張 強(qiáng)，代夫華，司 毅，王志敏，胡云瑞，馬傳平

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

轉(zhuǎn)向架用Q345C鋼堆焊接頭組織及鹽霧腐蝕行為

張 強(qiáng)1，代夫華1，司 毅1，王志敏1，胡云瑞1，馬傳平2

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111；2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610031）

通過(guò)金相組織分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、極化曲線試驗(yàn)和鹽霧腐蝕試驗(yàn)，對(duì)比研究Q345C母材及其堆焊接頭組織、力學(xué)性能及耐蝕性能。結(jié)果表明，堆焊接頭組織與母材相比具有一定的差異。母材的沖擊韌性優(yōu)于堆焊焊縫。在相同試驗(yàn)條件下，Q345C母材及其堆焊接頭腐蝕初期表面均出現(xiàn)橘紅色的銹層，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，銹層逐漸加深，絕大部分橘紅色銹層變?yōu)楹诤稚P層腐蝕產(chǎn)物。堆焊焊縫的腐蝕傾向、腐蝕速度和腐蝕失重均低于母材，但相差不大，其耐蝕性能稍優(yōu)于母材。

轉(zhuǎn)向架；Q345C鋼；堆焊接頭；鹽霧腐蝕

0 前言

轉(zhuǎn)向架是軌道車輛安全可靠運(yùn)行最關(guān)鍵的部件之一。轉(zhuǎn)向架在使用過(guò)程中基體裸露，由于季節(jié)環(huán)境等條件的惡劣變化，經(jīng)常受風(fēng)沙、潮濕空氣、酸雨等侵蝕，會(huì)受到嚴(yán)重腐蝕造成安全隱患，直接危及軌道交通車輛的安全運(yùn)行，影響車輛使用壽命[1-2]。從鐵路行業(yè)多年的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)構(gòu)架腐蝕的主要原因有[3-5]：（1）早期生產(chǎn)的車輛衛(wèi)生間大都采用直排式，污物容易附著在構(gòu)架上，這些污物的長(zhǎng)時(shí)間附著就形成了電化學(xué)腐蝕的環(huán)境，尤其是糞便在酵解后產(chǎn)生酸、氨等，會(huì)逐漸侵蝕構(gòu)架上的部件。（2）由于側(cè)梁下蓋板及附加氣室下蓋板處位置較低，列車運(yùn)行時(shí)容易帶起軌面的沙石，破壞油漆保護(hù)層，從衛(wèi)生間排出的污物和車輛清洗時(shí)的水也容易在此聚集，給點(diǎn)狀腐蝕的產(chǎn)生提供了條件。

因此為了保證轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的服役壽命，不但要在材料選擇、力學(xué)性能等方面保證其可靠性，而且要在轉(zhuǎn)向架防腐性能方面尋求更為有效的防腐措施和解決辦法。對(duì)于已經(jīng)產(chǎn)生腐蝕過(guò)限的轉(zhuǎn)向架，為了減少因構(gòu)架報(bào)廢造成的浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，工廠一般采用堆焊的方法進(jìn)行焊補(bǔ)修復(fù)[3]。本研究在Q345C鋼表面進(jìn)行堆焊，模擬堆焊焊補(bǔ)轉(zhuǎn)向架腐蝕過(guò)限區(qū)域，觀察和分析堆焊層組織和基本力學(xué)性能，同時(shí)對(duì)堆焊接頭進(jìn)行鹽霧腐蝕試驗(yàn)，為轉(zhuǎn)向架腐蝕過(guò)限區(qū)域焊補(bǔ)工藝的可行性和施工工藝的合理性提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為轉(zhuǎn)向架用Q345C鋼，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表1[6]。堆焊方法采用焊條電弧焊，φ4 mm J506焊條，直流反接，焊接電流110～130 A，焊接電壓按照匹配關(guān)系適當(dāng)調(diào)整，預(yù)熱溫度大于10℃。

表1 Q345C鋼化學(xué)成分及基本力學(xué)性能

堆焊焊補(bǔ)完成后對(duì)焊補(bǔ)接頭進(jìn)行取樣，采用Zeiss-A1M數(shù)碼金相顯微鏡進(jìn)行金相檢驗(yàn)，金相腐蝕液為7％的硝酸酒精；采用HVS-30維氏硬度計(jì)進(jìn)行維氏硬度檢測(cè)，加載力10 kgf，加載時(shí)間15 s，間隔1 mm一個(gè)點(diǎn)；沖擊試驗(yàn)參照GB/T2650-2008焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法制成V型缺口試樣，利用JBN-300沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

