高強(qiáng)度耐蝕鋼軌的研究.pdf

1、一直以來鋼鐵腐蝕研究主要集中在近似單項(xiàng)組織的低碳和超低碳鋼方面。作為能夠形成眾多微電池的高碳全珠光體的鋼軌來說,在耐腐蝕方面的研究目前少見報(bào)導(dǎo)。針對(duì)隧道、海洋氣候等惡劣環(huán)境用軌的迫切要求,從鋼鐵材料的角度開發(fā)高強(qiáng)度耐蝕鋼軌既具有可行性,又具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本文以C-Si-Mn合金體系為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了Cu-Cr系、Cu-Nb系和Cr-Cu-Nb系,對(duì)所設(shè)計(jì)的鋼在中試工廠利用ZGJ0.05-100-2.5A型50公斤真空感應(yīng)

2、電爐冶煉試驗(yàn)鋼,軋鋼是在Φ800mm二輥可逆式熱軋機(jī)組上進(jìn)行,為了模擬工業(yè)化生產(chǎn)冷卻工藝,最終將軋制尺寸為16×200×L mm的鋼板采用堆垛緩冷,冷速控制在0.8℃/s以下。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究?jī)?yōu)化出高強(qiáng)度耐蝕鋼軌的成分范圍,進(jìn)而采用工業(yè)化的方式生產(chǎn)3爐試驗(yàn)鋼。
　　 用Gleeble1500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)試驗(yàn)鋼進(jìn)行奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變、真應(yīng)力-真應(yīng)變等試驗(yàn),借助于掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、光學(xué)顯微鏡(OM)

3、以及力學(xué)性能測(cè)試等分析技術(shù)和測(cè)試設(shè)備,開展Cr、Nb對(duì)高碳珠光體鋼強(qiáng)韌性的影響規(guī)律和機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究。結(jié)果表明:隨著Cr含量增加,珠光體片層間距減小,硬度升高,但含量大于0.46％后,Cr對(duì)奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變影響變?nèi)?加入Nb也可以使高碳鋼珠光體片層間距得到顯著細(xì)化,硬度顯著提高,同時(shí)還可提高材料的沖擊韌性,若加入過量Nb,組織中有先共析鐵素體,將使材料硬度降低,因此對(duì)于本試驗(yàn)鋼Nb含量不宜過多;奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變?cè)囼?yàn)表明,本試驗(yàn)鋼在較低

4、冷速條件下為索氏體組織,當(dāng)速度大于0.73℃/s時(shí)鋼中容易出現(xiàn)貝氏體轉(zhuǎn)變,因此工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)控制其軋后冷速在0.73℃/s以下。
　　 針對(duì)高速比普速鐵路用鋼軌內(nèi)、外在質(zhì)量要求嚴(yán)的情況,在工業(yè)化生產(chǎn)中開展了脫硫、無鋁脫氧、氧化物夾雜的形態(tài)控制以及大方坯連鑄的質(zhì)量控制等關(guān)鍵冶煉技術(shù)研究。結(jié)果表明:耐蝕軌的內(nèi)、外在質(zhì)量滿足高速鐵路用鋼軌的要求,其全氧控制在10ppm左右,全鋁控制在30ppm左右,鋼中夾雜物數(shù)量和形態(tài)均控制在很高水平

5、,夾雜物合格率穩(wěn)定在99%以上,鑄坯中心疏松≤1.0級(jí),中心偏析≤1.0級(jí),中心縮孔≤1.0級(jí),中心裂紋≤0.5級(jí),角部?jī)?nèi)裂≤0.5級(jí),等軸晶率達(dá)到50%～70%,連鑄坯合格率穩(wěn)定在99.9%以上。
　　 采用共聚焦激光掃描顯微鏡對(duì)9＃重軌鑄坯中MnS夾雜在連續(xù)升溫過程中的變化進(jìn)行了動(dòng)態(tài)原位觀察。結(jié)果表明,由于擴(kuò)散和固溶影響,隨溫度的升高M(jìn)nS夾雜形態(tài)不斷發(fā)生變化。當(dāng)鑄坯的加熱溫度為600-870℃或1150-1200℃之間時(shí),

