[摘 要] 為解決車輪用鋼服役過程中的大氣腐蝕問題，通過中性鹽霧試驗(yàn)研究了590 MPa 和780 MPa 級(jí)別2 種汽車車輪用鋼590CL 和780CL 在5%NaCl 溶液中性鹽霧環(huán)境下的初期腐蝕行為，并采用輝光光譜儀、金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)、X 射線衍射儀(XRD)和電化學(xué)測(cè)量等手段表征了鹽霧試驗(yàn)后腐蝕產(chǎn)物的形貌、結(jié)構(gòu)、腐蝕速率及電化學(xué)行為。結(jié)果表明，在中性鹽霧試驗(yàn)48 h 后，2 種車輪用鋼表面均出現(xiàn)紅銹，二者腐蝕速率為590CL＞780CL。在3.5%NaCl 溶液中測(cè)量的極化曲線和電化學(xué)阻抗譜結(jié)果與上述結(jié)果有較好的一致性。590CL 和780CL 這2 種鋼材的腐蝕產(chǎn)物主要為γ-FeO(OH)，還含有部分α-FeO(OH)和Fe3O4，腐蝕產(chǎn)物對(duì)基體基本沒有保護(hù)作用。

[關(guān)鍵詞] 車輪鋼；中性鹽霧試驗(yàn)；腐蝕產(chǎn)物；微觀結(jié)構(gòu)；電化學(xué)測(cè)試

0 前 言

車輪作為汽車的重要運(yùn)動(dòng)組成部件之一，在高速行駛過程中，承受循環(huán)交變載荷作用，其最主要的損傷形式是磨損和疲勞[1－4]。除了磨損和疲勞損傷，長(zhǎng)期苛刻的服役環(huán)境也是影響車輪壽命的重要原因之一。由于常年行駛在戶外環(huán)境中，四季的交替、地域的變化以及自然條件的變化都將對(duì)車輪形成嚴(yán)峻的考驗(yàn)，酸雨、除冰雪、風(fēng)沙、沿海鹽霧、工業(yè)大氣等眾多復(fù)雜的環(huán)境因素都會(huì)對(duì)車輪造成腐蝕作用[5]。鋼板是汽車生產(chǎn)的主要原料之一，在各行各業(yè)及日常生活中應(yīng)用也頗為廣泛。鋼鐵腐蝕對(duì)人類的正常生活和所處的環(huán)境以及國(guó)家的基本資源都產(chǎn)生了巨大危害，鋼鐵腐蝕問題不容忽視[6]，車輪的腐蝕會(huì)造成安全隱患，影響汽車的使用壽命和運(yùn)行安全。國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)對(duì)材料防腐性能要求越來越高，各主機(jī)廠已將腐蝕控制要求作為衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)[7]。因此進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)評(píng)價(jià)車輪鋼的耐蝕性能變得越來越重要。

由于專用車，例如農(nóng)機(jī)用車、垃圾清運(yùn)車和灑水車等的使用環(huán)境特殊，車輪在服役過程中也會(huì)遭受更多惡劣環(huán)境的影響，對(duì)車輪用鋼的耐腐蝕性能也提出了更高的要求。為了提高車輪鋼的耐腐蝕性能，新型車輪鋼中添加了Cr 元素。目前對(duì)熱軋車輪用鋼基板腐蝕的研究較少，為了延長(zhǎng)汽車在惡劣環(huán)境中的服役壽命，降低能源消耗，針對(duì)車輪用鋼基板開展相關(guān)的腐蝕研究具有重要意義。吳菲等[8]利用周期浸泡及電化學(xué)試驗(yàn)研究了C 和Si 含量對(duì)車輪鋼腐蝕速率的影響，發(fā)現(xiàn)Si 含量增加使得車輪鋼自腐蝕電位升高，表面電荷轉(zhuǎn)移電阻增大，從而耐腐蝕性能得到提高，但對(duì)C 和Si 元素影響車輪鋼耐腐蝕性能的原因未進(jìn)行分析。曾偉等[9]通過鹽霧試驗(yàn)對(duì)車輪鋼輪輞材料進(jìn)行預(yù)腐蝕，隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，平均腐蝕速率呈先減小后增加再減小的趨勢(shì)，但未對(duì)腐蝕產(chǎn)物和形貌進(jìn)行細(xì)致的研究分析。楊文斌等[10]在車輪鋼表面制備出Fe 基和Co 基合金局部修復(fù)涂層，在酸雨溶液中Co 涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能。

