C和Si含量对车轮钢腐蚀行为的影响

吴 菲,肖 峰,江 波,崔银会,任学冲

(1. 北京科技大学 国家材料服役安全科学中心，北京 100083; 2. 马鞍山钢铁股份有限公司，马鞍山 243000)

C和Si含量对车轮钢腐蚀行为的影响

吴 菲1,肖 峰2,江 波2,崔银会2,任学冲1

(1. 北京科技大学 国家材料服役安全科学中心，北京 100083; 2. 马鞍山钢铁股份有限公司，马鞍山 243000)

利用3.5%(质量分数)NaCl溶液室温周期浸泡试验及电化学试验研究了不同C、Si含量车轮钢的腐蚀行为。用失重法测量了试样的腐蚀速率；观察了不同腐蚀时间后试样的表面形貌及截面形貌；利用光学表面形貌仪观测了不同腐蚀时间后试样表面粗糙度和腐蚀坑尺寸。结果表明：随C含量的增加及Si含量的降低，车轮钢稳态腐蚀速率增大；Si含量的提高使车轮钢自腐蚀电位升高以及表面电荷转移电阻增大，从而提高了其耐蚀性；在试验周期范围内，不同试样在腐蚀3 d后表面均出现点蚀，并随腐蚀时间的延长，点蚀坑尺寸和表面粗糙度增大。点蚀坑的出现会破坏车轮钢表面的完整性，在腐蚀坑底部造成应力集中，危害车轮的安全运行。

车轮钢；周浸试验；腐蚀；点蚀；电化学

随着列车的重载化与高速化，车轮作为重要承载运动部件，对其疲劳性能的要求也越来越严格。影响车轮疲劳性能的因素很多，如材料强度、表面粗糙度及表面喷丸处理等。尽管车轮的表面状态主要由制造加工工艺决定，但在服役过程中，车轮长期经受雨、雪、潮湿大气环境的作用，表面状态会由于腐蚀作用而发生变化，特别是沿海湿热环境,它对车轮的腐蚀性影响不容忽视。国内外由于腐蚀引起的车轮疲劳失效常有报道[1-2]。大量的研究表明，碳钢表面易发生点腐蚀，特别是其在含Cl-的海水或海洋性大气环境中时，从而破坏车轮表面完整性，降低疲劳极限，引发疲劳破坏[3-5]。C和Si是车轮钢中常用的强化元素，具有强化效果好、成本低等优点，不同性能要求的车轮可通过C和Si含量的调整来实现。已有的研究表明：中低碳低合金钢腐蚀速率随C含量的增加而增大[6-7]；当腐蚀机理不同时，C含量对腐蚀速率的影响也不同[8]；Si含量增加可使球墨铸铁的耐蚀性提高[9]。目前，关于中高碳车轮钢中C、Si含量对其耐蚀性的影响鲜有报道。本工作采用周期浸泡腐蚀试验研究了不同C、Si含量轧制车轮钢在NaCl溶液中的腐蚀行为，以期为车轮钢强化元素的选择及车轮的腐蚀与防护提供参考。

1 试验

试验用材料为4种轧制工艺生产的车轮钢，其化学成分如表1所示。由表1可见，1号、2号及3号试样的C含量依次降低，Si含量基本相同；4号试样与3号试样相比，Si含量明显降低，而C含量基本相同。在车轮辐板位置取金相试样，经磨制抛光后用质量分数为3%硝酸酒精溶液侵蚀，再用光学显微镜观察试样的显微组织。

表1 车轮钢的化学成分(质量分数)Tab. 1 Chemical composition of wheel steels (mass) %

周期浸泡试样从车轮辐板位置截取，试样尺寸为50 mm×40 mm×4 mm，试样厚度方向与车轮辐板厚度方向一致，试样表面经磨制，表面粗糙度Ra为0.23 μm。试验参考GB/T 19746-2005《金属和合金的腐蚀-盐溶液周浸试验》标准进行。周期浸泡试验采用3.5%(质量分数，下同)NaCl溶液，室温下干湿交替的时间分别是50 min和10min，即试样在NaCl溶液中浸泡10 min后干燥50 min，试验时间分别为3，7，14，30，60，90 d。试样在试验前用无水乙醇超声清洗，去除表面可能残留的油污，对每块试样进行称量。浸泡结束后，用50%盐酸+3%六次甲基四胺缓蚀剂混合液清除试样表面腐蚀产物，干燥，再对试样进行称量，根据试样腐蚀前后质量差计算腐蚀速率，结果取3个试样的平均值。

清除试样表面腐蚀产物后，用数码相机记录试样表面的宏观形貌，并利用Bruker Contour GT-X3表面形貌仪观察表面3D形貌，测量试样表面粗糙度。将腐蚀后试样取横截面，用电木粉对试样进行封装，保护试样截面形貌，对封装试样进行磨制及机械抛光，通过金相显微镜观察截面形貌。

