軌道交通車輪用示溫涂料制備與應用

周立強， 陳 剛， 張 磊， 吳 爭， 曹忠富

(1.寶武集團馬鋼軌交材料科技有限公司，安徽 馬鞍山 243000 2.馬鞍山采石磯涂料有限公司，安徽 馬鞍山 243000))

引 言

近年來，在裝有合成閘瓦的軌道交通車輛上，由于過度限速制動或車輪制動緩解不良等情況，造成車輪踏面熱損傷事故時有發生，嚴重影響了鐵路運行安全和車輪使用壽命[1]。示溫涂料作為高效、直觀檢測軌道交通車輪踏面制動過熱措施之一，已在軌道交通車輪上得到了初步應用。這種涂料在車輪表面溫度超過涂料的變色溫度時，涂層顏色會發生明顯變化，根據涂層變色部位、變色面積、變色深淺以及變色形狀能夠真實反映出車輪踏面受熱情況，據此作出正確判斷并采取相應的預防措施[2]。寶武集團馬鋼軌交材料科技有限公司出口歐洲的部分車輪，在項目開始階段，車輪表面噴涂的是進口示溫涂料，但是該涂料干燥周期長，耐鹽霧、耐濕熱性能差，經過海上運輸后經常會出現附著力不良、漆膜脫落等問題，并且采購周期長、成本高。為此，針對軌道交通車輪存儲方式、運輸條件、運行環境以及踏面制動溫度，寶武集團馬鋼軌交材料科技有限公司聯合當地涂料制造商，共同開發了軌道交通車輪用CSJW62-30示溫涂料，從2018年開始在出口歐洲的部分車輪上進行了批量涂裝。

1 CSJW62-30示溫涂料

1.1 選型及制備要求

目前，軌道交通車輪一般除踏面、輪緣外所有表面(貨車輪內外輪輞不作防腐)噴涂環氧底漆和聚氨酯面漆進行防腐。由文獻[3]可知，在車輪上溫度達到250 ℃～350 ℃時，車輪踏面組織中珠光體和鐵素體逐步變成馬氏體和回火馬氏體。在組織比容膨脹縮小、珠光體和鐵素體變為馬氏體和回火馬氏體過程中，有碳原子釋放到晶格間導致晶格變形，最后在晶格處產生裂紋。為檢測車輪受熱程度，防止車輪熱損傷，結合軌道交通車輪運行條件，車輪用示溫涂料的制備應滿足以下要求：

1)在250 ℃～350 ℃范圍內變色迅速、變色界限明顯，并在溫度退去后顏色變化不可逆；

2)軌道交通車輪運行環境溫度一般在-30 ℃～50 ℃，月平均最大相對濕度≤94%，并且空氣中含有的CO、CO2、氮氧化物、SO2、粉塵雜質和洗車清潔劑中化學物質也會侵蝕車輪。因此，要求示溫涂料至少要具有與現有防腐體系相同的耐候性、防腐性以及耐化學藥品性；

3)要求可以利用現有的涂裝設備和產線進行示溫涂料的施工和檢測，并且要具有同等的施工安全性和便利性，滿足環保法規要求；

4)涂裝成本不能大幅度高于現有車輪表面通常噴涂的環氧底漆和聚氨酯面漆防腐體系。

1.2 主要組成以及功能分析

CSJW62-30示溫涂料主要由漆基、顏料、溶劑、填料組成，屬于單組分涂料，其主要成分及各組分占比如第25頁表1所示。

由表1可知，漆基的選擇為環氧改性醇酸樹脂，其不但能夠使顏料均勻展色，提升漆膜的干燥性能、耐候性和耐化學藥品性，環氧改性醇酸樹脂還是示溫涂料中的主要變色物質，起著指示溫度的作用。顏料的選擇主要是炭黑、酞菁藍，其能夠和環氧改性醇酸樹脂緊密地黏結在一起，不但起著遮蓋底層、阻擋光線，提高漆膜的耐水性、耐光性、耐候性，增加漆膜機械強度、硬度、耐磨性的作用，酞菁藍還是示溫涂料中的主要變色顏料，同環氧改性醇酸樹脂共同起著指示溫度的作用。溶劑的選擇主要是二甲苯和丁醇的混合物，其不但能夠降低黏度，調節示溫涂料的流變性，還能改進示溫涂料的涂布率和涂膜性能。填料選用耐熱性較強的硫酸鋇、鈦白粉、三聚磷酸鋁等，其不但能起助色作用，克服涂料中顏料的沉淀，彌補固體組分的不足，還能夠降低CSJW62-30示溫涂料的制造成本[4]。