本工作針對(duì)590 MPa 和780 MPa 2 種不同強(qiáng)度級(jí)別的汽車車輪用鋼，對(duì)比研究了中性鹽霧環(huán)境下二者初期的腐蝕速率、腐蝕產(chǎn)物微觀形貌和組成及電化學(xué)腐蝕行為。

1 試 驗(yàn)

1.1 試 材

試驗(yàn)材料為某鋼廠生產(chǎn)的車輪用鋼590CL 和780CL，主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1。

表1 2 種鋼材主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

中性鹽霧試驗(yàn)試樣尺寸為150 mm×70 mm×4 mm，經(jīng)過酸洗和乙醇超聲清洗后，吹干，用膠帶封裝四邊后備用。電化學(xué)試樣尺寸為10 mm×10 mm×4 mm，經(jīng)過酸洗處理后，除去表面氧化皮，乙醇擦拭表面晾干后備用。

1.2 鹽霧加速試驗(yàn)

中性鹽霧試驗(yàn)按照GB/T 10125－2021“人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)”，采用Q-FOG CCT-1100 循環(huán)腐蝕試驗(yàn)箱，使用5%NaCl 溶液鹽霧氣氛，測(cè)試48 h，將試樣置于室內(nèi)自然干燥0.5 h，然后用流水沖洗表面殘存溶液，再用乙醇清洗，然后涼風(fēng)吹干觀察試樣表面變化情況。

1.3 測(cè)試表征

采用失重法計(jì)算試樣的腐蝕速率，根據(jù)ISO 8407“金屬和合金的腐蝕·腐蝕試驗(yàn)試樣中腐蝕產(chǎn)物的去除”中規(guī)定，腐蝕試驗(yàn)前用分析天平測(cè)試試樣質(zhì)量，鹽霧腐蝕后的試樣用含3.5 g/L C6 H12 N4 緩蝕劑的50%(體積分?jǐn)?shù))鹽酸溶液浸泡，在常溫下用水和酒精分別清洗，然后涼風(fēng)吹干后進(jìn)行稱重。不同周期的質(zhì)量損失數(shù)據(jù)計(jì)算5 個(gè)平行試樣的均值。

采用GDS 850A 型輝光光譜儀(GDS)對(duì)酸洗后的590CL 和780CL 鋼板元素隨深度分布情況進(jìn)行表征，采用電壓700 V，電流20 mA。

采用OLYMPS 激光共焦顯微鏡觀察試驗(yàn)用鋼的金相組織。

采用S-3400N 掃描電鏡(SEM)觀察試樣表面腐蝕形貌，并用能譜儀(EDS)分析腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)成分。

使用D8 Advance 型X 射線衍射儀(XRD)分析腐蝕產(chǎn)物的物相，采用Co 靶Kα 輻射，電壓35 kV，電流40 mA。

電化學(xué)測(cè)試使用的是PARSTAT 2273 電化學(xué)工作站，測(cè)試溶液為3.5%NaCl 溶液，使用三電極體系進(jìn)行試驗(yàn):參比電極為飽和氯化銀電極(Ag/AgCl)，輔助電極為鉑電極，車輪用鋼590CL 和780CL 分別為工作電極。極化曲線試驗(yàn)前把試樣浸泡10 min，掃描電位為－0.25～0.25 V(vs OCP)，掃描速率為1 mV/s。電化學(xué)阻抗的測(cè)量振幅為10 mV，頻率范圍1.0×(10－2 ～105) Hz，測(cè)量后用ZSimp-win 軟件對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

2 結(jié)果與討論

2.1 表面成分與形貌

圖1 為2 種不同強(qiáng)度級(jí)別的車輪用鋼590CL 和780CL 酸洗板淺表層Si、Mn 和Cr 元素深度分布狀態(tài)(GDS)。其中，Si 在腐蝕表面的富集有利于形成更小粒度的α-FeO(OH)；Cr 與O 形成Cr2O3鈍化膜，阻止腐蝕基體，提高材料的耐蝕性能。根據(jù)GDS 結(jié)果可知，Si、Mn 和Cr 3 種元素在590CL 酸洗板表面的含量均比780CL 表面低，Si 和Mn 的含量差別較小，而780CL 的Cr 元素含量較590CL 高0.4%左右。