采用极化曲线法和电化学阻抗谱法对不同试样进行电化学测试。电化学测试采用标准的三电极系统：参比电极为饱和甘汞电极(SCE)；辅助电极为Pt片电极；工作电极为测试试样，工作面积10 mm×10 mm。试验介质为3.5% NaCl溶液，电化学测试在Gamry Reference 600电化学工作站进行。电化学阻抗谱测试时，频率范围为9 Hz～900 kHz，交流激励信号幅值为10 mV，采用Zview软件对结果进行拟合分析。极化曲线测试时，从阴极扫到阳极，扫描范围为-0.1～0.2 V(相对开路电位)，扫描速率为1 mV/s。

2 结果与讨论

2.1 金相组织

由图1可见，1号试样的组织为珠光体，晶界分布不明显，仅能通过颜色分辨不同取向的珠光体团。2号试样中少量先共析铁素体沿原奥氏体晶界呈网状析出，但由于铁素体含量较少，网状铁素体不连续。3号、4号试样中，晶界铁素体基本成网状连续分布。试验结果表明，随着碳含量的减少，晶界网状铁素体含量增多。

2.2 腐蚀速率

由图2可见：在试验初期(0～14 d)，随时间延长所有试样的腐蚀速率均逐渐降低，30 d后腐蚀速率基本稳定；随C含量的增加，稳态腐蚀速率增大，C质量分数为0.71%时，试样的腐蚀速率比C质量分数为0.55%时的增大了约21%。珠光体中的铁素体相和渗碳体相的电位差较大，易形成腐蚀微电池，珠光体会随着微电池中铁素体阳极相的溶解而腐蚀[10]。因此，铁素体-珠光体钢中珠光体往往优先腐蚀，珠光体含量越高，腐蚀微电池越多，腐蚀速率越大[11]。

由图3可见：在试验初期(0～14 d)，随时间延长所有试样的腐蚀速率均逐渐降低，30 d后腐蚀速率基本稳定；在其他成分基本相同的情况下，当Si质量分数由0.26%增加到0.93%时，稳态腐蚀速率降低了约19%。由此可见，增加Si含量可降低稳态腐蚀速率，这与文献[12]的结论一致。 Nishimura[13]认为在内部锈层中出现的纳米级富硅氧化物颗粒具有阳离子选择性，它能在促进致密锈层形成的同时，阻碍氯离子的进入，从而提高钢材的耐蚀性。

2.3 腐蚀形貌

2.3.1 腐蚀表面形貌

由图4可见：腐蚀3 d后， 2号试样(C和Si质量分数分别为0.63%和0.87%)局部出现点蚀；腐蚀7 d后，点蚀范围增大，大部分表面出现点蚀；腐蚀14d后，试样表面基本布满点蚀坑，且点蚀坑的尺寸有所增大。其他试样腐蚀表面形貌的变化规律与该试样的基本相同。

(a) 1号

(b) 2号

(c) 3号

(d) 4号图1 不同C、Si含量车轮钢试样的金相组织Fig. 1 Microstructure of wheel steel specimens with different C and Si contents

图2 不同C含量试样在3.5% NaCl溶液中腐蚀速率 随时间的变化Fig. 2 Corrosion rate vs time for specimens with different C contents in 3.5%NaCl solution

图3 不同Si含量试样在3.5% NaCl溶液中腐蚀速率 随时间的变化Fig. 3 Corrosion rate vs time for specimens with different Si contents in 3.5% NaCl solution

由图5可见：腐蚀30 d后，试样点蚀坑布满整个4号试样(C和Si质量分数分别为0.54%和0.26%)表面；腐蚀60 d后，表面腐蚀出现明显不均匀性，局部的小点蚀坑合并为尺寸较大的腐蚀坑；腐蚀90 d后，表面腐蚀的不均性进一步增加，开始出现明显的高低不平。其他试样表面形貌的变化规律与4号试样的基本相同。

由图6可见：腐蚀7 d后，试样表面平均粗糙度为6.2 μm，最大腐蚀坑深度约70 μm；腐蚀14 d后，试样表面平均粗糙度为11.4 μm，最大腐蚀坑深度约150 μm；腐蚀30 d后，试样表面平均粗糙度为26.1 μm，最大腐蚀坑深度约300 μm；腐蚀60 d后，试样表面平均粗糙度为53.2 μm，试样表面出现较大的腐蚀坑，腐蚀表面最大高度差约500 μm。