極化曲線測(cè)試試樣尺寸為10 mm×10 mm的Q345C母材（BM）和堆焊焊縫（W）。在試樣背面用電烙鐵錫焊電極導(dǎo)線，除工作面外其他表面用硅橡膠封樣，工作表面按400#、600#、1 000#、1 500#、2500#砂紙依次打磨，并拋光至無(wú)劃痕。電化學(xué)測(cè)試儀器為微機(jī)控制型LK-98A型電化學(xué)分析儀，采用常規(guī)的三電極法體系，工作電極為試樣、參比電極為甘汞飽和氯化鉀溶液電極（SCE）、輔助電極為金屬鉑片電極，電解質(zhì)溶液分別為用去離子蒸餾水配制的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5％的NaCl化學(xué)分析純?nèi)芤?，測(cè)試溫度35℃±1℃，電位掃描范圍-500～500 mV，掃描速度0.5 mV/s。

鹽霧腐蝕試驗(yàn)試樣尺寸為45 mm×25 mm×4 mm的Q345C母材和堆焊接頭（堆焊焊縫+母材）各3個(gè)，分別編號(hào)為B-1、B-2、B-3和D-1、D-2、D-3；機(jī)械拋光后用丙酮清洗試樣表面，然后吹干，測(cè)量表面積，并用FA1004型精密天平測(cè)量試樣初始質(zhì)量，精確至小數(shù)點(diǎn)后4位；最后將試樣放入GP/YWP90型鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱，試樣受檢驗(yàn)表面與垂直方向成30°。試驗(yàn)鹽溶液濃度為3.5％，試驗(yàn)時(shí)鹽霧箱內(nèi)溫度恒定在35℃±1℃。試驗(yàn)時(shí)間為0d、3d、7d、14d、30 d，在預(yù)定時(shí)間點(diǎn)取出試樣吹干，用數(shù)碼相機(jī)拍攝腐蝕宏觀形貌，然后用檸檬酸銨溶液（200 g檸檬酸銨+蒸餾水配成1 000 ml溶液）清除腐蝕產(chǎn)物，對(duì)試樣多次重復(fù)清洗、吹干后進(jìn)行失質(zhì)量測(cè)量，精確至小數(shù)點(diǎn)后4位。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 金相組織分析

焊補(bǔ)堆焊接頭金相組織如圖1所示。表層堆焊層主要為柱狀晶，組織為先共析鐵素體沿柱狀晶內(nèi)分布，晶內(nèi)有針狀鐵素體、少量粒狀貝氏體和珠光體（見(jiàn)圖1a）。表層焊道與前一焊道之間交界處為細(xì)晶區(qū)，其原因是：在焊接時(shí)，最后一道焊縫對(duì)前一道焊縫起到了熱處理作用，使焊縫較為粗大的柱狀晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶（與正火區(qū)組織相近），白色等軸晶為鐵素體，黑色為珠光體（見(jiàn)圖1b）。圖1c為最下層焊縫與母材連接的熔合區(qū)金相組織，上半部分母材側(cè)主要為呈帶狀分布的塊狀鐵素體和珠光體，下半部分焊縫側(cè)為塊狀分布的鐵素體和因重結(jié)晶而細(xì)化的珠光體，帶狀分布明顯。母材為細(xì)小呈帶狀分布的珠光體和鐵素體組織（見(jiàn)圖1d）。

2.2 硬度分析

對(duì)堆焊接頭從焊縫表層往下至母材進(jìn)行硬度檢測(cè)，共選擇兩條線。由圖2可知，堆焊焊縫近表面硬度較高，測(cè)試線1距表面1 mm處的硬度值為184 HV，隨著距表面距離的增大，硬度值下降，但下降的趨勢(shì)較平穩(wěn)，直至最下層熱影響區(qū)，最下層熱影響區(qū)硬度從約150 HV快速升至約180 HV，之后母材的硬度又有所下降。即堆焊焊縫表面和最下層熱影響區(qū)的硬度值較高，母材硬度其次，中間焊縫層的硬度最低，這與堆焊焊縫不同區(qū)域的組織密切相關(guān)。

