目前，我國在役鐵路貨車約70萬輛，其中敞車約占總量的70%[1]。Q450NQR1因具有強度高、耐蝕性好的特點，成為現(xiàn)役鐵路敞車的主要用鋼，廣泛應(yīng)用于C70敞車上[2,3]，為我國煤炭運輸做出了巨大貢獻。針對中車提出對鐵路敞車用鋼輕量化的目標，450 MPa級高強耐候鋼已經(jīng)足夠滿足80 t鐵路敞車體強度的設(shè)計要求，這就要求新型鐵路敞車用鋼在兼具低成本的同時，具有更優(yōu)異的耐腐蝕性能[4,5]。

文獻[6-9]表明珠光體組織是與夾雜物相似的腐蝕起源點，珠光體誘發(fā)局部腐蝕表現(xiàn)為：珠光體中滲碳體與鐵素體之間的電位差引發(fā)電偶腐蝕，對材料耐蝕性是不利的。為避免珠光體組織對實驗鋼耐蝕性的不利影響，本文在實驗室條件下制備了一種鐵路敞車用經(jīng)濟型450 MPa級高強耐候鋼，后通過控軋控冷，獲得了3種不同珠光體含量的高強耐候鋼，旨在研究顯微組織對高強耐候鋼耐大氣腐蝕性能的影響，為鐵路敞車用經(jīng)濟型高強耐候鋼的開發(fā)提供參考。

1 實驗方法

在實驗室條件下制備了一種鐵路敞車用經(jīng)濟型450 MPa級高強耐候鋼，綜合考慮其力學性能、焊接性能和耐蝕性能的要求，采用低Mn、S和高Ti的化學成分設(shè)計，并復合添加耐蝕元素Cr、Ni、Cu。實驗鋼與對比鋼Q345B的化學成分如表1所示。

表1   實驗材料化學成分

在實驗室條件下，將實驗鋼坯料加工成220 mm×220 mm×50 mm的方坯，最終軋制為厚度7 mm的熱軋態(tài)鋼板。通過控軋控冷獲得3種不同顯微組織的實驗鋼，力學性能如表2所示。

表2   實驗鋼的力學性能

周浸腐蝕實驗依據(jù)TB/T 2375-1993進行，實驗材料是Q345B鋼及1#、2#、3#實驗鋼。尺寸為60 mm×40 mm×4 mm，每種材料取5個平行試樣；實驗前依次用丙酮、無水乙醇除去表面油污，在干燥箱中干燥24 h 后稱重。腐蝕液為0.01 mol/L的NaHSO3溶液，溶液溫度為45 ℃，濕度70%RH，實驗時間為72 h。

腐蝕產(chǎn)物的去除按照GB/T 16545-2015，緩蝕劑配置為：500 mL鹽酸+500 mL蒸餾水+3.5 g六次甲基四胺。通過超聲波清洗儀去除試樣表面腐蝕產(chǎn)物，酸洗后用清水沖凈，再依次用丙酮和無水乙醇浸泡，取出后立即用熱風吹干，放入干燥器中保存24 h后對試樣進行稱量。腐蝕失重率w如下：

式中，w為腐蝕失重率，g/（m2·h）；g0和g1為試樣腐蝕前后質(zhì)量，g；a、b和c分別為試樣長度、寬度和厚度，mm；t為實驗時間，h。

實驗結(jié)束后，采用Sigma 500熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡 （SEM） 對實驗鋼腐蝕后各區(qū)域進行微觀形貌觀察，并利用其自帶的能譜分析儀 （EDS） 分析腐蝕產(chǎn)物的化學成分。采用PARSTAT 2273電化學工作站測定3種組織實驗鋼的動電位極化曲線。

