楊文斌，夏金龍，肖乾，陳道云，劉新龍

ER8車輪鋼激光熔覆涂層在酸雨環(huán)境下的磨損與腐蝕性能分析研究

楊文斌，夏金龍，肖乾，陳道云，劉新龍

（華東交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，南昌 330013）

提高ER8高速車輪鋼的耐磨和耐腐蝕性能，增強(qiáng)車輪使用壽命。在ER8車輪鋼表面制備出Fe基合金粉末和Co基合金粉末2種涂層。借助SEM、XRD、納米壓痕儀等表征設(shè)備分析涂層的金相組織形貌、物相種類和納米硬度。利用MFT-EC4000往復(fù)電化學(xué)摩擦磨損試驗(yàn)儀將試樣置于酸雨溶液進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)及電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)。涂層表面組織致密均勻，形成了良好的冶金結(jié)合，F(xiàn)e基與Co基合金涂層分別呈現(xiàn)出“胞狀”與“蜂窩狀”，無(wú)明顯孔洞、裂紋等缺陷?；w在低頻（1 Hz）下發(fā)生輕微的磨粒磨損，中高頻（2、4 Hz）下出現(xiàn)了嚴(yán)重的剝落、點(diǎn)蝕現(xiàn)象，其磨損機(jī)理主要為粘著磨損、氧化磨損和磨粒磨損，涂層磨損區(qū)域則無(wú)明顯腐蝕與剝落現(xiàn)象。在高頻下，F(xiàn)e基涂層和Co基涂層的磨損率分別比基體減少46.10×10–5mm3/(N·m)和39.85×10–5mm3/(N·m)。同時(shí)，涂層的阻抗值顯著提高，極化曲線測(cè)試結(jié)果顯示，F(xiàn)e基涂層、Co基涂層和基材的自腐蝕電位分別為–0.522、–0.381、–0.603 V，腐蝕密度分別為3.916、0.312、5.483 μA/cm2。修復(fù)后的車輪鋼樣品的耐磨損性能與耐腐蝕能力得到不同程度提高，相比之下，耐磨損方面Fe基合金涂層表現(xiàn)得更為優(yōu)異；耐蝕性方面，Co基合金涂層略強(qiáng)于Fe基涂層。

車輪鋼；激光熔覆；合金粉末涂層；摩擦磨損；酸雨溶液；電化學(xué)腐蝕

我國(guó)高速鐵路通車?yán)锍毯蛣?dòng)車組保有量快速增加，伴隨而來(lái)的是運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本的快速增長(zhǎng)，其中一部分成本來(lái)自于高速列車車輪的維護(hù)與更換。通常，車輪損傷主要是由磨損和滾動(dòng)接觸疲勞及復(fù)雜的服役環(huán)境引起，其中，惡劣的酸雨環(huán)境就是一種典型的例子。如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理車輪損傷，輕則影響乘車體驗(yàn)，重則可能導(dǎo)致脫軌等災(zāi)難性后果，從而造成重大人員傷亡及巨大財(cái)產(chǎn)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年因腐蝕與銹蝕造成的鋼鐵損失約占鋼鐵年產(chǎn)量的10%至20%，我國(guó)每年在腐蝕層面上造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2 300億元以上[1]，而嚴(yán)峻的酸性環(huán)境會(huì)進(jìn)一步加劇腐蝕的發(fā)生。目前常用的鏇修工藝可以去除車輪表面損傷恢復(fù)車輪使用狀態(tài)，但會(huì)快速減小車輪尺寸，導(dǎo)致明顯縮短車輪服役壽命，因此車輪損輪損傷的原位修復(fù)是更為理想的修復(fù)工藝。

