壓縮彈簧的防腐技術研究

王紅喜

摘 要：針對城軌線路壓縮彈簧嚴重腐蝕現象，本文研究了冷鍍鋅+VCI復合涂層、合金共滲兩種新型防腐技術。通過膜基界面結合力測試、均一性檢測、耐鹽霧試驗及產品疲勞后機械性能試驗等檢測手段，比對兩種防腐新技術和傳統氟碳漆技術的優劣。表明冷鍍鋅+VCI復合涂層防腐技術優良，最適合壓縮彈簧的防腐技術處理。

關鍵詞：壓縮彈簧;腐蝕;冷鍍鋅+VCI;合金共滲

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）02-0070-02

0 引言

城市軌道作為我國大都市的首選交通方式，已經越來越多遍布在城市的地下隧道或高架橋上。城市軌道的零部件的使用環境也隨之越來越復雜化和多樣化。城軌零部件壓縮彈簧作為固定匯流排及吸貯振動能量的零部件，長期處于潮濕、空氣不流通、粉塵積聚的隧道內或工業污染的高架橋上，出現了產品大面積的表層脫落及機體腐蝕現象，嚴重時影響到彈簧的機械性能，帶來不可預知的風險隱患。而且壓縮彈簧的線路使用量很大，每隔8米就需要1套。針對壓縮彈簧這種腐蝕現狀，為保證線路的安全暢通運行，研究新型表面防腐技術迫在眉睫。

1腐蝕現狀

壓縮彈簧作為在剛性懸掛系統中的重要零部件，起到在定位線夾中連接、固定匯流排并吸收振動能量的作用。壓縮彈簧不但要具備一定的機械強度，還要具備吸收能量的彈性功能。壓縮彈簧的技術要求見圖1所示。壓縮彈簧的材質選用的彈簧鋼制作。彈簧鋼表面必須進行防腐處理。傳統防腐處理采用氟碳漆技術。氟碳漆是一種油漆涂料，其主要成分氟碳共聚體為原料的雙組分常溫固化涂料。通過分子連上的氟碳鍵，氟碳樹脂能抵抗紫外線的降解，從而具備優異的耐紫外線、耐久性和耐侯性，大大拓展了應用范圍且降低了維修頻率。但在在潮濕的工業大氣中，氟碳漆因結合力及硬度不夠，彈性差，容易遭到酸性氣體的腐蝕。變薄的膜層在破壞膜層外觀的同時，也降低了對彈簧基體的保護能力，使產品機械性能大大降低，隨時存在斷裂、失去彈性的安全風險。城軌隧道內的腐蝕環境見圖2所示。出現嚴重腐蝕的壓縮彈簧見圖3所示。

2新型防腐技術研究

經過廣泛的市場調研和科學的技術分析，根據壓縮彈簧的技術要求和功能特點，我們決定對壓縮彈簧做以下兩種新型的防腐技術研究。

2.1冷鍍鋅+VCI復合涂層防腐技術研究

冷鍍鋅就是利用電解作用，使金屬制件的表面附著一層金屬膜的過程。形成均勻、致密、結合力良好的金屬膜層。形成第一道合金防腐層。在合金防腐層的外面，再施以VCI技術的富鋅底涂層、富鋁面涂層的VCI涂層。形成第二道油漆防腐層。達到復合防腐層，提高壓縮彈簧防腐效果。

VCI是氣相緩蝕劑（Volatile Corrosion Inhibitor）的英文縮寫，VCI技術就是利用已經氣化的特殊腐蝕抑制劑，在鱗片型鋅粉搭建的密封環境中通過自身可調的持續揮發而將VCI防銹因子的混合氣體充滿在作業單元內的各空間間隙中，一旦遇到金屬表面，含有VCI防銹因子的混合氣體會吸附在金屬表面而形成只有一個或數個分子厚的致密保護膜層。通過有效隔絕金屬表面與氧氣、水分及其他有害大氣腐蝕因素的接觸，致密保護膜層能發揮良好的防銹蝕作用。

相較于傳統的球狀鋅粉，鱗片型鋅粉是利用專業設備來制成片狀結構的鋅粉，堆積在一起的片狀鋅粉能夠形成類似建筑瓦片一樣的瓦片式結構，極大地增強了自身的嚴密性，從而具備優秀的耐蝕性能。其耐蝕機理如圖4所示。

