电气化铁路接触网零部件表面防腐技术及发展现状

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  摘要:概述了接触网零部件金属表面腐蚀机理、方法及发展现状,具体总结了碳素结构钢、铜合金、铝合金、合金钢表面防腐类型、性能特点及最新研究进展,并对防腐性能的评价方法进行了阐述,最后提出了接触网零部件表面防腐技术发展方向。关键词:接触网零部件、腐蚀机理、防腐技术、耐腐蚀性能
  0.引言
  电气化铁路接触网零部件种类繁多,材料与结构各异,架设在与铁路钢轨上方,属于室外露天设备,经常承受酸碱性介质的腐蚀。近年来因接触网零部件腐蚀失效而导致的弓网事故频繁发生,于是加快了接触网零部件表面防腐研究的步伐,从防腐机理、方法设计、对策实施、腐蚀性能检测等方面做了大量的研究工作,制定了一系列切实有效的金属表面防腐方法,形成了类别比较齐全的金属防腐工艺与检验标准,金属表面抗腐蚀性能得到了明显的提高。
  1.腐蚀机理
  材质在腐蚀性介质中发生电化学或化学反应从而使其组织破坏、性能降低、功能损伤或失效的过程称为腐蚀现象,根据腐蚀原理的不同可將金属腐蚀现象分为化学腐蚀与电化学腐蚀两大类。
  1.1 化学腐蚀
  化学腐蚀是指金属与周围介质中的非电解质物质接触时仅发生化学反应而造成的腐蚀现象。这种腐蚀常在干燥环境中发生,腐蚀破坏处会因氧化还原反应而产生氧、氯、硫等元素的化合物,金属基体被化合物占据并逐渐向内部扩展。在腐蚀过程中,如果生成的化合物能形成致密的薄膜,就会附着在金属表面上,故能阻止腐蚀破坏的进一步发生,如铝与铬发生化学腐蚀时产生的氧化物 Al2O3、Cr2O3就具备这种性质。如果生成的化合物不够致密,则化学腐蚀会不断发生。化学腐蚀的特点是电子在金属与氧化性物质之间直接得失而造成化合价升降,从而使金属被氧化,该腐蚀发生时电子不发生定向移动,因此没有电流产生。由化学腐蚀造成的金属破坏程度较小。
  1.2 电化学腐蚀
  电化学腐蚀是指金属与导电介质构成原电池进而产生电化学作用引起的腐蚀现象。腐蚀发生时金属内部分电子流与周围介质中的离子流组成了闭合回路,阳极反应与阴极反应同时进行。阳极反应是金属离子失去电子从而被氧化的过程,阴极反应是介质物质得到电子从而被还原的过程,腐蚀机理如图 1所示。
  电化学腐蚀经常在酸碱盐、潮湿的空气、海水、土壤等介质中发生,腐蚀破坏程度远远大于化学腐蚀。电极电位越低的金属越易失去电子,故越容易被腐蚀,如金属铁比铜更容易发生电化学腐蚀,金属标准电极电位详见表 1。
  2.电气化接触网零部件防腐方法
  目前电气化铁路接触网零部件的防腐措施主要从增加材料防腐蚀性能、采取保护与隔断等方面着手,防腐方法主要根据零部件的工作条件与材质的抗腐蚀性能来选择。
  2.1 铝合金接触网零部件防腐方法
  接触网铝合金零部件种类非常多,通过锻造、铸造、折弯、挤压等多种方法成型,在碱性介质中,铝合金表面形成的氧化膜容易被溶解,故在碱性介质中容易腐蚀。接触网铝合金零部件的防腐措施主要是人工制造稳定的保护膜,目前主要工艺有阳极氧化、微弧氧化及钝化技术。
  2.1.1 阳极氧化处理
  铝制件阳极氧化是以铝基材质为阳极,利用水的电解作用在零件表面形成致密氧化膜的过程,阴极释放氢气,发生的离子反应为:
  阳极释放氧气,离子反应为:
  氧原子与铝基体生成氧化铝薄膜,反应式为:
  经阳极氧化处理后的薄膜厚度可达 100μm,熔点高达 2300K,抗腐蚀性能显著提高。在电气化铁路接触网系统中,阳极氧化处理主要在平斜腕臂、定位器管、定位支撑等挤压成型的管件表面应用,目前该技术已经非常成熟。
  2.1.2 钝化处理
  钝化处理是使用钝化剂对铝合金进行钝化处理,在其表面形成钝化膜的防腐方法,目前钝化处理后的合金薄膜厚度为 10~ 40μm,满足盐雾腐蚀试验要求。钝化处理主要应用在定位环、连接单耳、承力索座、双耳套筒等锻件或铸件产品中,在电气化铁路接触网中,该技术应用十分广泛。
  2.1.3 微弧氧化处理
