偏析帶對貝氏體鋼軌鋼腐蝕磨損性能的影響

韓青陽,程 丹,任映奇,鄭春雷,呂 博,張福成

(1.燕山大學 亞穩材料制備技術與科學國家重點實驗室,河北 秦皇島 066004;2.燕山大學 環境與化學工程學院,河北 秦皇島 066004;3.燕山大學 材料科學與工程學院,河北 秦皇島 066004)

0 引言

貝氏體鋼具有良好的強韌性、抗疲勞性以及耐磨性,可以適應鐵路行業應用中材料高強度和高韌性的嚴苛需求[1-4]。因此,鐵路軌道用貝氏體鋼材料的研發引起越來越多科研工作者的關注。貝氏體鋼經過熱處理和合金化之后,明顯提升了硬度和韌性,但是由于添加了合金元素,軌道用貝氏體鋼在淬火過程中隨著澆注的高溫、過熱度,中心部夾雜會產生化學成分不均勻分布的現象,這種現象稱為偏析[5]。由于化學成分不均勻,導致鋼軌在熱軋后內部存在不規則分布的帶狀偏析,經過研究表明,軌道用貝氏體鋼的帶狀偏析組織為細貝氏體和少量馬氏體組織[6]。馬氏體組織相比同一成分鋼的珠光體組織及貝氏體組織,具有較高的硬度和強度,但塑性和韌性較低[7]。高的硬度和強度導致貝氏體鋼在磨損過程中較均勻,而較低的塑性和韌性將導致較大的裂紋敏感性。在磨損過程中軌頭磨損嚴重,尤其是小半徑曲線側磨和鐵路晃車導致的磨損更為嚴重。當列車發生小半徑曲線側磨以及晃車時,鋼軌的磨損方向就會與偏析帶呈一定角度,而在曲線段的這個角度與直線段的角度略有不同。

軌道用貝氏體鋼在實際服役過程中遇到雨雪以及氣壓下降生成的冷凝水會附著在鋼表面,伴隨著車輪與鋼軌之間的滑動,腐蝕和磨損產生交互作用,磨損行為會進一步加劇。Sikiru 等[8]研究發現材料在腐蝕磨損交互作用下的損失相當于單獨腐蝕和單獨磨損之和的8～35 倍。在腐蝕磨損過程中,30MnCr52 低合金鋼表面浸透在腐蝕溶液中通常會被鈍化膜覆蓋[9],可以阻止腐蝕的加劇,使其具有較好的耐蝕性,但隨著磨損的進行,試樣表面的鈍化膜會被磨掉,從而使基體重新暴露在腐蝕溶液中,產生電化學反應,以此反復加劇了腐蝕磨損進程。但是Stratmann 等[10]指出腐蝕磨損也存在有益的一面,磷化鋼在進行腐蝕磨損時,腐蝕磨損會降低磨損失重率,這是因為隨著腐蝕時間的延長,磨損表面會形成一層致密的銹層,使其耐蝕性增強,阻止外界因素對材料的進一步侵蝕。隨著時間的推移,銹層將逐漸變得更加致密,并將鋼與各種腐蝕因素隔離開,從而大大降低腐蝕速率。因此,不同的材料在腐蝕與磨損的交互作用時,導致的結果是不一樣的。

以往的研究人員重點介紹了貝氏體鋼在純磨損過程中的組織演變及其優良的機械性能,但很少有人對其腐蝕磨損性能進行研究。特別是在鐵路不同路段和環境下,腐蝕磨損會與偏析帶呈不同角度,國內外的研究均處于空白階段。因此,偏析帶與磨損角度對貝氏體鋼腐蝕磨損性能影響的研究具有重要意義。本文詳細研究了成分偏析帶與磨損方向呈0°、45°以及90°的腐蝕磨損性能,其目的是模擬直線段、曲線段的側磨以及晃車現象,并進一步探究了不同角度下的微觀組織以及銹層形貌的演變。

1 試樣制備與試驗方法

試驗用貝氏體鋼為鐵路實際使用的熱處理后的貝氏體鋼軌鋼,其熱處理工藝為:熱軋成型后的鋼軌直接進行空冷處理,隨后進行280 ℃回火處理,力學性能為:屈服強度1 194 MPa,抗拉強度1 364 MPa,斷后延伸率15.8%, 斷面收縮率39.2%,沖擊韌性86 J/cm2,洛氏硬度為42.0 HRC。其軌頭的化學成分(質量分數%)為:C 0.21,Si 0.87,Mn 2.32,Cr+Ni+Mo+Cu 1.96,余量Fe,微量S 和P。本試驗中所有試樣均在軌頭部位取樣,如圖1 所示。3 種對比試驗分別是磨損方向和偏析帶呈0°、45°和90°。

