道岔扣件關鍵零部件防腐性能試驗研究

王樹國 孫林林 張立軍 劉光孟

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081；3.鐵科（北京）軌道裝備技術有限公司，北京 102202

道岔結構復雜、零部件眾多，是影響高速鐵路安全運營的薄弱設備之一［1］。我國高速鐵路道岔總體使用狀態良好，但也暴露出一些問題。如部分區段出現關鍵金屬零部件腐蝕甚至失效的情況，在沿海和酸雨地區鐵路道岔扣件關鍵金屬零部件腐蝕情況更嚴重。關鍵金屬零部件的腐蝕及其導致的失效會影響道岔的可靠性和使用壽命，增大養護維修量，甚至危及行車安全。

針對鐵路行業中出現的金屬零部件腐蝕問題，國內外學者開展了大量研究。張彥文等［2］通過對彈條斷口、金相組織、表面硬度等研究發現，表面腐蝕坑引起的應力集中是導致彈條斷裂的主要原因。張松琦等［3］通過試驗研究彈條滲鋅處理后密封罐內部溫度與滲鋅時間的關系，分析不同滲鋅溫度和滲鋅時間下彈條滲鋅層厚度及防腐性能的變化情況，提出了合理的彈條滲鋅工藝。陳曉玲等［4］對熱滲鋅技術在道岔轉換設備上的應用進行了探討。張小兵［5］通過室內外試驗對比分析了各種防腐工藝處理后扣件金屬零部件的抗腐蝕性能，給出了不同地段扣件金屬零部件可采用的防腐工藝。Zhang等［6］對W1彈條斷口進行微觀結構和形貌分析發現，腐蝕是產生斷裂的主要原因，建議嚴格控制防腐工藝以獲得更加均勻的防腐涂層。Niu等［7］通過建立腐蝕層演化速率模型研究了不同合金元素含量下中碳彈簧鋼的抗腐蝕性能。結果表明，隨著鉻含量增加，彈簧鋼抗腐蝕性能逐漸增強；加入釩元素后彈簧鋼抗腐蝕性能減弱。

本文針對現場出現的高速鐵路道岔扣件金屬零部件腐蝕問題，對現場抽取的Ⅱ型彈條硬度、金相組織、表面脫碳層、化學成分和表面腐蝕狀態進行測試，分析腐蝕原因。通過二氧化硫腐蝕試驗對比不同防腐工藝處理后扣件各金屬零部件宏觀和微觀形貌，比選出適宜不同金屬零部件的防腐工藝。

1 現場調研

我國高速鐵路無砟軌道普遍采用60 kg/m鋼軌18號道岔。大部分地區使用情況良好，但由于受列車荷載、環境腐蝕等因素的影響，個別地段出現了道岔扣件金屬零部件腐蝕甚至斷裂的情況。對大同—西安高速鐵路一區段道岔扣件金屬零部件使用情況進行現場調研發現，Ⅱ型彈條、T型螺栓等金屬零部件均出現不同程度腐蝕，個別Ⅱ型彈條斷裂，見圖1。

圖1 現場道岔扣件

現場積水及降雨pH值均在5～6，為典型的酸雨環境。腐蝕的Ⅱ型彈條表面浮銹中硫元素含量為0.39%，遠高于Ⅱ型彈條用60Si2Cr彈簧鋼原材料中硫元素含量容許值（≤0.02%）。由此可知，現場彈條腐蝕嚴重主要由酸雨腐蝕所致。

2 彈條質量檢測

為進一步分析現場Ⅱ型彈條斷裂和扣件金屬零部件腐蝕嚴重的原因，對現場抽取的彈條進行硬度、表面脫碳層厚度、金相組織和化學成分測試，并對彈條表面腐蝕坑狀態進行分析。

2.1 硬度、表面脫碳層厚度和金相組織測試

按TB/T 3065—2020《彈條Ⅱ型扣件》取樣和評價測試結果。彈條硬度試驗按GB/T 230.1—2018《金屬材料洛氏硬度試驗第1部分：試驗方法》進行，金相組織試驗按TB/T 2478—93《彈條金相組織評級圖》進行，總脫碳層試驗按GB/T 224—2019《鋼的脫碳層深度測定法》進行。Ⅱ型彈條硬度、表面脫碳層厚度和金相組織檢測結果見表1和圖2。

表1 型彈條硬度、脫碳層厚度和金相組織檢測結果

表1 型彈條硬度、脫碳層厚度和金相組織檢測結果

樣品編號1 2 3硬度/HRC 44 45 45脫碳層厚度/mm 0.07 0.10 0.09金相組織均勻的回火屈氏體和回火索氏體

圖2 金相組織照片

從表1和圖2可見：現場抽取的Ⅱ型彈條硬度在44～45 HRC，符合42～47 HRC的規范要求；表面脫碳層厚度在0.07～0.10 mm，滿足不大于0.20 mm的規范要求；金相組織為均勻的回火屈氏體和回火索氏體，符合規范要求。