表1 示溫涂料主要成分及占比

2 溫變試驗

2.1 變色原理

在250 ℃～350 ℃溫度下，有機顏料酞菁藍發生分解反應，環氧改性醇酸樹脂發生氧化和炭化反應，使涂層顏色發生變化，并且在不同溫度下，涂層表面顏色變化深淺不同。以上反應均屬于化學變化，反應過程是不可逆的。

2.2 試驗過程

為探究車輪在限速制動條件下，車輪表面溫度上升、涂料顏色變化以及踏面、輞面產生的殘余應力情況，采用制動試驗臺進行限速制動試驗。試驗車輪選擇Φ840車輪，每次制動時間設定為30 min，車輪周向速度設定為80 km/h，車輪輞面、輻板噴涂CSJW62-30示溫涂料，當輪輞殘余應力為正時結束測試。車輪各部位溫度標注圖見圖1。每次在試驗過程中記錄閘瓦摩擦力、車輪及閘瓦溫度隨時間變化情況(見圖2)、涂料顏色變化情況(見圖3)，試驗結束后，當車輪溫度恢復至室溫時，測試輪惘周向殘余應力。

圖1 車輪各部位溫度變化標記圖

圖2 車輪各部位溫度變化測量曲線

2.3 試驗結論

1)車輪在制動開始時，溫度上升速率較快，隨著時間的延長逐漸變慢。閘瓦溫度變化基本與車輪①、②點的溫度變化的平均值相同。

2)摩擦力的影響：車輪殘余應力和溫度隨摩擦力的增大而增大，當增大摩擦力時，車輪踏面以及輪輞中央部位溫度變化較大，并隨著制動時間的延長，溫度逐漸趨于穩定，殘余應力從壓縮向拉伸連續轉變。隨著車輪溫度升高，車輪輪輞上部的示溫涂料由開始的淺灰色逐漸變成深褐色，如圖3所示，并且變色范圍逐漸向下擴展。涂層顏色變化與車輪所達到最高溫度的對應關系基本與熱老化試驗結果一致，顏色變化符合軌道交通車輪用示溫涂料變色要求。

圖3 輪輞上端涂層顏色變化

3)結合本次制動試驗和近兩年來對噴涂示溫涂料車輪的跟蹤，通過查找國內外參考文獻，還得出以下階段性結論：

a)一般來講，涂層越厚，變色溫度越高。這是因為，涂層越厚，環氧改性醇酸樹脂和酞菁藍發生反應時所需能量也越大，因此必須提高反應溫度才能出現同樣的變色；

b)升溫速度越快，變色溫度越高，升溫速度越慢，變色溫度越低；

c)在加熱溫度低于220 ℃時，無論加熱多長時間，示溫涂料顏色都不會發生變化，這一溫度被稱為“臨界溫度”[5]。

3 涂裝工藝

軌道交通車輪涂裝工藝操作要點主要包含脫脂、清洗、烘干、非噴涂表面防護、表面清潔度檢測、涂料噴涂、漆膜烘干、漆膜檢測8個工序，具體工序介紹如表2所示。

表2 示溫涂料涂裝工藝流程

4 涂膜性能檢測

根據軌道交通車輪運行環境和示溫涂料在車輪表面噴涂狀況，按相關標準對噴涂CSJW62-30示溫涂料的油漆樣板和車輪進行了檢測，性能如表3。

表3 示溫涂料漆膜性能檢測結果

從表3中可以看出，按以上配方制備的軌道交通車輪用示溫涂料具有良好的附著力、耐鹽霧性、耐候性和耐化學藥品性。

5 結語

通過制動試驗以及近兩年來對噴涂CSJW62-30示溫涂料車輪運行情況的跟蹤，從車輪受熱影響涂層熱老化測定車輪受過熱影響的方法快捷、有效。CSJW62-30示溫涂料不但變色迅速、變色界限明顯，還同現有環氧底漆和聚氨酯面漆防腐體系一樣，具有良好的耐候性、防腐性、耐化學藥品性，施工便利性和經濟性。

Φ840車輪輪輞處產生拉伸殘余應力的溫度大致為250 ℃～350 ℃，在該溫度范圍內，示溫涂料涂層顏色由淺褐色變成深褐色，其顏色變化屬于化學變化，溫度退去后顏色變化不可逆，并且升溫速率越快，變色溫度越高，當溫度低于220 ℃，無論加熱多長時間，示溫涂料涂層顏色都不發生改變。

車輪在實際運行過程中，涂層顏色變化還受涂層厚度、制動時間、閘瓦和踏面之間摩擦力等多種因素影響，車輪表面的污垢也會影響受熱情況的判定，因此，車輪受熱情況檢測通常選在污垢較少的輪輞外側面，并且該部位溫度的變化和踏面發生殘余應力的情況對照性強，能夠增加檢測的準確度。