王維廣

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高鐵鋁合金接觸網(wǎng)零部件防腐性能研究

王維廣

針對(duì)高速鐵路鋁合金接觸網(wǎng)零部件出現(xiàn)霉點(diǎn)腐蝕及表面處理層剝落現(xiàn)象，提出陽(yáng)極氧化與微弧氧化2種防腐處理措施；通過(guò)在工藝機(jī)理、膜層厚度、硬度、鹽霧腐蝕等方面進(jìn)行性能差異對(duì)比及全壽命周期成本分析，確定鋁合金微弧氧化處理方案更具優(yōu)勢(shì)，可消除鋁合金接觸網(wǎng)零部件線路腐蝕等隱患，降低運(yùn)營(yíng)成本，滿足高鐵線路安全運(yùn)行的需要。

接觸網(wǎng)零部件；腐蝕；對(duì)比分析；防腐措施

0 引言

我國(guó)幅員遼闊，南北跨越熱帶、亞熱帶、溫帶和寒帶，海洋濕熱氣候與內(nèi)陸干寒氣候并存，南方酸雨、內(nèi)陸鹽湖、沿海地帶等地域環(huán)境差異較大。腕臂、定位裝置等零部件大量使用鋁合金材料，在大氣環(huán)境下具有良好的機(jī)械性能和耐腐蝕性，但是隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，并進(jìn)一步惡化。高鐵接觸網(wǎng)零部件長(zhǎng)期經(jīng)受潮濕、酸雨及工業(yè)廢氣（特別是氨氣）的影響，在越來(lái)越多特殊腐蝕環(huán)境中應(yīng)用易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，鋁合金接觸網(wǎng)零部件的腐蝕問(wèn)題已不容忽視。

通常，國(guó)內(nèi)針對(duì)不同工藝的鋁合金零部件采用表面陽(yáng)極氧化和表面鈍化2種處理方式。表面鈍化處理可以在一定程度上提高接觸網(wǎng)鋁合金零部件的防腐性能，但是對(duì)于環(huán)境惡劣地區(qū)，其防腐性能難以達(dá)到要求，鋁合金零部件存在較明顯的腐蝕問(wèn)題，而且鈍化處理所需時(shí)間較長(zhǎng)，效率低。表面陽(yáng)極氧化所形成的氧化膜致密性和耐腐蝕性較差，難以顯著提高接觸網(wǎng)鋁合金零部件的防腐性能，為了明顯提高膜層耐腐蝕性能，陽(yáng)極氧化膜層厚度需增加至硬質(zhì)陽(yáng)極氧化厚度，造成成本增加。此外，陽(yáng)極氧化還存在成膜困難及環(huán)境污染問(wèn)題。因此，開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異、經(jīng)濟(jì)可行的接觸網(wǎng)鋁合金零部件新型環(huán)保防腐技術(shù)已迫在眉睫，具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

本文將從陽(yáng)極氧化和微弧氧化的膜層形成機(jī)理入手，對(duì)比分析鋁合金零部件表面陽(yáng)極氧化防腐和微弧氧化防腐的優(yōu)缺點(diǎn)及耐腐蝕性能的差異，加以試驗(yàn)驗(yàn)證，并提出惡劣環(huán)境下鋁合金零部件防腐性能改進(jìn)方案。

1 陽(yáng)極氧化膜層生成機(jī)理及特點(diǎn)

鋁合金工件的表面陽(yáng)極氧化處理是在電解液中將鋁合金工件作為陽(yáng)極，鋁板作為陰極，通電后在工件表面生成氧化膜的過(guò)程。鋁合金陽(yáng)極氧化的原理實(shí)質(zhì)上就是水電解的原理，當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，在陰極上釋放出氫氣，在陽(yáng)極上析出的氧不僅是分子氧，還包括原子氧和離子氧（在反應(yīng)中通常以分子氧表示），陽(yáng)極的鋁被其上析出的氧所氧化，形成無(wú)水的氧化鋁膜。