由于激光熔覆具有耐蝕、耐磨、耐熱及抗氧化等性能，被廣泛用于航空航天、礦山機(jī)械、汽車、石油化工、鐵路、電力等行業(yè)[2-3]。與埋弧焊、等離子焊接、氣電立焊等表面改性技術(shù)相比，激光熔覆技術(shù)具有稀釋率低、涂層孔隙率低、與基體材料結(jié)合強(qiáng)度高、材料選擇性廣、無(wú)環(huán)境污染等特點(diǎn)[4]。目前，已有學(xué)者嘗試將激光熔覆應(yīng)用于列車車輪及鋼軌的表面強(qiáng)化，以提高其耐磨性和抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞性能以及耐腐蝕性，并在此方面做了大量研究[5-6]。Lewis等[7]在全尺寸R260鋼軌上熔覆了一種Co基合金涂層和馬氏體不銹鋼涂層并進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，熔覆處理后，鋼軌的疲勞強(qiáng)度和耐磨損性能得到顯著提高。Gamon等[8]利用激光熔覆技術(shù)在鐵路緩沖頭上制備錳青銅和鋁青銅涂層，發(fā)現(xiàn)熔覆層可以顯著減少緩沖頭的滑動(dòng)磨損。Wang等[9]對(duì)熔覆后的重載輪軌材料磨損進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，結(jié)果表明，激光熔覆處理前后的輪軌材料表面由明顯的粘著磨損和剝離損傷向犁溝趨勢(shì)變化。慕鑫鵬等[10]利用CO2多模擬激光器在輪軌材料表面制備出Co基與Fe基，并進(jìn)行了滾動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)研究表明，經(jīng)激光熔覆處理后，試樣的磨損率得到了顯著降低。Zhu等[11]采用滾動(dòng)接觸試驗(yàn)研究了車輪局部熔覆不銹鋼涂層的磨損與滾動(dòng)接觸疲勞行為，發(fā)現(xiàn)涂層耐磨性及滾動(dòng)接觸疲勞性能均優(yōu)于基體?？梢?，目前的研究主要集中于利用激光熔覆技術(shù)對(duì)車輪及鋼軌進(jìn)行表面強(qiáng)化，對(duì)于激光熔覆修復(fù)車輪的研究仍有待加深。本文考察了修復(fù)后車輪鋼的耐磨損與耐腐蝕性能，并對(duì)界面區(qū)域與基體摩擦學(xué)性能的一致性進(jìn)行了對(duì)比評(píng)估，研究結(jié)果可對(duì)激光熔覆在車輪損傷修復(fù)方面的工程應(yīng)用提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。

由于酸雨環(huán)境與列車運(yùn)行速度多變性，列車車輪在面對(duì)惡劣服役環(huán)境的系統(tǒng)研究尚不充分。本文利用傳統(tǒng)激光熔覆技術(shù)在ER8車輪鋼表面制備出在激光熔覆領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的Fe基和Co基合金局部修復(fù)涂層，主要因?yàn)镕e基和Co基合金粉末屬于具有脫氧造渣能力的自溶性合金粉末，且制備簡(jiǎn)單、性能優(yōu)異。將酸雨溶液作為第三介質(zhì)，借助MFT-EC4000往復(fù)電化學(xué)摩擦磨損試驗(yàn)儀對(duì)處于酸雨環(huán)境下的車輪試樣進(jìn)行模擬不同運(yùn)行速度的滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)，同時(shí)在酸雨溶液中進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)，通過(guò)分析涂層的金相組織結(jié)構(gòu)、顯微硬度、磨損形貌、電化學(xué)腐蝕等情況，分別揭示了基體、Fe基和Co基合金涂層在酸雨環(huán)境下滑動(dòng)摩擦磨損過(guò)程中的損傷機(jī)理和電化學(xué)腐蝕行為。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

采用線切割的方式從列車車輪（ER8車輪鋼）踏面以下5 mm處切取尺寸為30 mm×20 mm×5 mm的樣塊若干，并在樣品中間部分切割去除寬度為10 mm、最大深度為2 mm的圓弧缺口，如圖1所示。在激光功率為1 600 W、光斑直徑為4 mm、掃描速率為7.5 mm/s、搭接率為50%、車輪鋼基體預(yù)熱200 ℃的條件下，利用激光熔覆技術(shù)對(duì)圓弧缺口進(jìn)行修復(fù)，用金相砂紙將工作面逐級(jí)打磨至2 000＃砂紙，研磨拋光后進(jìn)行超聲清洗，烘干密封保存?zhèn)溆?。車輪鋼的化學(xué)成分見表1，F(xiàn)e基和Co基合金粉末化學(xué)成分分別見表2和表3。