2 結(jié)果和分析

2.1 實驗鋼顯微組織分析

不同工藝下實驗鋼的金相組織如圖1所示，實驗鋼1#組織為鐵素體 （F）+珠光體 （P），實驗鋼2#、3#的組織為鐵素體 （F）+貝氏體 （B）+珠光體 （P），但構(gòu)成比例不同，分別為85%F+15%P、81%F+14%B+5%P、82%F+16%B+2%P （以下分別簡稱為15%P、5%P、2%P）。

圖1   3種實驗鋼的金相組織

2.2 組織對實驗鋼耐蝕性的影響分析

3種組織實驗鋼與對比鋼Q345B的腐蝕速率結(jié)果如圖2所示。可見實驗鋼的腐蝕速率隨著珠光體占比的降低而降低，可見在周浸腐蝕條件下，珠光體組織對材料的耐大氣腐蝕性能存在不利影響。

圖2   實驗鋼腐蝕失重率

3種組織實驗鋼與對比鋼Q345B在周浸腐蝕試驗后的宏觀腐蝕形貌如圖3所示。對比鋼Q345B呈棕黃色，表面覆蓋一層疏松銹層，與基體結(jié)合力差，容易剝落；隨著腐蝕時間延長，銹層逐漸變成褐色；15%P鋼呈灰綠色，表面平整，僅在懸掛試樣的孔洞附近存在少量疏松銹層；5%P鋼與2%P鋼腐蝕形貌相似，顏色呈深綠色，懸掛試樣的孔洞附近依然存在少量疏松銹層。實驗鋼總體上呈現(xiàn)平整的腐蝕形貌，表面腐蝕產(chǎn)物分布均勻，附著緊密，對基體具有更好的保護作用。

圖3   3種實驗鋼及對比鋼周浸腐蝕實驗后的腐蝕形貌

圖4為3種實驗鋼與對比鋼Q345B鋼在周浸腐蝕實驗后的腐蝕產(chǎn)物微觀形貌。可見Q345B鋼表面腐蝕產(chǎn)物疏松，出現(xiàn)明顯的腐蝕層開裂形貌，局部腐蝕產(chǎn)物已經(jīng)脫落。15%P鋼可見內(nèi)銹層與外銹層的分界線，外銹層已經(jīng)大量脫落，內(nèi)銹層致密均勻；5%P鋼外銹層基本脫落完成，內(nèi)銹層腐蝕產(chǎn)物出現(xiàn)局部團聚形貌；2%P鋼表面腐蝕產(chǎn)物呈土丘狀，腐蝕產(chǎn)物上又生成了更細小的顆粒狀腐蝕產(chǎn)物，均勻而致密，有效隔絕了腐蝕介質(zhì)向基體內(nèi)的滲透，降低了酸性介質(zhì)對基體的腐蝕。由此可見，隨著P組織含量的降低，實驗鋼的整體耐腐蝕性較好，腐蝕方式以均勻腐蝕為主，較快生成了致密內(nèi)銹層，腐蝕產(chǎn)物緊緊地依附在基體表面，沒有明顯的坑洞和裂紋。

圖4   試樣表面腐蝕形貌的SEM像

2.3 實驗鋼動電位極化曲線分析

3種實驗鋼的動電位極化曲線如圖5所示，其對應(yīng)的自腐蝕電位 （Ecorr / V） 和電流密度 （Icorr / μA·cm-2） 分別為-0.67，-0.65，-0.61及25.0，28.1，35.2。2%P鋼的極化曲線在最上方，表明其腐蝕電位最高。15%P鋼極化曲線圖形位于最下方，腐蝕電位最低。從表中可以看出：試樣的腐蝕電位排序與腐蝕電流結(jié)果相反，該現(xiàn)象表明低P組織鋼在腐蝕初期，發(fā)生陽極溶解的速度最快。這是因為在鋼基體表面致密銹層形成之前，腐蝕行為主要取決于鋼基體內(nèi)各部分的電極電位之差[10]。珠光體為鐵素體與滲碳體的機械混合物，晶內(nèi)鐵素體和滲碳體交錯，兩者電位存在明顯的差異[11]，在液膜下形成的大量微電池加速了珠光體的腐蝕。在電化學腐蝕中，“大陰極小陽極”會使腐蝕加劇，因此2%P鋼在腐蝕初期即致密銹層形成之前會迅速腐蝕。