一般采用在硫酸電解液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化，鋁合金工件作為陽(yáng)極，在陽(yáng)極氧化開(kāi)始較短的時(shí)間內(nèi)，表面氧化均勻，生成薄而致密的膜層。由于電解液中硫酸的作用，在膜層的晶界、雜質(zhì)密集點(diǎn)、晶格缺陷或結(jié)構(gòu)變形處會(huì)發(fā)生局部溶解，產(chǎn)生大量孔隙，使工件基體金屬能與進(jìn)入孔隙的電解液接觸，電流繼續(xù)傳導(dǎo)，新生成的氧離子用來(lái)氧化新的基體，并繼續(xù)展開(kāi)，最后匯合，在舊膜層與基體金屬之間形成新膜層。隨著處理時(shí)間的延續(xù)，膜層不斷溶解或修補(bǔ)，氧化反應(yīng)向工件基體繼續(xù)深入，使工件表面生成由薄而致密的內(nèi)層和厚而多孔的外層組成的氧化膜。

陽(yáng)極氧化膜的硬度和耐磨性較低，鋁基體的硬度為HV100，普通陽(yáng)極氧化膜的硬度約為HV300，硬質(zhì)氧化膜硬度約為HV500。

2 微弧氧化成膜原理及特點(diǎn)

微弧氧化是在陽(yáng)極氧化工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種更為先進(jìn)的表面處理工藝，通過(guò)電解液與相關(guān)電源及電流參數(shù)的組合，依靠弧光放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫高壓作用，在鋁合金表面生長(zhǎng)出以基體金屬氧化物為主的氧化層。微弧氧化具有材料表面硬度高、耐磨性能好、防腐能力強(qiáng)、工藝可靠、設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、污染少等特點(diǎn)，屬于綠色環(huán)保技術(shù)。目前，該技術(shù)在美國(guó)、俄羅斯應(yīng)用和發(fā)展迅速，在我國(guó)各高校均有不同程度研究，工業(yè)應(yīng)用上剛剛起步。如果采用微弧氧化技術(shù)能夠在接觸網(wǎng)鋁合金零部件表面制備出具有以上優(yōu)點(diǎn)的氧化層，可極大地提高產(chǎn)品的耐磨和耐腐蝕性能，從而提高鐵路運(yùn)營(yíng)的安全性與穩(wěn)定性。

微弧氧化是一種直接在鋁合金表面原位生長(zhǎng)氧化層的綠色環(huán)保表面處理技術(shù)。采用專用的微弧氧化電源對(duì)鋁合金工件施加高電壓，擊穿其表面具有絕緣性質(zhì)的氧化膜，產(chǎn)生等離子微弧放電，形成瞬間高溫高壓（大約2×103～3×103℃，102 MPa）微區(qū)，促使絕緣膜薄弱處熔化并快速冷卻，將熔化的絕緣膜燒結(jié)成晶態(tài)氧化物，由此可在工件表面形成一層均勻、連續(xù)且具有優(yōu)異耐磨性能的氧化層。

Al-3e-?Al3+

在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，陰離子OH-朝向陽(yáng)極表面移動(dòng)，與Al3+陽(yáng)離子在陽(yáng)極附近發(fā)生反應(yīng)：

Al3++ 4OH-?