圖1 ER8車輪鋼涂層試樣

表1 ER8車輪鋼的化學(xué)成分

表2 Fe基合金粉末化學(xué)成分

表3 Co基合金粉末化學(xué)成分

1.2 材料及方法

試驗(yàn)中所用的酸雨溶液的組成成分及含量見表4，嚴(yán)格按照表內(nèi)成分及含量科學(xué)合理地選取相應(yīng)的化學(xué)試劑，采用精度為0.005 g的電子天平稱取17.76 g (NH4)2SO4、10.00 g NaNO3、1.50 g Ca(NO3)2?6H2O、1.00 g NaCl、1.00 g KNO3、0.96 g Mg (SO)4，誤差規(guī)定在0.01 g，將稱取好的藥品置于500 mL的燒杯中，加入500 mL的去離子水，并用玻璃棒攪拌待溶解完成后移至5 L的容器中，加入相同的去離子水直至5 L，溶液的pH值控制在3.1～3.5范圍內(nèi)，如若達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，可使用冰醋酸和NaOH固體進(jìn)行調(diào)節(jié)。

表4 酸雨溶液的組成成分及含量

摩擦磨損試驗(yàn)中，將試驗(yàn)樣品放置在MFT- EC4000試驗(yàn)儀的試驗(yàn)臺(tái)上，固定載荷為10 N，酸雨溶液的流速為4.5 mL/min，陪試件選用6 mm的Si3N4球體，磨痕長(zhǎng)度為5 mm，球體的摩擦行程調(diào)整為剛好被涂層與基體平分。酸雨環(huán)境中不同滑動(dòng)摩擦頻率分別設(shè)置為低頻（1 Hz）、中頻（2 Hz）和高頻（4 Hz），摩擦?xí)r間為90 min。利用維氏硬度儀（Qness- Q60）測(cè)量試樣表面的硬度，試驗(yàn)結(jié)束后，借助SEM、XRD和OM等表征設(shè)備對(duì)結(jié)果進(jìn)行表征分析，為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，所有試驗(yàn)均重復(fù)2次。

在電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)中，將打磨好的試樣與配制好的酸雨溶液取出備用，分析設(shè)備采用電化學(xué)磨損儀工作站，在pH值為3.5的酸雨溶液中測(cè)試試樣的極化曲線和交流阻抗。采用傳統(tǒng)的三電極體系，涂層和基體試樣分別為工作電極，Pt電極為輔助電極，飽和甘汞電極作為參比電極（內(nèi)充飽和KCl溶液）。首先將試樣放入酸雨溶液上浸泡一段時(shí)間，以穩(wěn)定開位電路，極化曲線的掃描范圍相對(duì)開路電位為–1.5～1 V，掃描速率為1 mV/s，并從極化曲線獲得腐蝕參數(shù)。在穩(wěn)定開位電路后，對(duì)試樣進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜的測(cè)量，掃描頻率為105～0.01 Hz，所有試驗(yàn)均保持在室溫(26±1) ℃下進(jìn)行。在室溫下，進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜（EIS）和極化曲線的測(cè)試，研究涂層與基體試樣在酸雨溶液中的腐蝕行為。

2 結(jié)果與討論

2.1 車輪試樣的金相組織和顯微硬度

2種不同合金涂層的顯微組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。可以看出，F(xiàn)e基合金涂層（見圖2a）與Co基合金涂層（見圖2b）組織形貌差異較為明顯，這是因?yàn)闇囟忍荻龋ǎ┖湍趟俾剩ǎ?duì)顯微組織結(jié)構(gòu)起著決定性的作用，形狀控制因子（/）值對(duì)涂層的微觀結(jié)構(gòu)形貌有顯著影響[12-13]。涂層表面均未發(fā)現(xiàn)明顯的氣孔、裂紋，組織結(jié)構(gòu)均勻而致密，基體與涂層形成了良好的冶金結(jié)合。合金涂層由枝晶組織和共晶組織組成。在激光熔覆過(guò)程中，當(dāng)激光束離開熔池時(shí)，涂層表面溫度急劇下降，合金粉末迅速與基體熔凝，從而導(dǎo)致枝晶的形成。枝晶組織緊密排列，且涂層表面出現(xiàn)大量彌散分布的物質(zhì)，這些物質(zhì)是由于激光束離開熔池時(shí)，未凝固的液態(tài)金屬再次成核凝固而形成的固態(tài)合金，也就是共晶組織，液態(tài)金屬的凝固速度則決定了共晶組織的形貌特征。與“胞狀”的Fe基合金涂層組織相比，“蜂窩狀”的Co基合金涂層組織表現(xiàn)得更為致密。另外，2種合金涂層熱影響區(qū)的組織呈現(xiàn)細(xì)片狀的索氏體，這是由于在激光束的高溫作用所導(dǎo)致[14]。

