微弧氧化工藝在高速鐵路棘輪裝置上的應用

0 引言

隨著我國綜合國力的不斷提升，電氣化鐵路運營速度不斷提高。高速鐵路的棘輪裝置是接觸網懸掛系統中使承力索和接觸線保持恒定張力的關鍵裝置，需具備強度高、耐腐蝕、少維修、少維護等特點。而鎂鋁硅合金因其具有密度低、質量輕、強度高、可塑性高以及加工性能良好、抗腐蝕能力強和價格低廉等特點，普遍被應用于鐵路接觸網棘輪裝置的生產中。隨著高速鐵路線路的不斷延伸和增加，棘輪裝置被廣泛應用于不同地理環境和氣候條件中，在化工企業周邊地區、空氣中含有鹽、堿和酸性等腐蝕性物質的地區、沿海地區或鐵路隧道內的強堿性滴漏區段等惡劣環境區段，對高鐵棘輪的抗腐蝕性能提出更高的要求。本文基于該現狀，對高鐵棘輪裝置的表面氧化技術進行研究。

1 微弧氧化技術的來源和原理特點

20世紀30年代初，Gǜinterschulz等人首次發現金屬浸在液體之中后，在強電場的作用下金屬表面會發生火花放電現象，且放出的火花對金屬表面的氧化膜具有破壞作用。隨后人們利用這一實驗現象在金屬表面制作出了氧化膜涂層，并應用于鎂合金防腐。微弧氧化技術是在傳統陽極氧化技術基礎上發展起來的，從20世紀70年代開始，美國、德國等一些發達國家相繼開展對微弧氧化工藝機理的研究，國內在1996年才有這方面的研究論文。

微弧氧化表面處理技術是一種利用強電場作用下金屬表面發生電火花產生弧光放電，激活并增強陽極上發生氧化還原反應，從而可直接在鈦合金、鋁合金、鎂合金等材料的金屬表面原位形成一層優質的強化陶瓷膜涂層的綠色環保表面處理技術。微弧氧化技術采用專用的微弧氧化電源對閥金屬施加高電壓，擊穿金屬表面具有絕緣性質的氧化膜，使零件表面金屬層與配制的微弧氧化溶液發生互相反應，在零件表面形成微弧放電，從而產生瞬時的高溫高壓（溫度可達2 000～3 000℃，壓強約為102 MPa）微區。在高溫高壓、強電場等因素的作用下，絕緣膜薄弱處熔化并快速冷卻，將熔化的絕緣膜燒結成晶態氧化物，由此可在金屬表面形成一層均勻、連續且具有優異耐磨性能的氧化層（類似于陶瓷膜），從而達到強化工件表面，提高其耐腐蝕性能的目的。

采用微弧氧化技術后，金屬表面形成了一層耐腐蝕性較強的陶瓷膜，而形成該陶瓷膜的零件具備如下優良特性：（1）微弧氧化表面處理后形成的陶瓷膜其硬度在1 000～2 000 HV之間，很大程度上提高了零件表面硬度，增加其耐磨性。某些合金表面生成的陶瓷膜的顯微硬度甚至可達3 000 HV，大幅超過硬質合金以及熱處理后的高速工具鋼等的硬度，使金屬合金應用范圍更廣；（2）微弧氧化形成的陶瓷膜具有良好的密閉性，極大提高了金屬的耐熱及抗腐蝕性，從根本上克服了鎂、鋁、鈦及其合金材料在應用中易腐蝕的缺點；（3）表面形成的微弧氧化陶瓷膜具有良好的耐磨損性能；（4）陶瓷導電性能低，可用于絕緣，微弧氧化形成的陶瓷層的電阻高達108W，可應用于高絕緣性要求的設備裝置中；（5）合金金屬零件表面生成的陶瓷膜與合金零件本體結合緊固且陶瓷膜致密均勻；（6）微弧氧化工藝穩定可靠，可在常溫下進行，生產設備簡單，操作方便；（7）溶液為環保型，生產中不產生有毒有害物質，符合環保排放要求。