氧化層由γ-Al2O3、a-Al2O3組成，通過(guò)以下反應(yīng)生成：

2Al(OH)3?Al2O3+ 3H2O

2Al3++ 3O2-?Al2O3

同時(shí)，大量氧氣和氫氣分別在陽(yáng)極和陰極表面形成，隨著電壓的升高，陽(yáng)極表面的氣泡被擊穿，形成大量高能低溫等離子體，高能等離子體加速電化學(xué)反應(yīng)，并促進(jìn)微弧氧化過(guò)程，即

2H++2e-?H2-

4(OH)-?2H2O + O2-+4e-

從而得出微弧氧化膜層的形成過(guò)程為：等離子體產(chǎn)生局部高溫熔化了周?chē)^(qū)的鋁基體和氧化膜，并將其排出放電區(qū)域和氣化放電微區(qū)。由于壓力減小，熔融的氧化鋁會(huì)被擠出放電通道，并將流向低壓區(qū)的電解液高溫汽化，一些固體分子（如二氧化硅）附著于熔融氧化鋁表面的離子上，與熔融物一起被冷萃形成復(fù)合相氧化物。

微弧氧化工藝克服了硬質(zhì)陽(yáng)極氧化的缺陷，提高了氧化膜層綜合性能，具有以下特點(diǎn)：

（1）微弧氧化膜層含高溫轉(zhuǎn)變相a-Al2O3，可提高鋁合金零部件的表面硬度，顯微硬度HV在 1 000～2 000范圍內(nèi)，具有良好的耐磨損性能；

（2）致密層孔隙率低，提高了氧化層的耐腐蝕性能；

（3）含a-Al2O3和γ-Al2O3相，賦予了氧化膜層較高的韌性；

（4）膜層從基體生出，與基體結(jié)合緊密，致密均勻，不易脫落；

（5）膜層厚度易控制，根據(jù)不同使用需要，可調(diào)整工藝參數(shù)及電解液成分、改變工藝條件、調(diào)整膜層微觀結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)膜層不同功能，工藝穩(wěn)定，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，易掌握；

（6）氧化膜層耐熱沖擊性能優(yōu)良，經(jīng)300 ℃水中淬火35次無(wú)變化，經(jīng)1 300 ℃熱沖擊5次未見(jiàn)脫落，且不會(huì)因溫度的驟降而發(fā)生龜裂或脫落；

（7）溶液為環(huán)保型，符合環(huán)保排放要求。

3 防腐效果對(duì)比

通過(guò)模擬高速電氣化鐵路現(xiàn)場(chǎng)的潮濕、酸雨及工業(yè)廢氣（特別是氨氣）等惡劣環(huán)境，在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)接觸網(wǎng)典型關(guān)鍵受力鋁合金零部件進(jìn)行鹽霧腐蝕（CASS-銅加速乙酸鹽霧96 h）試驗(yàn)，對(duì)陽(yáng)極氧化處理和微弧氧化處理的防腐效果進(jìn)行比較。

試驗(yàn)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為GB∕T 10125-2012，判定標(biāo)準(zhǔn)為GB∕T 6461-2002，具體試驗(yàn)參數(shù)為

試驗(yàn)溫度：50℃±2℃；

鹽霧溶液：（50±5）g/L的NaCl，（0.26± 0.02）g/L的CuCl；

鹽霧沉降率：每80 cm2面積（1.0～2.0）ml/h；

試驗(yàn)時(shí)間：96 h；

使用設(shè)備：YWX∕Q-016鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱。

圖1為高速鐵路鋁合金接觸網(wǎng)零部件55雙耳套筒在陽(yáng)極氧化后經(jīng)過(guò)CASS-銅加速乙酸鹽霧 96 h試驗(yàn)的圖片；圖2為高速鐵路鋁合金接觸網(wǎng)零部件套管座在表面微弧氧化處理后經(jīng)過(guò)CASS-銅加速乙酸鹽霧96 h試驗(yàn)的圖片。

可以看出，圖1鋁合金55雙耳套筒零件經(jīng)陽(yáng)極氧化處理后，表面顏色較深，未能很好地保持鋁合金的本色，膜層厚度較低，經(jīng)CASS試驗(yàn)后，表面鹽漬堆積較多，保護(hù)評(píng)級(jí)（Rp）為3級(jí)，表面出現(xiàn)銹蝕的面積約為5%～10%，不滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4級(jí)的要求；圖2鋁合金套管座表面顏色比陽(yáng)極氧化顏色淺，膜層厚度較厚，鹽霧腐蝕試驗(yàn)中，表面幾乎無(wú)鹽漬堆積，經(jīng)清洗后表面評(píng)級(jí)為8級(jí)，腐蝕面積約為0.1%～0.25%，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4級(jí)的要求。

