高強度耐蝕鋼軌的研究.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導(dǎo)。針對隧道、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)高強度耐蝕鋼軌既具有可行性,又具有重要的現(xiàn)實意義。
　　 本文以C-Si-Mn合金體系為基礎(chǔ),設(shè)計了Cu-Cr系、Cu-Nb系和Cr-Cu-Nb系,對所設(shè)計的鋼在中試工廠利用ZGJ0.05-100-2.5A型50公斤真空感應(yīng)

2、電爐冶煉試驗鋼,軋鋼是在Φ800mm二輥可逆式熱軋機組上進行,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)實驗室研究優(yōu)化出高強度耐蝕鋼軌的成分范圍,進而采用工業(yè)化的方式生產(chǎn)3爐試驗鋼。
　　 用Gleeble1500熱模擬實驗機對試驗鋼進行奧氏體連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變、真應(yīng)力-真應(yīng)變等試驗,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)性能測試等分析技術(shù)和測試設(shè)備,開展Cr、Nb對高碳珠光體鋼強韌性的影響規(guī)律和機理進行系統(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化,硬度顯著提高,同時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,因此對于本試驗鋼Nb含量不宜過多;奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變試驗表明,本試驗鋼在較低

4、冷速條件下為索氏體組織,當速度大于0.73℃/s時鋼中容易出現(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。
　　 針對高速比普速鐵路用鋼軌內(nèi)、外在質(zhì)量要求嚴的情況,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,中心偏析≤1.0級,中心縮孔≤1.0級,中心裂紋≤0.5級,角部內(nèi)裂≤0.5級,等軸晶率達到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9＃重軌鑄坯中MnS夾雜在連續(xù)升溫過程中的變化進行了動態(tài)原位觀察。結(jié)果表明,由于擴散和固溶影響,隨溫度的升高MnS夾雜形態(tài)不斷發(fā)生變化。當鑄坯的加熱溫度為600-870℃或1150-1200℃之間時,

6、有利于MnS夾雜的尺寸控制,過高的加熱溫度會引起MnS夾雜尺寸增大。
　　 用室內(nèi)加速腐蝕周浸循環(huán)試驗測試了試驗鋼在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腐蝕率的變化規(guī)律是相似的,隨著時間的延長,相對腐蝕率降低。以普通軌為基準,所設(shè)計耐蝕軌相對腐蝕率均超過普通軌40%以上,最高達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、時間后表面的3D形貌圖與對應(yīng)的表面粗糙度曲線,結(jié)果表明:在10min時觀察,0＃鋼表面已比較粗糙,9＃鋼表面僅比初始時暗淡,到浸泡30min時,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時差別不大,到浸泡60min時,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,同時對內(nèi)、外在銹層物相進行了分析,結(jié)果表明:銹層表面大部分呈團球狀結(jié)構(gòu),9＃鋼初始銹層的晶粒比0＃鋼細小,而且銹層間晶粒也要密集,到第五周期時9＃鋼銹層晶粒同樣細小密集,而0＃鋼銹層晶粒不但較粗大疏松,同時還出現(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,隨著腐蝕時間的延長,9＃鋼各物相衍射峰強度均高于0＃鋼,相對應(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,隨著腐蝕時間的延長,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