6、有利于MnS夾雜的尺寸控制,過高的加熱溫度會(huì)引起MnS夾雜尺寸增大。
　　 用室內(nèi)加速腐蝕周浸循環(huán)試驗(yàn)測(cè)試了試驗(yàn)鋼在3%NaCl溶液中的耐蝕性,研究了普通軌(0＃)和耐蝕軌(7＃、8＃和9＃)的腐蝕速率。結(jié)果表明:普通軌和耐蝕軌的相對(duì)腐蝕率的變化規(guī)律是相似的,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),相對(duì)腐蝕率降低。以普通軌為基準(zhǔn),所設(shè)計(jì)耐蝕軌相對(duì)腐蝕率均超過普通軌40%以上,最高達(dá)58%。
　　 用原子力顯微鏡觀察分析了0＃鋼和9＃鋼經(jīng)不同浸泡

7、時(shí)間后表面的3D形貌圖與對(duì)應(yīng)的表面粗糙度曲線,結(jié)果表明:在10min時(shí)觀察,0＃鋼表面已比較粗糙,9＃鋼表面僅比初始時(shí)暗淡,到浸泡30min時(shí),0＃鋼表面已存在許多腐蝕坑,而且其粗糙度曲線變化明顯,最高峰已達(dá)110nm左右,而9＃鋼表面只是繼續(xù)發(fā)暗,未觀察到明顯的腐蝕坑,其表面粗糙度曲線與0min和10min時(shí)差別不大,到浸泡60min時(shí),0＃鋼和9＃鋼表面均存在明顯的腐蝕坑,0＃鋼腐蝕坑要明顯比9＃鋼的大而深。
　　 借助于掃

8、描電鏡、電子探針以及X衍射儀研究了銹層形貌以及銹層截面元素分布,同時(shí)對(duì)內(nèi)、外在銹層物相進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:銹層表面大部分呈團(tuán)球狀結(jié)構(gòu),9＃鋼初始銹層的晶粒比0＃鋼細(xì)小,而且銹層間晶粒也要密集,到第五周期時(shí)9＃鋼銹層晶粒同樣細(xì)小密集,而0＃鋼銹層晶粒不但較粗大疏松,同時(shí)還出現(xiàn)了裂紋;9＃鋼從外銹層到內(nèi)銹層Cr、Cu、Nb富集逐漸增加,其外銹層基本沒有Cr、Cu、Nb的富集,Cr在裂紋周圍內(nèi)銹層富集非常明顯,其分布主要是面分布,Cu元素在

9、內(nèi)銹層成點(diǎn)狀分布,Nb元素在內(nèi)銹層以鏈條狀分布為主,0＃鋼中沒有Cu、Nb和Cr的富集及分布;0＃鋼和9＃鋼外銹層均含有γ-FeOOH、Fe3O4、α-Fe2O3和少量的α-FeOOH物相,內(nèi)銹層除了含有外銹層物相外,還含有β-FeOOH,隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),9＃鋼各物相衍射峰強(qiáng)度均高于0＃鋼,相對(duì)應(yīng)的波峰半高寬小且最尖銳,說明生成的物相穩(wěn)定。
　　 采用電化學(xué)研究了試驗(yàn)鋼的腐蝕電位、極化曲線、交流阻抗譜和噪聲,研究結(jié)果表明:腐

10、蝕初期(0～8h)9＃鋼腐蝕電位稍高于0＃鋼,兩種鋼的電位基本維持在-0.66V左右,隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),0＃鋼腐蝕電位開始急劇下降,9＃鋼的腐蝕電位下降緩慢,9＃鋼測(cè)得的電流密度增加也緩慢,而0＃鋼電流密度則急劇增加;0＃鋼和9＃鋼的電極表面的極化電阻Rp差別較大,分別為1049Ω·cm2和3121Ω·cm2,此外0＃鋼電阻峰不但高而且波動(dòng)也大,而9＃鋼則Rn變化不大,一直穩(wěn)定在1000Ω左右。9＃鋼與0＃鋼相比,9＃鋼易生成穩(wěn)定的銹