李瑞平

摘 要：高鐵及其鐵軌鋼構(gòu)件的技術(shù)創(chuàng)新和快速發(fā)展推動(dòng)了高鐵走向世界并改變世界。然而，高鐵在使用過(guò)程中因長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境中，其鐵軌上的零部件易受到不同程度的腐蝕，進(jìn)而縮短了高鐵的使用壽命，埋下了安全隱患。因此，高鐵鐵軌所用的零部件必須具備較強(qiáng)的防腐性能。介紹了金屬防腐技術(shù)的種類及特點(diǎn)，闡述了高鐵金屬構(gòu)件防腐工藝的發(fā)展現(xiàn)狀，并著重介紹了多元合金共滲技術(shù)原理、工藝以及技術(shù)瓶頸。

關(guān)鍵詞：耐腐蝕材料；鐵路；多元合金共滲；金屬防腐技術(shù)

中圖分類號(hào)：TG711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.139

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類文明不斷進(jìn)步，但大規(guī)模的工業(yè)化也給人類賴以生存的環(huán)境造成了一定程度的破壞。類似酸雨等自然現(xiàn)象對(duì)環(huán)境具有破壞性的腐蝕能力。腐蝕不僅消耗了人們生活中不可缺少的自然資源，而且嚴(yán)重破壞了自然環(huán)境及工業(yè)生產(chǎn)的正常運(yùn)行，腐蝕造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的環(huán)境污染已成為影響現(xiàn)代社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界每年因腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約為7 000億美元，是地震、水災(zāi)、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害總和的6倍；我國(guó)每年為腐蝕支付的直接與間接費(fèi)用總和達(dá)5 000億元，約占GDP的5%以上。

1 金屬防腐技術(shù)

金屬材料的腐蝕和防護(hù)是當(dāng)今世界面臨的迫切需要解決的問(wèn)題。金屬防腐的方法有很多，具體分為以下4種。

1.1 添加耐腐蝕材料

在制造金屬零件的過(guò)程中，添加不易與周圍介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的耐腐蝕材料。比如添加鉻、鎳鈦等在空氣中不易氧化，能生成致密的印化溥膜，可以抵抗酸、堿、鹽等的腐蝕，將其加入到鐵或銅中，可制成防腐蝕性優(yōu)異的金屬制品。利于金屬粉末冶金可對(duì)各種金屬元素進(jìn)行靈活配比，利用添加不同性能的金屬粉末來(lái)獲得防腐蝕性能優(yōu)異的金屬零件。鐵碳合金等金屬材料還可通過(guò)采用熱處理方法來(lái)防止腐蝕。

1.2 采用涂層金屬防腐法

涂層法包括三大類，即涂覆和噴涂、鍍層、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜。在金屬表面上制成保護(hù)層可隔開(kāi)金屬與腐蝕介質(zhì)的接觸，從而減少腐蝕。

涂覆是將有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物涂覆在金屬表面，常用的方法是涂漆和塑料涂層。噴涂是通過(guò)噴槍或碟式霧化器，借助壓力或離心力將有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物分散成均勻、微細(xì)的霧滴，施涂于被涂物表面的涂裝方法，主要為分電弧噴涂、等離子噴涂、靜電噴涂、手工噴涂等。

金屬鍍層是一種利用金屬粉末在工件表面形成鍍層的工藝，主要包括電鍍、熱鍍、噴鍍、滲鍍、化學(xué)鍍、機(jī)械鍍、真空鍍等。

化學(xué)轉(zhuǎn)變膜是采用化學(xué)或電化學(xué)方法使金屬表面形成穩(wěn)定的化合物膜層，根據(jù)成膜時(shí)所采用的介質(zhì)，可將化學(xué)轉(zhuǎn)化膜分為氧化物膜、磷酸鹽膜、鉻酸鹽膜等。

根據(jù)構(gòu)成涂層法保護(hù)層的物質(zhì)，可將其分為2類：①非金屬保護(hù)層。比如油漆、塑料、玻璃鋼、橡膠、瀝青、搪瓷、混凝土、琺瑯、防銹油等。②金屬保護(hù)層。在金屬表面鍍上一種金屬或合金，作為保護(hù)層，以減慢腐蝕速度。用作保護(hù)層的金屬通常有鋅、錫、鋁、鎳、鉻、銅、鎘、鈦、鉛、金、銀、鈀、銠及各種合金等。

1.3 處理腐蝕介質(zhì)