2 微弧氧化設備

微弧氧化設備采用三相380 V電源，因為設備對電壓的要求較高（一般在510～700 V之間），所以微弧氧化設備為非標設備，需進行專門定制。微弧氧化設備通常采用硅變壓器，電源輸出電壓：0～750 V之間，可調電源輸出最大電流為5、10、30、50、100A等可選。微弧氧化反應槽體可選用絕緣的PP、PVC等材質，反應槽外部可使用不銹鋼進行加固和增強美觀性。由于反應產生高溫高壓，可在反應槽外部加裝冷卻設施或配冷卻內膽。如果需進行微弧氧化處理的零件為鋁質材料，其掛具可選用鋁或鋁合金材質以防止雜質混入，陰極材料選用不溶性金屬材料，推薦不銹鋼。

微弧氧化設備由交流電源配電柜、冷卻裝置、微弧氧化工藝流程槽等組成。冷卻系統分為內循環和外循環2部分。

3 棘輪微弧氧化的工藝過程和溶液配制

3.1 棘輪

棘輪是一種外緣或內緣上具有剛性齒形表面或摩擦表面的齒輪，是組成棘輪機構的重要構件，由棘爪推動作步進運動，類似于齒輪，是與號盤配合、控制號盤變換的零件。在高速鐵路上，棘輪是不可或缺的接觸網零件，棘輪的性能對高速鐵路的安全運行影響較大。

3.2 棘輪微弧氧化的工藝流程

棘輪微弧氧化的工藝流程：預處理、棘輪上掛、超聲波清洗、純水漂洗、微弧氧化處理、噴淋清洗、烘干處理、封閉處理、表面質量檢驗。

（1）在微弧氧化前對棘輪零件進行清潔，去除表面與反應無關的雜質（經熱處理后棘輪表面會殘留機械加工金屬碎屑、毛刺、鑄造浮砂等），以減少對槽液的污染，延長槽液的使用周期。

（2）超聲波清洗，去除棘輪表面的油漬等。

（3）漂洗，用純凈水洗去棘輪表面粘附的超聲波溶液。

（4）微弧氧化，對棘輪進行表面氧化處理。微弧氧化處理的方式包括恒流法和恒壓法，根據棘輪的特性和材質，采用恒流法對其表面進行氧化處理，具體電流參數、微弧氧化處理時間需根據電流密度與棘輪表面積進行計算。

（5）漂洗噴淋，用自來水沖刷去棘輪表面粘附的氧化溶液。

（6）烘干處理。

（7）封閉，對微弧氧化后的棘輪進行表面封閉處理，使棘輪具有防水性能。

3.3 溶液配制

微弧氧化超聲波清洗用溶液由磷酸三鈉和自來水配制而成，自來水加熱至40～50℃，按一定比例配制溶液，攪拌均勻，配制好溶液后使用PH試紙測試其PH值，超聲波溶液PH值要求在10～14范圍內。

微弧氧化用溶液由硅酸鈉、六偏磷酸鈉、丙三醇、NaOH、純水、鎢酸鈉等按一定比例配制而成。在配制微弧氧化溶液時，因六偏磷酸鈉的溶解特性（溶解于純水速率較慢），應先按配方計算、稱量配制溶液所需的六偏磷酸鈉，加熱純水至40～50℃，然后將六偏磷酸鈉溶解于盛有40～50℃純水的塑料桶中，再將溶解后的溶液倒入微弧氧化槽中（六偏磷酸鈉倒入純水中時需均勻抖動撒入，并均勻攪拌使其易于融化，切忌整勺或整體倒入，防止試劑溶解困難）。溶液配制完成后，開啟氣泡將試劑溶解。

4 棘輪夾具的設計和應用

棘輪的微弧氧化需經過工業化的生產工藝，夾具設計是一個不容忽視的環節。經過前期對其他零件夾具的實驗和總結，設計棘輪夾具必須滿足以下基本條件：（1）夾具必須選用導電性良好的材料，保證微弧氧化過程中大電流的安全通過；（2）夾具材料不會污染微弧氧化溶液，對不需要微弧氧化處理的表面應進行保護處理。（3）夾具與處理的工件必須緊密結合，保證優良的導電性，以免局部放電燒損工件；（4）工件需要處理的部分不能與夾具發生接觸，以保證微弧氧化層的完整性。

圖1所示為目前棘輪微弧氧化所用的夾具。由于夾具需要通電，因此采用導電性能良好的鋁合金框架和銅片作為夾具制作材料，熱縮管用于保護不用處理的表面且不污染微弧氧化溶液，可多次利用以節約成本。微弧氧化溶液呈堿性，對夾具具有腐蝕作用，熱縮管包裹夾具是為了更好地保護夾具的完整性，防止微弧氧化溶液對夾具的腐蝕。

