ER8车轮钢激光熔覆涂层在酸雨环境下的磨损与腐蚀性能分析研究

杨文斌，夏金龙，肖乾，陈道云，刘新龙

ER8车轮钢激光熔覆涂层在酸雨环境下的磨损与腐蚀性能分析研究

杨文斌，夏金龙，肖乾，陈道云，刘新龙

（华东交通大学 机电与车辆工程学院，南昌 330013）

提高ER8高速车轮钢的耐磨和耐腐蚀性能，增强车轮使用寿命。在ER8车轮钢表面制备出Fe基合金粉末和Co基合金粉末2种涂层。借助SEM、XRD、纳米压痕仪等表征设备分析涂层的金相组织形貌、物相种类和纳米硬度。利用MFT-EC4000往复电化学摩擦磨损试验仪将试样置于酸雨溶液进行摩擦磨损试验及电化学腐蚀试验。涂层表面组织致密均匀，形成了良好的冶金结合，Fe基与Co基合金涂层分别呈现出“胞状”与“蜂窝状”，无明显孔洞、裂纹等缺陷。基体在低频（1 Hz）下发生轻微的磨粒磨损，中高频（2、4 Hz）下出现了严重的剥落、点蚀现象，其磨损机理主要为粘着磨损、氧化磨损和磨粒磨损，涂层磨损区域则无明显腐蚀与剥落现象。在高频下，Fe基涂层和Co基涂层的磨损率分别比基体减少46.10×10–5mm3/(N·m)和39.85×10–5mm3/(N·m)。同时，涂层的阻抗值显著提高，极化曲线测试结果显示，Fe基涂层、Co基涂层和基材的自腐蚀电位分别为–0.522、–0.381、–0.603 V，腐蚀密度分别为3.916、0.312、5.483 μA/cm2。修复后的车轮钢样品的耐磨损性能与耐腐蚀能力得到不同程度提高，相比之下，耐磨损方面Fe基合金涂层表现得更为优异；耐蚀性方面，Co基合金涂层略强于Fe基涂层。

车轮钢；激光熔覆；合金粉末涂层；摩擦磨损；酸雨溶液；电化学腐蚀

我国高速铁路通车里程和动车组保有量快速增加，伴随而来的是运营维护成本的快速增长，其中一部分成本来自于高速列车车轮的维护与更换。通常，车轮损伤主要是由磨损和滚动接触疲劳及复杂的服役环境引起，其中，恶劣的酸雨环境就是一种典型的例子。如果不及时发现并处理车轮损伤，轻则影响乘车体验，重则可能导致脱轨等灾难性后果，从而造成重大人员伤亡及巨大财产损失。据统计，每年因腐蚀与锈蚀造成的钢铁损失约占钢铁年产量的10%至20%，我国每年在腐蚀层面上造成的经济损失高达2 300亿元以上[1]，而严峻的酸性环境会进一步加剧腐蚀的发生。目前常用的镟修工艺可以去除车轮表面损伤恢复车轮使用状态，但会快速减小车轮尺寸，导致明显缩短车轮服役寿命，因此车轮损轮损伤的原位修复是更为理想的修复工艺。