2.3 沖擊性能

堆焊接頭常溫下沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，其中1#～3#試樣缺口開在堆焊焊縫區(qū)域，4#～6#試樣缺口開在母材區(qū)域。由表2可知，堆焊焊縫的沖擊功平均值為170 J，而母材的沖擊功平均值為203 J，說(shuō)明Q345C母材的沖擊韌性優(yōu)于堆焊焊縫。這是因?yàn)槟覆慕M織分布均勻，晶粒細(xì)小，沖擊韌性較好；而堆焊層焊縫組織分布不均勻、晶粒尺寸大小分布不均，所以沖擊韌性較差。

圖1 堆焊接頭金相組織

圖2 堆焊接頭硬度性能曲線

表2 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.4 極化曲線分析

極化曲線測(cè)試結(jié)果如表3和圖3所示。Q345C母材的自腐蝕電位Ecorr為-0.799 5 V和自腐蝕電流密度Jcorr為18.457 μA/cm2，而堆焊焊縫的Ecorr和Jcorr分別為-0.772 8 V、15.918 μA/cm2，母材的自腐蝕電位和自腐蝕電流密度均大于堆焊焊縫，但非常接近。自腐蝕電位Ecorr是熱力學(xué)概念，是一個(gè)特定的腐蝕體系在沒(méi)有其他外加電流的情況下測(cè)得的金屬電位，反映被腐蝕發(fā)生的難易程度。Ecorr值越負(fù)，腐蝕傾向越大；其值越正，腐蝕傾向就越小。而自腐蝕電流密度Jcorr則是動(dòng)力學(xué)概念，它表征金屬腐蝕的速度，Jcorr越大腐蝕速度越快，金屬材料的耐蝕性就越差，Jcorr越小腐蝕速度越慢，材料的耐蝕性就越好。從極化曲線測(cè)試結(jié)果來(lái)看，Q345C母材的腐蝕傾向和腐蝕速度均大于堆焊焊縫，說(shuō)明堆焊焊縫的耐蝕性稍優(yōu)于Q345C母材。

表3 極化曲線測(cè)試結(jié)果

圖3 堆焊焊縫和母材的極化曲線

2.5 鹽霧腐蝕行為

在不同時(shí)間點(diǎn)下試樣腐蝕及去除腐蝕產(chǎn)物后的宏觀形貌如圖4、圖5所示。無(wú)論是Q345C母材還是堆焊接頭，在腐蝕初期，試樣表面附著的橘紅色的疏松的麻點(diǎn)狀銹層，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，銹層顏色逐漸加深，試驗(yàn)30 d后，絕大部分橘紅色銹層變?yōu)楹诤稚Ｎ墨I(xiàn)[7]研究表明，這些銹層的腐蝕產(chǎn)物主要由FeO、Fe2O3、Fe3O4、γ-FeOOH和α-FeOOH構(gòu)成，而對(duì)鋼的耐蝕性能的影響主要取決于銹層中最終形成的穩(wěn)定的α-FeOOH腐蝕產(chǎn)物所占比例和分布。這是因?yàn)棣?FeOOH晶體形貌呈致密團(tuán)狀，晶體團(tuán)相相互之間緊密堆積，決定其既有好的致密性又有好的附著力[8]。而去除腐蝕產(chǎn)物后，試樣表面十分粗糙，呈現(xiàn)出坑洼狀，有許多麻坑。在腐蝕初期（3 d）表面局部區(qū)域還殘留有未被腐蝕的原始表面，在腐蝕后期（30 d）則沒(méi)有發(fā)現(xiàn)未被腐蝕的原始表面，說(shuō)明腐蝕先從麻點(diǎn)腐蝕開始，形成腐蝕產(chǎn)物，由于腐蝕產(chǎn)物主要為形狀不規(guī)則的塊狀和粉末狀，同時(shí)銹層中存在裂紋和縫隙，導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)容易滲入，從而接觸集體，加快腐蝕[8]，后面聚集成片，形成層狀腐蝕。