圖1 棘輪微弧氧化所用的夾具

5 微弧氧化中影響棘輪陶瓷膜層的因素

微弧氧化中影響棘輪陶瓷膜厚度的因素包括工作電壓、氧化溶液溫度、電流密度和氧化時間等。

（1）工作電壓。工作電壓不能過高也不能過低，若電壓過低，則成膜的速度慢，膜層較薄，硬度也較低；若電壓過高，不利于熔融態的氧化物凝固結晶，且易出現氧化膜局部被擊穿現象，對膜層的耐腐蝕性不利。工作電壓與膜層厚度的關系曲線如圖2所示。

圖2 微弧氧化中電壓與膜層厚度的關系

（2）氧化溶液溫度。由于棘輪在微弧氧化處理工程中處于強電場作用下，且生成的微弧氧化陶瓷膜層的絕緣電阻較大，會發生電流熱現象，產生較大的熱量，導致氧化溶液溫度升高。而微弧氧化膜層的生長速度不僅與氧離子向棘輪內部擴散的速度有關，還與微弧氧化溶液中氧離子的濃度、化學勢及向棘輪表面的擴散速度有關，這幾方面都與微弧氧化槽液的溫度密切相關。如果反應槽內的溶液溫度未控制在合理范圍內，溶液在棘輪表面易產生飛濺現象，該現象不僅會加快微弧氧化膜層的溶解速度，而且使微弧氧化溶液中陽離子損耗較大，導致其電解質濃度降低以及微弧氧化膜層生成質量下降。因此，棘輪在微弧氧化過程中必須加裝冷卻效果較好且具有循環功能的冷卻裝置。

（3）電流密度。微弧氧化膜層的生長率與電流密度密切相關，同時電流密度對氧化膜層的厚度和表面質量也產生至關重要的影響，在一定范圍內氧化膜層隨工作電流的增大而增厚，所以電流應控制在一定的范圍內。

（4）氧化時間。氧化時間越長，氧化膜層越厚，但膜層厚度增加的越慢，如果時間足夠長，膜層厚度將趨于穩定不再增加。但是微弧氧化時間過會會導致氧化膜層表面變得粗糙，還會降低微弧氧化生產效率[5]。因此微弧氧化需在一定時間內完成，時間不能太長也不能太短。氧化時間與膜層厚度的關系如圖3所示。

圖3 微弧氧化的氧化時間與膜層厚度的關系

6 棘輪微弧氧化效果

微弧氧化是對高速鐵路棘輪零件進行表面處理最實用且理想的一種方法，其可在棘輪表面形成一層致密的氧化陶瓷膜層，該膜層能隔絕鎂鋁合金與外界水、空氣等介質的接觸，起到防腐蝕作用，能降低高鐵接觸網中棘輪裝置的維護頻率，節約線路日常維護成本，減少生產中金屬材料的使用。

微弧氧化工藝極大增強了棘輪表面的氧化膜層，提高了棘輪的耐磨性、抗腐蝕性和美觀性，棘輪微弧氧化前后表面的對比如圖4所示。

圖4 棘輪零部件微弧氧化前后對比

經微弧氧化處理后的棘輪在高鐵上推廣應用，提高了高鐵接觸網系統的安全性能，增加了棘輪材料的耐磨性及耐腐蝕性，增強了材料的強度和硬度，極大地提高了材料的耐用性，對高鐵安全性能的提高有著極其重要的作用。另外，微弧氧化技術還可更多地應用于高鐵接觸網其他零部件中，如接觸網定位裝置、連接裝置等，使接觸網可更好地適應復雜、惡劣的氣候條件，確保列車在惡劣地區的行車安全，降低接觸網日常維護成本。

7 結語

本文對棘輪微弧氧化用設備、工藝流程、溶液配制及棘輪夾具進行了設計，對微弧氧化中影響陶瓷膜層因素進行分析，并對比了棘輪微弧氧化前后的情況，驗證了微弧氧化技術在高速鐵路棘輪裝置上的應用效果。

從微弧氧化技術在高速鐵路棘輪裝置上的成功應用可以看出，微弧氧化技術的應用前景十分廣闊，為高鐵接觸網在氣候惡劣地區的建設以及列車行車安全提供有利保障。

參考文獻：

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