圖1 2 種典型車輪用鋼590CL 和780 CL GDS 曲線

圖2 為2 種典型車輪用鋼590CL 和780CL 基體組織。可見，590CL 的基體組織主要為鐵素體和珠光體，780CL 的基體組織主要為鐵素體和貝氏體。

圖2 2 種典型車輪用鋼590CL 和780 CL 基體組織

圖3 為2 種典型車輪用鋼590CL 和780CL 表面酸洗后的微觀形貌。可見，590CL 樣品表面更為粗糙，存在大量凹坑；780CL 樣品表面質(zhì)量較好。

圖3 2 種典型車輪用鋼590CL 和780 CL 表面酸洗后的微觀形貌

EDS 能譜結(jié)果(表2)顯示，590CL 樣品表面主要元素分布為Mn、Fe，780CL 樣品表面主要元素分布為Mn、Fe、Cr。

表2 2 種典型車輪用鋼590CL 和780CL 的EDS 檢測(cè)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2.2 腐蝕產(chǎn)物宏觀形貌

圖4 為2 種不同強(qiáng)度級(jí)別的車輪用鋼590CL 和780CL 在5%NaCl 鹽霧氣氛下腐蝕不同時(shí)間后試樣表面腐蝕產(chǎn)物的宏觀形貌。從圖中可以看出，未經(jīng)鹽霧腐蝕的試樣中590CL 的表面相比780CL 略粗糙，780CL 試樣表面更為致密，與圖3 中表面酸洗后試樣表面微觀形貌一致。腐蝕試驗(yàn)進(jìn)行2 h，590CL 和780CL 酸洗板表面均出現(xiàn)了褐棕色的腐蝕產(chǎn)物，隨著腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)至6 h，590CL 和780CL 表面紅棕色腐蝕產(chǎn)物增多且顏色加深，覆蓋率95%以上；腐蝕時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)至24 h 后，鋼板表面銹層明顯增厚，呈現(xiàn)亮紅褐色；鹽霧腐蝕48 h 后，590CL 和780CL 表面銹層呈黃褐色，其中紋路區(qū)域腐蝕產(chǎn)物呈棕褐色，其紋路邊緣為黑色，銹層面積可達(dá)100%。

圖4 2 種典型車輪用鋼在中性鹽霧腐蝕不同時(shí)間后的表面宏觀形貌

2.3 腐蝕速率

圖5 為2 種不同強(qiáng)度級(jí)別的車輪用鋼590CL 和780CL 的質(zhì)量損失隨試驗(yàn)時(shí)間變化的曲線。根據(jù)鹽霧腐蝕后試樣的宏觀形貌圖可知，難以通過銹蝕出現(xiàn)時(shí)間的早晚及紅銹面積來判斷2 種試樣的耐蝕性，而根據(jù)腐蝕質(zhì)量損失[11]來衡量二者耐蝕性相對(duì)更為準(zhǔn)確。根據(jù)圖5 可知，質(zhì)量損失速率為590CL＞780CL，隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，二者的腐蝕速率略有下降，總的來說，780CL 的耐腐蝕性相對(duì)較好。這符合GDS 元素深度分布規(guī)律，Cr 是主要鐵素體形成元素，與氧結(jié)合能生成耐腐蝕的Cr2O3鈍化膜，是保持耐蝕性的基本元素之一。

圖5 中性鹽霧試驗(yàn)中2 種典型車輪鋼的質(zhì)量損失曲線和質(zhì)量損失速率曲線

2.4 腐蝕產(chǎn)物微觀形貌及物相

圖6 為試樣經(jīng)中性鹽霧試驗(yàn)48 h 后的表面微觀形貌。如圖所示，腐蝕產(chǎn)物多數(shù)以球狀存在，且堆積行為比較明顯。經(jīng)放大后觀察到腐蝕產(chǎn)物呈針尖發(fā)散的球團(tuán)狀，紋路區(qū)域棕褐色腐蝕產(chǎn)物主要以塊狀存在。腐蝕產(chǎn)物能譜(EDS)分析結(jié)果見表3，根據(jù)EDS 檢測(cè)結(jié)果可知，590CL 和780CL 試樣表面腐蝕產(chǎn)物的存在形式主要為Fe 的氧化物。

圖6 中性鹽霧試驗(yàn)48 h 后2 種典型車輪用鋼表面腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌

表3 中性鹽霧試驗(yàn)48 h 后2 種典型車輪用鋼表面腐蝕產(chǎn)物的EDS 檢測(cè)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

圖7 為試樣經(jīng)中性鹽霧試驗(yàn)48 h 后的截面微觀形貌。590CL 截面銹層疏松且存在較多裂紋，厚度在8.14～18.20 μm 之間，對(duì)基體的保護(hù)作用較差；780CL截面銹層內(nèi)層與基體結(jié)合較為致密，保護(hù)作用較好，外層較為疏松，厚度在5.75～6.35 μm 之間。截面EDS 能譜結(jié)果如表4。