  微弧氧化是利用高压放电原理激活铝合金表面氧化层,在高温状态下氧化层熔融,最终凝结为一层强度很高的陶瓷薄膜的防腐处理方法。形成的陶瓷薄膜与铝合金基体的结合力度非常强,膜层本身具有高硬度、良好的化学稳定性及耐磨性。就耐磨性来谈,阳极氧化膜层的摩擦系数初始值较高,当时间加长后,摩擦系数急剧下降,最终接近铝合金基体的水平,可见阳极氧化层的强度不高,容易破坏。而微弧氧化层的摩擦系数始终为 0.6左右,这个数值并不随着时间而变化,说明这种氧化膜非常坚硬耐磨,黏着性强而不易剥落。在电气化铁路接触网零部件中,铝合金铸锻件旋转平双耳、定位环、吊线钩等零件已经普遍应用该防腐技术,实践证明,铝合金零部件表面微弧氧化防腐后,可以在酸碱、风沙、隧道等恶劣的环境中服役。
  在电气化铁路接触网铝合金零部件表面防腐方法中,微弧氧化面临的一大难题是成本较高,主要是由于电解液、去离子水与其他电气设备较贵重。从接触网零件服役、维护、更换等方面考虑,微弧氧化表面处理能够延长零件的服役周期、减少维护与更换次数,是一种非常有前景的铝合金表面防腐方法。
  2.2 碳钢防腐
  电气化铁路接触网碳钢制件的抗腐蚀性能较差,在非恶劣环境中就能生锈失效,目前碳钢类零部件主要通过喷涂一层致密的金属或高分子涂层来防止腐蚀发生,主要的防腐方法有多级热镀锌、VCI涂层防腐以及气体多元共渗等。
  2.2.1 热浸镀锌
  热浸镀锌是将碳钢类零件放入高温锌液中,使其表面获得均匀锌层的表面防腐技术,当钢制件浸入锌液中后,基体与镀层之间通过高温化学反应、溶解、相互扩散等方式紧密结合,最终形成被锌层包裹的金属复合体。热浸镀锌是接触网钢铁零部件应用最广泛的防腐技术。从近几年的镀锌钢铁零部件服役情况来看,镀锌层并不能长时间在恶劣的环境中保持完好,尤其在雨水较多、酸性较强的地方,镀锌层容易被破坏,致使碳钢类零件提前失效。   2.2.2 VCI涂层防腐
  VCI是一種金属腐蚀抑制剂,是经过专用设备及工艺加工而成的锌铝复合材料防腐物质。该防腐过程是将 VCI抑制剂通过一定的方法气化使其黏着在金属表面,由于金属基体对该气体具有很强的吸附性,故最终在表面形成几个分子厚度的保护膜,达到防腐效果。 VCI涂层厚度非常薄,但防腐效果比热浸镀锌强,这是因为分子尺度的薄膜非常致密,没有金属基体通向空气的孔隙,而热镀锌层在宏观上较厚,而在微观层面却存在较小的孔隙,腐蚀介质通过孔隙与基体反应而逐渐使零件失效。目前电气化铁路接触网钢制件 VCI涂层防腐技术还没能普遍应用,在极寒、极恶劣环境中使用的钢制类产品,值得考虑使用该技术进行表面防腐。
  2.2.3 气体多元共渗防腐
  气体多元共渗是将需要进行表面防腐处理的钢制零部件放进特制的密封设备中,在高压高温条件下通入多种元素的气体,这些气体原子渗入零件表面形成不同于基体的多元金属间化合物,改变零件表面抗腐蚀性能的方法。气体多元共渗的元素有 C、O、N等,渗入厚度随着温度、压力不同而各异,一般可达 100μm以上,可根据服役条件调整共渗参数。另外,该技术可以与涂层、喷涂等技术复合,复合工艺处理后的碳钢产品防腐性能进一步提高。在电气化铁路中,该技术目前有在青藏铁路、广州轨道交通路线中使用,由于多元共渗后零件表面具有良好的耐磨性及抗腐蚀性,故在地下、海洋、桥梁、污染较重的地区应用该技术是值得考虑的发展方向。
  2.3 铜合金防腐
  在电气化铁路接触网系统中,终端锚固线夹、定位线夹、中心锚结线夹、弹性吊索线夹等零件采用 CuNi2Si、QAl10-4-4等牌号的铜合金制造,这些铜合金表面能够自然生成一层钝化状态的保护膜,可以抵抗海水、盐酸、硫酸等物质的腐蚀。但在湿度较大或硝酸含量较高的介质中,铜合金的抗腐蚀性能受到抑制,当铜合金表面临界湿度超过 60%时,大气中的 CO2、 NO2等氧化物与水分子结合,可以破坏铜合金表面的钝化膜。目前接触网铜合金零部件的防腐方法主要有光饰防腐与络合致钝防腐两种。
  2.3.1 光饰防腐
