Q500E钢的耐蚀性能研究

陈鹏生

（咸阳师范学院，咸阳 712000）

引言

Q500E钢属于低合金高强度结构钢，由于具有强度高、塑性好等优点而被广泛应用于电工电子、汽车、球类器械等民用钢材领域。随着近年来体育器械的快速发展，Q500E钢在篮球架用钢领域也逐渐占据一定市场份额，然而复杂使用环境下的篮球架用钢除需要满足较高强度、塑性、低温韧性和疲劳性能外，耐腐蚀也是衡量篮球架用钢质量的重要指标[1,2]。虽然我国近十年来在篮球架用钢的研究和开发上取得了长足进步，但是仍然存在研发与应用明显滞后于美日欧，多元合金成分、轧制工艺等与综合性能之间的内在关系的基础研究薄弱等问题[3]，为了提升篮球架用钢的耐蚀性能等，目前的研究主要集中在碳含量控制、合金化技术（添加Cu、Cr、Ni和Nb等）和残余元素（P、S等）控制上，而对于微观组织对篮球架用钢耐蚀性能的影响方面的报道较少，具体的作用机理也不清楚[4]。本文在调研国内外篮球架用钢开发与应用的基础上，选取添加了微粒Cu、Cr和Ni等元素的高强Q500E钢为研究对象，考察了不同显微组织的篮球架用钢的耐蚀性能差异并分析了具体作用机理，以期为高性能篮球架用钢的开发与应用提供参考。

1 试验材料与方法

试验材料为宝钢分公司热轧厂制备的厚度32 mm的Q500E篮球架用钢，采用电感耦合等离子发射光谱法测得主要元素化学成分如表1。

表1 Q500E篮球架用钢的化学成分（w,%）

原始Q500E篮球架用钢板加工成圆棒试样（Ф14 mm×72 mm），在Gleeble 3800热模拟试验机上进行3种不同的热处理：①工艺A：8 ℃/s加热至910 ℃，保温10 min后水冷至室温；②工艺B：8 ℃/s加热至760 ℃，保温10 min后空冷至室温；③工艺C：8 ℃/s加热至660 ℃，保温10 min后空冷至室温。

沿同一方向切割块状金相试样，打磨、抛光和4 %硝酸酒精溶液腐蚀后，置于Olymplus IX83型金相显微镜上观察；将Q500E篮球架用钢试样加工成10 mm× 10 mm×2 mm块状试样，采用铜导线焊接后用环氧树脂封装后制备成工作电极，饱和甘汞作为参比电极、铂片作为辅助电极，工作电极试样经过机械打磨和抛光后，参照GB/T 24196-2009《金属和合金的腐蚀 电化学试验方法》 ，在CHI 660A电化学工作站中进行电化学性能测试：①在用NaOH调节pH=7的0.01M 亚硫酸钠溶液中进行连续极化电阻测试，温度为室温，周期为14天；②在用NaOH调节pH=7的0.01M 亚硫酸钠溶液中进行动电位极化曲线测试。截取40 mm×50 mm×2 mm块状试样，清洗、除油和干燥后称重（W0），并在pH=7的0.01M 亚硫酸钠溶液中进行全浸腐蚀试验，温度保持在25 ℃、时间为35 天，每7天更换一次溶液，实验结束后采用1 L浓度37 %盐酸+4 g六次甲基四胺缓蚀液对腐蚀试样进行除锈，清洗和吹干后称重（W1），然后计算腐蚀速率。采用帕纳科Empyrean锐影智能X射线衍射仪对物相进行物相；采用 ZEISS LSM700型激光共聚焦显微镜观察腐蚀后的表面形貌并采用三维重构图统计50个视场的坑蚀数量、深度和宽度。

2 试验结果与分析

图1 为不同热处理态篮球架用钢的光学显微组织。原始Q500E篮球架用钢的光学显微组织为多边形铁素体+粒状贝氏体以及少量M/A岛组织，简写为QPF+GBF+M/A；经过工艺A热处理后，Q500篮球架用钢的光学显微组织为灰色贝氏体，简写为B；经过工艺B热处理后，Q500篮球架用钢的光学显微组织为白色铁素体+黑色珠光体，简写为F+P；经过工艺C热处理后，Q500篮球架用钢的光学显微组织为马氏体+铁素体，简写为F+M。