處理腐蝕介質(zhì)就是改變腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)，降低或消除介質(zhì)中的有害成分，以防止腐蝕。這種方法只能在腐蝕介質(zhì)數(shù)量有限的條件下進(jìn)行，對(duì)充滿空間的大氣是無(wú)法處理的。處理腐蝕介質(zhì)一般分以下2類：①去掉介質(zhì)中的有害成分，改善介質(zhì)性質(zhì)。比如在熱處理爐中通過(guò)保護(hù)氣體以防止氧化，在酸性土壤中摻入石灰進(jìn)行中和，防止土壤腐蝕等。②在腐蝕介質(zhì)中加入緩蝕劑。在腐蝕介質(zhì)中加入少量的緩蝕劑可使金屬腐蝕的速度大大減慢，此種物質(zhì)稱為緩蝕劑或腐蝕抑制劑。比如在自來(lái)水系統(tǒng)中加入定的苛性鈉或石灰，以去除水中過(guò)多的一氧化碳，防止水管腐蝕，在鋼鐵酸洗溶液中加緩蝕劑，以抑制過(guò)酸洗和氫脆性等。

1.4 電化學(xué)保護(hù)金屬防腐法

用直流電改變被保護(hù)的金屬電位，從而使腐蝕減緩或停止的保護(hù)法稱為電化學(xué)保護(hù)。這類保護(hù)方法主要有外電源陰極保護(hù)法、保護(hù)器保護(hù)法和陽(yáng)極保護(hù)法三種。

2 高鐵鐵軌金屬構(gòu)件防腐

自2013年開(kāi)始，我國(guó)高鐵憑借高速、高安全和高性價(jià)比的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，逐漸走向世界和改變世界，甚至已成為21世紀(jì)群雄逐鹿的標(biāo)志。然而，高鐵在使用過(guò)程中，由于鐵軌上的零部件長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境中，承受著日曬雨淋，機(jī)械振動(dòng)、沖擊、磨損以及野外高溫、高寒、高濕等惡劣氣候環(huán)境等破壞，因此，其防腐工作顯得尤其重要。鐵軌金屬構(gòu)件的防腐直接影響著列車的運(yùn)行安全。此外，鋼構(gòu)件在生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中易生銹，施工連接時(shí)難以配合，且生銹后耐用性差，即使采用表面涂防銹油的方法也難以在惡劣的戶外條件下長(zhǎng)時(shí)間維持鋼構(gòu)件的防銹性能，傳統(tǒng)的電鍍、單一的鋅鉻涂層等工藝都難以滿足鋼鐵制件的使用要求。

為了防止腐蝕對(duì)金屬構(gòu)件造成的損害，延長(zhǎng)鋼鐵材料和設(shè)備的使用壽命，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)防腐技術(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)期研究和工業(yè)化開(kāi)發(fā)。其中，涂層防腐技術(shù)在金屬構(gòu)件防護(hù)中被廣泛應(yīng)用，包括熱浸鍍鋅或鋁等涂層、鋅及鋁等擴(kuò)散涂層、電鍍鋅及其合金涂層和化學(xué)轉(zhuǎn)化涂層、電鍍鋅（離子鍍或離子注入等）、冷鍍鋅（機(jī)械鍍、化學(xué)鍍、涂刷鍍等）及熱鍍鋅涂層、達(dá)克羅防腐涂層、粉末真空多元合金共滲等防腐技術(shù)。

隨著防腐技術(shù)的不斷發(fā)展，涂層防腐技術(shù)不斷推陳出新，不僅要求涂層的防腐性能好，更要注重涂層工藝對(duì)環(huán)境的二次污染問(wèn)題。由于熱浸鍍鋅存在鋅廢料和鋅蒸汽等污染，電鍍鋅法有“三廢”排放，進(jìn)而被淘汰；達(dá)克羅（DACROMET）即片狀鋅基鉻鹽防護(hù)涂層因存在“六價(jià)鉻”，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，目前，國(guó)外已限制達(dá)克羅涂層的工業(yè)應(yīng)用。

我國(guó)武漢材料保護(hù)研究所于20世紀(jì)60年代就開(kāi)展了對(duì)粉末滲鋅工藝的研究；北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院于1984年開(kāi)始對(duì)粉末滲鋅工藝進(jìn)行探索性試驗(yàn)研究，1986—1988年實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，開(kāi)發(fā)出粉末滲鋅成套設(shè)備和粉末滲鋅產(chǎn)品等國(guó)家專利，為在國(guó)內(nèi)全面推廣這項(xiàng)新工藝提供了技術(shù)基礎(chǔ)。而多元合金共滲技術(shù)是在粉末滲鋅和真空滲鋅的基礎(chǔ)上發(fā)展和創(chuàng)新出來(lái)的最新的防腐處理技術(shù)，是目前金屬構(gòu)件防腐的熱門技術(shù)。

3 多元合金共滲技術(shù)

