转向架用Q345C钢堆焊接头组织及盐雾腐蚀行为

张 强，代夫华，司 毅，王志敏，胡云瑞，马传平

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

转向架用Q345C钢堆焊接头组织及盐雾腐蚀行为

张 强1，代夫华1，司 毅1，王志敏1，胡云瑞1，马传平2

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111；2.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

通过金相组织分析、力学性能试验、极化曲线试验和盐雾腐蚀试验，对比研究Q345C母材及其堆焊接头组织、力学性能及耐蚀性能。结果表明，堆焊接头组织与母材相比具有一定的差异。母材的冲击韧性优于堆焊焊缝。在相同试验条件下，Q345C母材及其堆焊接头腐蚀初期表面均出现橘红色的锈层，随着试验的进行，锈层逐渐加深，绝大部分橘红色锈层变为黑褐色锈层腐蚀产物。堆焊焊缝的腐蚀倾向、腐蚀速度和腐蚀失重均低于母材，但相差不大，其耐蚀性能稍优于母材。

转向架；Q345C钢；堆焊接头；盐雾腐蚀

0 前言

转向架是轨道车辆安全可靠运行最关键的部件之一。转向架在使用过程中基体裸露，由于季节环境等条件的恶劣变化，经常受风沙、潮湿空气、酸雨等侵蚀，会受到严重腐蚀造成安全隐患，直接危及轨道交通车辆的安全运行，影响车辆使用寿命[1-2]。从铁路行业多年的现场调研发现构架腐蚀的主要原因有[3-5]：（1）早期生产的车辆卫生间大都采用直排式，污物容易附着在构架上，这些污物的长时间附着就形成了电化学腐蚀的环境，尤其是粪便在酵解后产生酸、氨等，会逐渐侵蚀构架上的部件。（2）由于侧梁下盖板及附加气室下盖板处位置较低，列车运行时容易带起轨面的沙石，破坏油漆保护层，从卫生间排出的污物和车辆清洗时的水也容易在此聚集，给点状腐蚀的产生提供了条件。

因此为了保证转向架构架的服役寿命，不但要在材料选择、力学性能等方面保证其可靠性，而且要在转向架防腐性能方面寻求更为有效的防腐措施和解决办法。对于已经产生腐蚀过限的转向架，为了减少因构架报废造成的浪费和经济损失，工厂一般采用堆焊的方法进行焊补修复[3]。本研究在Q345C钢表面进行堆焊，模拟堆焊焊补转向架腐蚀过限区域，观察和分析堆焊层组织和基本力学性能，同时对堆焊接头进行盐雾腐蚀试验，为转向架腐蚀过限区域焊补工艺的可行性和施工工艺的合理性提供基础数据支撑。

1 试验材料及方法

试验材料为转向架用Q345C钢，其化学成分和力学性能见表1[6]。堆焊方法采用焊条电弧焊，φ4 mm J506焊条，直流反接，焊接电流110～130 A，焊接电压按照匹配关系适当调整，预热温度大于10℃。

表1 Q345C钢化学成分及基本力学性能

堆焊焊补完成后对焊补接头进行取样，采用Zeiss-A1M数码金相显微镜进行金相检验，金相腐蚀液为7％的硝酸酒精；采用HVS-30维氏硬度计进行维氏硬度检测，加载力10 kgf，加载时间15 s，间隔1 mm一个点；冲击试验参照GB/T2650-2008焊接接头冲击试验方法制成V型缺口试样，利用JBN-300冲击试验机进行试验。

极化曲线测试试样尺寸为10 mm×10 mm的Q345C母材（BM）和堆焊焊缝（W）。在试样背面用电烙铁锡焊电极导线，除工作面外其他表面用硅橡胶封样，工作表面按400#、600#、1 000#、1 500#、2500#砂纸依次打磨，并抛光至无划痕。电化学测试仪器为微机控制型LK-98A型电化学分析仪，采用常规的三电极法体系，工作电极为试样、参比电极为甘汞饱和氯化钾溶液电极（SCE）、辅助电极为金属铂片电极，电解质溶液分别为用去离子蒸馏水配制的质量分数为3.5％的NaCl化学分析纯溶液，测试温度35℃±1℃，电位扫描范围-500～500 mV，扫描速度0.5 mV/s。