图1 Q500E篮球架用钢的光学显微组织

图2为四种不同显微组织的Q500E篮球架用钢的极化电阻曲线。在0~1 d范围内，不同显微组织的篮球架用钢的极化电阻都出现明显下降，这主要是因为开始阶段试样表面保护膜发生了破裂所致；随着腐蚀时间延长至3 d，试样表面开始形成腐蚀产物层，且保护膜层也逐渐发生自我修复，4种篮球架用钢的极化电阻都出现急速增大；继续延长腐蚀时间，腐蚀产物层的逐渐增厚，对篮球架用钢基体的保护作用增强，极化电阻随着腐蚀时间延长而呈缓慢增加趋势。对比分析可见，贝氏体组织的篮球架用钢在1~3 d时的极化电阻相对其它组织的篮球架用钢要增加更快，其次为QPF+GBF+M/A和F+P，而F+M组织的篮球架用钢的极化电阻增加速度最快，这主要与篮球架用钢表面的保护膜自我修复功能有关，即贝氏体钢的保护膜自我修复功能最强[5]。在腐蚀时间延长至4 d及以上时，相同腐蚀时间下极化电阻从大至小的顺序为B>QPF+GBF+M/A>F+P>F+M，根据极化电阻和材料耐腐蚀性能之间的对应关系可知[6]，极化电阻越大则材料耐蚀性能愈好，可见，四种不同显微组织的Q500E篮球架用钢中贝氏体组织篮球架用钢的耐蚀性能最好。

图2 四种不同显微组织的Q500E篮球架用钢的极化电阻曲线

图3为四种不同显微组织的Q500E篮球架用钢的动电位极化曲线，表2中列出了极化曲线拟合得到的βa值。可见，4种篮球架用钢的腐蚀电位较为相近，基本都介于（-550~-600）V之间，但是相对而言，不同显微组织的Q500E篮球架用钢的腐蚀电位略有差异，其中，组织为B的篮球架用钢的腐蚀电位最正，其次为QPF+GBF+M/A和F+P，而F+M组织的篮球架用钢的腐蚀电位最负。腐蚀电位是热力学参数，可以表征材料的腐蚀倾向，腐蚀电位越正则材料的腐蚀倾向越小[7]。从βa值拟合结果来看，βa值从大至小顺序为：B>QPF+GBF+ M/A>F+P>F+M，而βa值是表征材料耐蚀性能好坏的动力学参数，反映材料阻碍阳极反应的能力，βa值越大则表明材料表面活化能越低，材料耐蚀性能越好[8]，可见极化曲线测试结果与极化电阻结果较好吻合。

图3 四种不同显微组织的Q500E篮球架用钢的动电位极化曲线

表2 四种不同显微组织的Q500E篮球架用钢的βa值

图4为四种不同显微组织的Q500E篮球架用钢全浸腐蚀试验后的腐蚀失重-时间和失重速率-时间曲线。可见，随着腐蚀时间的延长，不同显微组织的Q500E篮球架用钢的腐蚀失重都呈现逐渐升高、腐蚀失重速率呈现逐渐减小特征。相同腐蚀时间内，腐蚀失重从高至低顺序为F+M>F+P>QPF+GBF+M>B，腐蚀失重速率从高至低顺序为：F+M>F+P>QPF+GBF+M>B。此外，在前20天范围内，材料的腐蚀速率下降较快而后趋于稳定，这主要是因为开始阶段腐蚀产物层较薄，表明还没有形成致密锈层[9]，而随着腐蚀时间延长至20天以上时，篮球架用钢表面锈层增厚且致密性增加，能够较好的抑制基体与腐蚀介质的相互作用[10]，因此腐蚀速率较小且较为平稳。

图4 四种不同显微组织的腐蚀失重-时间和失重速率-时间曲线

图5 为四种不同显微组织的Q500E篮球架用钢全浸腐蚀35天后表面腐蚀特征统计结果。从坑蚀数量-时间曲线看，随着腐蚀时间延长，四种不同显微组织的Q500E篮球架用钢的表面坑蚀数量逐渐增多，但是B和QPF+GBF+M组织篮球架用钢的腐蚀坑增长数量较慢，且单位面积坑蚀数量明显小于F+P和F+M组织篮球架用钢，相同腐蚀时间内的B组织篮球架用钢坑蚀数量最少，如在浸泡时间为7天时，F+M、F+P、QPF+GBF+M和B组织篮球架用钢的坑蚀数量分别为56、46、26和22个。从坑蚀宽度-时间曲线看，坑蚀宽度（平均宽度）随时间的变化趋势与坑蚀数量相同，即坑蚀宽度会随着腐蚀时间延长而增加，而相同腐蚀时间内的B组织篮球架用钢坑蚀宽度最小。从坑蚀深度-时间曲线看，坑蚀深度随时间的变化趋势与坑蚀数量和宽度一致。随着浸泡时间延长，四种不同显微组织的篮球架用钢的腐蚀宽度和腐蚀深度逐渐增加，但是相对而言，腐蚀后期的腐蚀深度增加速度变快，这说明篮球架用钢的局部腐蚀越来越明显[11]。此外，四种不同显微组织的篮球架用钢的深度差异性相较于数量较小，这表明篮球架用钢表面坑蚀深度是独立发展的[12,13]。