3.1 多元合金共滲技術(shù)的原理

鋼鐵制件的多元合金共滲過(guò)程實(shí)際上是多種金屬元素與鐵元素之間的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)的過(guò)程，取決于各金屬元素與鐵元素的相平衡信息和擴(kuò)散路徑。多元合金共滲的技術(shù)原理是利用物理、化學(xué)吸附沉積和機(jī)械碰撞使多元金屬粉在工件表面形成鍍層。由于其他金屬元素的引入，使?jié)B層由類似多種合金組成，從而提高滲層的防銹性能。由于采用了以鋅粉、鋁粉、稀土金屬等材料為主要組分，其中的金屬元素達(dá)到了3個(gè)以上，所以稱為多元滲劑。而將采用多元滲劑進(jìn)行浸滲處理稱為多元合金共滲。其共滲過(guò)程是將多元微納米滲鋅劑與鋼鐵制件置于真空滲鋅爐中，加熱到350～420 ℃，多元活性鋅等金屬原子則由表及里地向鋼鐵制件滲透。同時(shí)，鐵元素由內(nèi)向外擴(kuò)散，在鋼鐵制件的表層形成鋅-鐵多元金屬間化合物，即多元鍍鋅層。這種鍍層與其他鋅鍍層相比，具有結(jié)合強(qiáng)度高、鍍層硬度高、無(wú)氫脆危害、鍍層厚度均勻性好、工藝簡(jiǎn)單、節(jié)省原料等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 多元合金共滲裝置及工藝

多元合金共滲的發(fā)生裝置是共滲爐，主要由爐膽（裝料筒）、爐體（加熱體）、電機(jī)、底座、支撐架、滾筒、控制系統(tǒng)、定位裝置和外部降塵部件組成，其外觀如圖1所示。

多元合金共滲技術(shù)主要包括下料、機(jī)加工、除油，拋丸、多遠(yuǎn)合金共滲等多種工藝，其工藝流程如圖2所示。

3.2.1 下料

利用火焰切割、等離子切割或沖裁等方式將鋼板切割成需要的坯料。

3.2.2 機(jī)加工

將鋼坯料通過(guò)機(jī)械加工、拼焊和清理，制成鋼鐵制件。

3.2.3 除油

對(duì)鋼鐵制件進(jìn)行表面除油處理，目的是獲得良好的多元合金共滲層質(zhì)量。

3.2.4 拋丸

將直徑在0.5～2.0 mm的鑄鐵丸子在0.2～0.4 MPa壓縮空氣的作用下拋向鋼鐵制件表面，目的是除銹并降低鋼鐵制件表面粗糙度，以獲得良好的表面質(zhì)量。

3.2.5 多元合金共滲

在滲鋅爐中，將鋼鐵金屬制件埋在滲鋅劑中，控制爐膛裝填量為70%～75%，爐膛轉(zhuǎn)速為2～3.8 r/min，滲鋅溫度400～480 ℃。

3.2.6 檢測(cè)

對(duì)合金共滲層的厚度、硬度、抗腐蝕性能進(jìn)行檢測(cè)。

3.2.7 封閉

對(duì)檢驗(yàn)合格的多元合金共滲鋼鐵制件通過(guò)噴漆或鈍化進(jìn)行表面封閉處理，提高鋼鐵制件的耐腐蝕性能。

3.2.8 檢測(cè)

對(duì)封閉處理后的鋼鐵制件按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行全面檢驗(yàn)。

3.2.8 包裝

對(duì)終檢合格的鋼鐵制件（產(chǎn)品）進(jìn)行包裝。

3.3 多元合金共滲的技術(shù)瓶頸

雖然多元合金共滲防腐技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，但在工業(yè)化生產(chǎn)中，仍然存在以下瓶頸和亟待解決的技術(shù)問(wèn)題：①現(xiàn)有多元合金共滲層配方鋅粉用量大、成本高。需要對(duì)鐵路混泥土鋼鐵制件的使用環(huán)境設(shè)計(jì)多元合金共滲層配方和封閉涂層配方，以延長(zhǎng)使用壽命，并降低鋅粉用量。②現(xiàn)有多元合金共滲過(guò)程加熱保溫周期長(zhǎng)、能耗大。整個(gè)滲鋅過(guò)程中從加熱到保溫至少需要4.5 h，生產(chǎn)效率低。③滲鋅爐滲鋅完成后，取出金屬構(gòu)件時(shí)的粉塵較大，既污染環(huán)境，又影響生產(chǎn)工人的身體健康，靠自然降塵需要等待3 h左右，降低了生產(chǎn)效率。④在現(xiàn)有滲鋅爐的滲鋅過(guò)程中，易導(dǎo)致金屬構(gòu)件滾動(dòng)、碰撞，造成金屬構(gòu)件如螺栓牙紋損壞，成品合格率低，生產(chǎn)成本進(jìn)一步加大。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，高鐵、地鐵、橋梁等交通基礎(chǔ)建設(shè)所需的大量緊固件和連接件等金屬構(gòu)件要求按新標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)。由于高速鐵路、地鐵和橋梁有其自身的特點(diǎn)和使用環(huán)境，對(duì)金屬材料的防腐性能要求高。為了滿足高鐵、地鐵和橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需要，金屬防腐技術(shù)仍需深入研究。多元合金共滲技術(shù)只有解決其在生產(chǎn)實(shí)踐中存在的問(wèn)題，才能進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。

〔編輯：張思楠〕