高耐候热轧H型钢耐候性能影响规律研究

彦井成,吴保桥, 张 建,程 鼎,潘红波,汪 杰

(1.马钢股份公司技术中心 安徽马鞍山 243000；2.安徽工业大学工程研究院 安徽马鞍山 243002)

耐候钢指的是耐大气腐蚀钢，其特点是在钢中加入少量Cu、P、Cr、Ni等合金元素，使其在锈层与基体之间形成一层致密氧化物膜，减缓了锈蚀向内部发展，从而大大提高了钢材的耐大气腐蚀能力。我国典型耐候钢为09CuPTiRE 、09CuPCrNi 及在此基础上开发的一些钢种，强度级别多为295 MPa和345 MPa，近年开发的Q420NQR1、Q450NQR1耐候钢，强度满足要求，但耐候性能没有提高。

随着铁路高速、重载技术的快速发展，为了延长车体使用寿命，对车辆制造用钢的耐候性能的要求不断提高，因此对更高耐候性能热轧H型钢提出了开发要求。为了正确评价合金元素与组织状态对高耐候热轧结构钢耐候性能的影响规律，在实验室采用电化学方法对不同材料的腐蚀热力学与动力学参数进行检测，对不同材料耐NaHSO3的腐蚀机理进行分析。

1 实验材料及方法

实验材料为热轧H型钢，其化学成分如表1所示。

表1 热轧H型钢化学成分/(Wt：%)

试验用材料经线切割加工为10×10×4 mm小试样。

动电位极化曲线采用经典三电极体系，试验溶液为0.01 mol/L的NaHSO3溶液；试验用材料为工作电极，Pt电极为辅助电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，极化曲线测试前首先测试试样的开路电位，以使电极表面稳定，电极表面稳定后以1.667 mv/s的扫描速率进行动电位极化实验(在室温下进行)。

对不同浸泡时间的试样进行电化学阻抗谱测量，电化学阻抗也采用经典三电极体系，测试溶液为0.01 mol/L的NaHSO3溶液，电化学阻抗的测试频率为100 KHz-10 MHz，施加的正弦波幅值为5 mv，利用ZView软件对测量结果进行等效电路拟合。

2 实验结果及分析

2.1 极化曲线的结果

图1为电化学试验的金相组织照片，由图1可看出，1号试验钢为铁素体+贝氏体，铁素体晶粒较粗大；2号试验钢为铁素体+珠光体+贝氏体+岛状马氏体复合组织，晶粒尺寸较粗大；3号试验钢为铁素体+贝氏体组织；4号试验钢为细小的铁素体+粒状珠光体组织；5号试验钢为铁素体+珠光体组织。

图1 电化学试验金相照片

2.2 试验钢的动电位极化曲线

随着腐蚀时间的延长，5种钢的极化曲线腐蚀电流随着腐蚀电压的增加而增加，最终趋于稳定，除4号试验钢有微弱钝化之外，其余4种试验钢没有出现明显的极化特征，说明五种钢在NaHSO3溶液中都呈现活性溶解状态，在腐蚀过程中受阳极电荷转移受控制；而4号试验钢出现微弱钝化主要是其晶粒细小，Cr含量高，在开始阶段4号试验钢在晶界处先腐蚀，由于晶粒细小，腐蚀相对均匀，当腐蚀到一定程度时，表面形成一层致密的锈层起到一定的保护作用，阻碍电子运动，因此出现一个微弱钝化现象；随着电压进一步加大，表面锈层被击破，又开始出现腐蚀。

从图2可看出，5种试验钢的自腐蚀电位分别为：1号：-0.624V；2号：-0.624V；3号：-0.706V；4号：-0.73V；5号：-0.747V。即1号与2号试验钢的腐蚀倾向性最小，5号的腐蚀倾向性最大。这主要与试验钢的成分与组织有关，当钢中珠光体含量与铁素体含量相当以及晶粒较细时，试验钢更容易发生腐蚀，结合图1试验钢的金相组织照片可看出，5号试验钢的组织为铁素体+珠光体，珠光体含量较多，因此很容易发生腐蚀；而4号试验钢晶粒细小，在晶界以及细小碳化物处容易发生腐蚀现象；而1号试验钢组织为粗大的铁素体与贝氏体组织，其形成腐蚀原电池的倾向性最小，因此其腐蚀倾向性最小。

图2 试验钢在0.01mol/L的NaHSO3溶液中的动电位极化曲线

2.3.2 腐蚀后期

3号、1号和4号试验钢耐腐蚀性较好，试样表面的锈层均已达一定厚度，并且锈层之间的孔隙也基本已填充，由阻抗谱可看出，Cr含量高的此时阻抗谱较大，这是因为此时锈层均有一定厚度，Cr含量高，Cr在锈层与锈层孔隙处富集，增加锈层的致密性，阻碍电子的运动，从而增大其阻抗谱可形成稳定的腐蚀锈层。

图3 腐蚀前期

图4 腐蚀后期

3 小结

通过电化学方法对5种不同材料的腐蚀热力学与动力学参数进行检测分析，得出以下结论：

图7 腐蚀速率

试验钢初期腐蚀倾向性主要由其组织结构所决定，也即晶粒粗大、碳化物含量越少的组织结构，对初期的耐蚀性越好。

随着浸泡时间的延长，Cr含量较高的试验钢的阻抗值整体上呈现逐渐增大趋势，而Cr含量较低与无Cr的试验钢的阻抗值变化无明显规律，说明随着Cr含量的增加与浸泡时间的延长，其锈层的致密性与稳定性逐渐增大。

从不同合金试验钢在同一浸泡周期下的阻抗谱得出，在浸泡初期，Cr含量高有利于耐蚀性的改善；随着浸泡时间的延长，到浸泡中期时，其耐蚀性主要受锈层厚度与保护性的影响，因此此时无Cr试验钢的耐蚀性稍优于含Cr试验钢；当浸泡时间进一步延长时，到浸泡后期，由于此时表面锈层已达到一定厚度，并且锈层稳定性较好，因此此时高Cr试验钢的耐蚀性优于低Cr、无Cr试验钢的耐蚀性。