腐蚀，特别是在大气中的腐蚀，是钢铁材料的主要破坏形式之一^[1]。随着我国铁路建设的快速发展及铁路车辆技术的提高，铁路货车迎来了新的快速发展时期。铁路车辆逐渐向高速、重载和长寿命方向发展，对铁路车辆所用材料的要求也越来越严格，特别是材料的耐大气腐蚀能力的要求越来越高。而目前铁路机车车辆采用的钢材主要为高强耐候钢Q450NQR1, 已无法满足设计年限25年的技术需求。铁路车辆用钢在服役过程中一方面长期受到磨损腐蚀的影响，另一方面长期受复杂环境(干湿交替、温差和工业地区等气候)腐蚀的影响，车辆局部无法形成稳定锈层，增加了车辆维修次数。为解决车体腐蚀寿命短的问题，适应货车快速和重载发展目标，亟待开发新一代的铁路车辆用高耐蚀型耐候钢^[2-6]。本文采用高Cr成分设计，系统研究了Q350EWR1高耐蚀型耐候钢的腐蚀性能和腐蚀行为。

1 实验

实验钢Q350EWR1的化学成分设计思想是在低C、低P、S的基础上，添加Cu、Cr、Ni耐候性元素。增加Cr含量提升耐候钢的自腐蚀电位，增强抵御离子传导能力，耐候钢中同时添加Cu和Cr可明显提高钢的耐大气腐蚀性能。Cu对耐候性能的影响较为显著，且可延缓铁的溶解或降低锈层电子的导电性，使电子流向阴极区的速率减小^[7]。Ni能富集在稳定的锈层中，从而抑制Cl离子的侵入，Ni的加入可提高耐候钢在海洋大气中的耐腐蚀性^[8]。实验钢和对比钢化学成分如表 1和表 2所示。

在热连轧生产线上进行高耐蚀钢Q350EWR1工业试制，其生产工艺路线为:铁水脱硫→半钢脱磷→转炉炼钢→LF→RH→连铸→加热→轧制→卷取，轧制成品厚度3 mm。实际轧制工艺参数为：开轧温度1 000~1 100 ℃，终轧温度850~890 ℃；卷取温度600~650 ℃。

对工业试制钢板进行组织、力学性能和腐蚀性能检测。拉伸实验依据GB/T228-2010标准在5102-SANS万能试验机上进行。在钢板上截取金相试样，经打磨、抛光、4%硝酸酒精腐蚀后，利用LEICAQ550IW金相显微镜进行组织观察。

实践表明，要生成稳定的保护性锈层，至少应在大气中暴晒3~10 y以上，干湿交替加速腐蚀实验可有效模拟大气腐蚀^[9-11]。将Q350EWR1板制成尺寸为60 mm(L)×40 mm(B)的腐蚀速率检测试样及尺寸为22 mm(L)×20 mm(B)的腐蚀产物检测试样，并在试样一端打一直径3 mm的圆孔以悬挂试样。腐蚀设备采用ZQFS-1200OZ型周期浸润腐蚀试验箱，实验依据TB/T2375进行，每周期采用3个平行试样。对实验钢和对比钢在同一实验条件下进行周期浸润实验。实验所采用的溶液为浓度(1±0.05)×10^-2 mol/L的NaHSO₃溶液；pH值在4.4~4.8；实验温度45 ℃，湿度(70±5)%RH，烘烤温度(70±10) ℃。补给液的浓度为0.02 mol/L的NaHSO₃溶液，每天加补给液3 L。实验进行5个周期，分别为24、72、168、264、360 h。

周期浸润腐蚀后用腐蚀液对锈层进行侵蚀，腐蚀液为浓盐酸和蒸馏水1: 1配制而成并加有缓蚀剂六次甲基四胺，缓蚀剂为每100 mL浓盐酸加1 g，腐蚀后计算失重量。按照失重法进行腐蚀速率计算。腐蚀失重率W =(G₀-G₁)/[2(a×b+b×c +c×a)t]×10⁶，式中：t为实验时间，h；G₀为腐蚀前质量，g；G₁为腐蚀后质量，g；a为试样长度，mm；b为试样宽度，mm；c为试样厚度，mm；W为腐蚀失重率，g/(m²·h)。对每个周期腐蚀后进行失重速率计算，相对腐蚀速率=W_Q350EWR1/W_Q345B。