2種合金涂層的XRD譜圖如圖3所示。利用Jade6.5軟件分析可以明顯看出，不同的涂層衍射峰有較大的差異，其中Fe基合金涂層物相主要由奧氏體和碳化物Cr7C3組成，其中Ni元素大量固溶于奧氏體內(nèi)，形成（Fe, Ni）固溶體，同時(shí)粉末中高含量的Cr元素通過(guò)高溫易與C發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，形成碳化物Cr7C3[15]，而這些碳化物可以有效提高材料的硬度與強(qiáng)度。Co基合金涂層主要由γ-Co相與Cr23C6構(gòu)成，同樣在高溫時(shí)，Co基合金粉末中含量較高的Cr元素易與C形成碳化物Cr23C6。2種熔覆涂層及基體的剖面硬度如圖4所示，熔覆涂層厚度約為1 mm。涂層硬度較基體而言有明顯提高，且Fe基合金涂層硬度遠(yuǎn)高于Co基合金涂層，平均硬度為711.4HV。在涂層形成過(guò)程中，熔池液體的快速冷卻會(huì)使其產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，使得涂層硬度得到了明顯提高[10]。界面區(qū)域硬度隨著剖面深度的增加而迅速減小，直至減小到300.0HV左右后保持穩(wěn)定，接近基體平均硬度值（287.0HV）。這是因?yàn)槠拭娴纳疃仍缴?，材料吸收的能量就越少，以至于沒有足夠的能量使組織發(fā)生相變。這也說(shuō)明界面區(qū)域的結(jié)構(gòu)組織與基體的結(jié)構(gòu)更為接近。Co基合金涂層厚度的增加及熱影響區(qū)域并未對(duì)Co基涂層的硬度產(chǎn)生較大影響，涂層剖面與基體的硬度較為接近。

圖2 涂層試樣微觀組織

圖3 涂層的XRD衍射譜線

圖4 涂層截面硬度曲線

2.2 摩擦系數(shù)

Fe基和Co基合金涂層在不同滑動(dòng)頻率條件下的試驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)曲線如圖5所示。可以看出，摩擦系數(shù)與滑動(dòng)速度成反比，且主要分為劇烈摩擦階段和穩(wěn)定摩擦階段。由于試驗(yàn)前試樣表面光滑并且存在吸附薄膜[16]，故摩擦副與試樣表面剛接觸時(shí)的初始階段摩擦系數(shù)波動(dòng)較大。隨著時(shí)間的推移，滑動(dòng)過(guò)程中表面和吸附膜會(huì)逐漸遭到不同程度的破壞，試樣磨面慢慢變得粗糙，導(dǎo)致摩擦系數(shù)急劇上升。同時(shí)，摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦熱會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致摩擦系數(shù)的增大。經(jīng)過(guò)跑合后，車輪鋼試樣表面達(dá)到穩(wěn)定磨損的狀態(tài)，摩擦系數(shù)趨于平穩(wěn)。隨著滑動(dòng)頻率的增加，摩擦系數(shù)逐漸下降，主要是因?yàn)榛瑒?dòng)速度越高，磨擦表面產(chǎn)生氧化物越多，氧化物則能起到一定的潤(rùn)滑減磨作用，從而使摩擦系數(shù)減小[17]。

