鋼軌腐蝕與防護研究述評

肖鋒

（中鐵物資集團有限公司，北京100143）

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鋼軌腐蝕與防護研究述評

肖鋒

（中鐵物資集團有限公司，北京100143）

摘要：為突破鋼軌腐蝕防護技術難以大規模推廣使用的困局，國內外相關科技工作者進行了多方面的理論研究與技術探索。從鋼軌腐蝕機理、影響因素以及防腐蝕方法三個方面，綜述國內外的研究成果與最新動態，指出當前研究的不足，并從成分優化、冶煉與軋制技術提升、涂層與表面處理工藝開發以及鐵路日常養護等方面提出建議。

關鍵詞：鋼軌；腐蝕；影響因素；防腐蝕

為提高鋼軌耐蝕性能，國內外相關科技工作者從化學成分、熱處理工藝以及表面處理工藝等進行了多方面的理論研究與技術探索，但實際應用卻進展緩慢。本文將綜述國內外鋼軌腐蝕機理、影響因素以及防腐蝕方法三個方面的研究成果與研究動態，評述國內外鋼軌腐蝕與防護的研究現狀，為進一步提高鋼軌耐蝕性能提出相關建議。

1　鋼軌腐蝕機理的研究

國內對于鋼軌腐蝕問題的研究更多傾向于實際運用，即針對特定環境下鋼軌的腐蝕現象，研究通過添加合金元素和表面處理等方法減緩鋼軌腐蝕的發生，并提出鐵路日常養護的具體措施；國外對鋼軌腐蝕機理的研究相對更早更透徹，在公認的電化學腐蝕機理基礎[1]之上，Evans通過進一步的研究發現，在干濕交替的情況下，帶有銹層的鋼軌會被加速腐蝕[2]。在相對濕度較大的條件下，銹層可以起到強氧化劑的作用，直接參與陰極反應，即在Fe和Fe3O4的界面上發生Fe→Fe2++2e的陽極反應，在Fe3O4和FeOOH的界面上發生8FeOOH+Fe2++2e→3Fe3O4+4H2O的陰極反應；在相對濕度下降時，銹層和底部基體金屬的局部微電池成開路，銹層內的Fe2+重新被氧化成Fe3+，發生Fe3O4+O2+6H2O→12FeOOH的反應。

2　鋼軌腐蝕影響因素的研究

鋼軌腐蝕的影響因素比較復雜，主要受環境的濕度、溫度及大氣中污染物等的影響。Robles等人的研究指出，在濕潤的空氣、鹽離子、雨水和雜散電流存在時，鋼軌與軌底墊板接觸面會發生嚴重的腐蝕現象，迅速降低鋼軌的服役壽命[3]。陳澤昊等人敘述隧道內鋼軌腐蝕特點及其腐蝕損壞形式，對國內外鋼軌防腐蝕技術研究現狀進行述評[4]。羅虞霞等人通過對廣鐵集團公司管內大瑤山隧道、株洲北站等工段鋼軌的腐蝕因素分析，發現機械和疲勞傷損會加速電化學腐蝕的發生[5]。對于城市軌道的腐蝕問題，國內外均認為雜散電流是加速腐蝕的主要因素[6]。

3　鋼軌防腐方法的研究情況

提高鋼軌耐蝕性能方法概括起來主要有以下幾種：一是采用外加電流陰極保護的方法，由于使用直流電，容易干擾鐵路信號，控制操作比較復雜；二是“犧牲陽極”的陰極保護法，由于陽極（通常選擇鋅片）更換次數較頻繁，后期養護成本較高；三是采用改善化學成分的方法，在冶煉過程中添加Cr、Mo、Cu等合金元素以提高鋼軌耐蝕性能，但生產成本相對較高；四是采用表面涂層保護的方法，由于目前研制生產的涂層與鋼軌基體的結合力較低，容易脫落，使用壽命短；五是采用電弧或火焰噴涂鋅、鋁或鋅-鋁合金的方法，但前期需要通過噴丸或噴砂清除表面氧化物，工藝復雜，成本較高。上述方法各有利弊，目前均沒有大規模的推廣運用。

3.1國外研究動態

針對隧道鐵路，尤其是海底隧道鐵路，以及沿海地區鐵路突出的鋼軌腐蝕問題，國外做了大量的探索和實踐。在合金化方面，日本從上世紀60年代末開始鋼軌材料試驗，通過對含Cr、Cu、Mo等元素的20多種鋼軌材質的研究發現，在干濕交替的環境中，通過中、低水平的合金化，鋼軌10年內的腐蝕量可降低60%左右；在表面處理技術方面，瑞士采用噴涂防銹油的方法，但有效作用時間較短，每兩年需噴涂一次；日本曾在隧道內進行過25種防護方法的研究，結果表明，在鋼軌表面噴涂金屬最有效；法國鐵路則采用復合防護的方式，即在鋼軌表面經噴砂除銹后，先噴涂鋅、鋁或鋅-鋁合金，然后再施加高分子涂層，試驗表明此種方法的防護效果最好。針對城市軌道，英國還推出了雜散電流收集系統[7]，結果證明該系統能有效地收集泄露的電流，降低鋼軌電化學腐蝕速率。此外，英國、法國、日本、澳大利亞、前蘇聯等也在鋼軌廓形優化、熱處理工藝改變金相組織等方面進行過大量的研究與探索，但收效甚微。