盐雾腐蚀试验试样尺寸为45 mm×25 mm×4 mm的Q345C母材和堆焊接头（堆焊焊缝+母材）各3个，分别编号为B-1、B-2、B-3和D-1、D-2、D-3；机械抛光后用丙酮清洗试样表面，然后吹干，测量表面积，并用FA1004型精密天平测量试样初始质量，精确至小数点后4位；最后将试样放入GP/YWP90型盐雾腐蚀试验箱，试样受检验表面与垂直方向成30°。试验盐溶液浓度为3.5％，试验时盐雾箱内温度恒定在35℃±1℃。试验时间为0d、3d、7d、14d、30 d，在预定时间点取出试样吹干，用数码相机拍摄腐蚀宏观形貌，然后用柠檬酸铵溶液（200 g柠檬酸铵+蒸馏水配成1 000 ml溶液）清除腐蚀产物，对试样多次重复清洗、吹干后进行失质量测量，精确至小数点后4位。

2 试验结果及分析

2.1 金相组织分析

焊补堆焊接头金相组织如图1所示。表层堆焊层主要为柱状晶，组织为先共析铁素体沿柱状晶内分布，晶内有针状铁素体、少量粒状贝氏体和珠光体（见图1a）。表层焊道与前一焊道之间交界处为细晶区，其原因是：在焊接时，最后一道焊缝对前一道焊缝起到了热处理作用，使焊缝较为粗大的柱状晶转变为细小的等轴晶（与正火区组织相近），白色等轴晶为铁素体，黑色为珠光体（见图1b）。图1c为最下层焊缝与母材连接的熔合区金相组织，上半部分母材侧主要为呈带状分布的块状铁素体和珠光体，下半部分焊缝侧为块状分布的铁素体和因重结晶而细化的珠光体，带状分布明显。母材为细小呈带状分布的珠光体和铁素体组织（见图1d）。

2.2 硬度分析

对堆焊接头从焊缝表层往下至母材进行硬度检测，共选择两条线。由图2可知，堆焊焊缝近表面硬度较高，测试线1距表面1 mm处的硬度值为184 HV，随着距表面距离的增大，硬度值下降，但下降的趋势较平稳，直至最下层热影响区，最下层热影响区硬度从约150 HV快速升至约180 HV，之后母材的硬度又有所下降。即堆焊焊缝表面和最下层热影响区的硬度值较高，母材硬度其次，中间焊缝层的硬度最低，这与堆焊焊缝不同区域的组织密切相关。

2.3 冲击性能

堆焊接头常温下冲击试验结果如表2所示，其中1#～3#试样缺口开在堆焊焊缝区域，4#～6#试样缺口开在母材区域。由表2可知，堆焊焊缝的冲击功平均值为170 J，而母材的冲击功平均值为203 J，说明Q345C母材的冲击韧性优于堆焊焊缝。这是因为母材组织分布均匀，晶粒细小，冲击韧性较好；而堆焊层焊缝组织分布不均匀、晶粒尺寸大小分布不均，所以冲击韧性较差。

图1 堆焊接头金相组织

图2 堆焊接头硬度性能曲线

表2 冲击试验结果

2.4 极化曲线分析

极化曲线测试结果如表3和图3所示。Q345C母材的自腐蚀电位Ecorr为-0.799 5 V和自腐蚀电流密度Jcorr为18.457 μA/cm2，而堆焊焊缝的Ecorr和Jcorr分别为-0.772 8 V、15.918 μA/cm2，母材的自腐蚀电位和自腐蚀电流密度均大于堆焊焊缝，但非常接近。自腐蚀电位Ecorr是热力学概念，是一个特定的腐蚀体系在没有其他外加电流的情况下测得的金属电位，反映被腐蚀发生的难易程度。Ecorr值越负，腐蚀倾向越大；其值越正，腐蚀倾向就越小。而自腐蚀电流密度Jcorr则是动力学概念，它表征金属腐蚀的速度，Jcorr越大腐蚀速度越快，金属材料的耐蚀性就越差，Jcorr越小腐蚀速度越慢，材料的耐蚀性就越好。从极化曲线测试结果来看，Q345C母材的腐蚀倾向和腐蚀速度均大于堆焊焊缝，说明堆焊焊缝的耐蚀性稍优于Q345C母材。