圖5 不同滑動(dòng)速度下涂層的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線

2.3 磨痕形貌

圖6和圖7給出了不同滑動(dòng)速度下涂層與基體結(jié)合區(qū)域的表面磨損形貌SEM圖和OM圖。綜合圖6和圖7可以看出，從界面區(qū)域往基體位置走向，磨損程度明顯加重，摩擦面損傷形貌總體上由明顯的粘著磨損和嚴(yán)重的剝離損傷向磨粒磨損轉(zhuǎn)變。從圖6和圖7中Fe基合金涂層界面區(qū)域在滑動(dòng)頻率為1、2、4 Hz時(shí)的界面結(jié)合區(qū)域磨損形貌可以看出，涂層與基體之間的磨損形貌相差較大，滑動(dòng)頻率為1 Hz時(shí)，F(xiàn)e基涂層在酸雨環(huán)境下摩擦表面光滑，并發(fā)現(xiàn)少部分的磨屑粘附在接觸面上，主要表現(xiàn)為輕微的磨粒磨損。隨著滑動(dòng)速度的加快，犁溝逐漸明顯，磨屑顆粒變多，直接導(dǎo)致的結(jié)果是磨面上的黑色氧化物明顯增多、磨痕寬度增大。從圖6和圖7中Co基合金涂層界面區(qū)域在滑動(dòng)頻率為1、2、4 Hz時(shí)的界面結(jié)合區(qū)域磨損形貌可以看出，其摩擦磨損機(jī)制與Fe基合金涂層類似，但點(diǎn)蝕與氧化程度則更為輕微。與2種涂層相比，基體的腐蝕與磨損則較為嚴(yán)重，摩擦面上出現(xiàn)明顯的剝落坑、氧化層、犁溝，說(shuō)明車輪材料之間的磨損主要為粘著磨損、氧化磨損以及磨粒磨損3種磨損機(jī)理，且這種現(xiàn)象隨著滑動(dòng)速度的加大越加嚴(yán)重。這是由于在滑動(dòng)摩擦過(guò)程中，試樣表層材料發(fā)生脆斷從試樣表面剝落形成硬質(zhì)顆粒，這些犁溝是由硬度較大的顆粒與試樣表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)而形成的。同時(shí)，反復(fù)擠壓變形使得試樣最終在摩擦磨損和剪切力的共同作用下，受到酸雨溶液點(diǎn)蝕的部位發(fā)生粘著剝落，形成剝落坑。摩擦副之間往復(fù)摩擦產(chǎn)生了較高的摩擦熱，在摩擦熱和酸性環(huán)境的共同作用下，磨面形成黑色氧化物。另外，酸雨溶液中的氯離子以及一些呈酸性的離子會(huì)破壞試樣表面氧化膜的形成，以及沿著微裂紋向試樣深度方向滲透，促進(jìn)點(diǎn)蝕的形成，加快腐蝕速率[18]。綜合圖6和圖7可以觀察出，分界線的兩端呈現(xiàn)出2種完全不同的摩擦磨損形貌，基體的損傷程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于涂層，而界面區(qū)域的磨損形貌則更趨向于基體部分，從某種程度說(shuō)明界面區(qū)域的摩擦學(xué)性能與基體存在一定程度的相似性。

以2 Hz滑動(dòng)頻率下的EDS平面掃描分析結(jié)果為例，如圖8所示。涂層與基體Cr元素分布差異十分明顯，基體上檢測(cè)到少量Cr，是因?yàn)槟Σ習(xí)r基體上攜帶了少許涂層的磨屑。O元素主要集中分布在剝落的點(diǎn)蝕坑與黑色的氧化層中，而涂層表面O元素分布均勻，并未發(fā)現(xiàn)集中現(xiàn)象，這也恰恰說(shuō)明涂層的高耐蝕性和高抗氧化性。

圖6 試樣表面損傷形貌的SEM圖像

圖7 試樣表面損傷形貌的OM圖像

2.4 磨損率

圖9與圖10分別為滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)后磨痕的3D光學(xué)輪廓形貌和不同頻率下涂層與ER8基體的磨痕二維輪廓曲線?；w在3種頻率下的磨痕深度與寬度變化明顯，1 Hz下基體的磨痕深度與寬度分別約為5.26 μm和540 μm。隨著頻率的增加，磨痕深度與寬度也隨之增加，4 Hz下磨痕深度和寬度分別為43.54 μm和1 100 μm左右，呈現(xiàn)出中高碳鋼耐磨性較差的特性。涂層在3種頻率下磨痕的深度和寬度與基體相比都稍有改善，其中Fe基合金涂層在1 Hz的滑動(dòng)頻率下磨痕深度約為4.1 μm，4 Hz頻率下的磨痕深度增至10.3 μm。同等條件下，Co基合金涂層的磨痕深度和寬度略微大于Fe基合金涂層，但都小于基體材料的深度和寬度。圖11為ER8車輪鋼基體和涂層在不同頻率下的磨損率，其計(jì)算公式如式（2）所示。