由此可以看出，無(wú)論在顏色、膜層厚度及鹽霧腐蝕試驗(yàn)等方面，微弧氧化的鋁合金零件較陽(yáng)極氧化處理的零件性能優(yōu)勢(shì)明顯。

圖1 陽(yáng)極氧化處理前后及96 h乙酸銅加速鹽霧試驗(yàn)后

圖2 微弧氧化處理前后及96 h乙酸銅加速鹽霧試驗(yàn)后

4 全壽命周期成本分析

對(duì)于鋁合金接觸網(wǎng)零部件來(lái)說(shuō)，全壽命周期成本是指產(chǎn)品在制造、施工、運(yùn)維等全過(guò)程中所投入的全部費(fèi)用?，F(xiàn)以一套在工業(yè)污染較嚴(yán)重或沿海環(huán)境中使用的鋁合金腕臂定位零件為例，壽命周期按30年考慮。采用陽(yáng)極氧化處理約每8年需對(duì)腕臂連接件等進(jìn)行更換，微弧氧化處理則不需更換。假定資金貸款年利率為7%，采用等額本息還款，貸款截止年限按接觸網(wǎng)周期考慮。將全壽命周期的總投入成本進(jìn)行粗略估計(jì)，見(jiàn)表1。

表1 單套鋁合金腕臂定位零件全壽命周期成本分析

從表1中可以看出，雖然微弧氧化處理零件在建設(shè)階段單套價(jià)格高于陽(yáng)極氧化處理零件，但是陽(yáng)極氧化處理零件的全壽命周期總成本卻高于微弧氧化處理零件約22%，分析其原因是由于陽(yáng)極氧化零件在后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，部分出現(xiàn)表面腐蝕的零件需要后期維護(hù)（人工、車(chē)輛消耗等）更換，故維護(hù)成本較高。

從以上分析可以得出結(jié)論，針對(duì)惡劣環(huán)境，考慮全壽命周期，鋁合金接觸網(wǎng)零部件微弧氧化處理方案更具優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比分析，對(duì)于接觸網(wǎng)鋁合金零部件防腐，微弧氧化處理的零部件耐磨性和耐腐蝕性都優(yōu)于鈍化和陽(yáng)極氧化處理的零部件，但因其造價(jià)較高，可考慮在隧道內(nèi)、隧道口、海洋環(huán)境和工業(yè)污染嚴(yán)重的環(huán)境中使用。后續(xù)可進(jìn)一步優(yōu)化微弧氧化處理工藝，降低成本，提高效率，在高速鐵路接觸網(wǎng)鋁合金零部件中推廣應(yīng)用，全面提高高速鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的防腐性能及運(yùn)行安全性。

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With regard to the mildew stains and peeling of surface treatment layer of aluminum alloy OCS fittings for high speed railway, the paper proposes two anti-corrosion treatment of anodic oxidation and micro-arc oxidation; by comparison of performance differences in terms of process mechanics, thickness of film layer, hardness and salt fog corrosion as well as the full life cycle cost analysis, it is determined that the scheme by means of aluminum alloy micro-arc oxidation treatment is more advantageous, and is able to eliminate the potential risks of corrosion of OCS aluminum alloy fittings, lower the operation cost and meet the requirements on safety operation of high speed railways.

OCS fittings; corrosion; comparative analysis; anti-corrosion measure

U225.4

B

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.010

1007-936X(2018)01-0043-04

2017-07-28

王維廣.京沈鐵路客運(yùn)專線遼寧有限責(zé)任公司，高級(jí)工程師。