2.2 Ⅱ型彈條化學成分分析

采用直讀光譜儀對現場抽取的Ⅱ型彈條進行化學成分分析，并與GB/T 1222—2016《彈簧鋼》中的60Si2Cr熱軋彈簧鋼對比，結果見表2。可見，現場抽取的Ⅱ型彈條化學成分符合規范要求。

表2 型彈條化學成分分析結果 %

表2 型彈條化學成分分析結果 %

化學成分C Si Mn P S Cr Ni Cu實測值0.590 1.420 0.560 0.004 0 0.800 0.010 0.020規范值0.56～0.64 1.40～1.80 0.40～0.70≤0.025≤0.020 0.70～1.00≤0.35≤0.25

2.3 腐蝕坑狀態分析

采用金相法測試的Ⅱ型彈條表面腐蝕坑深度和寬度見表3。可見，彈條表面銹蝕較嚴重，存在較明顯的腐蝕坑。

表3 型彈條表面腐蝕坑深度和寬度

表3 型彈條表面腐蝕坑深度和寬度

樣品編號1 2 3深度/mm 0.155 0.103 0.090寬度/mm 0.948 0.981 0.342

3 二氧化硫腐蝕試驗

為解決現場酸雨導致的道岔扣件金屬零部件銹蝕嚴重問題，選取合適防腐工藝，根據GB/T 9789—2008《金屬和其他無機覆蓋層通常凝露條件下的二氧化硫腐蝕試驗》對采用四種防腐工藝（滲鋅、鍍鋅、達克羅和靜電噴涂）處理的道岔扣件金屬零部件進行試驗。滲鋅是在高溫環境下將氣態、固態或熔化狀態的鋅通過擴散作用在產品表面形成鋅層的一種防腐工藝；鍍鋅是將產品浸入熔化鋅液內使產品表面形成鋅層的一種防腐工藝；達克羅是將一種由鋅粉、鋁粉、絡酸、乙二醇、去離子水及其他助劑所組成的高分散水溶性涂料涂覆在產品表面經烘烤成膜的一種防腐工藝；靜電噴涂是利用高壓靜電電場使帶有負電的涂料微粒吸附在產品表面形成保護膜的一種防腐工藝。采用不同工藝時腐蝕時長均為120 h。

3.1 腐蝕前后宏觀狀態分析

二氧化硫腐蝕前后道岔扣件金屬零部件試樣形貌見圖3，腐蝕程度見表4。由圖3和表4可見：滲鋅處理后，螺旋道釘、T型螺栓和螺母均明顯腐蝕、彈條輕微腐蝕；鍍鋅處理后，螺旋道釘、T型螺栓和螺母均明顯腐蝕，腐蝕前后顏色變化較滲鋅處理明顯；達克羅處理后，螺旋道釘和T型螺栓均輕微腐蝕；靜電噴涂處理后，螺旋道釘、T型螺栓和螺母均輕微腐蝕，腐蝕前后顏色無明顯變化。因此可知，對于不同防腐工藝處理的金屬零部件，達克羅和靜電噴涂試樣抗二氧化硫腐蝕性能優于滲鋅和鍍鋅試樣。

圖3 二氧化硫腐蝕前后金屬零部件試樣形貌對比

表4 不同防腐工藝處理后金屬零部件腐蝕程度

3.2 腐蝕后微觀形貌分析

采用光學顯微鏡對不同防腐工藝處理前后試樣截面微觀形貌進行觀察。T型螺栓試樣截面腐蝕前后微觀形貌見圖4。其中，紅色數據為防腐層厚度。可見：經120 h二氧化硫氣體腐蝕，滲鋅、鍍鋅試樣表面均殘存少量鋅層；達克羅試樣保護層不同程度膨脹，但表面較致密，未見明顯孔隙；靜電噴涂試樣表面較平整，基本未見腐蝕。這說明滲鋅、鍍鋅處理后試樣腐蝕嚴重，達克羅、靜電噴涂處理后試樣腐蝕輕微。

圖4 T型螺栓試樣截面腐蝕前后微觀形貌對比

4 結論

1）現場抽取的鐵路道岔扣件Ⅱ型彈條硬度、金相組織、表面脫碳層厚度和化學成分均符合相關規范要求。Ⅱ型彈條表面存在較深腐蝕坑，為酸雨環境所致。

2）經120 h二氧化硫腐蝕，滲鋅處理的彈條、達克羅處理的螺旋道釘和T型螺栓以及靜電噴涂處理的螺旋道釘、T型螺栓和螺母均輕微腐蝕，滿足抗二氧化硫腐蝕要求。

3）對于不同防腐工藝處理的金屬零部件，達克羅和靜電噴涂試樣抗二氧化硫腐蝕性能優于滲鋅和鍍鋅試樣。