徐育成

（中鐵建電氣化局集團(tuán)軌道交通器材有限公司，江蘇 常州 213179）

銅作為一種古老金屬，在歷史和時(shí)代發(fā)展的過程中，其冶煉和制作工藝被不斷改善優(yōu)化[1]。由于銅及銅合金材料在冶煉過程中具有較高的強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能，以及強(qiáng)大的耐腐性優(yōu)勢(shì)，因此被普遍應(yīng)用與當(dāng)前各種現(xiàn)代化工業(yè)和工程中，并對(duì)國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展起著舉足輕重的重要作用。隨著當(dāng)前現(xiàn)代化建設(shè)和發(fā)展，對(duì)當(dāng)前的銅金屬材料的優(yōu)化和改善提出了更高的要求，為了更好的提高銅及銅合金材料的使用效果和質(zhì)量，對(duì)銅及銅合金材料防腐研究現(xiàn)狀與未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出相關(guān)優(yōu)化建議，根據(jù)銅及銅金屬材料特性進(jìn)行工業(yè)加工，從而提高其防腐性[2]。根據(jù)銅及銅合金材料自身的高強(qiáng)度、硬度和耐磨性特征對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)和穩(wěn)定剛度進(jìn)行改善。

1 銅及銅合金材料防腐研究

對(duì)當(dāng)前銅及銅合金材料受損侵蝕情況進(jìn)行調(diào)查，針對(duì)金屬材料的腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，銅及銅合金材料的腐蝕現(xiàn)象主要是受到環(huán)境及化學(xué)作用影響所產(chǎn)生的現(xiàn)象，也就是說，金屬材料的腐蝕主要原因在于化學(xué)或電化學(xué)及外部環(huán)境破壞下產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，其具體受損原來如下圖所示：

圖1 銅及銅合金材料受損原理

根據(jù)上圖不難理解，在銅及銅合金材料的使用過程中，受到外界環(huán)境和材料使用年限等多種因素影響，仍會(huì)出現(xiàn)腐蝕性問題。為此，在傳統(tǒng)方法基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)銅及銅合金材料腐蝕情況進(jìn)行分析，積極采取防腐措施勢(shì)在必行。

為了對(duì)銅及銅合金材料防腐方法進(jìn)行研究，首先需要對(duì)當(dāng)前銅及銅合金材料的防腐方法進(jìn)行分析研究，具體包括：熱噴涂方法、等離子噴焊方法、銅粉保護(hù)方法及其他方法。為了更直觀的對(duì)當(dāng)前我國常見的銅及銅合金材料防腐方法的使用率和實(shí)用性進(jìn)行展示，調(diào)查并繪制了下圖：

圖2 我國銅及銅合成材料防腐方法占比

根據(jù)上述調(diào)查結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行分析，對(duì)傳統(tǒng)的銅及銅合金材料防腐方法進(jìn)行調(diào)查，從而充分吸取傳統(tǒng)方法中的優(yōu)點(diǎn)，摒棄傳統(tǒng)集中防腐方法的不足之處進(jìn)行防腐研究。

1.1 熱噴涂方法

如圖2所示，在當(dāng)前常見的銅及銅合金材料防腐方法中，熱噴涂方法所占比重相對(duì)較大，其原理為結(jié)合涂層的方法對(duì)銅及銅合金材料表面進(jìn)行噴涂或噴焊處理，從而最大限度上避免銅及銅合金材料表面出現(xiàn)熔化，經(jīng)過熱噴處理后的材料涂層會(huì)出現(xiàn)基體互熔現(xiàn)象，最終使其重熔面積不斷擴(kuò)散。其中，銅及銅合金材料熱噴涂方法類型相對(duì)比較多，具體包括：

1.1.1 氧—乙炔火焰法

該方法的應(yīng)用歷史相對(duì)較為古老，其原理是利用銅及銅合金材料的特性，結(jié)合火焰的高溫對(duì)銅材料進(jìn)行燒制，在高溫熔融下產(chǎn)生粉末或絲狀殘留物，并將殘留物進(jìn)行金屬表面涂層處理，從而起到對(duì)材料的保護(hù)作用，該方法具有操作簡(jiǎn)單、資源消耗較低等優(yōu)點(diǎn)，但是在氧—乙炔火焰噴涂方法在使用過程中，如果對(duì)其火候掌握不好則極易造成金屬表面涂層孔隙率較大的問題，從而導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低。