在樹脂中混入VCI，通過片鋁的魚鱗、片鋅搭接結構，VCI如同在密閉的環境中，從而具備良好的防腐性，而鋅粉底漆和鋁粉面漆的防腐起到第二層的防腐保護。此外，鱗片狀顏料平行搭接形成致密的瓦片式結構，給富鋅底漆提供了極佳的表面屏蔽，對水、氧等腐蝕介質的滲入起到了良好的阻撓性，并通過紫外線的反射而提高了整體的抗蝕性和耐侯性。

冷鍍鋅工藝成熟，應用時間長，市場認可度高，鍍層結合力高，耐磨性好，彈簧邊角部分防護性能優良。VCI技術耐酸蝕、耐紫外線性能優良。二者復合，揚長補短，提高了壓縮彈簧的整體防腐性能。該技術全部在常溫下涂裝，操作簡單，費用低廉，所用材料均為環保產品，涂裝過程也不會造成環境污染。

2.2 合金共滲防腐技術

在處理工件時，合金共滲技術可通過爐內的氣體來分解出大量含多種元素的活性原子，在金屬表面吸附后形成金屬間化合物滲層。同材料基體完全不同，該金屬間化合物滲層是從基體內部生長出來的，多元共滲處理后基本不增加工件厚度，能夠大幅提高表層的耐磨性、抗腐蝕性與疲勞性，這與油漆、電鍍、熱鍍鋅等其他表面涂層完全不同。通過后續與其他工藝復合，可以同時獲得高的耐腐蝕、耐疲勞與耐磨性能。

在合金共滲時，在400～700℃中的特定密閉設備中放入待處理零件，含3-5種元素的氣體通入后分解產生多種活性原子，工件表面被滲入這些多種活性原子后形成一層具備高耐磨性、高抗蝕性與高抗疲勞性能的金屬間化合物層。根據不同零件的具體性能差異，可以對通入的多元素氣體進行調整以獲得不同類型化合物層的成分與結構。

合金共滲的優點就是膜層厚度均勻、硬度高、結合力強。耐腐性能優良。缺點就是產品要經過高溫處理，對壓縮彈簧的彈性會產生一定的影響。

3對比試驗

考核防腐技術的三要素：均一性、堅實性和附著性。按照防腐三要素考核，制作了兩種防腐樣機進行試驗比對，從而對兩種防腐技術和原有的氟碳漆技術進行評判。三種防腐方案樣件原貌如圖5所示。

3.1 均一性判定

三種防腐樣件的均一性主要通過檢測樣件的外觀和膜層厚度來實現，結果顯示三種防腐技術方案樣件外觀平滑，無色差、無遺漏、手摸無刺瘤、不粗燥，不同點上所測膜層厚度均勻。結論：三種方案樣件均一性一致。

3.2結合力判定

從三種防腐技術方案樣件做表面結合力測試評判三種防腐樣件的堅實性，試驗結果顯示：三種方案樣件堅實性基本相等。

3.3 耐鹽霧試驗判定

從人造鹽霧試驗試驗指標檢測三種防腐技術的附著性。通過500小時的中性鹽霧試驗，試驗結果如圖6所示。

3.4 疲勞實驗判定

對鹽霧試驗合適的兩種防腐壓縮彈簧做40萬次的疲勞實驗后的力學測試，彈簧的壓縮量、剛度及負荷偏差值符合技術要求。

4 結論

通過冷鍍鋅+VCI復合涂層、合金共滲防腐技術的耐腐機理研究，到制定工藝參數并制作樣件，通過專業檢測機構驗證的對比驗證，結果顯示新型防腐技術VCI復合涂層和合金共滲技術所處理的壓縮彈簧抗腐蝕性能表現優良，可解決壓縮彈簧在外部環境復雜情況下的腐蝕問題。考慮到合金共滲處理過程中加工溫度達到400℃以上，對彈簧鋼進行了二次熱處理加工，在長期的服役過程中會有意想不到的影響。故壓縮彈簧的防腐新技術選擇采用冷鍍鋅+VCI復合防腐技術。