图5 四种不同显微组织的篮球架用钢的表面腐蚀特征统计结果

图6为四种不同显微组织的Q500E篮球架用钢全浸腐蚀35天后表面锈层的X射线衍射分析结果。对比分析可知，显微组织不同的篮球架用钢的腐蚀产物类型相同，即都主要为α-FeOOH、γ-FeOOH和Fe3O4，但是不同物相的衍射峰强度存在一定差异。其中，α-FeOOH和Fe3O4的衍射峰强度变化较小，而γ-FeOOH衍射峰强度变化较大，且从特征峰的强弱程度判断[13]，γ-FeOOH含量从高至低顺序为：F+M>F+P>QPF+GBF+M>B，因此，反映在α/γ*比值上（α表征α-FeOOH含量，γ*表征γ-FeOOH和Fe3O4含量）则表现为α/γ值最大的为F+M组织的篮球架用钢，而B组织篮球架用钢的α/γ值最小，根据Kaminura等人[14]的研究成果可知，篮球架用钢表面锈层中α/γ值越大则表示锈层越稳定，可以对篮球架用钢基体起到更好的保护作用，从这个角度出发，四种不同显微组织的篮球架用钢的耐腐蚀性能从高至低顺序为：B>QPF+GBF+M/A> F+P>F+M，这与前述的全浸腐蚀和电化学腐蚀测试结果相吻合。此外，四种不同显微组织篮球架用钢的表面锈层中都可检测到Fe相，这主要是因为此时的锈层整体较薄，X射线穿透锈层进入了基体所致。

图6 四种不同显微组织的篮球架用钢的XRD图谱

从上述的研究结果可知，在开发高强耐候篮球架用钢的过程中，除向合金中添加微合金化元素等手段外，进一步通过组织调控获得具有B或者QPF+GBF+M/A组织的篮球架用钢是可行的有效方案。从组织特征来看，B组织篮球架用钢具有较好的耐蚀性能，这主要是因为贝氏体基体中有均匀弥散分布的渗碳体析出，基体中各晶粒之间的电位差较小，不易形成腐蚀微电池效应[15]；QPF+GBF+M/A组织篮球架用钢也具有相对较好的耐蚀性能，这主要是因为基体组织基本都为成分相对均匀的铁素体，而M/A岛组织含量较少；F+P和F+M组织篮球架用钢中铁素体周围有电位差相差较大的珠光体和马氏体组织，容易形成原电池化学反应，因此耐蚀性能相对较差。此外，组织差异较大的基体组织中的原电池作用强度也有所不同[16]，如F+M组织篮球架用钢中作为阳极的铁素体会相较于作为阴极的马氏体组织溶解更多，从而加速局部腐蚀反应，而组织差异性较小的贝氏体组织中则主要以均匀腐蚀为主。

3 结论

1）原始Q500E篮球架用钢的组织为多边形铁素体+粒状贝氏体以及少量M/A岛（QPF+GBF+M/A），工艺A、工艺B和工艺C热处理的组织分别为贝氏体（B）、铁素体+珠光体（F+P）和马氏体+铁素体（F+M）。

2）在腐蚀时间延长至4d及以上时，四种不同显微组织的篮球架用钢在相同腐蚀时间下极化电阻从大至小的顺序为B>QPF+GBF+M/A>F+P>F+M；四种不同显微组织的篮球架用钢的βa值从大至小顺序为：B>QPF+GBF+ M/A>F+P>F+M，腐蚀失重速率从高至低顺序为：F+M>F+P>QPF+GBF+M>B。

3）全浸腐蚀35天后，B组织篮球架用钢表面相对较为平整，除少量细小点蚀坑外，主要以均匀腐蚀为主；QPF+GBF+M组织篮球架用钢表面坑蚀数量增多，但是坑蚀深度较浅；F+P和F+M组织篮球架用钢表面坑蚀数量较多，表现为局部腐蚀特征。坑蚀深度随时间的变化趋势与坑蚀数量和宽度一致，即随着浸泡时间延长，四种不同显微组织的篮球架用钢的坑蚀数量、腐蚀宽度和腐蚀深度逐渐增加，但是篮球架用钢表面坑蚀深度是独立发展的。