表3 极化曲线测试结果

图3 堆焊焊缝和母材的极化曲线

2.5 盐雾腐蚀行为

在不同时间点下试样腐蚀及去除腐蚀产物后的宏观形貌如图4、图5所示。无论是Q345C母材还是堆焊接头，在腐蚀初期，试样表面附着的橘红色的疏松的麻点状锈层，随着试验的进行，锈层颜色逐渐加深，试验30 d后，绝大部分橘红色锈层变为黑褐色。文献[7]研究表明，这些锈层的腐蚀产物主要由FeO、Fe2O3、Fe3O4、γ-FeOOH和α-FeOOH构成，而对钢的耐蚀性能的影响主要取决于锈层中最终形成的稳定的α-FeOOH腐蚀产物所占比例和分布。这是因为α-FeOOH晶体形貌呈致密团状，晶体团相相互之间紧密堆积，决定其既有好的致密性又有好的附着力[8]。而去除腐蚀产物后，试样表面十分粗糙，呈现出坑洼状，有许多麻坑。在腐蚀初期（3 d）表面局部区域还残留有未被腐蚀的原始表面，在腐蚀后期（30 d）则没有发现未被腐蚀的原始表面，说明腐蚀先从麻点腐蚀开始，形成腐蚀产物，由于腐蚀产物主要为形状不规则的块状和粉末状，同时锈层中存在裂纹和缝隙，导致腐蚀介质容易渗入，从而接触集体，加快腐蚀[8]，后面聚集成片，形成层状腐蚀。

图4 不同时间点试样宏观腐蚀形貌

从试样腐蚀和去除腐蚀产物后的宏观和微观形貌来看，Q345C母材和堆焊接头的腐蚀过程形貌变化并没有太大的区别。

Q345C母材和堆焊接头各3个试样的平均腐蚀失重数据如表4所示，腐蚀失重曲线见图6。由表4和图6可知，腐蚀前期（3 d）堆焊接头的平均失重量大于Q345C母材，说明该阶段堆焊接头腐蚀速度要快于Q345C母材；而在3d以后三个阶段一直到试验结束（30 d），母材的腐蚀失重大于堆焊接头，说明3～30 d这段时间母材的腐蚀速度大于堆焊接头，但两者相差不大，说明在误差允许范围内，可以认为两者腐蚀速度相同。

3 结论

（1）Q345C堆焊焊缝表面和最下层热影响区的硬度值较高，母材硬度其次，中间焊缝层的硬度最低，这与堆焊焊缝不同区域的组织密切相关。Q345C母材的冲击韧性优于堆焊焊缝。

（2）Q345C母材的自腐蚀电位Ecorr为-0.7995 V，自腐蚀电流密度Jcorr为18.457 μA/cm2；而堆焊焊缝的Ecorr和Jcorr分别为-0.7728V、16.918μA/cm2。堆焊焊缝的腐蚀倾向和腐蚀速度均低于母材，但相差不大，其耐蚀性能稍优于母材。

（3）Q345C母材和堆焊接头腐蚀初期出现橘红色的锈层，随着试验的进行，锈层逐渐加深，试验30 d后，绝大部分橘红色锈层变为组织较为致密的黑褐色锈层腐蚀产物。在试验周期内Q345C母材的腐蚀速度略大于堆焊焊缝，但相差不大。

（4）对比Q345C母材和堆焊接头的组织、基本力学性能、极化曲线和盐雾腐蚀试验结果发现，试验所用堆焊焊补工艺用于实际腐蚀过限区域的补焊是可行的。

图5 不同时间点试样去除腐蚀产物后的表面微观形貌

表4 平均腐蚀失重数据

图6 腐蚀失重曲线

[1]阴敬甲.S355J2W耐候钢焊接接头腐蚀性能研究[D].北京：北京交通大学，2011.

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Microstructure and salt spray corrosion behavior of bogie Q345C steel surfacing weld

ZHANG Qiang1，DAI Fuhua1，SI Yi1，WANG Zhimin1，HU Yunrui1，MA Chuanping2
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.College of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The microstructure，mechanical properties and corrosion resistance of Q345C steel base metal and its surfacing weld were comparatively studied by microstructure analysis，basic mechanical properties test，polarization curve test and salt spray corrosion test.The results show that,there are some difference of the microstructure between Q345C steel base metal and its surfacing weld，and the impact toughness of the base metal is superior to surfacing weld.Under the same testing conditions，the surface of Q345C steel base metal and surfacing weld both generate orange rust layer in the initial corrosion，along with tests，rust layer gradually changes color，becomes dark brown with dense tissue.The corrosion tendency，corrosion rate and corrosion weight loss of surfacing weld are lower than the Q345C steel base metal，but the difference is small，and the corrosion performance is slightlybetter than the base metal.

bogie；Q345C steel；surfacing weld；salt spray corrosion

TG455

A

1001－2303（2016）06－0107-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.22

2016-04-22

张强（1986—），男，工程师，在读博士，主要从事轨道车辆车体及转向架设计与工艺开发工作。