1 前言

目前，我国高速动车组迅速发展，在铁路上运营的动车组列车已经超过了200列。在我国高速铁路上运行的主型动车组包括南车集团生产的CRH2型动车组以及北车集团生产的CRH3型动车组。这两种动车组的构造原理基本相同，尤其是动车组上最为关键的部件转向架的设计结构也大体相同。但两种动车组转向架构架材料却不相同，CRH2动车组转向架构架采用的是日本进口的SMA490BW热轧钢板，而CRH3动车组则采用欧洲进口的S355J2W耐候钢。随着高速铁路的不断扩建，我国对这两种钢板需求量逐渐增大，目前每年从国外采购的两种钢板总量达万吨以上^[1,2]。鉴于这两种钢板均属于低合金高强度耐候钢的范畴，而且性能指标也相差不多，因此在动车组转向架构架材料选择方面，二者均可作为备选材料。特别是在目前国际范围采购的大环境驱动下，实现两种材料的相互通用对摆脱进口限制、增加谈判筹码、节约成本等方面具有重大意义。然而有关这两种材料性能相互比较数据十分有限，一般也仅是做力学性能方面的对比，对两种钢板耐候特征的研究的公开报道很少^[3-5]。因此，本文采用不同的耐候特征评价方法，对两种钢板耐候性进行详细分析比较，为其互换性提供基础理论数据。

2 实验方法

S355J2W钢板和SMA490BW热轧钢板均取自进口材料，Q235钢是采购商业化钢板，其化学成分如表1所示。

周期浸润腐蚀实验：使用自行设计嵌入控制抽水式周期浸润实验箱，按照TB/T 2375-93标准改进后进行实验。实验温度为45±1 ºC；相对湿度RH为 (70±5)%。每个实验周期为75个循环，编程程控制每个循环60 min，其中浸润时间12 min，干燥时间48 min；干燥方式：空气循环强制干燥 (空气温度30±2 ℃)。浸润溶液为0.01 mol/L NaHSO。试样腐蚀后按如下方式计算失重率：

(1)W=G0-G12a×b+b×c+a×ct×106

式中：W为腐蚀失重率，g/(mh)；G和G分别为试样原始质量和腐蚀除锈后质量，g；a，b，c分别为试样的长度、宽度和厚度，mm；t为实验时间，h。每组取5个平行试样，取其平均值。

电化学测试在EG&G 273电化学工作站上进行，辅助电极采用铂片电极，参比电极为饱和甘汞电极，测试介质为0.01 mol/L的NaHSO溶液。

中性盐雾腐蚀实验按照《GB/T 10125-1997 人造气氛腐蚀试验盐雾试验》标准，将样品置于HDYW-120型盐雾实验箱中进行168 h 盐雾实验，溶液为中性5% (质量分数) 的NaCl溶液。取出后去除腐蚀产物并称重。

采用HITACHI S-3400N型扫描电镜 (SEM) 对锈层表面及截面进行观察。试样尺寸为10 mm ×10 mm，经热镶后用砂纸打磨至2000号并抛光，然后喷金，以便对锈层截面进行观察。

3 分析与讨论

3.1 周期浸润腐蚀

图1为经过75 h的周期浸润腐蚀后，S355J2W，SMA490BW以及Q235 3种钢板在0.01 mol/L 的NaHSO溶液中腐蚀失重对比结果。可以看出，S355J2W钢与SMA490BW钢板的腐蚀失重率相近，处于相同的水平，其中S355J2W钢板的失重率为1.958 g/(mh)，略高于SMA490BW钢板的1.926 g/(mh)。两种钢板与不具备耐腐蚀能力的Q235钢相比，腐蚀失重率仅为其70%，表明这两种钢板均具有较高的耐大气腐蚀能力。

利用扫描电镜观察经过75 h周期浸润后的横截面组织见图2。可以看到，S355J2W钢板和SMA490BW钢板表面所生产的锈层深度较浅，而且与基体结合较为紧密，但是在S355J2W钢板的表面产生了一定数量的裂纹，该裂纹会使得腐蚀溶液进一步深入，这也是S355J2W钢板的腐蚀速率略高于SMA490BW钢板的原因。而图2c为Q235钢板周期浸润腐蚀后的横截面组织，可以看出，在Q235钢板的表面的锈层较宽，而且部分已经发生了剥落，这将使得腐蚀液能够不断的浸入到基体中，持续发生腐蚀，由此加剧了腐蚀速率。

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图1    

Fig.1    3种钢板的周期浸润腐蚀对比结果

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图2   

Fig.2   周期浸润腐蚀后不同样品的横截面微观组织

3.2 盐雾腐蚀实验

S355J2W、SMA490BW和Q235钢板在5%的中性NaCl溶液中的盐雾腐蚀实验数据如表2所示。其中腐蚀速率是按照《JB/T 7901-1999 金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》来计算的 (合金密度按照7850 kg/m计)。可以看出，在经过168 h的盐雾腐蚀后，与周期浸润腐蚀结果不同，S355J2W钢板的腐蚀失重低于SMA490BW钢板，而且其腐蚀速率也明显低于SMA490BW钢板。这表明S355J2W钢板在中性的NaCl溶液中耐蚀性强于SMA490BW钢板。与非耐候的Q235钢相比，S355J2W和SMA490BW耐候钢的失重率明显较低，这表明两种钢板的耐蚀性较好。