圖7 中性鹽霧試驗(yàn)48 h 后2 種典型車輪用鋼截面腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌

表4 中性鹽霧試驗(yàn)48 h 后2 種典型車輪用鋼截面腐蝕產(chǎn)物的EDS 檢測(cè)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

圖8 為中性鹽霧試驗(yàn)48 h 后腐蝕產(chǎn)物的XRD 譜，并對(duì)其物相含量進(jìn)行半經(jīng)驗(yàn)定量擬合計(jì)算，結(jié)果見表5。結(jié)果表明，車輪用鋼590CL 和780CL 表面腐蝕產(chǎn)物大多為γ-FeO(OH)，還含有少部分α-FeO(OH)和Fe3O4。XRD 結(jié)果表明腐蝕產(chǎn)物主要為Fe 的氧化物，與EDS 能譜分析結(jié)果一致。保護(hù)性銹層α-FeO(OH)的含量較低，銹層對(duì)鋼板表面的保護(hù)作用較小，這與腐蝕速率試驗(yàn)結(jié)果保持良好一致。

圖8 中性鹽霧試驗(yàn)48 h 后2 種典型車輪用鋼表面腐蝕產(chǎn)物的XRD 譜

表5 中性鹽霧試驗(yàn)48 h 后2 種典型車輪用鋼表面腐蝕產(chǎn)物的物相含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2.5 電化學(xué)性能

自腐蝕電流密度的大小也可用于表征腐蝕速率，自腐蝕電流密度越大，則材料腐蝕速率越大，越容易發(fā)生腐蝕[12]。

圖9 為3.5%NaCl 溶液中浸泡10 min 后測(cè)得車輪用鋼590CL 和780CL 的電化學(xué)阻抗譜和極化曲線。

圖9 2 種典型車輪鋼在3.5%NaCl 溶液中的極化曲線和電化學(xué)阻抗譜

對(duì)極化曲線(圖9a)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表6 所示。結(jié)果表明，腐蝕電流密度590CL ＞780CL，阻抗模值780CL＞590CL，590CL 和780CL 的電化學(xué)阻抗圖只有1個(gè)容抗弧，綜合考慮，認(rèn)為樣品本身相當(dāng)于1 個(gè)電阻與1 個(gè)電容并聯(lián)，即可采用圖10[13]所示電路模型對(duì)EIS進(jìn)行擬合(其中，Rs 為溶液電阻；Qc 為腐蝕產(chǎn)物電容；Rc 為腐蝕產(chǎn)物電阻)。結(jié)合圖9 和圖10 可知，780CL樣品表面的低頻阻抗模值高達(dá)1 235 Ω·cm2 以上，590CL 的電阻可達(dá)780 Ω·cm2 以上。阻抗值越大，自腐蝕電位越小，材料的耐腐蝕性能越好，因此780CL 的耐腐蝕性優(yōu)于590CL。極化曲線和電化學(xué)阻抗圖結(jié)果規(guī)律性保持一致。除此之外，電化學(xué)的結(jié)果與質(zhì)量損失的結(jié)果規(guī)律也相同。

圖10 圖8 中EIS 的等效電路模型[13]

表6 極化曲線的擬合結(jié)果

3  結(jié)論

(1)在中性鹽霧試驗(yàn)48 h 后，2 種車輪用鋼表面均出現(xiàn)紅銹，紅銹面積可達(dá)100%，其質(zhì)量損失和腐蝕速率為590CL＞780CL。780CL 的耐腐蝕性相對(duì)較好，認(rèn)為主要由于780CL 中Cr 含量較高。

(2)590CL 和780CL 的腐蝕產(chǎn)物主要為Fe 的氧化物，兩者腐蝕產(chǎn)物呈針尖發(fā)散的球團(tuán)狀，主要存在形式為γ-FeO(OH)，還含有部分α-FeO(OH)和Fe3O4，其中對(duì)試樣基體具有保護(hù)性作用的α-FeO(OH)含量較低，說明產(chǎn)生的紅銹對(duì)基體基本沒有保護(hù)作用。

(3)電化學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，780CL 的耐腐蝕性能優(yōu)于590CL，電化學(xué)結(jié)果與中性鹽霧試驗(yàn)及腐蝕速率結(jié)果保持一致。

[參 考 文 獻(xiàn) ]

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