为研究实验钢腐蚀行为，对不同腐蚀周期下腐蚀产物进行表征。利用ZEISS ULTRA55场发射扫描电子显微镜(SEM)对腐蚀产物的表面形貌进行观察与分析，腐蚀产物的物相组成利用衍射靶为Cu靶，型号为D/max 2400 X射线衍射仪进行测试，并结合MDI Jade软件中PDF-2(2004)数据库标定。为了观察腐蚀产物的截面厚度及合金元素分布，首先除去试样5个表面的腐蚀产物，而后采用热镶嵌法对试样进行密封处理，密封处理试样再经机械轻度抛光后进行腐蚀产物厚度和元素的表征，检测设备为JEOL-8530F场发射电子探针(EPMA)，使用二次电子像技术对腐蚀产物进行拍照，并结合随机附带的EDAX能谱分析仪对腐蚀产物的化学成分进行测定分析。

2 结果与讨论 2.1 Q350EWR1耐候钢组织和性能

工业试制Q350EWR1高耐候钢钢板表面质量良好，D类非金属夹杂物级别为1.0，显微组织如图 1所示。Q350EWR1钢显微组织为铁素体、珠光体和少量贝氏体构成，组织均匀细小，晶粒度12级。工业试制Q350EWR1力学性能如表 3所示。各项性能满足铁标TB/T1979-2014要求，强度富余量较大，低屈强比，塑性良好，综合性能良好。

2.2 腐蚀失重分析

对腐蚀后试样进行腐蚀失重率计算，对比钢Q345腐蚀失重率结果如表 4所示，Q350EWR1腐蚀失重率及其相对腐蚀失重率如表 5所示，结果表明：Q350EWR1钢相对于对比钢Q345B，72 h腐蚀速率低于铁标≤30%标准要求，耐腐蚀性能良好。通过5个实验周期腐蚀，Q350EWR1钢相对腐蚀失重率除腐蚀初期第1周期(24 h)超过了30%，而后几个腐蚀周期均低于30%，Q350EWR1钢表现出很好的耐大气腐蚀能力。

用Origin绘出实验钢和对比钢腐蚀速率曲线，如图 2所示，对比发现，Q345B钢在前2个周期(24~72 h)腐蚀速率急剧下降，从第3个腐蚀周期(168 h)开始腐蚀速率逐渐变得平稳，但下降趋势仍很明显，锈层仍在剧烈的变动，持续发生旧锈层的脱落和新锈层的形成，在实验结束时仍未达到稳定状态。Q350EWR1钢在5个腐蚀周期内(24~360 h)腐蚀速率始终比较缓和，从第3周期(168 h)开始几乎看不到腐蚀速率变动，锈层达到稳结构。与对比钢Q345B钢相比，Q350EWR1锈层很快达到了稳定状态，虽然后续仍有锈层形成，但腐蚀速率变得很缓慢。综合5个腐蚀周期(24~ 360 h)，Q350EWR1腐蚀速率明显低于对比钢，表现出很好的抗大气腐蚀性能。

2.3 腐蚀锈层微观形貌研究

Q350EWR1锈层的微观形貌如图 3所示，可以看到，随着腐蚀时间的延长，锈层微观形貌逐渐变得致密，第1腐蚀周期(24 h)结束后，锈层微观形貌呈发散的絮状团簇，锈层疏松多孔，团簇之间的结合力较弱。随着腐蚀的进行，腐蚀产物逐渐长大，团簇的中心开始变得致密，疏松多孔逐渐被填充。团簇中心继续长大直到整个团簇变得致密，最后变成不规则的多面体。在早期形成的大团簇由中心变得致密时，在大团簇连接处也开始生成小的团簇，这些小的团簇与大的团簇一起生长，避免了在大团簇长大后其连接处出现很深的裂缝，可有效阻止腐蚀液接触到钢基体，阻止了对钢基体的进一步腐蚀。早期团簇较小时，在表面能的作用下，团簇生长较快，团簇长大后，其表面张力逐渐变小，使得团簇生长的能量变小，而新的团簇核心仍在形成，新形成的团簇生长比较快，保证团簇在稳定长大时，团簇尺寸差别不大。由于空间有限，团簇与团簇之间不可能均稳定生长，在空间上占据有利位置的团簇会优先生长，形成大团簇，而大团簇之间形成的团簇最后则比较小，但正是由于这些小团簇长大才使得大团簇之间没有出现大的缝隙。

