U68CuCr耐蚀钢轨抗腐蚀性能研究

朱 敏 李 闯 金 明 赵国知 袁 清 刘 刚

(1.宝钢股份中央研究院(青山) 湖北 武汉： 430081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所 北京：100081；3.中国铁路广州局集团有限公司 广东 广州：510088；4.武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室 湖北 武汉：430081；5.武汉钢铁有限公司 湖北 武汉：430081)

狮子洋隧道是广深港高速铁路的一部分，位于广州南沙区与东莞虎门之间，全长10.8公里，该区段运行动车组，最高时速350km/h，目前使用的是常规U71MnG钢轨[1-3]。该隧道靠近南海，存在海水渗漏现象，常年处于湿热状态，隧道环境中含有Cl-，钢轨常年处于腐蚀和磨损环境中。腐蚀和磨损现象广泛存在于石油、化工、煤矿、电力、冶金等工业领域的机械设备中，是造成材料损失和设备失效的主要原因之一。金属产品受到腐蚀后，金属每腐蚀1% (wt%)，其强度下降大约10%，当双面腐蚀达到5%，会严重影响结构的安全可靠性，甚至危及人的生命安全[4-6]。由于腐蚀和磨损问题对铁路运输设施造成损失，运行成本增加，同时造成铁路运行安全隐患[7-9]，为此钢轨生产和使用部门亟需开发出新型耐蚀钢轨，开展耐腐蚀钢轨相关研究，尽快在腐蚀环境中采用耐蚀轨，减少钢轨的腐蚀，保证铁路的运行安全。

宝钢股份武汉钢铁有限公司研发出新型耐腐蚀钢轨U68CuCr，为了保障列车运行安全性，有必要对耐蚀钢轨U68CuCr进行抗腐蚀性能研究，明确耐腐蚀钢轨在狮子洋隧道环境下的腐蚀规律和腐蚀行为，为新型耐腐蚀钢轨维护和更换提供依据，确保高铁线路狮子洋隧道服役安全性。本文对常规U71MnG钢轨和新型耐蚀钢轨U68CuCr进行了盐雾实验和电化学测试实验，为新型耐蚀钢轨U68CuCr在腐蚀环境下的应用和服役安全性提供了参考。

1 实验材料与方法

实验材料分别为武钢生产的U71MnG钢轨和U68CuCr耐蚀轨。盐雾实验试样尺寸为10mm×10mm×5mm，盐雾实验依据GB/T 10125《人造气氛腐蚀试验——盐雾试验》进行，按照实际测量的广深港高铁狮子洋隧道渗水中的Cl-含量为2.5%设定盐雾溶液浓度，具体实验方案见表1。

表1 盐雾实验方案

将经过盐雾实验后的试样用环氧树脂包封后制成工作电极，电极面积为100mm2，用蒸馏水清洗表面，冷风吹干，进行电化学实验。实验设备为德国Zahner电化学工作站，恒温水浴温度为25℃，测试开路电位时间为30分钟，当开路电位稳定后，在该电位下测试电化学阻抗谱，交流电流幅值为10mV，初始频率为100000Hz，终止频率为0.01Hz。在相对开路电位(-0.3～+0.3)V的范围内测试动态极化电位曲线，电位扫描速率为0.5mV/s。根据测得的开路电位、动电位极化曲线和交流阻抗谱，分析和对比U71MnG钢轨和U68CuCr耐蚀钢轨抗腐蚀性能。

2 实验结果与分析

2.1 极化曲线

图1为U71MnG钢轨与U68CuCr耐蚀钢轨试样分别经过盐雾实验腐蚀0h、24h、144h和360h后的极化曲线。根据U71MnG钢轨与U68CuCr耐蚀钢轨在不同腐蚀周期下的动电位极化曲线可以看出，两个钢种经过腐蚀后，对应极化曲线阴极部分没有表现出明显变化，说明随着腐蚀的进行，样品电极表面积累的锈层对于阴极反应过程影响不大。阳极部分出现较明显的差别，说明腐蚀产物的堆积影响了钢种阳极腐蚀过程。U68CuCr耐蚀钢轨在未腐蚀条件下存在阳极钝化现象，U71MnG钢轨无阳极钝化现象，这是由于U68CuCr耐蚀钢轨中含有钝化性很强的金属元素Cr，提高了材料的钝化性能，说明耐腐蚀轨基体材料具有更好的抗腐蚀性。另外，两个钢种试样经相同条件24h盐雾腐蚀后，极化曲线阳极均产生钝化现象，说明在经过腐蚀后，样品表面均产生了锈层，阻碍了腐蚀过程，因此表现出阳极钝化现象。