由于激光熔覆具有耐蚀、耐磨、耐热及抗氧化等性能，被广泛用于航空航天、矿山机械、汽车、石油化工、铁路、电力等行业[2-3]。与埋弧焊、等离子焊接、气电立焊等表面改性技术相比，激光熔覆技术具有稀释率低、涂层孔隙率低、与基体材料结合强度高、材料选择性广、无环境污染等特点[4]。目前，已有学者尝试将激光熔覆应用于列车车轮及钢轨的表面强化，以提高其耐磨性和抗滚动接触疲劳性能以及耐腐蚀性，并在此方面做了大量研究[5-6]。Lewis等[7]在全尺寸R260钢轨上熔覆了一种Co基合金涂层和马氏体不锈钢涂层并进行了测试，结果表明，熔覆处理后，钢轨的疲劳强度和耐磨损性能得到显著提高。Gamon等[8]利用激光熔覆技术在铁路缓冲头上制备锰青铜和铝青铜涂层，发现熔覆层可以显著减少缓冲头的滑动磨损。Wang等[9]对熔覆后的重载轮轨材料磨损进行了相关试验，结果表明，激光熔覆处理前后的轮轨材料表面由明显的粘着磨损和剥离损伤向犁沟趋势变化。慕鑫鹏等[10]利用CO2多模拟激光器在轮轨材料表面制备出Co基与Fe基，并进行了滚动摩擦磨损试验，试验研究表明，经激光熔覆处理后，试样的磨损率得到了显著降低。Zhu等[11]采用滚动接触试验研究了车轮局部熔覆不锈钢涂层的磨损与滚动接触疲劳行为，发现涂层耐磨性及滚动接触疲劳性能均优于基体。可见，目前的研究主要集中于利用激光熔覆技术对车轮及钢轨进行表面强化，对于激光熔覆修复车轮的研究仍有待加深。本文考察了修复后车轮钢的耐磨损与耐腐蚀性能，并对界面区域与基体摩擦学性能的一致性进行了对比评估，研究结果可对激光熔覆在车轮损伤修复方面的工程应用提供一定的技术指导。

由于酸雨环境与列车运行速度多变性，列车车轮在面对恶劣服役环境的系统研究尚不充分。本文利用传统激光熔覆技术在ER8车轮钢表面制备出在激光熔覆领域应用广泛的Fe基和Co基合金局部修复涂层，主要因为Fe基和Co基合金粉末属于具有脱氧造渣能力的自溶性合金粉末，且制备简单、性能优异。将酸雨溶液作为第三介质，借助MFT-EC4000往复电化学摩擦磨损试验仪对处于酸雨环境下的车轮试样进行模拟不同运行速度的滑动摩擦磨损试验，同时在酸雨溶液中进行电化学腐蚀试验，通过分析涂层的金相组织结构、显微硬度、磨损形貌、电化学腐蚀等情况，分别揭示了基体、Fe基和Co基合金涂层在酸雨环境下滑动摩擦磨损过程中的损伤机理和电化学腐蚀行为。

1 试验

1.1 试样制备

采用线切割的方式从列车车轮（ER8车轮钢）踏面以下5 mm处切取尺寸为30 mm×20 mm×5 mm的样块若干，并在样品中间部分切割去除宽度为10 mm、最大深度为2 mm的圆弧缺口，如图1所示。在激光功率为1 600 W、光斑直径为4 mm、扫描速率为7.5 mm/s、搭接率为50%、车轮钢基体预热200 ℃的条件下，利用激光熔覆技术对圆弧缺口进行修复，用金相砂纸将工作面逐级打磨至2 000＃砂纸，研磨抛光后进行超声清洗，烘干密封保存备用。车轮钢的化学成分见表1，Fe基和Co基合金粉末化学成分分别见表2和表3。

图1 ER8车轮钢涂层试样

表1 ER8车轮钢的化学成分

表2 Fe基合金粉末化学成分

表3 Co基合金粉末化学成分

1.2 材料及方法

试验中所用的酸雨溶液的组成成分及含量见表4，严格按照表内成分及含量科学合理地选取相应的化学试剂，采用精度为0.005 g的电子天平称取17.76 g (NH4)2SO4、10.00 g NaNO3、1.50 g Ca(NO3)2ž6H2O、1.00 g NaCl、1.00 g KNO3、0.96 g Mg (SO)4，误差规定在0.01 g，将称取好的药品置于500 mL的烧杯中，加入500 mL的去离子水，并用玻璃棒搅拌待溶解完成后移至5 L的容器中，加入相同的去离子水直至5 L，溶液的pH值控制在3.1～3.5范围内，如若达不到标准，可使用冰醋酸和NaOH固体进行调节。