圖5   實驗鋼的動電位極化曲線

2.4 實驗鋼銹層結(jié)構(gòu)與元素分布分析

為進一步分析不同P組織含量的實驗鋼腐蝕差異性，選取15%P鋼與2%P鋼，對其銹層結(jié)構(gòu)及元素分布進行觀察，如圖6所示。可見15%P鋼外銹層已經(jīng)脫落，裂紋延伸至整個內(nèi)銹層，內(nèi)銹層與基體連接的局部出現(xiàn)了應(yīng)力開裂形貌。腐蝕坑深度約32~37 μm，寬度約40~74 μm。Cr在銹層表面與裂縫處都出現(xiàn)了富集，Cu則在銹層表面與腐蝕坑內(nèi)出現(xiàn)了明顯富集，而S在腐蝕的過程中逐步侵蝕至基體內(nèi)，并在腐蝕坑內(nèi)大量富集。

圖6   15%P和2%P鋼試樣的截面腐蝕形貌

2%P鋼銹層結(jié)構(gòu)與15%P鋼相似，銹層出現(xiàn)開裂，但外銹層并未脫落，可見2%P鋼銹層厚度要比15%P鋼小很多。2%P鋼腐蝕坑尺寸明顯較15%P鋼小，深度約19~32 μm，寬度約24~34 μm。Cr在銹層表面與裂縫處都出現(xiàn)了富集。與15%P鋼顯著不同的是，S僅擴散至銹層裂縫處，腐蝕坑內(nèi)S含量很少，而基體內(nèi)基本消失不見，Cu富集位置與S富集位置基體一致，可見Cu對S向基體內(nèi)的侵蝕起到顯著的抑制作用。

Cu是提高材料耐蝕性[12-15]最有效的元素之一，為進一步研究Cu在抑制腐蝕過程中起到的作用與存在狀態(tài)，對銹層中Cu的存在狀態(tài)與含量進行了測定，結(jié)果見圖7所示。可見15%P鋼銹層表面存在許多小而彌散分布的多面體晶石物相，這種物相多分布于完整的銹層上，而銹層開裂處少有分布，經(jīng)EDS分析為富Cu相。這表明Cu在內(nèi)銹層上形核，并對內(nèi)銹層起到“錨固”作用，改善銹層結(jié)構(gòu)，防止銹層開裂。

圖7   內(nèi)銹層腐蝕形貌的SEM像及EDS結(jié)果

2%P鋼富Cu相呈團聚狀，與15%P鋼不同的是，Cu在內(nèi)銹層形核后，逐漸長大，數(shù)量更多，尺寸也更大，對腐蝕介質(zhì)的隔絕作用，效果更為顯著。同時富Cu相上出現(xiàn)了更多更細小的彌散富Cu相，揭示了富Cu的形核與長大過程。

3 結(jié)論

（1） 通過控軋控冷獲得3種不同珠光體含量的高強耐候鋼，周浸腐蝕實驗結(jié)果表明，珠光體組織含量越低，銹層越致密，耐蝕性越好。

（2） 動電位極化曲線結(jié)果與周浸腐蝕實驗結(jié)果一致，即珠光體含量越低，腐蝕越難發(fā)生，但在腐蝕初期即致密銹層形成之前，低珠光體組織會率先發(fā)生陽極溶解。

（3） Cu在銹層與腐蝕坑內(nèi)富集，有效抑制了S向基體內(nèi)侵蝕，隔絕了酸性腐蝕介質(zhì)，減緩了腐蝕的進程。Cu在內(nèi)銹層上形核并長大，對內(nèi)銹層起到“錨固”作用，抑制了其開裂進程。