電氣化鐵路接觸網鋁合金零部件微弧氧化防腐工藝優化研究

員鵬博

（中鐵建電氣化局集團軌道交通器材有限公司，常州 213179）

我國電氣化鐵路建設正處于飛速發展階段。鐵路系統的運營量與速度均持續提升，對基礎建設的要求也越來越嚴苛。優質的接觸網零部件，才能確保提供穩定的受流質量。現對高鐵接觸網所用的鋁合金零部件展開表面抗腐蝕性能研究，分析如何優化微弧氧化防腐工藝技術。

1 接觸網鋁合金零部件應用的主要問題

鋁合金材料具備成本低、抗腐蝕性能強、易成型、加工性能良好、強度高及密度比較小等優勢，在當前高鐵牽引供電系統的接觸網中得到了大量應用。為了使鋁合金材料制成的零部件擁有更好的防腐性能，一般會在其表面采用防腐保護工藝，如陽極氧化、硬質陽極氧化以及鈍化等[1]。當處于一般性腐蝕條件時，零部件可保持較為穩定的防腐蝕性能。但是，在隧道、化工以及沿海等特殊重污染區段時，零部件的抗腐蝕性能會變差，表面多處會產生嚴重腐蝕問題。

2 微弧氧化防腐工藝概述

2.1 技術應用原理

微弧氧化工藝通過弧光放電激活陽極上的反應并得到增強，從而使鎂、鈦、鋁等金屬以及相應的合金材料制成零部件表面生成強化陶瓷膜[2]。微弧氧化電源將電壓施加給零部件，使電解質溶液和金屬材料之間相互作用，隨之零部件表面出現微弧放電現象。放電時，零部件表面形成3 000 K 的高溫，鋁基體快速進行氧化反應，產生熔融狀氧化物。陽極生成的物質與氧化物同時從放電通道中向外溢出，電解液可發揮冷卻作用，在電場與高溫的共同作用下，在金屬表面覆蓋陶瓷膜，從而起到保護零部件的作用。

2.2 技術特點

微弧氧化技術的應用范圍較為廣泛，可用于鈦、鎂、鋁與合金材質的零部件的表面處理，提高表面硬度，使材料的顯微硬度在500 ～1 500 HV，甚至已經超過經過熱處理的高速工具鋼、高合金鋼以及高碳鋼等材料的硬度[3]。它能夠強化被處理材料的耐磨損性能、抗腐蝕性能與耐熱性能，同時絕緣性能很強，絕緣電阻為100 MΩ。防腐工藝應用期間產生的環保型溶液，符合當前的環保排放要求。它需要使用的設備操作方法簡單，工藝可靠性強。在常溫條件下，它可實現防腐保護目標，可控性強，最終形成的陶瓷膜具有均勻致密的特點。

2.3 影響因素

影響微弧氧化工藝處理效果的因素諸多，如不同零部件微弧氧化時的夾具設計，電解液成分及濃度，實施微弧氧化時的溫度及時間，封閉處理時透明漆與水配比等。本文針對接觸網不同零部件的結構形式，優化設計專用微弧氧化夾具，對微弧氧化封閉處理工藝進行研究分析，重新確定了微弧氧化封閉處理時透明漆與水的最佳配比。

3 接觸網零部件微弧氧化工藝優化

3.1 優化帶孔型零部件微弧氧化專用夾具

微弧氧化工藝步驟一般為預處理、清洗、上掛、處理、再清洗、初步烘干、封閉以及再烘干[4]。在夾具上安裝待處理零部件的步驟是上掛，零部件和夾具都是處理中的陽極，當二者之間接觸不良時，連接部位會出現放電現象，不僅會降低氧化膜質量，還會引發局部燒蝕，阻礙微弧氧化防腐工藝的正常使用。當前可用的夾具還沒有形成統一標準，一般需要結合零部件的具體結構形式展開專門的夾具設計。如果需要處理的零部件上帶有孔洞，往往在圓孔處連接夾具。采用微弧氧化表面處理時，夾具也會產生氧化膜，導致零部件與夾具的電氣連接被阻斷，零部件上的防腐氧化膜受到不良影響。所以，一般通過銼刀將夾具上的氧化膜除去。但是，這種操作會導致夾具變窄，數次使用后零部件和夾具不能實現緊密接觸，將導致處理后的零部件防腐性能不達標，需要更換新的夾具，增加了生產成本。

優化后專用夾具由原本的300 mm延長至400 mm，并順沿掛具采取對稱化分布方式，同時將墊塊設置到夾具中，進一步加大夾具間的距離，從而使產品與夾具之間形成更強的接觸力。如果夾具的端部出現磨損，為了延長掛具的使用時間，可把零部件轉移到中心位置上，有利于降低生產成本。

微弧氧化工藝中使用的夾具需要符合以下幾方面要求：夾具應當具備導電性能，以滿足大電流的技術要求；夾具不能給電解液造成污染；產品與夾具需保持緊密貼合，否則難以保持電氣連接的有效性；夾具不能和待處理部位接觸，否則氧化膜難以保持完整性。當前所用的夾具大多為硬鋁材質，其剛性與強度均能滿足工藝應用的要求。