2.3.2 腐蚀截面形貌

由图7可见:腐蚀3 d后，试样表面的点蚀还不明显；腐蚀7 d后，试样表面的点蚀逐渐明显，但点蚀深度较浅；腐蚀14 d后，点蚀深度增加，最大约150 μm，与光学形貌仪测量结果基本相同；腐蚀30 d后，腐蚀坑深度及宽度进一步增加，腐蚀坑深度大部分在200 μm左右。腐蚀坑底部呈不规则形状，有的腐蚀坑底部包含更小的蚀坑，与文献[1]中引起车轮疲劳开裂的腐蚀坑具有相似的形貌，这说明利用实验室周浸腐蚀试验模拟车轮在自然环境中的腐蚀具有一定的可行性。点蚀导致的腐蚀坑破坏了车轮表面的完整性，使材料表面喷丸产生的残余压应力区遭到破坏[14]，同时在腐蚀坑底部产生应力集中，从而导致车轮产生早期疲劳开裂，危害车轮运行安全。

(a) 3 d (b) 7 d (c) 14 d图4 在3.5% NaCl溶液中腐蚀不同时间后2号试样的表面宏观形貌Fig. 4 Macro morphology of the surface of specimen No. 2 corroded in 3.5% NaCl solution for different times

(a) 30 d (b) 60 d (c) 90 d图5 在3.5% NaCl溶液中腐蚀不同时间后4号试样的表面宏观形貌Fig. 5 Macro morphology of the surface of specimen No. 4 corroded in 3.5% NaCl solution for different times

(a) 7 d (b) 14 d

(c) 30 d (d) 60 d图6 在3.5% NaCl溶液中腐蚀不同时间后试样表面3D形貌(单位：mm)Fig. 6 3D morphology of the surface of specimen corroded in 3.5% NaCl solution for different times (unit: mm)

(a) 3 d

(b) 7 d

(c) 14 d

2.4 电化学行为

由图8(a)可见，Si含量高的3号试样的自腐蚀电位高于Si含量低的4号试样的，分别为-525 mV和-577 mV。金属自腐蚀电位越高，腐蚀的倾向性越低，说明3号试样的腐蚀倾向性较低。由图8(b)可见，3号试样的容抗弧直径大于4号试样的，这说明3号试样的电荷转移电阻略高于4号试样的，使得腐蚀反应的速率较低。电化学试验结果表明，腐蚀初期高Si含量车轮钢的耐蚀性优于低Si含量车轮钢的，但对于长周期周浸腐蚀速率结果还需进一步考虑腐蚀产物及其电化学行为。

(a) 极化曲线

(b) 电化学阻抗谱图8 Si含量不同的两组试样在3.5% NaCl溶液中的 极化曲线图和电化学阻抗谱Fig. 8 Polarization curves (a) and EIS (b) of specimens with different Si contents in 3.5% NaCl solution

3 结论

(1) 腐蚀初期，随着腐蚀时间的延长，车轮钢的平均腐蚀速率逐渐下降，在30 d左右时达到稳定，基本不再随时间变化。随着车轮钢中C含量的增加及Si含量的降低，车轮钢稳态腐蚀速率增大。

(2) 腐蚀初期，车轮钢中Si含量的提高使材料自腐蚀电位升高以及电荷转移电阻增大，从而提高其耐蚀性。

(3) 周期浸泡3 d后，车轮钢表面开始出现点蚀，随着腐蚀时间的延长，点蚀坑数量和尺寸不断增大，车轮钢表面粗糙度增加；腐蚀60 d后，车轮钢表面腐蚀坑开始连接，出现较大的腐蚀坑。点蚀坑的出现破坏了车轮钢表面的完整性，会在蚀坑底部造成应力集中，危害车轮的运行安全。

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Effects of C and Si Content on Corrosion Behavior of Wheel Steel

WU Fei1, XIAO Feng2, JIANG Bo2, CUI Yin-hui2, REN Xue-chong1

(1. National Center for Materials Service Safety, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China;2. Ma′anshan Steel & Iron Co., Ltd., Ma′anshan 243000, China)

Corrosion behavior of wheel steel with different C and Si contents was investigated using alternate immersion test and electrochemical test in 3.5% (mass fraction) NaCl solution. The corrosion rate was calculated based on the weight loss measurement. The surface morphology and cross section of specimens corroded for different times were observed. The surface roughness and the size of corrosion pits on the surface of specimens corroded for different times were measured using optical metrology. The results show that the corrosion rate increased with the increase of C content and with the decrease of Si content. The free corrosion potential and charge transfer resistance increased with the increase of Si content, resulting in the improvement of corrosion resistance of wheel steel. Corrosion pits existed on the surface of specimens corroded for 3 days, and the surface roughness and the size of corrosion pits increased with the prolongation of corrosion time. Corrosion pits can destroy the integrity of wheel surface and make stress concentrate on the bottom of pits, which are harmful to the operation safety of the wheels.

wheel steel; alternate immersion test; corrosion; pitting; electrochemistry

10.11973/fsyfh-201702008

2015-10-01

国家自然科学基金(U1234207)； 国家高技术研究发展计划(2015AA034302)

任学冲(1978-)，副研究员，博士，从事金属材料服役性能研究，13426328515，renxchong@163.com

TG174

A

1005-748X(2017)02-0124-05