圖1 試樣切取示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample cutting

本試驗利用多功能摩擦磨損試驗機(UMT-3)進行貝氏體鋼軌鋼在大氣環境下和腐蝕溶液中的腐蝕磨損試驗來研究腐蝕對磨損的影響,如圖2所示。試樣尺寸規格為20 mm×20 mm×2 mm 的薄片,用碳化硅(SiC)砂紙打磨,再用金剛石拋光膏進行拋光處理,之后用4%的硝酸酒精溶液對其進行腐蝕。上摩擦副材料為直徑7 mm 的氧化鋁球,在試驗前確保氧化鋁球光滑無劃痕。試驗參數設置如下:分別在大氣環境以及3.5%的NaCl中性溶液中施加載荷10 N 和90 N,磨損方式為往復式,行程為6 mm,頻率0.5 Hz,試樣磨損時間為1 h。

圖2 多功能摩擦磨損試驗機示意圖Fig.2 Schematic diagram of multifunctional friction and wear tester

使用光學顯微鏡(Leica-DM2700M)對試樣磨損前基體表面的形貌進行觀察;使用掃描電子顯微鏡(SU 5000)對試樣磨損前后表面的形貌進行觀察和表征;使用透射電子顯微鏡(Talos-F200)觀察材料在試驗前的微觀組織結構;使用全自動顯微硬度儀(FM-ARS 9000)對樣品的磨損前基體和成分偏析帶處硬度進行表征;使用3D 光學表面輪廓儀(Contour GT-K)測量腐蝕磨損樣品的磨損深度、三維形貌以及平均粗糙度;使用電化學工作站(IVIUM)測量貝氏體鋼軌鋼在3.5% NaCl 溶液中的極化曲線,并對所測的曲線進行分析。

2 貝氏體鋼軌鋼的顯微組織與性能

貝氏體鋼軌鋼掃描組織與透射組織如圖3 所示。由圖3(a)可以看出,貝氏體鋼軌軌頭顯微組織以貝氏體組織為主,同時離散性分布著塊狀殘余奧氏體(B-RA)和薄膜狀殘余奧氏體(F-RA)。圖3(a)中右側組織較細,該組織為化學成分不均勻造成的成分偏析帶。圖3(b)中成分偏析帶處硬度最高,硬度較高導致在磨損過程中較均勻。貝氏體鋼軌軌頭處透射顯微組織如圖3(c)所示,可以看出主要存在著大量的板條狀貝氏體,并且在板條間存在薄膜狀以及塊狀殘余奧氏體組織[7]。圖3(d)～(f)為3 種成分偏析帶分布的基體掃描圖,對比3 種成分偏析帶分布的尺寸可以看出,在45°時成分偏析帶由于是傾斜分布,所以橫截面較寬,尺寸較大。由于試樣表面為20 mm×20 mm 的正方形,在45°時成分偏析帶沿對角線方向,所以相對于0°和90°時偏析帶長度較長。

圖3 貝氏體鋼的顯微組織Fig.3 Microstructures of bainitic steel

圖4 為不同偏析角度下貝氏體鋼軌鋼在腐蝕環境中電流密度隨電極電位變化的極化曲線,應用塔菲爾直線外推法,將極化曲線的強極化區的陰、陽極極化曲線延長交于一點,獲得腐蝕電流密度(Icorr)隨腐蝕電位(Ecorr)變化的極化曲線,以此來對比不同偏析角度下的腐蝕變化規律。

對不同偏析角度下鋼軌鋼在3.5%的NaCl 溶液中電化學參數進行計算,結果如表1 所示,并結合圖4 可以看出,在3.5%的NaCl 溶液腐蝕中,偏析帶呈0°時,腐蝕電位偏正,腐蝕電流較小,并且極化電阻(Rp)較高,極化電阻越高,腐蝕被抑制的越強烈,所以發生腐蝕的速率(Rate)較慢。偏析帶呈45°時,腐蝕電位偏負,腐蝕電流較大,并且極化電阻較低,發生腐蝕速率較快。產生這種現象的原因是,當偏析帶呈45°時,試樣表面偏析帶尺寸較大,長度較長,偏析帶的界面較多,如圖3 所示。基體和偏析帶交替分布導致在界面發生局部腐蝕,并且偏析帶越多,越容易發生腐蝕。偏析帶呈90°時,與偏析帶呈0°時的電化學的試樣相似,無本質區別,所以電化學參數區別不大。

表1 不同偏析角度下的貝氏體鋼軌鋼的電化學參數Tab.1 Electrochemical parameters of bainit rail steel with different segregation angles