表4 酸雨溶液的组成成分及含量

摩擦磨损试验中，将试验样品放置在MFT- EC4000试验仪的试验台上，固定载荷为10 N，酸雨溶液的流速为4.5 mL/min，陪试件选用6 mm的Si3N4球体，磨痕长度为5 mm，球体的摩擦行程调整为刚好被涂层与基体平分。酸雨环境中不同滑动摩擦频率分别设置为低频（1 Hz）、中频（2 Hz）和高频（4 Hz），摩擦时间为90 min。利用维氏硬度仪（Qness- Q60）测量试样表面的硬度，试验结束后，借助SEM、XRD和OM等表征设备对结果进行表征分析，为保证试验结果的可靠性，所有试验均重复2次。

在电化学腐蚀试验中，将打磨好的试样与配制好的酸雨溶液取出备用，分析设备采用电化学磨损仪工作站，在pH值为3.5的酸雨溶液中测试试样的极化曲线和交流阻抗。采用传统的三电极体系，涂层和基体试样分别为工作电极，Pt电极为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极（内充饱和KCl溶液）。首先将试样放入酸雨溶液上浸泡一段时间，以稳定开位电路，极化曲线的扫描范围相对开路电位为–1.5～1 V，扫描速率为1 mV/s，并从极化曲线获得腐蚀参数。在稳定开位电路后，对试样进行电化学阻抗谱的测量，扫描频率为105～0.01 Hz，所有试验均保持在室温(26±1) ℃下进行。在室温下，进行电化学阻抗谱（EIS）和极化曲线的测试，研究涂层与基体试样在酸雨溶液中的腐蚀行为。

2 结果与讨论

2.1 车轮试样的金相组织和显微硬度

2种不同合金涂层的显微组织结构如图2所示。可以看出，Fe基合金涂层（见图2a）与Co基合金涂层（见图2b）组织形貌差异较为明显，这是因为温度梯度（）和凝固速率（）对显微组织结构起着决定性的作用，形状控制因子（/）值对涂层的微观结构形貌有显著影响[12-13]。涂层表面均未发现明显的气孔、裂纹，组织结构均匀而致密，基体与涂层形成了良好的冶金结合。合金涂层由枝晶组织和共晶组织组成。在激光熔覆过程中，当激光束离开熔池时，涂层表面温度急剧下降，合金粉末迅速与基体熔凝，从而导致枝晶的形成。枝晶组织紧密排列，且涂层表面出现大量弥散分布的物质，这些物质是由于激光束离开熔池时，未凝固的液态金属再次成核凝固而形成的固态合金，也就是共晶组织，液态金属的凝固速度则决定了共晶组织的形貌特征。与“胞状”的Fe基合金涂层组织相比，“蜂窝状”的Co基合金涂层组织表现得更为致密。另外，2种合金涂层热影响区的组织呈现细片状的索氏体，这是由于在激光束的高温作用所导致[14]。

2种合金涂层的XRD谱图如图3所示。利用Jade6.5软件分析可以明显看出，不同的涂层衍射峰有较大的差异，其中Fe基合金涂层物相主要由奥氏体和碳化物Cr7C3组成，其中Ni元素大量固溶于奥氏体内，形成（Fe, Ni）固溶体，同时粉末中高含量的Cr元素通过高温易与C发生复杂的化学反应，形成碳化物Cr7C3[15]，而这些碳化物可以有效提高材料的硬度与强度。Co基合金涂层主要由γ-Co相与Cr23C6构成，同样在高温时，Co基合金粉末中含量较高的Cr元素易与C形成碳化物Cr23C6。2种熔覆涂层及基体的剖面硬度如图4所示，熔覆涂层厚度约为1 mm。涂层硬度较基体而言有明显提高，且Fe基合金涂层硬度远高于Co基合金涂层，平均硬度为711.4HV。在涂层形成过程中，熔池液体的快速冷却会使其产生固溶强化，使得涂层硬度得到了明显提高[10]。界面区域硬度随着剖面深度的增加而迅速减小，直至减小到300.0HV左右后保持稳定，接近基体平均硬度值（287.0HV）。这是因为剖面的深度越深，材料吸收的能量就越少，以至于没有足够的能量使组织发生相变。这也说明界面区域的结构组织与基体的结构更为接近。Co基合金涂层厚度的增加及热影响区域并未对Co基涂层的硬度产生较大影响，涂层剖面与基体的硬度较为接近。

