铁路车辆用耐候钢耐蚀性能研究_吴斯.pdf
《铁路车辆用耐候钢耐蚀性能研究_吴斯.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《铁路车辆用耐候钢耐蚀性能研究_吴斯.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed Railway第 2 卷 第 2 期2 0 2 3 年 4 月Vol.2 No.2April 2 0 2 3铁路车辆用耐候钢耐蚀性能研究吴斯1,于惟彬2,丛韬1,张关震1,吴毅1,王剑宇3,高天硕3,王佳音3(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所,北京 100081;2.北京科技大学 钢铁共性技术协同创新中心,北京 100083;3.中国铁路北京局集团有限公司 北京货运中心,北京 100067)摘要:为推广新一代铁路车辆用耐候钢,采用周期浸润腐蚀试验方法,对 2 种铁路用耐候钢 Q450AWR5 和
2、Q450NQR1进行了腐蚀性能测试,分析了2种耐候钢腐蚀后的失重率,并通过XRD对腐蚀产物进行了物相分析;对二者的裸钢进行了腐蚀磨损试验,并利用白光干涉对腐蚀磨损后的磨痕进行形貌表征,研究了2种钢的耐腐蚀性能及腐蚀环境中的耐磨性能;通过电化学试验方法,对2种耐候钢裸钢进行了电化学腐蚀研究,得到各自的交流阻抗及自腐蚀电流、自腐蚀电压。结果表明:Q450AWR5钢的失重率较小,Q450NQR1钢的失重率较大;在腐蚀环境中,Q450AWR5钢的体积损失率小于Q450NQR1钢,即Q450NQR1钢在同样环境下的耐磨性能更差;电化学试验证明Q450AWR5钢的交流阻抗较大、自腐蚀电流较小,耐腐蚀性能更
3、好,Q450NQR1钢的交流阻抗较小、自腐蚀电流较大,耐腐蚀性能相对较差。关键词:铁路车辆;耐候钢;耐腐蚀性能;腐蚀磨损;电化学试验中图分类号:U270.4+1;TG142.1 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.2097-0846.2023.02.010近年来,随着我国铁路建设的高速发展以及铁路车辆研发技术的不断提高,铁路货车也迎来了快速发展时期,铁路车辆逐渐向高速、重载和长寿命方向发展。因此,对铁路车辆用钢的力学性能、耐腐蚀性能提出了更高的要求,传统的16MnCu、09CuPCrNi钢已无法满足新时代铁路车辆的性能要求。我国作为煤炭消耗大国,煤炭的运输通常选择铁路敞篷车,
4、在运输过程铁路车辆用钢因长期承受磨损腐蚀及环境(干湿交替、温差和酸雨等气候)腐蚀的影响,车辆局部无法形成稳定的锈层,从而导致使用寿命缩短1。国内铁路货车用钢主要经历了碳素钢、低合金钢、耐候钢、高强度耐候钢、高强耐蚀钢等几个阶段。耐候钢的使用大幅提高了铁路货车车体的耐腐蚀性能,延长了车体检修周期,减少了检修工作量,是主要的铁路货车用钢。20世纪80年代主要的铁路车辆用钢是屈服强度为295 MPa的09CuPTiRE和345 MPa的09CuPCrNi 耐候钢。2000 年以后开发了 450 MPa 的Q450NQR1高强度耐候钢,广泛用于 70 t、80 t级货车制造,由于大量使用高强度钢材,车
5、体轻量化后,结构材料的厚度减小,导致其对腐蚀破坏的敏感度大大增强。因此对铁路用耐候钢提出了新的要求,铁道车辆用耐候钢的耐腐蚀性能要进一步提高,以延长铁路车辆用钢材的使用年限。鉴于此,国内钢厂相继开发了耐腐蚀性更好的铁路车辆用钢:鞍钢在Cr+P+Ni+Cu基础上添加 Sb 等合金元素并采用控轧控冷(TMCP)工艺2,开发出 Q450AWR5 钢。本研究将对 Q450NQR1和Q450AWR5两种钢进行耐腐蚀性能研究,为推广使用具有更好耐腐蚀性能的铁道车辆用耐候钢提供依据。目前,我国现行铁路用钢的评价方法和标准是TB/T 23751993 铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法,周期浸润循环腐蚀试验是模
6、拟大气腐蚀环境下的腐蚀评价方法3。相关研究调查结果表明,敞篷煤车腐蚀严重的部位主要出现在存有积水的车辆底部和中部4-5,如下侧门和侧柱连铁6,且大气暴晒的结果和实际服役的结果存在差异,产生差异的主要原因是电化学腐蚀,而非干湿交替等大气腐蚀模式7,造成电化学腐蚀的原因为含有Cl-(酸雨、煤浸出、防冻液等)的酸性环境。为此,通过采用周期浸润腐蚀试验、腐蚀磨损试验及白光干涉、电化学腐蚀试验结合扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等分析手段,对比研究分析了 Q450NQR1 和 Q450AWR5 钢在不同腐蚀环境下的耐腐蚀性能。文章编号:2097-0846(2023)02005008收稿日期