3 貝氏體鋼軌鋼的腐蝕磨損試驗結果及分析

不同偏析角度的貝氏體鋼軌鋼在不同載荷作用下的干燥和腐蝕環境磨損60 min 后的體積損失量和平均粗糙度如圖5 所示。由圖5(a)可以看出,隨著載荷的增加,磨損失重也顯著增大,腐蝕環境下磨損造成的體積損失量高于干燥環境下磨損體積損失量,并且在磨損方向與偏析帶呈90°時,磨損失重較多,此時磨損較嚴重。隨著載荷的增加以及腐蝕溶液的加入,貝氏體鋼軌鋼在不同偏析角度時的平均粗糙度均表現出增長趨勢(圖5(b)),平均粗糙度反映了磨損的破壞程度,這說明高載荷以及腐蝕環境會使貝氏體鋼軌鋼磨損破壞程度越來越嚴重。

圖5 不同偏析角度時的貝氏體鋼軌鋼磨損的體積損失量和平均粗糙度Fig.5 Volume loss and average roughness of bainitic rail steel at different segregation positions

不同偏析角度的鋼軌鋼在干燥環境和腐蝕環境磨損60 min 的縱截面深度,如圖6 所示。由圖6(a)可以看出,在腐蝕溶液中的磨損試樣明顯比干燥磨損下的試樣曲線光滑,磨損過程也較穩定。在干滑動下磨損載荷為10 N 時,當磨損滑道與偏析條帶呈0°時,縱截面最大磨損深度為0.72 μm。呈45°時最大磨損深度為0.76 μm。呈90°時最大磨損深度為0.54 μm。由圖6(b)可以看出,與干滑動磨損相比,在腐蝕溶液中載荷為10 N 的磨損深度顯著增加。偏析角度在0°、45°和90°時最大磨損深度分別為1.04 μm、1.13 μm 和0.96 μm,較10 N 載荷下干滑動磨損分別增加了30%以上。可以看出相比于干滑動磨損,腐蝕液的加入會明顯加劇磨損。隨著磨損載荷增加到90 N,磨損縱截面深度進一步加深。干滑動下載荷為90 N 時不同偏析角度的縱截面深度如圖6(c),在偏析角度為0°、45° 和90° 時最大磨損深度分別為1.68 μm、1.85 μm 和1.73 μm,較10 N 干滑動磨損最大磨損深度分別增加了50%以上。可以看出隨著載荷的增加,磨損滑道寬度增加,相應的磨損深度也會加深。圖6(d)為腐蝕溶液中磨損90 N時不同偏析角度的縱截面深度變化圖。在偏析角度為0°、45°和90°時最大磨損深度分別為4.95 μm、7.42 μm 和5.87 μm,較90 N 干滑動磨損最大磨損深度分別增加了65%以上。可以看出,在高載荷下,腐蝕和磨損的交互作用更加明顯,在90 N 時腐蝕對磨損的加劇作用遠高于10 N,隨著載荷的加大,其材料的損失量也增加,說明載荷和腐蝕會加劇磨損。

圖6 鋼軌鋼在干燥環境和腐蝕環境磨損深度曲線Fig.6 Variation of longitudinal section depth of rail steel in dry environment and corrosive environment

圖7 給出了10 N 和90 N 載荷作用下不同偏析位置的鋼軌鋼軌頭試樣在干燥環境和3.5%NaCl 溶液環境中磨損60 min 后的三維形貌圖。中間滑道位置為磨損區域,從圖中可以看出隨著載荷的增加,磨損下凹程度變深,并且磨損兩側堆積的磨損物增多。其中,在載荷為10 N 的腐蝕溶液中腐蝕磨損時,磨損滑道有明顯的銹層產生,并且不同偏析角度的試樣均呈現出不同程度的銹層分布。當載荷增加到90 N 時,磨損深度進一步加深,圖7(j)～(l)腐蝕磨損表面的銹層明顯增多。

圖7 鋼軌鋼在干燥環境和腐蝕環境磨損后的三維形貌圖Fig.7 Three dimensional morphology of wear of rail steel in dry environment and corrosive environment

不同偏析角度的貝氏體鋼軌鋼在干燥環境和腐蝕環境磨損60 min 后的摩擦系數如圖8 所示。從圖8(a)可以看出,在滑動磨損初期時,摩擦系數急劇上升后逐漸穩定,試樣的表面粗糙度變大,破化程度逐漸加深;當繼續磨損時,摩擦系數曲線仍然呈上升趨勢,直到磨損滑道的寬度大小與上摩擦副氧化鋁球的接觸面大小相等時,磨損開始緩慢且穩定進行,此時摩擦系數穩定在小范圍內浮動。隨著載荷增加到90 N 時,初期階段變短,摩擦系數相比10 N 干滑動磨損下變小,這是由于載荷增大后摩擦熱的作用,磨損表面產生氧化膜,氧化膜起到潤滑作用,導致摩擦系數變低。隨著磨損的繼續進行,磨損試樣表面的氧化膜被磨掉,試樣又重新暴露在空氣中,摩擦系數在0.3～0.4之間穩定浮動,此時進入穩定磨損階段。