图2 涂层试样微观组织

图3 涂层的XRD衍射谱线

图4 涂层截面硬度曲线

2.2 摩擦系数

Fe基和Co基合金涂层在不同滑动频率条件下的试验摩擦系数曲线如图5所示。可以看出，摩擦系数与滑动速度成反比，且主要分为剧烈摩擦阶段和稳定摩擦阶段。由于试验前试样表面光滑并且存在吸附薄膜[16]，故摩擦副与试样表面刚接触时的初始阶段摩擦系数波动较大。随着时间的推移，滑动过程中表面和吸附膜会逐渐遭到不同程度的破坏，试样磨面慢慢变得粗糙，导致摩擦系数急剧上升。同时，摩擦过程中产生的摩擦热会进一步导致摩擦系数的增大。经过跑合后，车轮钢试样表面达到稳定磨损的状态，摩擦系数趋于平稳。随着滑动频率的增加，摩擦系数逐渐下降，主要是因为滑动速度越高，磨擦表面产生氧化物越多，氧化物则能起到一定的润滑减磨作用，从而使摩擦系数减小[17]。

图5 不同滑动速度下涂层的摩擦因数随时间的变化曲线

2.3 磨痕形貌

图6和图7给出了不同滑动速度下涂层与基体结合区域的表面磨损形貌SEM图和OM图。综合图6和图7可以看出，从界面区域往基体位置走向，磨损程度明显加重，摩擦面损伤形貌总体上由明显的粘着磨损和严重的剥离损伤向磨粒磨损转变。从图6和图7中Fe基合金涂层界面区域在滑动频率为1、2、4 Hz时的界面结合区域磨损形貌可以看出，涂层与基体之间的磨损形貌相差较大，滑动频率为1 Hz时，Fe基涂层在酸雨环境下摩擦表面光滑，并发现少部分的磨屑粘附在接触面上，主要表现为轻微的磨粒磨损。随着滑动速度的加快，犁沟逐渐明显，磨屑颗粒变多，直接导致的结果是磨面上的黑色氧化物明显增多、磨痕宽度增大。从图6和图7中Co基合金涂层界面区域在滑动频率为1、2、4 Hz时的界面结合区域磨损形貌可以看出，其摩擦磨损机制与Fe基合金涂层类似，但点蚀与氧化程度则更为轻微。与2种涂层相比，基体的腐蚀与磨损则较为严重，摩擦面上出现明显的剥落坑、氧化层、犁沟，说明车轮材料之间的磨损主要为粘着磨损、氧化磨损以及磨粒磨损3种磨损机理，且这种现象随着滑动速度的加大越加严重。这是由于在滑动摩擦过程中，试样表层材料发生脆断从试样表面剥落形成硬质颗粒，这些犁沟是由硬度较大的颗粒与试样表面发生相对滑动而形成的。同时，反复挤压变形使得试样最终在摩擦磨损和剪切力的共同作用下，受到酸雨溶液点蚀的部位发生粘着剥落，形成剥落坑。摩擦副之间往复摩擦产生了较高的摩擦热，在摩擦热和酸性环境的共同作用下，磨面形成黑色氧化物。另外，酸雨溶液中的氯离子以及一些呈酸性的离子会破坏试样表面氧化膜的形成，以及沿着微裂纹向试样深度方向渗透，促进点蚀的形成，加快腐蚀速率[18]。综合图6和图7可以观察出，分界线的两端呈现出2种完全不同的摩擦磨损形貌，基体的损伤程度远远高于涂层，而界面区域的磨损形貌则更趋向于基体部分，从某种程度说明界面区域的摩擦学性能与基体存在一定程度的相似性。

以2 Hz滑动频率下的EDS平面扫描分析结果为例，如图8所示。涂层与基体Cr元素分布差异十分明显，基体上检测到少量Cr，是因为摩擦时基体上携带了少许涂层的磨屑。O元素主要集中分布在剥落的点蚀坑与黑色的氧化层中，而涂层表面O元素分布均匀，并未发现集中现象，这也恰恰说明涂层的高耐蚀性和高抗氧化性。