3.3 电化学实验

S355J2W、SMA490BW和Q235热轧钢板的动电位极化曲线见图3，从可以看出，3种材料在NaHSO溶液中的极化曲线形状非常相似，在阳极极化开始后的腐蚀过程受电化学步骤控制，均表现为合金的活性溶解，极化电流随着极化电位的增加而增加的过程，直到电压达到0.6 V也未发现明显的钝化区。3种合金在NaHSO溶液中极化曲线拟合结果见表3，可以看出，虽然3种钢板的极化电阻R_p和自腐蚀电流 (I_corr) 值相差不大，均处于同一量级，但综合比较，S355J2W钢板的极化电阻较大，而自腐蚀电流较小，表明该种材料在0.01 mol/L的 NaHSO溶液中的耐蚀性相对较好，而Q235钢板的极化电阻最小，自腐蚀电流较大，说明其耐蚀性较差。

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图3    

Fig.3    S355J2W, SMA490BW和Q235热轧钢板在0.01 mol/L NaHSO₃溶液中的极化曲线

3.4 讨论

钢板的耐大气腐蚀研究方法很多，如自然环境暴露实验、盐雾腐蚀、周期浸润腐蚀等^[6]。其中自然环境下的暴露实验是最接近使用环境可靠的腐蚀实验方法，得出的结果也接近实际使用情况^[7-9]，但由于实验周期很长，速度慢，耗费大量的人力和物力，因此近些年逐渐采用加速试验来取代自然环境暴露。本文共选择了3种加速腐蚀方法来研究S355J2W钢板和SMA490BW钢板的耐蚀性，包括周期浸润腐蚀、盐雾腐蚀以及电化学腐蚀。在所有的加速腐蚀实验中，周期浸润腐蚀是一种最具有代表性的方法，这种方法采用干湿交替，样品经过了浸润、潮湿、干燥等过程，与在大气中的环境相近。因此目前在铁路系统内，该方法已经形成了铁路的标准 (TB/T 2375)，并且作为评价的唯一标准。但是，由于我国幅员广阔，我国的动车组不仅仅在内陆运行，还需要在沿海地区运行，铁标中所规定的腐蚀介质NaHSO溶液无法代表海洋的气氛，因此，对动车组转向架材料进行NaCl溶液的盐雾腐蚀实验则非常必要。此外，一般认为金属在大气中的腐蚀是一种电化学过程^[10]，其腐蚀过程既服从于电化学腐蚀的一般规律，又具有大气腐蚀的特点，它与完全浸入到电解液中的腐蚀过程有所区别，只有电化学腐蚀才能真正的显现材料在使用过程中发生的腐蚀行为。因此，本文所选取的3种评价方法各有优点，3种评价方法的结合可以更为全面评价动车组转向架构架材料的耐候特征。

从实验结果来看，虽然两种钢板的耐腐蚀性均处于同一级别，但其在3种评价方法所表现出的耐蚀特征并不完全相同。其中SMA490BW热轧钢板在周期浸润腐蚀中表现出优异的耐候性，实际上这与该钢板的成分设计有较大的关系，从表1的成分可以看出，SMA490BW钢板的Cu和Cr含量之和高于S355J2W钢板。封辉等^[11,12]研究了Cu和Cr等元素对锈层形态的影响，认为Cu和Cr的联合添加可以大幅提高低合金高强耐候钢的耐腐蚀性能。这是由于合金在腐蚀过程中，基体逐渐被腐蚀介质侵蚀，Cu从基体中脱离出来，在基体表面沉积并逐渐积累，这便形成了Cu在锈层内部的富集，阻塞腐蚀介质直接接触基体的通道，降低了腐蚀速率；Cr在腐蚀过程也富集于基体表面，形成铁铬铜的多元合金氧化物，填塞锈层的微裂纹和孔洞，从而增加锈层的致密度。由此造成SMA490BW钢板的锈层更为致密，腐蚀失重率低。而在中性的NaCl溶液中S355J2W钢板表现出更强的耐蚀性，这与两种钢板微观组织有关。图4为SMA490BW钢板、S355J2W钢板和Q235钢板的金相组织，从组织中可以看出，S355J2W钢板的晶粒尺寸明显小于SMA490BW和Q235钢板。汪兵等^[13]和陈小平等^[14]的研究结果表明，晶粒细化可加速溶液中的初始自腐蚀速率，使得细晶粒材料表面快速生成氧化膜，对后期耐腐蚀性能起到积极作用。而电化学腐蚀的结果同样证明了这一点。这表明S355J2W钢板更适合应用于含有NaCl的气氛环境中，更有利于应用在沿海环境。

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图4    

Fig.4    SMA490BW, S355J2W和Q235钢板的微观组织

4 结论

(1) 由于含有一定量的Cu和Cr，所以S355J2W和SMA490BW钢板都具有优异的耐大气腐蚀性能，腐蚀速率远低于非耐候的Q235钢。

(2) 周期浸润腐蚀的实验结果表明，S355J2W钢板的耐候性略优于SMA490BW钢板，而盐雾腐蚀和电化学腐蚀的结果表明S355J2W钢板的耐候性优于SMA490BW钢板。

(3) 在NaCl溶液中S355J2W钢板的耐蚀性强表明由该钢板制备的转向架更适合在沿海地区使用。