式中：為磨損率，mm3/(N·m)；為磨損量，cm3；為滑動(dòng)單程長(zhǎng)度，cm；是循環(huán)次數(shù)；為載荷，N[19]?；w材料在不同頻率下都表現(xiàn)出高磨損率且磨損率與頻率成正比。低頻與中頻條件下熔覆涂層的磨損率均略微小于基體材料，隨著速度的增加，涂層的磨損率基本保持不變，而基體磨損率則顯著增加。通常情況下，熔覆涂層的磨損率與滑動(dòng)速度成正比，這是由于隨著滑動(dòng)速度的增加，容易在界面位置出現(xiàn)明顯的摩擦熱效應(yīng)，從而導(dǎo)致涂層破裂，失去保護(hù)效果，形成更為嚴(yán)重的剝落，增大磨損率[20]。但由于本研究的循環(huán)次數(shù)不同，故存在涂層磨損率隨頻率增加而降低的現(xiàn)象。另外，基體試樣的磨損率在高頻作用下顯著上升，出這一情況的原因可能是因?yàn)樵诟咚偻鶑?fù)摩擦過(guò)程中，基體材料由于滑動(dòng)速度過(guò)高而出現(xiàn)局部破裂，破裂脫落的部分形成硬質(zhì)磨屑，增加了磨損量。

圖8 2 Hz下界面區(qū)域磨痕形貌的EDS元素分布

Fig.8 EDS element distribution of wear trace morphology in interface region at 2 Hz

圖9 不同滑動(dòng)速度下涂層與基體的磨痕3D輪廓形貌

圖10 不同滑動(dòng)速度下基體與涂層的磨痕輪廓變化曲線

圖11 不同滑動(dòng)速度下基體和涂層的磨損率

2.5 電化學(xué)腐蝕

3種試樣的電化學(xué)阻抗譜如圖12所示，阻抗譜顯示出半圓形狀，且半圓都呈現(xiàn)出電容型，半圓的直徑大小直接反應(yīng)的是試樣表面的阻抗大小?？梢悦黠@看出，Co基涂層直徑最大，其次是Fe基涂層，半徑最小的為基體材料。根據(jù)電化學(xué)腐蝕的特點(diǎn)，采用如圖13所示的等效電路對(duì)基體和涂層的阻抗測(cè)試結(jié)果進(jìn)行擬合，其中圖13a和圖13b分別為基體與涂層的等效電路。相元用和表示，其中CPEbl和CPEdl分別為基體界面電容和雙電層電容有關(guān)的常數(shù)相元。CPE是因系統(tǒng)原因形成的非理想電容的常相位元件，在模擬中常常引入作為純電容，使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)較好的吻合[21-23]，其中EIS測(cè)量通常與等效電路（EEC）進(jìn)行類比分析。在圖13a中，s是酸雨溶液電阻，ct為溶液–襯底界面與CPEdl并聯(lián)時(shí)的電阻；圖13b中，s為酸雨溶液電阻，b為腐蝕產(chǎn)物膜電阻，ct為涂層平行于恒相元CPEbl的阻擋層電阻。值越大，說(shuō)明材料的耐腐蝕性能越強(qiáng)。采用ZSimpWin軟件獲取基體和涂層的EIS數(shù)據(jù)，擬合數(shù)據(jù)見表5。結(jié)合圖12與表5數(shù)據(jù)分析，3種試樣中基材的阻抗值最小，顯現(xiàn)的耐腐蝕性能最低，Co基涂層具有最大的阻抗值，F(xiàn)e基涂層次之，但相差并不大。初步判定熔覆涂層的耐腐蝕性能明顯優(yōu)于基體。

圖12 3種試樣在酸雨溶液中的電化學(xué)阻抗譜

圖13 基體與涂層在酸雨溶液的等效電路:

表5 3種試樣在酸雨溶液中的電化學(xué)阻抗擬合結(jié)果

利用電化學(xué)工作站測(cè)試了ER8車輪鋼基體、Fe基和Co基合金涂層的動(dòng)電位極化曲線，如圖14所示。借助Tafel法、線性極化法分析了3種試樣在酸雨溶液中的動(dòng)電位極化曲線，并確定了腐蝕電位和腐蝕電流密度等參數(shù)來(lái)表征熔覆涂層在酸雨溶液中的耐腐蝕性能[24]，電化學(xué)腐蝕參數(shù)見表6，并通過(guò)現(xiàn)有參數(shù)計(jì)算出極化電阻P，極化電阻公式如式（2）[25]所示。

式中：corr為腐蝕電位；corr為腐蝕電流密度；c為陽(yáng)極極化曲線斜率；a為陰極極化曲線斜率。結(jié)合圖14和表6可以看出，ER8車輪鋼基體和熔覆涂層在酸雨溶液中均未出現(xiàn)明顯的鈍化區(qū)域，說(shuō)明在開路電位為－1.5～1 V條件下，基體和涂層表面均未生成了鈍化膜。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，基體的corr與corr明顯低于2種涂層，表明在酸雨溶液中，熔覆涂層的腐蝕傾向與腐蝕速率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基體[26]。隨著腐蝕時(shí)效時(shí)間的增加，合金涂層的腐蝕電位corr表現(xiàn)出正方向移動(dòng)的趨勢(shì)，腐蝕電流密度corr趨于降低，極化電阻P增大。根據(jù)法拉第歐姆定律[27]，電化學(xué)腐蝕速率與腐蝕電流密度corr呈正比關(guān)系，同時(shí)與極化電阻P呈反比關(guān)系。這說(shuō)明涂層腐蝕電流密度corr越大，涂層的腐蝕速率越快，耐蝕性能就越弱，而涂層極化電阻P越大，則涂層的耐腐能力就越優(yōu)異。同時(shí)， Fe基合金涂層與Co基合金涂層耐腐蝕性能的差距并不明顯，主要是因?yàn)?種合金涂層Cr元素的含量相差并不明顯，而Cr元素的存在能有效提高材料的耐腐蝕性能。

圖14 3種試樣在酸雨溶液中的極化曲線

Fig.14 Polarization curves of three specimens in acid rain solution

表6 3種試樣的電化學(xué)特性參數(shù)

3 結(jié)論

本文利用激光熔覆技術(shù)在ER8車輪鋼材料中制備了局部Fe基和Co基合金涂層，采用往復(fù)摩擦磨損和電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)研究了涂層在酸雨溶液中的摩擦磨損及腐蝕機(jī)理。可以得出以下結(jié)論：

1）摩擦系數(shù)與滑動(dòng)速度成反比關(guān)系，并且在相同參數(shù)條件下，Co基合金涂層的摩擦系數(shù)略小于Fe基合金涂層。

2）在酸雨溶液中基體材料磨面上呈現(xiàn)的損傷形貌總體上由明顯的粘著磨損和嚴(yán)重的剝離損傷向涂層磨粒磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變，而涂層磨面則為輕微的磨粒磨損。

3）與基體相比，2種合金涂層均具有相對(duì)較低的磨損率，且隨著滑動(dòng)速度的增大，涂層耐磨性表現(xiàn)得更為優(yōu)異；高頻（4 Hz）條件下，F(xiàn)e基與Co基合金涂層的磨損率比基體分別最高能減少46.10× 10–5mm3/(N·m)和39.85×10–5mm3/(N·m)。

4）基體、Fe基合金涂層和Co基合金涂層的極化電阻分別為511.4、7 148.8、30 984.4 Ω，故涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能。相較之下Co基合金涂層更為優(yōu)異，但由于Fe基合金涂層成本更低，表現(xiàn)出更優(yōu)異的耐磨損性能，耐腐蝕性能與Co基合金涂層差距并不明顯，在實(shí)際工程應(yīng)用中，F(xiàn)e基合金涂層仍為優(yōu)選。

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Wear and Corrosion Resistance of Laser Cladding Coating on ER8 Wheel Steel in Acid Rain Environment

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(School of Mechatronics and Vehicle Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China)