图6 试样表面损伤形貌的SEM图像

图7 试样表面损伤形貌的OM图像

2.4 磨损率

图9与图10分别为滑动摩擦试验后磨痕的3D光学轮廓形貌和不同频率下涂层与ER8基体的磨痕二维轮廓曲线。基体在3种频率下的磨痕深度与宽度变化明显，1 Hz下基体的磨痕深度与宽度分别约为5.26 μm和540 μm。随着频率的增加，磨痕深度与宽度也随之增加，4 Hz下磨痕深度和宽度分别为43.54 μm和1 100 μm左右，呈现出中高碳钢耐磨性较差的特性。涂层在3种频率下磨痕的深度和宽度与基体相比都稍有改善，其中Fe基合金涂层在1 Hz的滑动频率下磨痕深度约为4.1 μm，4 Hz频率下的磨痕深度增至10.3 μm。同等条件下，Co基合金涂层的磨痕深度和宽度略微大于Fe基合金涂层，但都小于基体材料的深度和宽度。图11为ER8车轮钢基体和涂层在不同频率下的磨损率，其计算公式如式（2）所示。

式中：为磨损率，mm3/(N·m)；为磨损量，cm3；为滑动单程长度，cm；是循环次数；为载荷，N[19]。基体材料在不同频率下都表现出高磨损率且磨损率与频率成正比。低频与中频条件下熔覆涂层的磨损率均略微小于基体材料，随着速度的增加，涂层的磨损率基本保持不变，而基体磨损率则显著增加。通常情况下，熔覆涂层的磨损率与滑动速度成正比，这是由于随着滑动速度的增加，容易在界面位置出现明显的摩擦热效应，从而导致涂层破裂，失去保护效果，形成更为严重的剥落，增大磨损率[20]。但由于本研究的循环次数不同，故存在涂层磨损率随频率增加而降低的现象。另外，基体试样的磨损率在高频作用下显著上升，出这一情况的原因可能是因为在高速往复摩擦过程中，基体材料由于滑动速度过高而出现局部破裂，破裂脱落的部分形成硬质磨屑，增加了磨损量。

图8 2 Hz下界面区域磨痕形貌的EDS元素分布

Fig.8 EDS element distribution of wear trace morphology in interface region at 2 Hz

图9 不同滑动速度下涂层与基体的磨痕3D轮廓形貌

图10 不同滑动速度下基体与涂层的磨痕轮廓变化曲线

图11 不同滑动速度下基体和涂层的磨损率

2.5 电化学腐蚀

3种试样的电化学阻抗谱如图12所示，阻抗谱显示出半圆形状，且半圆都呈现出电容型，半圆的直径大小直接反应的是试样表面的阻抗大小。可以明显看出，Co基涂层直径最大，其次是Fe基涂层，半径最小的为基体材料。根据电化学腐蚀的特点，采用如图13所示的等效电路对基体和涂层的阻抗测试结果进行拟合，其中图13a和图13b分别为基体与涂层的等效电路。相元用和表示，其中CPEbl和CPEdl分别为基体界面电容和双电层电容有关的常数相元。CPE是因系统原因形成的非理想电容的常相位元件，在模拟中常常引入作为纯电容，使得试验数据与模拟数据较好的吻合[21-23]，其中EIS测量通常与等效电路（EEC）进行类比分析。在图13a中，s是酸雨溶液电阻，ct为溶液–衬底界面与CPEdl并联时的电阻；图13b中，s为酸雨溶液电阻，b为腐蚀产物膜电阻，ct为涂层平行于恒相元CPEbl的阻挡层电阻。值越大，说明材料的耐腐蚀性能越强。采用ZSimpWin软件获取基体和涂层的EIS数据，拟合数据见表5。结合图12与表5数据分析，3种试样中基材的阻抗值最小，显现的耐腐蚀性能最低，Co基涂层具有最大的阻抗值，Fe基涂层次之，但相差并不大。初步判定熔覆涂层的耐腐蚀性能明显优于基体。

图12 3种试样在酸雨溶液中的电化学阻抗谱

图13 基体与涂层在酸雨溶液的等效电路:

表5 3种试样在酸雨溶液中的电化学阻抗拟合结果

利用电化学工作站测试了ER8车轮钢基体、Fe基和Co基合金涂层的动电位极化曲线，如图14所示。借助Tafel法、线性极化法分析了3种试样在酸雨溶液中的动电位极化曲线，并确定了腐蚀电位和腐蚀电流密度等参数来表征熔覆涂层在酸雨溶液中的耐腐蚀性能[24]，电化学腐蚀参数见表6，并通过现有参数计算出极化电阻P，极化电阻公式如式（2）[25]所示。

式中：corr为腐蚀电位；corr为腐蚀电流密度；c为阳极极化曲线斜率；a为阴极极化曲线斜率。结合图14和表6可以看出，ER8车轮钢基体和熔覆涂层在酸雨溶液中均未出现明显的钝化区域，说明在开路电位为－1.5～1 V条件下，基体和涂层表面均未生成了钝化膜。同时可以发现，基体的corr与corr明显低于2种涂层，表明在酸雨溶液中，熔覆涂层的腐蚀倾向与腐蚀速率都远远低于基体[26]。随着腐蚀时效时间的增加，合金涂层的腐蚀电位corr表现出正方向移动的趋势，腐蚀电流密度corr趋于降低，极化电阻P增大。根据法拉第欧姆定律[27]，电化学腐蚀速率与腐蚀电流密度corr呈正比关系，同时与极化电阻P呈反比关系。这说明涂层腐蚀电流密度corr越大，涂层的腐蚀速率越快，耐蚀性能就越弱，而涂层极化电阻P越大，则涂层的耐腐能力就越优异。同时， Fe基合金涂层与Co基合金涂层耐腐蚀性能的差距并不明显，主要是因为2种合金涂层Cr元素的含量相差并不明显，而Cr元素的存在能有效提高材料的耐腐蚀性能。

图14 3种试样在酸雨溶液中的极化曲线

Fig.14 Polarization curves of three specimens in acid rain solution

表6 3种试样的电化学特性参数

3 结论

本文利用激光熔覆技术在ER8车轮钢材料中制备了局部Fe基和Co基合金涂层，采用往复摩擦磨损和电化学腐蚀试验研究了涂层在酸雨溶液中的摩擦磨损及腐蚀机理。可以得出以下结论：

1）摩擦系数与滑动速度成反比关系，并且在相同参数条件下，Co基合金涂层的摩擦系数略小于Fe基合金涂层。

2）在酸雨溶液中基体材料磨面上呈现的损伤形貌总体上由明显的粘着磨损和严重的剥离损伤向涂层磨粒磨损机制转变，而涂层磨面则为轻微的磨粒磨损。

3）与基体相比，2种合金涂层均具有相对较低的磨损率，且随着滑动速度的增大，涂层耐磨性表现得更为优异；高频（4 Hz）条件下，Fe基与Co基合金涂层的磨损率比基体分别最高能减少46.10× 10–5mm3/(N·m)和39.85×10–5mm3/(N·m)。

4）基体、Fe基合金涂层和Co基合金涂层的极化电阻分别为511.4、7 148.8、30 984.4 Ω，故涂层表现出优异的耐腐蚀性能。相较之下Co基合金涂层更为优异，但由于Fe基合金涂层成本更低，表现出更优异的耐磨损性能，耐腐蚀性能与Co基合金涂层差距并不明显，在实际工程应用中，Fe基合金涂层仍为优选。

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Wear and Corrosion Resistance of Laser Cladding Coating on ER8 Wheel Steel in Acid Rain Environment

,,,,

(School of Mechatronics and Vehicle Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