  光饰防腐也称为光整防腐,将需要表面处理的铜合金零部件放入光饰机容器中,再添加适当比例的添加剂与磨料,通过设备一定频率与时间的周期性振动,使磨料与添加剂充分与零件表面摩擦,最终去除零件表面的污渍,使表面变得非常光滑并具有强烈的金属光泽。这种光斑闪耀的表面很少附着其他污染物,所以具有较好的抗腐蚀性能。定位线夹、承力索吊弦线夹、弹性吊索线夹等传统的接触网零部件一般采用光饰防腐方法,根据近几十年的调查研究,采用光饰防腐的铜制件可以长时间保持完整的表面。
  2.3.2 铬合致钝防腐
  铬合致钝技术是铜合金防腐发展的新方向,与铝合金防腐相似,也是在表面形成一层致密的保护膜,膜与金属集体通过化学键结合,所以结合力非常强。这种技术最大的特点是当保护膜与空气接触时具有自修复功能,从而保证零件表面不与空气直接接触,达到长期防腐的目的。铬合致钝防腐工艺过程较复杂,目前并没能在电气化铁路接触网中大范围应用。在重污染地区,铜制件件表面会生成碱式碳酸铜,影响零件的外观与力学性能,如果采用铬合致钝防腐技术,零件的性能与外观将不受影响。
  2.4 不锈钢防腐
  不锈钢可分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢等多种类型,而 Cr含量较高是不锈钢的一大特点,固溶体中的 Cr含量达到 12.5%原子比时,材料电极电位会突然升高,并能在表面形成稳定的氧化膜。但在实际生产中,不锈钢局部区域的 Cr含量不会准确达到 12.5%原子比,所以不锈钢腐蚀现象依旧存在。在使用不锈钢零部件时,主要通过选择合理的不锈钢类型与不锈钢钝化来提高材料的抗腐蚀性能。
  在电气化铁路接触网系统中,常用的不锈钢类型有 304型与 316型,使用时要根据介质中氯离子的含量确定类型。 304型不锈钢价钱较低,适用于空气干燥、环境友好的地区。 316型不锈钢在复杂环境中的抗腐蚀性能较强,通常情况下螺栓、螺母等紧固件采用 316型奥氏体不锈钢。
  3电气化接触网零部件防腐性能检验内容与评价方法
  3.1电气化铁路接触网防腐性能检验内容
  经过几十年的发展,电气化铁路接触网零部件腐蚀性能检验方法已经趋于成熟状态,主要通过盐雾腐蚀试验、结合力试验、湿热试验、孔隙率测定试验、镀层微硬度测定、镀层内应力测试等多项试验来验证防腐蚀性能。其中一些检测项目已经形成国家标准或行业标准,目前防腐性能的检测方法正在加快标准化进程。
  3.2 电气化铁路接触网防腐性能评价方法
  金属腐蚀速率受环境温度、湿度以及腐蚀物质含量的影响,为了有效评价电气化铁路接触网零部件的防腐蚀性能,研究人员制定了多种评价方法,主要有通用值法、 IOS CORRAG评价法等。
  3.2.1 通用值法
  通用值法是采用通用数值来表征金属表面腐蚀速率的方法,通过指定乡村、热带海洋、温带海洋、郊区、中等工业区、重工业区 6种大气环境的腐蚀寿命值(如图 2所示)来判断不同涂层厚度的金属抗腐蚀性能。这种方法估算的腐蚀性能数值具有离散性,对于需要精确评价防腐性能的零件并不适用。
  3.2.2 IOS CORRAG
  该评价方法是由国际标准组织 ISO开发颁布的,是根据金属周围 SO2含量、盐浓度、润湿时间等因素将金属服役环境分为不同的类别,较精确的估算出某一地区某种材料的防腐性能,计算结果比通用值法精确,但仍然属于近似估算法,在电气化铁路接触网零部件防腐性能评价时,可以将通用值法与 IOS CORRAG法结合起来,以获取较科学的防腐性能参数。
  4.结语
  随着防腐技术的发展,国内众多高校、企业、科研院所等机构相继开发了各式各样的金属表面防腐方法,有些方法已经应用于电气化铁路接触网零部件中,有些方法由于成本、效率等问题没能充分应用,但关于金属表面防腐问题的研究一直没有中断,高效、快捷的新型防腐手段层出不穷。在大力发展国家高速铁路的同时,应该充分融合现代科技力量,认真研究防腐机理,延长接触网零部件的服务周期,并响应环保国策,将更多的防腐方法应用到接触网零部件开发过程中。
  参考文献
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