Laser cladding is an advanced surface modification technology, which can improve the surface properties such as wear resistance, corrosion resistance, fatigue wear resistance, oxidation resistance of different powder materials without changing the substrates. The work aims to improve the wear and corrosion resistance of ER8 high-speed wheel steel to increase the service life of wheels. In order to compare the wear resistance and corrosion resistance of different powder coatings and substrates in acid rain solution, the laser cladding technology was used to improve the performance of ER8 high-speed wheel steel and improve the service life of wheels, so as to cope with the bad service environment of train wheels. The wear and corrosion resistance of Fe-based alloy coating and Co-based alloy coating in simulated acid rain solution were compared and analyzed. The wheel steel was cut into sample blocks of 30 mm×20 mm×5 mm, and the circular gap with width of 10 mm and maximum depth of 2 mm was removed in the middle part of the matrix material sample. The substrate was polished smooth and cleaned with sandpaper. Under the laser power of 1 600 W, spot diameter of 4 mm, scanning rate of 7.5 mm/s and lap rate of 50%. Fe-based and Co-based alloy coatings were prepared by Laserline LDF6000-100 laser on the substrate surface. Then, the microstructure morphology, phase type and nano hardness of the coating were analyzed by SEM, XRD and nano indentation apparatus. With the help of MFT-EC4000 reciprocating electrochemical friction and wear tester, the samples were placed in acid rain solution for friction and wear test and electrochemical corrosion test. According to the results of uniform coating on the surface of compact structure, good metallurgical combination, Fe-based and Co-based alloy coating respectively presented "cellular" and "honeycomb". There was no obvious defects such as holes and cracks. The coating hardness is significantly higher than that of matrix hardness. The solid solution and carbide formation made Fe-based coating hardness more outstanding. The HV hardness was up to 714.4 on average. The substrate had light wear at low frequency (1 Hz) and, severe spalling, pitting corrosion at high frequency (2 Hz, 4 Hz). The wear mechanisms were mainly adhesion wear, oxidative wear and abrasive wear. There was no obvious corrosion and peeling phenomenon in the coating wear area. At high frequency, the wear rate of Fe-based coating and Co-based coating decreased by 6.10×10–5mm3/(N·m) and 39.85×10–5mm3/(N·m), respectively. At the same time, the impedance value of the coating in acid rain solution was significantly increased, and the polarization curve test results showed that the self-corrosion potential of Fe-based coating, Co-based coating and substrate was –0.522 V, –0.381 V and –0.603 V, respectively. The corrosion densities were 3.916 μA/cm2, 0.312 μA/cm2and 5.483 μA/cm2, respectively. The wear resistance and corrosion resistance of the repaired wheel steel samples are improved to varying degrees. In comparison, the wear resistance of the Fe-based alloy coating is more excellent. The corrosion resistance of Co-based alloy coating is slightly stronger than that of Fe base coating.

wheel steel; laser cladding; alloy powder coating; friction and wear; acid rain solution; electrochemical corrosion

U270；TG174.4

A

1001-3660(2023)01-0314-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.032

2021–11–26；

2022–02–27

2021-11-26；

2022-02-27

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金（51905172）；江西省自然科學(xué)基金（20202BABL214028）；江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（GJJ180344）；江西省研究生創(chuàng)新專項(xiàng)資金項(xiàng)目（YC2021-S462）

The Natural Science Foundation of China for the Youth (51905172); The Natural Science Foundation of Jiangxi, China (20202BABL214028); Science and Technology Research Project of Jiangxi Provincial Department of Education (GJJ180344); Postgraduate Innovation Special Fund Project of Jiangxi Province (YC2021-S462)

楊文斌（1987—），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)楦g摩擦、激光熔覆。

YANG Wen-bin (1987-), Male, Doctor, Lecturer, Research focus: corrosion of frictionand laser cladding.

肖乾（1977—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)檐壍狸P(guān)系、激光熔覆。

XIAO Qian (1977-), Male, Doctor, Professor, Research focus: rail relationshipand laser cladding.

楊文斌, 夏金龍, 肖乾, 等. ER8車輪鋼激光熔覆涂層在酸雨環(huán)境下的磨損與腐蝕性能分析研究[J]. 表面技術(shù), 2023, 52(1): 314-324.

YANG Wen-bin, XIA Jin-long, XIAO Qian, et al. Wear and Corrosion Resistance of Laser Cladding Coating on ER8 Wheel Steel in Acid Rain Environment[J]. Surface Technology, 2023, 52(1): 314-324.

責(zé)任編輯：劉世忠