Laser cladding is an advanced surface modification technology, which can improve the surface properties such as wear resistance, corrosion resistance, fatigue wear resistance, oxidation resistance of different powder materials without changing the substrates. The work aims to improve the wear and corrosion resistance of ER8 high-speed wheel steel to increase the service life of wheels. In order to compare the wear resistance and corrosion resistance of different powder coatings and substrates in acid rain solution, the laser cladding technology was used to improve the performance of ER8 high-speed wheel steel and improve the service life of wheels, so as to cope with the bad service environment of train wheels. The wear and corrosion resistance of Fe-based alloy coating and Co-based alloy coating in simulated acid rain solution were compared and analyzed. The wheel steel was cut into sample blocks of 30 mm×20 mm×5 mm, and the circular gap with width of 10 mm and maximum depth of 2 mm was removed in the middle part of the matrix material sample. The substrate was polished smooth and cleaned with sandpaper. Under the laser power of 1 600 W, spot diameter of 4 mm, scanning rate of 7.5 mm/s and lap rate of 50%. Fe-based and Co-based alloy coatings were prepared by Laserline LDF6000-100 laser on the substrate surface. Then, the microstructure morphology, phase type and nano hardness of the coating were analyzed by SEM, XRD and nano indentation apparatus. With the help of MFT-EC4000 reciprocating electrochemical friction and wear tester, the samples were placed in acid rain solution for friction and wear test and electrochemical corrosion test. According to the results of uniform coating on the surface of compact structure, good metallurgical combination, Fe-based and Co-based alloy coating respectively presented "cellular" and "honeycomb". There was no obvious defects such as holes and cracks. The coating hardness is significantly higher than that of matrix hardness. The solid solution and carbide formation made Fe-based coating hardness more outstanding. The HV hardness was up to 714.4 on average. The substrate had light wear at low frequency (1 Hz) and, severe spalling, pitting corrosion at high frequency (2 Hz, 4 Hz). The wear mechanisms were mainly adhesion wear, oxidative wear and abrasive wear. There was no obvious corrosion and peeling phenomenon in the coating wear area. At high frequency, the wear rate of Fe-based coating and Co-based coating decreased by 6.10×10–5mm3/(N·m) and 39.85×10–5mm3/(N·m), respectively. At the same time, the impedance value of the coating in acid rain solution was significantly increased, and the polarization curve test results showed that the self-corrosion potential of Fe-based coating, Co-based coating and substrate was –0.522 V, –0.381 V and –0.603 V, respectively. The corrosion densities were 3.916 μA/cm2, 0.312 μA/cm2and 5.483 μA/cm2, respectively. The wear resistance and corrosion resistance of the repaired wheel steel samples are improved to varying degrees. In comparison, the wear resistance of the Fe-based alloy coating is more excellent. The corrosion resistance of Co-based alloy coating is slightly stronger than that of Fe base coating.

wheel steel; laser cladding; alloy powder coating; friction and wear; acid rain solution; electrochemical corrosion

U270；TG174.4

A

1001-3660(2023)01-0314-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.032

2021–11–26；

2022–02–27

2021-11-26；

2022-02-27

国家自然科学基金青年基金（51905172）；江西省自然科学基金（20202BABL214028）；江西省教育厅科学技术研究项目（GJJ180344）；江西省研究生创新专项资金项目（YC2021-S462）

The Natural Science Foundation of China for the Youth (51905172); The Natural Science Foundation of Jiangxi, China (20202BABL214028); Science and Technology Research Project of Jiangxi Provincial Department of Education (GJJ180344); Postgraduate Innovation Special Fund Project of Jiangxi Province (YC2021-S462)

杨文斌（1987—），男，博士，讲师，主要研究方向为腐蚀摩擦、激光熔覆。

YANG Wen-bin (1987-), Male, Doctor, Lecturer, Research focus: corrosion of frictionand laser cladding.

肖乾（1977—），男，博士，教授，主要研究方向为轨道关系、激光熔覆。

XIAO Qian (1977-), Male, Doctor, Professor, Research focus: rail relationshipand laser cladding.

杨文斌, 夏金龙, 肖乾, 等. ER8车轮钢激光熔覆涂层在酸雨环境下的磨损与腐蚀性能分析研究[J]. 表面技术, 2023, 52(1): 314-324.

YANG Wen-bin, XIA Jin-long, XIAO Qian, et al. Wear and Corrosion Resistance of Laser Cladding Coating on ER8 Wheel Steel in Acid Rain Environment[J]. Surface Technology, 2023, 52(1): 314-324.

责任编辑：刘世忠