图1 U71MnG钢轨与U68CuCr耐蚀钢轨腐蚀不同时间后的极化曲线

自腐蚀电位和自腐蚀电流是重要的腐蚀电化学参数，能够在一定程度上反映出材料的腐蚀倾向和规律。经Tafel拟合后[10]，可得到U71MnG钢轨与U68CuCr耐蚀钢轨在腐蚀不同时间后的自腐蚀电位和自腐蚀电流(见表2)。由表2中可以看出，U68CuCr钢轨自腐蚀电位始终小于U71MnG钢轨，未经腐蚀试样差异较大，说明U68CuCr耐蚀钢轨基体材料具有更好的抗腐蚀性能。经过盐雾腐蚀后的试样，两种钢轨试样表面均产生了锈层，隔绝了大部分腐蚀液，对内部基体起到了保护作用，自腐蚀电位趋于平稳，两者之间的自腐蚀电位差异变小。因此，极化曲线和自腐蚀电位均证明U68CuCr耐蚀钢轨耐蚀性能优于U71MnG钢轨。从两个钢轨试样的自腐蚀电流可以看出，U68CuCr钢轨自腐蚀电流始终小于U71MnG钢轨，而且U68CuCr钢轨自腐蚀电流变化较小，在(0.4～4.5)×10-5A/m2之间变化，而U71MnG钢轨自腐蚀电流在(0.4～9.5)×10-5A/m2之间变化。两种钢轨的自腐蚀电流表明U71MnG钢轨腐蚀速度约是U68CuCr耐蚀钢轨的3.5倍。

表2 钢轨的自腐蚀电流和自腐蚀电位

2.2 交流阻抗谱

图2为U71MnG钢轨与U68CuCr耐蚀钢轨试样分别经过盐雾实验腐蚀0h、24h、144h和360h后的交流阻抗谱。可以看出，交流阻抗谱由一个高频容抗弧组成。随着腐蚀时间的增加，容抗弧向下压扁，这是因为电极表面产生锈层导致表面粗糙，电极/电解液界面性质不稳定，产生了弥散效应。容抗弧半径代表了锈层对电荷传输的阻碍能力，即锈层电阻，表征了表面锈层对基体的保护能力，通过比较奈奎斯特图中容抗弧半径可以看出，两个钢轨试样锈层电阻都是逐渐减小，即抗腐蚀性能减弱。但是，U68CuCr耐蚀钢轨样品容抗弧半径大于U71MnG钢轨试样，说明U68CuCr耐蚀钢轨锈层对基体的保护作用优于U71MnG钢轨。

图2 U71MnG钢轨与U68CuCr耐蚀钢轨腐蚀不同时间后的奈奎斯特图

3 结论

采用德国Zahner 电化学工作站对相同腐蚀条件下腐蚀后的U68CuCr耐蚀钢轨与U71MnG钢轨试样进行电化学测试，绘制得到动电位极化曲线和交流阻抗谱，得到如下结论：

(1)U68CuCr耐蚀钢轨在未腐蚀条件下存在阳极钝化现象，U71MnG钢轨无阳极钝化现象，说明U68CuCr耐蚀钢轨基体材料耐蚀性能优于U71MnG钢轨。

(2)随着腐蚀时间延长，两个钢轨试样锈层电阻都是逐渐减小，即抗腐蚀性能减弱。但是U68CuCr耐蚀钢轨样品容抗弧半径大于U71MnG钢轨试样，说明U68CuCr耐蚀钢轨锈层对基体的保护作用优于U71MnG钢轨。

(3)两个钢轨的自腐蚀电流表明U71MnG钢轨腐蚀速度约是U68CuCr耐蚀钢轨的3.5倍。