3.2 優化帶螺紋型零部件微弧氧化專用夾具

一些零部件自身帶有螺紋，如承力索座、腕臂連接器與套筒雙耳42/55 等[5]。對這類零部件實施防腐處理時，要將螺紋與夾具連接。如果螺紋間有配合間隙，所用的電解液會從間隙進入零部件內部，會使螺紋上產生氧化膜而難以拆卸，導致零部件報廢，如圖1 所示。為了提升微弧氧化的成品率與生產效率，對微弧氧化處理工藝進行優化，不選擇螺紋處作為連接處，另制作專用的M12 尼龍碰撞螺栓，表面處理前先將尼龍螺栓安裝到螺紋的另一面。實施工藝期間，尼龍螺栓在受熱膨脹后可發揮封堵作用，預防電解液滲入，如圖2 所示。優化后的微弧氧化零部件不僅報廢率降低，而且大幅提高了在螺栓孔位置的微弧氧化膜層的各項性能，規避了鐵路在長期運行過程中零部件螺栓孔位置出現點腐蝕的情況。

3.3 優化微弧氧化封閉處理工藝

防腐保護膜形成期間，各個膜層之間會有放電氣孔。溫度瞬間升高后，氧化物與微區金屬將熔化，進入到槽液中后又在較短的時間進行冷卻，最終形成微小裂紋，導致氧化膜層產生孔隙。氧化膜層在孔隙的影響下，原本的抗腐蝕性能會被削弱。零部件如果進入腐蝕環境，腐蝕介質可通過零部件上的各處缺陷部位抵達基體并直接腐蝕基體。為了使氧化膜擁有更好的耐蝕性能，應當依靠封閉技術方法使微裂紋與微孔閉合。

完成微弧氧化處理工作后，利用化學方法或者物理方法在氧化膜內部引進目標物質，使這些物質在缺陷部位沉積，以實現封閉處理目標。可選擇丙烯酸水性樹脂透明漆材料完成封閉處理，它的主要成分包括水性溶劑、丙烯酸樹脂和各類添加劑，需要加入一定量的水來稀釋，且需嚴格控制配比。如果加入過量的純水，會使封閉膜的厚度過薄無法形成符合預期的封閉效果；如果加入的純水量過少，溶液會呈現粘稠狀態。封閉處理期間，需要在烘箱中完成烘干處理。這種封閉工藝需要極高的實施成本，但是生產率不高，處理后產品可能殘留花斑或者出現流掛等表面缺陷。

經多次試驗驗證及工藝改進，確定微弧氧化封閉處理優化方案。在進行封閉處理時，調節稀釋所用的純水溫度，使其處于25 ℃±3 ℃的范圍內。透明漆與純水的比例設為0.8 ∶1 為最佳。在這種配比下，封閉膜能夠在較短的時間內轉為干燥狀態，可獲得最佳封閉處理后的效果。

4 優化后微弧氧化膜層主要性能參數比較

選擇優化后微弧氧化的接觸網零部件與優化前的微弧氧化零部件、陽極零部件氧化膜層主要性能參數進行實際試驗檢測對比，試驗結果如表1 所示。

表1 微弧氧化優化后與優化前、陽極氧化膜層性能對比

從表1 可以看出，優化后的微弧氧化工藝克服了優化前和陽極氧化的缺陷，提高了陶瓷膜的綜合性能。

5 微弧氧化工藝技術應用前景

微弧氧化技術將物理放電活動與電化學活動結合，解決傳統氧化工藝存在的問題，強化高壓放電區域的產品性能，借助高壓放電對氧化膜產生擊穿作用，生成微弧放電與等離子體。經過微弧氧化工藝處理的零部件不僅中性鹽霧試驗可達2 000 h 以上，而且在大風沙區、化工區、跨海大橋或者沿海區的高鐵系統中也有良好的性能表現。

當前，微弧氧化工藝已經進入建筑民用、航空航天、電子、國防、汽車與機械等多領域，主要用來對鋁基零部件實施表面處理，確保零部件可以形成極高的絕緣性、耐熱耐沖擊性、耐蝕性以及耐磨性。在民用工業與工程建設領域，對于鋁基材往往有著較為嚴格的耐蝕耐磨性能要求，同時有裝飾方面的需求，可完成表面處理工作。本文針對高鐵接觸網上的零部件的防腐技術應用需求，對微弧氧化工藝進行優化改進。由于必須在高壓條件下處理，因此要做好安全防護工作，避免出現用電隱患。

6 結語

微弧氧化工藝技術在高鐵接觸網鋁合金零部件應用日趨廣泛，防腐性能優越。本文針對現存的微弧氧化專用掛具和封閉處理工藝方面的問題，提出改進優化建議，并進行了相關試驗驗證。優化后的微弧氧化膜層性能表現良好，在日后實踐中可以推廣應用。