熱滲鋅技術在軌道交通扣件防腐領域的應用研究

柴武，朱培，何衛平，劉元海，王媛媛，王小龍

（中國特種飛行器研究所結構腐蝕防護與控制航空科技重點實驗室，荊門 448035）

引言

截至2022年底，中國鐵路營業里程已經達到15.5萬公里，隨著列車速度、車輛載重以及運輸量的增加，對鐵路扣件系統的耐久性和可靠性的要求也越來越高[1]。扣件是鋼軌與軌枕之間重要的聯結零件，其在服役狀態下提供的扣壓力和減振彈性可以防止鋼軌的橫縱向移動，減緩列車運行過程中鋼軌對其下部基礎的沖擊[2]。

扣件的使用壽命對列車運營至關重要，而摩擦磨損、接觸沖擊、疲勞和腐蝕是引起扣件零部件劣化的主要因素，目前對于扣件的研究主要集中在絕緣性能[3]、疲勞性能[4]及新型扣件系統[5]的研究，對于扣件腐蝕問題的研究相對較少。

據報道，我國鐵路因腐蝕造成的直接損失達188.8億元，因腐蝕造成的安全隱患日益凸顯。由于安裝過程中的損壞和持續的雨雪侵蝕，以及隧道、涵洞等地下潮濕環境，導致扣件極易發生局部點蝕和提前失效[6]。尤其是在多雨潮濕的東南沿海地區，以及環境更為復雜惡劣的華中和西南等酸雨地區，扣件的使用壽命大大縮短[7]。扣件彈條、螺栓等金屬零部件的銹蝕會增大養護維修量，造成線路失穩，傷及動車組車體甚至危及行車安全[8]。

1 扣件腐蝕現狀

扣件腐蝕主要以縫隙腐蝕、電偶腐蝕及雜散電流腐蝕等形態存在，而相對濕度、溫度、SO2等污染物質及Cl-等腐蝕離子是造成扣件腐蝕的主要因素[9]。

沿海地區溫濕度大，且雨水中Cl-含量高。以海南為例，扣件長期處于潮濕環境中，容易發生銹蝕現象，由海南東環鐵路現場調查情況可知，扣件系統中螺栓、蓋板等均出現不同程度的銹蝕，且銹蝕情況相當嚴重[10]。受列車荷載、環境腐蝕等因素的影響，大同—西安高速鐵路個別地段也出現了如圖1所示的道岔扣件金屬零部件腐蝕甚至斷裂的情況[11]。由此可見，軌道交通扣件零部件的腐蝕是一個普遍現象。

圖1 現場道岔扣件

2 扣件防腐工藝對比

2015年，國家鐵路局發布的行業標準TB/T 3396.6-2015要求扣件系統經過300 h中性鹽霧試驗后，依然可以通過手工拆卸工具順利拆卸和安裝。因此，必須采取合適的表面處理工藝對扣件金屬零部件進行防護，以延長其使用壽命。

目前針對扣件金屬零部件的防腐方式主要有涂覆層、鍍層和化學轉化膜。其中，通過電鍍、熱浸鍍、機械鍍等工藝在工件表面形成金屬鍍層的方式應用最為普遍。從現場安裝后防腐效果來看，不同表面防腐工藝的優缺點及應用產品如表1所示[12]。

由表1可知，熱滲鋅工藝在環境保護、涂層性能等方面具有明顯優勢。鐵道部也已經頒布了針對熱滲鋅防腐工藝的標準，如在TB/T 3274-2011《鐵路混凝土梁配件多元合金共滲防腐技術條件》標準中，對于滲劑成分和滲層性能提出了具體要求（厚度≥50 μm，耐中性鹽霧性能500 h無紅銹等）。

3 扣件熱滲鋅工藝研究進展

3.1 SO2腐蝕行為研究

酸雨環境中的SO2在潮濕顆粒或水滴中會被氧化成硫酸，從而嚴重危害扣件系統的防護性和耐久性，因此為解決酸雨導致的扣件銹蝕問題，王樹國等[13]研究了熱滲鋅處理后扣件金屬零部件的耐蝕性，結果表明經過120 h二氧化硫腐蝕后，滲鋅處理的彈條未見明顯腐蝕現象，滿足抗二氧化硫腐蝕要求。張志堅等[14]以扣件彈條常用材料60Si2Mn進行熱滲鋅，研究了滲層在凝露條件下的SO2腐蝕行為。并且通過對酸雨環境下滲鋅產品的腐蝕模擬，揭示了SO2腐蝕機理——硫酸鹽穴自催化。具體反應過程如下:

3.2 連續化滲鋅工藝

工業滲鋅普遍采用的機械能助滲具有處理時間短、滲層均勻性好等優勢，但是滲鋅完成后的先降溫再升溫過程，難以滿足扣件自動化、連續化、規模化的生產要求。姜海龍等[15]在現有滲鋅工藝的基礎上發明了一種連續式滲鋅工藝，該工藝通過旋轉支撐機構實現了連續化滲鋅處理，不需反復開爐、冷卻，不會造成大量的熱量散失，能耗低，工作效率高。

針對傳統隧道式扣件彈條滲鋅工藝需要人工捆扎、拆卸彈條，滲鋅沙冷卻和加熱時能源消耗大，設備維護成本高等缺陷，陳肖越等[16]發明了一種彈條全自動連續滲鋅防腐工藝，實現了拋丸、碼放、裝爐、滲鋅、出爐、封閉及包裝的全自動化，降低了人力，通過該工藝制備的彈條滲鋅層厚度、疲勞及防腐性能均能滿足要求。

為進一步提高扣件的熱滲鋅生產效率，緊密銜接各道工序，張松琦等[17]提出了如圖2所示的兩端開口通道式熱滲鋅工藝。該工藝在滲鋅過程中增加了工件預熱和氣氛保護，其中工件預熱可以在提高滲鋅效率的同時盡量減少爐內溫度波動；氣氛保護能夠避免高溫富氧環境中鋅粉的氧化失活，確保滲鋅過程的順利進行。

圖2 通道式粉末滲鋅設備

3.3 鋅鎳合金共滲

研究表明在鋅粉中添加Al、、Gr、La等元素進行多元合金滲，能夠顯著提高滲層的耐蝕性，改善滲層的組織結構[18,19]。鎳具有優異的耐腐蝕性能，在418.5 ℃下Zn-Ni存在共晶，在較低溫度下鋅與鎳可以形成金屬間化合物，可以有效延緩鋼基體的腐蝕[20]。在石油工業中，鋅鎳滲層既能為剪切刀體提供足夠的強度和硬度，又能抗硫化氫腐蝕[21]；在鐵塔行業，鋅鎳滲層為螺栓提供了良好的抗高低溫性能、耐酸堿腐蝕性及抗磨損沖擊性能，解決了緊固件公差配合問題[22]。

徐鵬輝等[23]采用甲酸鎳作為前驅體低溫滲鋅得到了Zn-Ni合金滲層，研究表明甲酸鎳能夠促使滲層表面平整，減少滲層裂紋，含鎳鈍化膜能夠抑制Cl-的腐蝕。王榮華等[24]通過對Zn-Ni合金滲層微觀結構的研究，揭示了粒子擴散的特征，圖3所示的晶體結構示意圖表明當鋅、鎳元素超過固溶度極限時會不斷形成鋅-鎳-鐵合金新相，新相依附在鋼鐵表面生長，并且與鋼鐵基體之間充分固結形成整體金屬結構。

圖3 鋅鎳滲層的晶體學示意圖

鋅鎳合金滲層在應用過程中表現出優異的耐蝕性，如通過對海南島西環線安裝的鋅鎳滲層扣件和達克羅扣件對比，發現服役5年后鋅鎳滲層扣件未見銹蝕，而達克羅扣件全部銹蝕[25]。另外在在深圳地鐵三號線安裝的的鋅鎳滲層扣件（圖4），經過1 年多的營運未見銹蝕，而采用其它防腐技術的扣件已發生不同程度的生銹[26]。

圖4 深圳地鐵三號線防腐對照圖片，未銹道釘、彈條墊板為用鋅鎳滲層技術處理的

4 總結

相比于達克羅等表面處理技術，熱滲鋅在前處理時無需酸洗無氫脆危害，滲鋅過程溫度低不影響材料機械性能，封閉過程無有害物排放，是一種綠色環保、節能高效的先進表面處理工藝，并且滲層具有厚度可控，結合力強，且耐磨耐蝕等顯著優勢。隨著新材料新工藝的不斷研發，滲鋅技術在軌道交通領域將具有更加廣闊的應用前景。