3.2國內研究動態

上世紀50年代，鐵科院金化所對隧道內的金屬部件開展了包括防銹油膏、熱浸鍍鋅、滲鋅、瑪脂、涂料等防銹試驗，但防銹效果不佳。國內四家鋼軌生產企業對鋼軌耐蝕性能的研究都有不同程度的進展，武鋼通過優化合金成分，已成功開發出了U68CuCr高強度耐蝕鋼軌，目前正在沿海地區進行掛片試驗，耐蝕效果有待進一步觀察；攀鋼設計采用在鋼軌表面自動噴涂透明的專用防銹油的辦法[8]，油膜厚度控制在（30-50±5）μm，涂裝后的鋼軌可在1年內鋼軌踏面不完全銹蝕，軌底、軌腰無銹蝕；包鋼通過成分中添加稀土元素，可大大鋼軌提高耐蝕性能，同時也開發了自主知識產權的防銹漆自動噴涂裝置；中南大學成功研究出了TEOS-KH570有機-無機復合涂層[9]，其以正硅酸乙酯（TEOS）作為無機前軀體，硅烷偶聯劑KH570為改性劑，采用溶膠-凝膠法制備，結果表明，覆有該復合涂層的金屬基板與裸金屬基板相比電極體系的極化電流顯著下降1-2個數量級，復合涂層有效增強了金屬基體的抗腐蝕能力。

4　結束語

由于鋼軌腐蝕機理本身的復雜性，同時對腐蝕防護技術的系統性、可操作性、有效性及低經濟成本等的嚴格要求，目前國內外均沒有可以大規模推廣使用的提高鋼軌腐蝕性能的方法。對于未來鋼軌腐蝕與防護問題的研究，建議如下：

（1）對于耐蝕鋼軌研究，建議在總體成分C-Si -Mn合金系基礎上，繼續通過優化微合金成分、細化晶粒組織等措施，在不大幅增加經濟成本的情況下實現高耐蝕性能。

（2）鋼軌生產廠家應加強對耐蝕鋼軌關鍵冶煉、軋制以及質量控制技術的開發，形成一整套滿足高速耐蝕軌標準要求的生產工藝和質量監督體系。

（3）由于有機-無機復合涂層綜合性能優良，且具備制作工藝簡單、環境友好以及低經濟成本等特點，在鋼軌防腐蝕應用上具有良好的發展前景，未來應加強涂料層與鋼軌基體的結合力方面的研究，提高涂層使用壽命。

（4）加強對表面處理工藝的研究，在保證工藝質量的前提下，做到節能減排、環境友好、經濟實惠，未來表面處理工藝與涂層工藝相結合使用，鋼軌耐蝕性能必將得到大幅提升。

（5）鐵路日常養護中，保持鋼軌清潔，及時清除油污，密切監測鋼軌腐蝕情況，對鋼軌進行周期性探傷，對腐蝕嚴重的鋼軌及時更換下道，確保鐵路運營安全。

參考文獻：

[1]何業東，齊慧濱.材料腐蝕與防護概論[M].北京：冶金工業出版社，2004:5.

[2]楊德鈞，沈卓身.金屬腐蝕學[M].北京:冶金工業出版社，1999:2.

[3]F.C.Robles Hernandez，G.Plascencia，K.Koch.Rail base corro sion problem for North American transit systems[J].Engineer ing Failure Analysis，2009，（16）:281-294.

[4]陳澤昊，常欣，孫健，等.運營隧道內鋼軌防腐蝕技術的研究[J].鐵道建筑，1998，（11）：21-22.

[5]羅虞霞，張志偉，郭吉安，等.廣鐵管內鋼軌的腐蝕機理探討[J].鐵路科學與工程學報，2011，8（3）:78-90.

[6]陸渭岐.淺談地鐵排流對雜散電流及鋼軌電位的影響[J].中國科技信息，2014，（10）:157-159.

[7]A.C Charalambous，I.Cotton and P.Aylott.A simulation tool to predict the impact of soil topologies on coupling between a light rail system and buried third-party infrastructure[J].IEEE Trans.Veh.Technol，2008，57（3）:1404-1415.

[8]張隱.采用噴涂方法解決鐵路鋼軌耐大氣腐蝕[J].重型機械，2010，（82）：178-180.

[9]羅虞霞.鋼軌的腐蝕機理及有機-無機復合涂層防護技術的研究[D].長沙：中南大學，2012：49-62.

中圖分類號：U177.1

文獻標識碼：B

文章編號：1672-545X（2016）04-0157-02

收稿日期：2016-01-02

作者簡介：肖鋒（1984-），男，湖北宜昌人，碩士，工程師，主要研究方向：鐵路鋼軌技術。

Review on Research Of Rail Corrosion and Protection

XIAO Feng
（China Railway Material Group Co.，Ltd，Beijing 100143，China）

Abstract:In order to break through the situation which is difficult to popularize the use of large scale of rail corrosion and protection，lots of related domestic and foreign scientific and technical workers have carried out a number of theoretical research and technical exploration.It summarizes the research achievements of rail corrosion and protection from three aspects of mechanism，influencing factors and anti-corrosion methods，points out problems and shortage existing in current research，makes suggestions from the composition optimization，smelting and rolling technology，coating and surface treatment process development，railway maintenance and so on.

Key words:rail；corrosion；influencing factor；anti-corrosion