圖8 不同偏析位置的鋼軌鋼在干燥環境和腐蝕環境的摩擦系數Fig.8 Friction coefficient of rail steel at different segregation positions in dry environment and corrosive environment

圖8(b)和8(d)是分別在10 N 和90 N 載荷作用下,不同偏析角度的貝氏體鋼軌鋼在腐蝕環境磨損60 min 后的摩擦系數曲線圖。相比于干滑動磨損,摩擦系數曲線明顯較穩定,上下波動幅度變小,這是因為腐蝕液的加入起到了水潤滑的作用,減少摩擦振動。在這兩幅圖中另一個顯著的特點是在磨損滑道與偏析條帶呈45°時,摩擦系數曲線波動較大,而磨損滑道與偏析條帶呈0°時,摩擦系數均最小且較穩定。這是因為在磨損過程中,45°以及90°時需要劃過界面較多,阻力較大,而0°時穿過偏析界面較少,所以阻力較小。

不同偏析角度的貝氏體鋼軌鋼在干燥環境和腐蝕環境磨損60 min 后的磨損掃描形貌如圖9 所示。在干燥環境磨損載荷為10 N 時,如圖9(a)～(c)所示,磨損滑道有輕微的剝落和凹坑,磨損較均勻,在剝落區域做能譜線掃描,從圖9(a)可以看出,存在明顯的Mn 元素和Cr 元素偏析,Cr 能夠改變銹層的成分和結構,促進α-FeOOH 的形成。富集在內銹層中的Cr,以的形式存在于α-FeOOH 點陣的間隙位置,使α-FeOOH 發生比較嚴重晶格畸變,破壞晶體結構的完整性,形成α-FexCrxOOH,其晶體結構細小,所以會提高銹層的致密度,進而增強銹層的保護作用。

圖9 鋼軌鋼在干燥環境和腐蝕環境的磨損形貌Fig.9 Wear morphology of rail steel in dry environment and corrosive environment

圖9(d)～(f)腐蝕溶液中磨損時其表面脫落也較嚴重,屬于經典的腐蝕磨損。在45°以及90°時尤為嚴重,這是因為磨損劃過偏析界面,磨損區域的成分偏析帶含量較多,偏析帶能破壞腐蝕生成的氧化膜而促進陽極活化分解,發生晶間腐蝕,引起晶粒脫落,加劇磨損的進行[11],所以在45°以及90°時磨損表面腐蝕坑和剝落坑明顯偏多。隨著載荷的增加,在90 N 干滑動磨損情況下,如圖9(g)～(i)所示,磨損表面出現大量的剝落坑,同時在剝落坑的附近存在塊狀磨屑粘附在試樣表面,磨損機理是以磨粒磨損為主,疲勞磨損為輔。在90 N 腐蝕磨損環境下,磨損表面出現明顯的銹層,并且不同偏析角度的銹層走勢方向各不相同,如圖9(j)～(l)所示,可以判斷銹層走勢方向與偏析帶方向存在一定關系。

4 結論

本文對貝氏體鋼軌鋼在大氣環境和3.5%的NaCl 溶液中進行腐蝕磨損試驗,研究了不同偏析角度對腐蝕磨損性能的影響,得出以下結論:

1) 貝氏體鋼軌鋼表面的腐蝕更容易發生在偏析帶區域,其中在45°時,偏析帶含量較多,導致腐蝕電位偏負,腐蝕電流較大,并且極化電阻較低,易發生腐蝕。

2) 腐蝕和磨損存在著交互作用,腐蝕加劇磨損,相比于干滑動磨損,載荷為10 N 時在腐蝕溶液中磨損表面出現明顯的點蝕現象,并且隨著載荷增加,在90 N 時磨損表面出現相互連接的銹層,并且銹層生成方向與偏析帶方向存在一定關系。偏析條帶處Cr 元素偏多,Cr 能夠改變銹層的成分和結構,促進α-FeOOH 的形成,提高銹層的致密度,進而增強銹層的保護作用。

3) 偏析角度對腐蝕磨損產生一定的影響,磨損方向與偏析帶呈45°時,磨損劃過偏析界面較多,阻力較大,磨損區域的偏析帶含量較多,偏析帶能破壞腐蝕生成的氧化膜而促進陽極活化分解,發生晶間腐蝕,引起晶粒脫落,加劇磨損的進行。當磨損方向與偏析條帶呈0°時,磨損較穩定。