1.1.2 電弧法

電弧噴涂是在兩根絲狀的金屬材料之間產(chǎn)生電弧，電弧產(chǎn)生的熱量使金屬絲熔化，熔化部分由壓縮空氣氣流霧化并噴向基體表面而形成涂層。該工藝也具有設(shè)備使用方便、效率高等特點(diǎn)，但噴涂材料必須是導(dǎo)電的金屬及合金絲，因而其應(yīng)用受到了一定限制，但它的高效率使得它成為對(duì)金屬材料進(jìn)行大面積防腐加工處理方法中的首選工藝。但該方法存在資源損耗過大，操作困難等不足。

1.1.3 爆炸噴涂法

爆炸噴涂方法相對(duì)較為古老，它的使用原理為：利用噴涂過程中的壓力差進(jìn)行噴涂，利用可燃性氣體產(chǎn)生高能量爆破，從而加速材料加熱效果，使金屬材料在快速轟擊下迅速被完成表面涂層處理。爆炸噴涂法通過高超音速風(fēng)洞的產(chǎn)生原理進(jìn)行表面涂層處理，具有噴涂緊密，結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì)，但該方法在實(shí)際操作過程中易產(chǎn)生極大的噪音，且操作不當(dāng)極易發(fā)生危險(xiǎn)，威脅操作人員的生命健康安全。

1.2 激光熔覆方法

激光熔覆方法是近代工業(yè)發(fā)展的產(chǎn)物，其原理為：通過利用高能密度激光束對(duì)銅及銅合金材料表面進(jìn)行熔融處理，通過激光熔覆，使金屬材料表面產(chǎn)生與基體不同的成分和性能，并快速凝固，從而達(dá)到對(duì)廉價(jià)金屬表面進(jìn)行高性能合金熔覆的目標(biāo)。從而實(shí)現(xiàn)降低金屬加工成本，提高通及銅合金材料耐磨性、耐腐性和抗氧化性等性能。在對(duì)銅及銅金屬材料進(jìn)行激光熔覆處理的過程中，要對(duì)其稀釋率進(jìn)行科學(xué)設(shè)置和有效掌控，減少材料內(nèi)成分不被基體稀釋的可能，避免材料性能受到加工的影響，保證材料在加工后能有效保證其最佳性能狀態(tài)。

針對(duì)不同的金屬材料性能和成分，在進(jìn)行激光熔覆處理的過程中，通?？蛇x擇合金預(yù)置法和同步送料法兩種方法進(jìn)行加工處理。由于同步送料法操作過程相對(duì)較為復(fù)雜且對(duì)處理環(huán)節(jié)等相關(guān)影響因素要求極高，因此使用幾率相對(duì)較少。在此前提下，主要以合金預(yù)置法為主。

該方法通過粘粘、電鍍、預(yù)置等方法對(duì)需要熔覆的材料進(jìn)行加工，并利用激光束在金屬表層進(jìn)行加工處理，使之在激光作用下有效進(jìn)行熱量傳遞，能量使溫度升高并熔化，同時(shí)通過熱傳導(dǎo)將表面熱量向內(nèi)部傳遞，和融化現(xiàn)象，從而在金屬材料表面產(chǎn)生熔覆層進(jìn)行防腐蝕保護(hù)。但該方法在使用過程中對(duì)操作人員的熟練程度和經(jīng)驗(yàn)要求相對(duì)較高，且對(duì)資金和環(huán)境要求較高，在選擇的故操作需要其性價(jià)比進(jìn)行計(jì)算分析。

1.3 等離子噴焊法

在諸多的銅及銅合金材料防腐方法中，等離子噴焊的方法主要是通過將熱源設(shè)置為等離子轉(zhuǎn)移弧進(jìn)行噴焊防腐的方法。該方法通常需要整流電源的正負(fù)極進(jìn)行并聯(lián)處理，使之通過電纜產(chǎn)生轉(zhuǎn)移弧，在轉(zhuǎn)移弧產(chǎn)生后利用其具有高頻火花點(diǎn)的特征進(jìn)行噴射。

