架用鋼的深度差異性相較于數量較小，這表明籃球架用鋼表面坑蝕深度是獨立發展的[12,13]。

圖5 四種不同顯微組織的籃球架用鋼的表面腐蝕特征統計結果

圖6為四種不同顯微組織的Q500E籃球架用鋼全浸腐蝕35天后表面銹層的X射線衍射分析結果。對比分析可知，顯微組織不同的籃球架用鋼的腐蝕產物類型相同，即都主要為α-FeOOH、γ-FeOOH和Fe3O4，但是不同物相的衍射峰強度存在一定差異。其中，α-FeOOH和Fe3O4的衍射峰強度變化較小，而γ-FeOOH衍射峰強度變化較大，且從特征峰的強弱程度判斷[13]，γ-FeOOH含量從高至低順序為：F+M>F+P>QPF+GBF+M>B，因此，反映在α/γ*比值上（α表征α-FeOOH含量，γ*表征γ-FeOOH和Fe3O4含量）則表現為α/γ值最大的為F+M組織的籃球架用鋼，而B組織籃球架用鋼的α/γ值最小，根據Kaminura等人[14]的研究成果可知，籃球架用鋼表面銹層中α/γ值越大則表示銹層越穩定，可以對籃球架用鋼基體起到更好的保護作用，從這個角度出發，四種不同顯微組織的籃球架用鋼的耐腐蝕性能從高至低順序為：B>QPF+GBF+M/A> F+P>F+M，這與前述的全浸腐蝕和電化學腐蝕測試結果相吻合。此外，四種不同顯微組織籃球架用鋼的表面銹層中都可檢測到Fe相，這主要是因為此時的銹層整體較薄，X射線穿透銹層進入了基體所致。

圖6 四種不同顯微組織的籃球架用鋼的XRD圖譜

從上述的研究結果可知，在開發高強耐候籃球架用鋼的過程中，除向合金中添加微合金化元素等手段外，進一步通過組織調控獲得具有B或者QPF+GBF+M/A組織的籃球架用鋼是可行的有效方案。從組織特征來看，B組織籃球架用鋼具有較好的耐蝕性能，這主要是因為貝氏體基體中有均勻彌散分布的滲碳體析出，基體中各晶粒之間的電位差較小，不易形成腐蝕微電池效應[15]；QPF+GBF+M/A組織籃球架用鋼也具有相對較好的耐蝕性能，這主要是因為基體組織基本都為成分相對均勻的鐵素體，而M/A島組織含量較少；F+P和F+M組織籃球架用鋼中鐵素體周圍有電位差相差較大的珠光體和馬氏體組織，容易形成原電池化學反應，因此耐蝕性能相對較差。此外，組織差異較大的基體組織中的原電池作用強度也有所不同[16]，如F+M組織籃球架用鋼中作為陽極的鐵素體會相較于作為陰極的馬氏體組織溶解更多，從而加速局部腐蝕反應，而組織差異性較小的貝氏體組織中則主要以均勻腐蝕為主。

3 結論

1）原始Q500E籃球架用鋼的組織為多邊形鐵素體+粒狀貝氏體以及少量M/A島（QPF+GBF+M/A），工藝A、工藝B和工藝C熱處理的組織分別為貝氏體（B）、鐵素體+珠光體（F+P）和馬氏體+鐵素體（F+M）。

2）在腐蝕時間延長至4d及以上時，四種不同顯微組織的籃球架用鋼在相同腐蝕時間下極化電阻從大至小的順序為B>QPF+GBF+M/A>F+P>F+M；四種不同顯微組織的籃球架用鋼的βa值從大至小順序為：B>QPF+GBF+ M/A>F+P>F+M，腐蝕失重速率從高至低順序為：F+M>F+P>QPF+GBF+M>B。

3）全浸腐蝕35天后，B組織籃球架用鋼表面相對較為平整，除少量細小點蝕坑外，主要以均勻腐蝕為主；QPF+GBF+M組織籃球架用鋼表面坑蝕數量增多，但是坑蝕深度較淺；F+P和F+M組織籃球架用鋼表面坑蝕數量較多，表現為局部腐蝕特征。坑蝕深度隨時間的變化趨勢與坑蝕數量和寬度一致，即隨著浸泡時間延長，四種不同顯微組織的籃球架用鋼的坑蝕數量、腐蝕寬度和腐蝕深度逐漸增加，但是籃球架用鋼表面坑蝕深度是獨立發展的。