柴武，朱培，何衛(wèi)平，劉元海，王媛媛，王小龍

（中國特種飛行器研究所結(jié)構(gòu)腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，荊門 448035）

引言

截至2022年底，中國鐵路營業(yè)里程已經(jīng)達到15.5萬公里，隨著列車速度、車輛載重以及運輸量的增加，對鐵路扣件系統(tǒng)的耐久性和可靠性的要求也越來越高[1]?？奂卿撥壟c軌枕之間重要的聯(lián)結(jié)零件，其在服役狀態(tài)下提供的扣壓力和減振彈性可以防止鋼軌的橫縱向移動，減緩列車運行過程中鋼軌對其下部基礎(chǔ)的沖擊[2]。

扣件的使用壽命對列車運營至關(guān)重要，而摩擦磨損、接觸沖擊、疲勞和腐蝕是引起扣件零部件劣化的主要因素，目前對于扣件的研究主要集中在絕緣性能[3]、疲勞性能[4]及新型扣件系統(tǒng)[5]的研究，對于扣件腐蝕問題的研究相對較少。

據(jù)報道，我國鐵路因腐蝕造成的直接損失達188.8億元，因腐蝕造成的安全隱患日益凸顯。由于安裝過程中的損壞和持續(xù)的雨雪侵蝕，以及隧道、涵洞等地下潮濕環(huán)境，導(dǎo)致扣件極易發(fā)生局部點蝕和提前失效[6]。尤其是在多雨潮濕的東南沿海地區(qū)，以及環(huán)境更為復(fù)雜惡劣的華中和西南等酸雨地區(qū)，扣件的使用壽命大大縮短[7]?？奂棗l、螺栓等金屬零部件的銹蝕會增大養(yǎng)護維修量，造成線路失穩(wěn)，傷及動車組車體甚至危及行車安全[8]。

1 扣件腐蝕現(xiàn)狀

扣件腐蝕主要以縫隙腐蝕、電偶腐蝕及雜散電流腐蝕等形態(tài)存在，而相對濕度、溫度、SO2等污染物質(zhì)及Cl-等腐蝕離子是造成扣件腐蝕的主要因素[9]。

沿海地區(qū)溫濕度大，且雨水中Cl-含量高。以海南為例，扣件長期處于潮濕環(huán)境中，容易發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，由海南東環(huán)鐵路現(xiàn)場調(diào)查情況可知，扣件系統(tǒng)中螺栓、蓋板等均出現(xiàn)不同程度的銹蝕，且銹蝕情況相當(dāng)嚴(yán)重[10]。受列車荷載、環(huán)境腐蝕等因素的影響，大同—西安高速鐵路個別地段也出現(xiàn)了如圖1所示的道岔扣件金屬零部件腐蝕甚至斷裂的情況[11]。由此可見，軌道交通扣件零部件的腐蝕是一個普遍現(xiàn)象。

圖1 現(xiàn)場道岔扣件

2 扣件防腐工藝對比

2015年，國家鐵路局發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3396.6-2015要求扣件系統(tǒng)經(jīng)過300 h中性鹽霧試驗后，依然可以通過手工拆卸工具順利拆卸和安裝。因此，必須采取合適的表面處理工藝對扣件金屬零部件進行防護，以延長其使用壽命。

目前針對扣件金屬零部件的防腐方式主要有涂覆層、鍍層和化學(xué)轉(zhuǎn)化膜。其中，通過電鍍、熱浸鍍、機械鍍等工藝在工件表面形成金屬鍍層的方式應(yīng)用最為普遍。從現(xiàn)場安裝后防腐效果來看，不同表面防腐工藝的優(yōu)缺點及應(yīng)用產(chǎn)品如表1所示[12]。

由表1可知，熱滲鋅工藝在環(huán)境保護、涂層性能等方面具有明顯優(yōu)勢。鐵道部也已經(jīng)頒布了針對熱滲鋅防腐工藝的標(biāo)準(zhǔn)，如在TB/T 3274-2011《鐵路混凝土梁配件多元合金共滲防腐技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)中，對于滲劑成分和滲層性能提出了具體要求（厚度≥50 μm，耐中性鹽霧性能500 h無紅銹等）。

3 扣件熱滲鋅工藝研究進展

3.1 SO2腐蝕行為研究

酸雨環(huán)境中的SO2在潮濕顆粒或水滴中會被氧化成硫酸，從而嚴(yán)重危害扣件系統(tǒng)的防護性和耐久性，因此為解決酸雨導(dǎo)致的扣件銹蝕問題，王樹國等[13]研究了熱滲鋅處理后扣件金屬零部件的耐蝕性，結(jié)果表明經(jīng)過120 h二氧化硫腐蝕后，滲鋅處理的彈條未見明顯腐蝕現(xiàn)象，滿足抗二氧化硫腐蝕要求。張志堅等[14]以扣件彈條常用材料60Si2Mn進行熱滲鋅，研究了滲層在凝露條件下的SO2腐蝕行為。并且通過對酸雨環(huán)境下滲鋅產(chǎn)品的腐蝕模擬，揭示了SO2腐蝕機理——硫酸鹽穴自催化。具體反應(yīng)過程如下:

