贝氏体轮轨钢腐蚀磨损性能及机理研究

来源 :北京交通大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:allen_liliang
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在隧道、跨江大桥和沿海地区等高温高湿的环境中,由于腐蚀和磨损的相互作用,车轮和钢轨的腐蚀磨损将加剧,增加维护成本的同时还将带来安全性问题。现有珠光体轮轨材料难以满足未来铁路高速、重载发展趋势下的苛刻服役环境,具有良好综合性能的贝氏体轮轨材料已成为新型轮轨材料的良好替代。但是,贝氏体轮轨钢在高温高湿等环境服役下的腐蚀磨损性能方面鲜有系统研究。本文以Mn-Si-Cr系贝氏体轮轨钢为基础,添加Cr元素和(或)添加Cu元素获得1#、2#、3#实验钢,测定了其CCT、TTT曲线;并通过370°C、400°C两种等温淬火+回火热处理后,选取现有贝氏体轮轨钢和珠光体轮轨钢进行了周浸腐蚀试验和腐蚀磨损试验对比,研究了显微组织和合金元素(Cu、Cr)对腐蚀磨损性能的影响,为新型耐环境腐蚀用贝氏体轮轨钢的开发提供依据。获得主要结论如下:1、显微组织对腐蚀磨损性能的影响:(1)贝氏体和珠光体轮轨钢的腐蚀速度具有相似规律,均随着腐蚀实验时间延长呈现出先升高再降低,最后趋于稳定。相对而言,珠光体轮轨钢腐蚀失重量大、平均腐蚀失重速率高,腐蚀坑数量多、尺寸大。(2)合适的贝氏体组织腐蚀性能和腐蚀磨损性能优于珠光体组织的,相对珠光体轮轨钢而言,贝氏体轮轨钢的腐蚀磨损交互作用相对较弱。2、热处理工艺对腐蚀磨损性能的影响:(1)等温淬火+回火热处理过程中,等温温度由370°C升高到400°C,三种实验钢的显微组织变化趋势类似,由370°C下的板条状贝氏体组织为主逐渐过渡到400°C下的粒状贝氏体为主。(2)板条状贝氏体为主的显微组织腐蚀性能优于以粒状贝氏体为主的显微组织。400°C等温处理工艺下,以粒状贝氏体为主的三种实验钢其腐蚀失重量大、平均腐蚀失重速率高,腐蚀坑数量多、尺寸大;而在370°C等温处理工艺下,以板条贝氏体为主的三种实验钢的锈层孔洞和裂纹更少,更加致密、平整,具有更好的基体保护性,其腐蚀性能优于400°C等温处理工艺获下的组织。总体而言,随着实验时间延长,三种实验钢的腐蚀速度均是先升高再降低,最后趋于稳定。3、合金元素对腐蚀磨损性能的影响:(1)耐腐蚀性能为2#(Cu+Cr)优于3#(Cr)的,三种钢中1#(Cu)的耐腐蚀性能最差。随着实验时间延长,三种钢的腐蚀速度均是先升高再降低,然后趋于稳定。370°C、400°C两种等温温度工艺下的腐蚀失重量、平均腐蚀失重速率均是1#(Cu)>3#(Cr)>2#(Cu+Cr),腐蚀坑数量、尺寸大小均是1#(Cu)>3#(Cr)>2#(Cu+Cr);(2)Cu、Cr元素具有提高锈层致密度和保护基体的能力。两种元素富集在内锈层,锈层致密度2#(Cu+Cr)>3#(Cr)>1#(Cu);(3)锈层成分主要由α-Fe OOH、β-Fe OOH、γ-Fe OOH、Fe3O4组成,Cu、Cr可以促进生成具有更好附着力、更加稳定、致密的α-Fe OOH,提高α-Fe OOH在锈层中占比,提高锈层致密度、稳定性和阻碍离子透过能力,从而获得更高的腐蚀性能。(4)Cu、Cr元素可提高自腐蚀电位而降低腐蚀倾向性、增大极化电阻,降低电流密度,从而减缓腐蚀速率。三种实验钢的自腐蚀电位高低和极化电阻大小顺序为,2#(Cu+Cr)>3#(Cr)>1#(Cu),相应的电流密度顺序为:1#(Cu)>3#(Cr)>2#(Cu+Cr);(5)Cu、Cr可提高耐腐蚀性能,生成硬质相减小磨损,降低腐蚀、磨损交互作用,从而起到提高腐蚀磨损性能的作用。三种实验钢的磨损失重相差不大,但腐蚀磨损失重均是1#(Cu)>3#(Cr)>2#(Cu+Cr),腐蚀磨损性能2#(Cu+Cr)优于3#(Cr),并同时优于1#(Cu)的。
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