7、:20230113;修回日期:20230207基金项目:中国铁道科学研究院集团有限公司科研开发基金项目(2020YJ115);中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划(J2021J008)第一作者:吴斯(1985),男,副研究员,博士。E-mail:第 2 期吴斯等:铁路车辆用耐候钢耐蚀性能研究1 试验材料及方法 1.1试验材料Q450NQR1和Q450AWR5两种铁路用耐候钢的成分要求和实测化学成分如表1所示,铁路耐候钢成分要求参照 TB/T 19792014 铁道车辆用耐大气腐蚀钢 标准。与 Q450NQR1 钢相比,Q450AWR5 钢中 C、Mn、P、S元素的含量更低,微合金元素Cr、
8、Ni、Ti、Sb的含量更高。研究表明,随着耐候钢中Cr元素含量的增加,锈层更加致密,Cr元素在锈层中的富集能有效地提高锈层对腐蚀性介质的选择透过性,对基体有更好的保护效果,有利于提高耐腐蚀性能8。Ni元素能够富集在稳定的锈层中,抑制腐蚀离子的侵入,有利于增加锈层致密性、提高钢的自腐蚀电位、增强钢的耐腐蚀性能9。1.2试验方法1.2.1周期浸润腐蚀试验按照TB/T 23751993标准进行周期浸润腐蚀试验,试样取自厚度为6 mm的轧态原板,经过线切割、磨床加工成有一定表面粗糙度的长方形试样,尺寸为60 mm40 mm3 mm,试样两端相同位置各开 1 个直径 5 mm的圆孔以悬挂试样,每组各取5
9、个平行试样。制备好的试样依次使用石油醚、无水乙醇、丙酮清洗干净后热风吹干,测量各试样原始尺寸(精确到0.1 mm)、质量(精确到1 mg)并进行记录。各原始试样尺寸及质量如表2所示。根据标准要求,周期浸润腐蚀试验所用溶液为使用去离子水配制的NaHSO3溶液,其初始浓度为(1.00.05)10-2 mol/L,补给液浓度为(2.00.05)10-2 mol/L,pH为4.44.8。试验设备为无锡驰和试验仪器有限公司周期浸润试验箱,型号为CH-FL-65。周期浸润试验进行75 h,试验条件见表3。试验结束后,取出试样,干燥保存后进行酸洗清除表面锈蚀产物。除锈方法根据GB/T 165452015 金
10、属和合金的腐蚀 腐蚀试样上腐蚀产物的清除,酸洗溶液由500 mL HCl、500 mL去离子水、3.5 g六次甲基四胺(缓蚀剂)配置而成,试样在酸洗液中浸泡2 min后依次用去离子水、无水乙醇浸泡清洗,再使用无水乙醇喷洗后吹干称重,多次酸洗称量得到腐蚀后质量,精确到1 mg。对于金属表面上的腐蚀产物较容易除净且不会因为清除腐蚀产物而损坏金属基体时,常用失重法通过公式计算失重率,对比2种耐候钢的腐蚀性能。根据标准TB/T 23751993,结合试样实际情况,使用以下公式计算腐蚀试样的失重率W。W=M0-M1|2()ab+bc+ac-14d24+2dc t106(1)式中:W为失重率,g/(m2h
11、);M0为试样原始质量,g;M1为试样试后质量,g;a为试样长度,mm;b为试样宽度,mm;c为试样厚度,mm;d为试样挂片孔洞直径,mm;t为试验时间,h。1.2.2X射线衍射分析试验X射线衍射分析(XRD)用于周期浸润试验后腐蚀产物的物相半定量分析,XRD设备为日本理学生产的Ultima IV型,靶材为Cu靶,波长为1.540 6 nm,管电压40 kV,扫描范围为10100。使用刻刀将周期浸润试验结束后的表面锈层刮表12种耐候钢化学成分表(质量分数)单位:%牌号Q450NQR1TB/T 19792014要求Q450AWR5TB/T 19792014要求化学成分C0.060.120.120
12、.12Si0.190.750.240.50Mn1.081.500.621.50P0.010.0250.0070.020S0.0030.00800.010Ni0.140.120.600.180.100.60Cr0.330.301.250.533.00Cu0.270.200.550.230.200.55V0.0090.008Ti0.0260.04Nb0.020.02Sb0.06表2周期浸润试验试样原始尺寸及质量试样牌号Q450AWR5Q450NQR1序号1234512345长度a/mm59.859.959.959.959.861.261.161.161.261.2宽度b/mm39.939.940.