3.2 連續(xù)化滲鋅工藝

工業(yè)滲鋅普遍采用的機械能助滲具有處理時間短、滲層均勻性好等優(yōu)勢，但是滲鋅完成后的先降溫再升溫過程，難以滿足扣件自動化、連續(xù)化、規(guī)模化的生產(chǎn)要求。姜海龍等[15]在現(xiàn)有滲鋅工藝的基礎(chǔ)上發(fā)明了一種連續(xù)式滲鋅工藝，該工藝通過旋轉(zhuǎn)支撐機構(gòu)實現(xiàn)了連續(xù)化滲鋅處理，不需反復(fù)開爐、冷卻，不會造成大量的熱量散失，能耗低，工作效率高。

針對傳統(tǒng)隧道式扣件彈條滲鋅工藝需要人工捆扎、拆卸彈條，滲鋅沙冷卻和加熱時能源消耗大，設(shè)備維護成本高等缺陷，陳肖越等[16]發(fā)明了一種彈條全自動連續(xù)滲鋅防腐工藝，實現(xiàn)了拋丸、碼放、裝爐、滲鋅、出爐、封閉及包裝的全自動化，降低了人力，通過該工藝制備的彈條滲鋅層厚度、疲勞及防腐性能均能滿足要求。

為進一步提高扣件的熱滲鋅生產(chǎn)效率，緊密銜接各道工序，張松琦等[17]提出了如圖2所示的兩端開口通道式熱滲鋅工藝。該工藝在滲鋅過程中增加了工件預(yù)熱和氣氛保護，其中工件預(yù)熱可以在提高滲鋅效率的同時盡量減少爐內(nèi)溫度波動；氣氛保護能夠避免高溫富氧環(huán)境中鋅粉的氧化失活，確保滲鋅過程的順利進行。

圖2 通道式粉末滲鋅設(shè)備

3.3 鋅鎳合金共滲

研究表明在鋅粉中添加Al、、Gr、La等元素進行多元合金滲，能夠顯著提高滲層的耐蝕性，改善滲層的組織結(jié)構(gòu)[18,19]。鎳具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，在418.5 ℃下Zn-Ni存在共晶，在較低溫度下鋅與鎳可以形成金屬間化合物，可以有效延緩鋼基體的腐蝕[20]。在石油工業(yè)中，鋅鎳滲層既能為剪切刀體提供足夠的強度和硬度，又能抗硫化氫腐蝕[21]；在鐵塔行業(yè)，鋅鎳滲層為螺栓提供了良好的抗高低溫性能、耐酸堿腐蝕性及抗磨損沖擊性能，解決了緊固件公差配合問題[22]。

徐鵬輝等[23]采用甲酸鎳作為前驅(qū)體低溫滲鋅得到了Zn-Ni合金滲層，研究表明甲酸鎳能夠促使?jié)B層表面平整，減少滲層裂紋，含鎳鈍化膜能夠抑制Cl-的腐蝕。王榮華等[24]通過對Zn-Ni合金滲層微觀結(jié)構(gòu)的研究，揭示了粒子擴散的特征，圖3所示的晶體結(jié)構(gòu)示意圖表明當(dāng)鋅、鎳元素超過固溶度極限時會不斷形成鋅-鎳-鐵合金新相，新相依附在鋼鐵表面生長，并且與鋼鐵基體之間充分固結(jié)形成整體金屬結(jié)構(gòu)。

圖3 鋅鎳滲層的晶體學(xué)示意圖

鋅鎳合金滲層在應(yīng)用過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的耐蝕性，如通過對海南島西環(huán)線安裝的鋅鎳滲層扣件和達克羅扣件對比，發(fā)現(xiàn)服役5年后鋅鎳滲層扣件未見銹蝕，而達克羅扣件全部銹蝕[25]。另外在在深圳地鐵三號線安裝的的鋅鎳滲層扣件（圖4），經(jīng)過1 年多的營運未見銹蝕，而采用其它防腐技術(shù)的扣件已發(fā)生不同程度的生銹[26]。

圖4 深圳地鐵三號線防腐對照圖片，未銹道釘、彈條墊板為用鋅鎳滲層技術(shù)處理的

4 總結(jié)

相比于達克羅等表面處理技術(shù)，熱滲鋅在前處理時無需酸洗無氫脆危害，滲鋅過程溫度低不影響材料機械性能，封閉過程無有害物排放，是一種綠色環(huán)保、節(jié)能高效的先進表面處理工藝，并且滲層具有厚度可控，結(jié)合力強，且耐磨耐蝕等顯著優(yōu)勢。隨著新材料新工藝的不斷研發(fā)，滲鋅技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域?qū)⒕哂懈訌V闊的應(yīng)用前景。