圖4 不同時(shí)間點(diǎn)試樣宏觀腐蝕形貌

從試樣腐蝕和去除腐蝕產(chǎn)物后的宏觀和微觀形貌來(lái)看，Q345C母材和堆焊接頭的腐蝕過(guò)程形貌變化并沒(méi)有太大的區(qū)別。

Q345C母材和堆焊接頭各3個(gè)試樣的平均腐蝕失重?cái)?shù)據(jù)如表4所示，腐蝕失重曲線見(jiàn)圖6。由表4和圖6可知，腐蝕前期（3 d）堆焊接頭的平均失重量大于Q345C母材，說(shuō)明該階段堆焊接頭腐蝕速度要快于Q345C母材；而在3d以后三個(gè)階段一直到試驗(yàn)結(jié)束（30 d），母材的腐蝕失重大于堆焊接頭，說(shuō)明3～30 d這段時(shí)間母材的腐蝕速度大于堆焊接頭，但兩者相差不大，說(shuō)明在誤差允許范圍內(nèi)，可以認(rèn)為兩者腐蝕速度相同。

3 結(jié)論

（1）Q345C堆焊焊縫表面和最下層熱影響區(qū)的硬度值較高，母材硬度其次，中間焊縫層的硬度最低，這與堆焊焊縫不同區(qū)域的組織密切相關(guān)。Q345C母材的沖擊韌性優(yōu)于堆焊焊縫。

（2）Q345C母材的自腐蝕電位Ecorr為-0.7995 V，自腐蝕電流密度Jcorr為18.457 μA/cm2；而堆焊焊縫的Ecorr和Jcorr分別為-0.7728V、16.918μA/cm2。堆焊焊縫的腐蝕傾向和腐蝕速度均低于母材，但相差不大，其耐蝕性能稍優(yōu)于母材。

（3）Q345C母材和堆焊接頭腐蝕初期出現(xiàn)橘紅色的銹層，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，銹層逐漸加深，試驗(yàn)30 d后，絕大部分橘紅色銹層變?yōu)榻M織較為致密的黑褐色銹層腐蝕產(chǎn)物。在試驗(yàn)周期內(nèi)Q345C母材的腐蝕速度略大于堆焊焊縫，但相差不大。

（4）對(duì)比Q345C母材和堆焊接頭的組織、基本力學(xué)性能、極化曲線和鹽霧腐蝕試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)所用堆焊焊補(bǔ)工藝用于實(shí)際腐蝕過(guò)限區(qū)域的補(bǔ)焊是可行的。

圖5 不同時(shí)間點(diǎn)試樣去除腐蝕產(chǎn)物后的表面微觀形貌

表4 平均腐蝕失重?cái)?shù)據(jù)

圖6 腐蝕失重曲線

[1]陰敬甲.S355J2W耐候鋼焊接接頭腐蝕性能研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[2]盧峰華，范瑋，馬傳平.CW200K轉(zhuǎn)向架焊接殘余應(yīng)力無(wú)損測(cè)量[J].電焊機(jī)，2016，46（1）：36

[3]胡廣勝，姜建東.206P型轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架銹蝕原因及補(bǔ)強(qiáng)處理分析[J].鐵道車輛，2011，49（7）：40-41.

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[8]郭麗娟，魯二敬，田慧，等.S355J2G3與Q345R低合金鋼焊接接頭耐腐蝕性能對(duì)比研究[J].熱加工工藝，2013，42（3）：26-27.

Microstructure and salt spray corrosion behavior of bogie Q345C steel surfacing weld

ZHANG Qiang1，DAI Fuhua1，SI Yi1，WANG Zhimin1，HU Yunrui1，MA Chuanping2
（1.CRRC Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；2.College of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

The microstructure，mechanical properties and corrosion resistance of Q345C steel base metal and its surfacing weld were comparatively studied by microstructure analysis，basic mechanical properties test，polarization curve test and salt spray corrosion test.The results show that,there are some difference of the microstructure between Q345C steel base metal and its surfacing weld，and the impact toughness of the base metal is superior to surfacing weld.Under the same testing conditions，the surface of Q345C steel base metal and surfacing weld both generate orange rust layer in the initial corrosion，along with tests，rust layer gradually changes color，becomes dark brown with dense tissue.The corrosion tendency，corrosion rate and corrosion weight loss of surfacing weld are lower than the Q345C steel base metal，but the difference is small，and the corrosion performance is slightlybetter than the base metal.

bogie；Q345C steel；surfacing weld；salt spray corrosion

TG455

A

1001－2303（2016）06－0107-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.22

2016-04-22

張強(qiáng)（1986—），男，工程師，在讀博士，主要從事軌道車輛車體及轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)與工藝開發(fā)工作。