需要注意的是在對(duì)銅及銅合金材料進(jìn)行等離子噴焊的過程中，一旦具有高頻火花點(diǎn)的轉(zhuǎn)移弧成功建立，則材料表面即已形成了一定的熔池區(qū)域，因此為避免對(duì)材料成分和性能的損傷，在噴焊熔融處理的操作過程中需要不斷對(duì)噴槍進(jìn)行規(guī)律移動(dòng)，從而使金屬材料表面快速凝固，完成重熔。在選擇等離子噴焊法對(duì)銅及銅金屬材料進(jìn)行噴涂過程中，要注意對(duì)弧柱極易出現(xiàn)融化沉積現(xiàn)象。同時(shí)在選取等離子噴焊法對(duì)銅及銅合金材料進(jìn)行重熔的過程中，受到高溫加熱環(huán)境影響，材料表面熔融期間若操作不慎則極易落入粉末等雜質(zhì)對(duì)熔池轉(zhuǎn)移弧產(chǎn)生影響，沖淡陽極區(qū)域的熱量。總而言之該方法實(shí)際操作過程中難度相對(duì)較大，且對(duì)環(huán)境要求相對(duì)較高，因此該方法的選取幾率相對(duì)較低。

2 銅及銅合金材料防腐研究發(fā)展及展望

在現(xiàn)代化工業(yè)飛速發(fā)展的時(shí)代背景下，銅及銅合金材料已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)和生活中不可缺少的重要材料。對(duì)我國近十年來的銅及銅合金材料防腐研究情況進(jìn)行調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于60年前而言，我國銅材料的使用和生產(chǎn)相對(duì)增加了近600倍，且其防腐性相對(duì)于早年有明顯提高。充分說明了當(dāng)前我國銅產(chǎn)品及相關(guān)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)良好，當(dāng)前我多各行各業(yè)對(duì)銅質(zhì)產(chǎn)品的需求量有增無減?？梢哉f，銅及銅合金材料的使用發(fā)展具有十分良好的市場(chǎng)前景。我國對(duì)銅及銅合金材料進(jìn)行科學(xué)防腐處理的需求量也與日俱增。

由于我國對(duì)銅及銅合金材料的防腐方法研究時(shí)間相對(duì)較短，因此可選取方法相對(duì)較為有限，但近年來，相關(guān)專家學(xué)者紛紛開始重視并進(jìn)行研究，提出了純銅線噴涂、電刷及電極表面噴涂等方法對(duì)傳統(tǒng)化防腐方法進(jìn)行優(yōu)化。

目前提出的相關(guān)優(yōu)化方法中仍存在部分不足有待優(yōu)化，但整體相對(duì)于傳統(tǒng)方法而言有了極大的改善和進(jìn)步。結(jié)合當(dāng)前時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)和銅及銅合金材料防腐方法技術(shù)現(xiàn)狀，對(duì)于銅及銅合金材料的防腐處理后續(xù)研究可從以下幾個(gè)方向展開：

（1）研究不同環(huán)境下銅及銅合金材料的腐蝕機(jī)理，根據(jù)腐蝕機(jī)理選用適用于不同環(huán)境的防腐處理方式。

（2）開發(fā)新型環(huán)保防腐涂層材料，結(jié)合先進(jìn)的涂覆技術(shù)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

（3）加強(qiáng)銅合金零件表面涂層涂覆技術(shù)的研究，推進(jìn)新型微納米碳復(fù)合材料、表面超疏水材料在銅及銅合金防腐處理上的應(yīng)用。

（4）研究熱處理工藝、稀土元素等因素對(duì)銅合金材料防腐性能的影響，制備具有較好耐腐蝕性的新型銅合金材料。

3 結(jié)語

當(dāng)前在我國社會(huì)各行各業(yè)中對(duì)銅及銅金合金材料的應(yīng)用十分廣泛，直接影響著我國現(xiàn)代化工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展情況。為了更好的提高銅及銅合金材料防腐性能，對(duì)當(dāng)前常見的防腐方法進(jìn)行調(diào)查和研究，根據(jù)研究結(jié)果提出相關(guān)的優(yōu)化建議，并結(jié)合當(dāng)前時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)對(duì)銅及銅合金材料防腐方法進(jìn)行優(yōu)化，展望其發(fā)展趨勢(shì)，以期更好的促進(jìn)現(xiàn)代化工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的健康長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。