13、039.939.641.241.240.741.141.1厚度c/mm2.32.32.32.32.32.22.22.22.22.2原始质量M0/g41.25441.32841.34141.51940.85243.80842.99642.70043.54343.771表3周期浸润试验条件室温度/45.0工作室湿度/RH70.0%水槽温度/45.0烘烤区温度/70.0每周期时间/min60浸润时间/min1251高速铁路新材料第 2 卷下,再采用研体对锈层进行破碎至粒度50 m以下的粉末。掺入质量分数 30%的 ZnO 混合均匀,制成粉末,进行XRD分析后使用MDI Jade软件分析物相组成及相对
14、含量。1.2.3腐蚀磨损试验为探究摩擦过程中的腐蚀性能,对2种耐候钢取样进行腐蚀磨损试验。腐蚀磨损指在腐蚀环境摩擦过程中金属同时与周围介质发生化学或电化学反应,使腐蚀和磨损共同作用而导致材料表面物质损失。从2种耐候钢的钢板中切取20 mm5 mm3 mm矩形试样,打磨掉表面氧化锈层后用焊锡将试样与导电铜线焊接在一起,使用环氧树脂将金属试样封装制成直径25 mm的圆形标准试样,用砂纸打磨并抛光制成光滑平整镜面后进行腐蚀磨损试验。试验参数见表4。1.2.4电化学试验电化学试验装置采用三电极体系,工作电极(研究电极)为待测试样,工作面积为1 cm2,参比电极为饱和甘汞电极,辅助电极为铂片,工作时3个
15、电极置于同一水平线。所用化学试剂为浓度0.01 mol/L NaHSO3(分析纯)、质量分数5%NaCl(分析纯)以及去离子水配制的溶液。试验温度为室温,扫描速度为0.166 6 mV/s。试样表面尺寸为10 mm10 mm,打磨去除表面氧化层后使用焊锡与导电铜线连接,使用环氧树脂分装成圆形试样,在测试前试样表面制成光滑平整镜面。连接好试验线路后依次设置好开路电位、交流阻抗、极化曲线测试参数并进行测试。2 试验结果及分析 2.1周期浸润腐蚀试验结果周期浸润腐蚀试验结束后,取出干燥的2种耐候钢试样,如图1所示,对比发现2种钢的腐蚀程度有较明显差别:Q450AWR5钢试样的表面腐蚀程度相对较小,试
16、样表面局部有锈层皱起,大部分区域锈层与基体连接紧密;Q450NQR1钢试样的表面腐蚀程度相对较大,锈层皱起区域更大、脱离基体更加容易。对各试样取锈过程中发现,Q450NQR1钢试样表面的锈层相对更为疏松、更容易刮取,得到的体积和质量也明显大于Q450AWR5钢试样表面取下的锈层。经过计算,2种耐候钢各试样失重率结果见表5。Q450AWR5 钢 平 均 失 重 率 为 2.697 g/(m2h),小 于Q450NQR1钢的平均失重率2.965 g/(m2h)。通过周期浸润试验结束后肉眼观察试样表面的腐蚀程度以及失重率计算结果,发现这 2 种耐候钢中Q450AWR5钢周期浸润后表面腐蚀情况相对较轻
17、,且失重率低于Q450NQR1钢,说明其抗腐蚀性能更好。2.2周期浸润腐蚀产物的物相组成图2(a)为2种耐候钢周期浸润后腐蚀产物的XRD图谱,图2(b)为目前铁路车辆实际使用过程中产生的腐蚀产物的XRD图谱。由图可知,2种耐候钢发生腐蚀后的产物中物相组成基本没有差别,均由 FeOOH、FeOOH 组成,其中,FeOOH 含量明显更多,FeOOH含量较少。实际铁路车辆产生的腐蚀产物中的物相除了FeOOH、FeOOH之外,还存在Fe2O3。相关研究表明,FeOOH属于电化学活性物质,在腐蚀过程的早期出现,随着腐蚀时间延长逐渐转变为 FeOOH1;而 FeOOH 属于绝缘的非活性物质,在各种羟基氧化
18、铁中性质最稳定、结构更致密,可以有效阻止腐蚀溶液对金属基体的侵蚀,是保护性锈层的主要构成相,所以FeOOH含量越多则抗腐蚀表5周浸腐蚀试验失重率结果试样牌号Q450AWR5Q450NQR1序号1234512345试验后质量M1/g40.13940.24440.24240.52239.86242.62141.71141.50142.35342.558失重M/g1.1151.0841.0990.9970.9901.1871.2851.1991.1901.213失重率/g (m2h)-12.8462.7622.7942.5402.5452.8863.1292.9542.9002.956平均失重率/g
19、 (m2h)-12.6972.965表4腐蚀磨损试验参数载荷/N5氧化铝球磨头直径d/mm10NaHSO3腐蚀溶液浓度/(molL-1)0.01测试时间/h1图1周期浸润腐蚀后试样情况52第 2 期吴斯等:铁路车辆用耐候钢耐蚀性能研究性能越好。将占锈粉质量30%的ZnO作为内标物,利用Jade软件进行定量分析后得到各物相的相对含量如表 6 所示。对比分析结果,各钢的腐蚀产物中 FeOOH含量均显著高于FeOOH,其中,Q450AWR5钢腐蚀产物中的FeOOH含量更高,说明其耐腐蚀性能更好;Q450NQR1钢腐蚀产物中 FeOOH 含量相对较少,说明其耐蚀性较Q450AWR5耐候钢差。但实际铁路
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 铁路车辆 用耐候钢耐蚀 性能 研究 吴斯
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。