图 4为不同腐蚀周期下对比钢Q345B锈层的微观形貌。由图 4可以看到，第1周期(24 h)结束后生成的锈层较疏松，且凹凸感非常明显，有较深的沟壑。随着腐蚀的进行，疏松开始变得致密，但这些致密具有选择性，即疏松的地方开始变得致密，而沟壑处仍然存在，致密处呈现类似蒲公英的团簇状形态，表面存在较多毛刺，团簇互相接触处亦不够致密。最后形成的锈层存在很深的沟壑，这些沟壑为腐蚀溶液接触到钢基体提供了快速通道，最终导致锈层的持续脱落和钢基体的连续腐蚀。

2.4 腐蚀产物物相组成研究

对Q350EWR1钢和对比钢Q345B腐蚀产物进行XRD检测，并对锈层的物相组成进行分析，结果如5所示。

图 5结果表明，随着腐蚀时间的延长，对比钢的锈层γ-FeOOH含量越来越多，早期生成的α-FeOOH的含量逐渐减少，而非晶态α-FeOOH比晶态γ-FeOOH更加致密，使得对比钢在抵御腐蚀时效果不理想。Q350EWR1实验钢早期生成的非晶态的α-FeOOH不是很多，因为Q350EWR1的Cr、Cu和P的含量较多，这些元素能促进γ-FeOOH向α-FeOOH转变，最终使得锈层的α-FeOOH含量越来越多，而α-FeOOH相属于致密相，有效阻止腐蚀液接触到钢基体，减缓了对钢基体的腐蚀速度。

2.5 腐蚀锈层截面元素分布

对Q350EWR1钢和对比钢Q345B腐蚀产物利用电子探针探究元素在锈层截面上的分布情况，结果如图 6所示，可以看到，Cu、Ni、P元素在高耐候钢锈层截面上的分布与基体含量相近，这些元素的波动程度也较轻，呈现从基体到锈层外表面元素含量平稳过渡，且连续下降的趋势。而Cr元素的含量和上述元素的分布有明显不同，从含量上来看，锈层中Cr含量较基体中的含量有明显上升，且在锈层中该元素的含量出现很明显的波动，这是因为锈层在腐蚀过程中出现孔洞后，Cr元素会在孔洞处偏聚，填充孔洞，阻止腐蚀液进一步对钢基体的腐蚀，从而增加了高耐候钢耐大气腐蚀的能力。

对比分析Q345B钢的截面锈层元素分布得出：无论是Cu、Ni、P元素还是Cr元素在整个实验过程中元素含量的过渡均比较平稳，从基体到外锈层元素含量逐渐降低，没有元素出现富集现象，不能有效阻止腐蚀液对钢基体的腐蚀。

3 结论

1) 研发的Q350EWR1高耐候钢具有优良的力学性能和耐腐蚀性能，与普通耐候钢相比腐蚀性能有明显改善，相对Q345B腐蚀速率≤30%。

2) 与Q345B对比钢相比，Q350EWR1锈层更加致密，有效阻止了腐蚀溶液对钢基体的接触，减弱了腐蚀的发生。

3) 随着腐蚀时间延长，Q350EWR1耐候钢腐蚀产物中的γ-FeOOH逐渐向更加致密的α-FeOOH转变，对比钢则是只生成了γ-FeOOH。

4) 耐候钢锈层中Cr出现明显的富集现象，且在锈层中该元素含量明显高于基体中的含量，而在对比钢中无此现象；实验钢中Cu和Ni元素也出现了轻微富集现象，在锈层的分布上出现了峰值含量，在对比钢中则分布比较均匀。