張松琦，張遠(yuǎn)慶，金 璐

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司，北京 102206)

目前，鐵路行業(yè)內(nèi)對(duì)扣件彈條表面處理采用靜電噴粉。這種方法屬于裝飾性處理，短期內(nèi)可以防止彈條銹蝕，但因其表層材料具有硬脆性、附著力差、耐酸堿腐蝕性差、耐紫外線老化性能差等特點(diǎn)，長(zhǎng)期使用會(huì)出現(xiàn)防腐層脫落、起泡、粉化等現(xiàn)象，從而造成扣件彈條表面大面積點(diǎn)蝕。粉末滲鋅是一種固態(tài)多元熱擴(kuò)散涂層加工技術(shù)[1-2]。其原理是將滲鋅劑與扣件彈條置于滲鋅爐中，加熱到AC1溫度以下，使活性鋅原子及其他合金元素由表及里地向彈條內(nèi)部滲透，與此同時(shí)，鐵原子由內(nèi)向外擴(kuò)散，在彈條表層形成連續(xù)的Zn-Fe合金保護(hù)層(滲鋅層)[3]。從金相組織看，粉末滲鋅層中含6.0%～6.2% Fe的ε相以及含6.3%～11.5% Fe的δ相共占滲鋅層總厚度的80%，而ε相和δ相具有較高的顯微硬度，彈塑性又很好，因此這種工藝非常適合于彈條現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于粉末滲鋅基礎(chǔ)理論研究已經(jīng)進(jìn)行了幾十年[4]，但其加工制備的工藝方法仍然比較落后，基本為密封爐逐爐處理的方式。一般采用粉末裝箱滲鋅法和粉末滾動(dòng)滲鋅法2種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。這2種方法粉末滲鋅直接參與反應(yīng)的有效時(shí)間長(zhǎng)、滲透溫度高，每爐處理量與爐體本身容積有很大關(guān)系，很難滿(mǎn)足自動(dòng)化、連續(xù)化、規(guī)模化的生產(chǎn)要求。

以色列DisTek和英國(guó)Bodycote公司曾開(kāi)發(fā)過(guò)適合工業(yè)化粉末滲鋅的生產(chǎn)線[5]。該生產(chǎn)線把工件、鋅粉、各種助滲粉劑裝入每一個(gè)不銹鋼容器中，利用傳送網(wǎng)帶將每一個(gè)不銹鋼容器整齊碼放在金屬網(wǎng)帶上，通過(guò)緩慢行走的金屬網(wǎng)帶將不銹鋼容器送入加長(zhǎng)的加熱烘道內(nèi)，邊運(yùn)行邊加熱保溫。這種軌道式滾動(dòng)粉末滲鋅，看上去增加了工件的容納量，可以滿(mǎn)足批量及自動(dòng)化生產(chǎn)的產(chǎn)量要求，但究其本質(zhì)還是逐爐處理的方式，不能解決每一爐出爐后仍需經(jīng)歷爐體冷卻降溫、開(kāi)爐、分離工件與粉劑、重新裝爐再升溫的過(guò)程。這樣仍然存在能源浪費(fèi)，無(wú)效時(shí)間加長(zhǎng)，從而造成工件總處理時(shí)間延長(zhǎng)的現(xiàn)象，且工件裝、出爐頻繁，勞動(dòng)力消耗大，實(shí)質(zhì)上生產(chǎn)率并沒(méi)有大幅度提升，還會(huì)造成同一處理批次的零部件表面性能存在差異。

為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，便于與扣件彈條生產(chǎn)前后工序?qū)崿F(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，減少人工干預(yù)，縮短無(wú)效時(shí)間，節(jié)約能源，清潔作業(yè)環(huán)境，提出兩端開(kāi)口通道式粉末滲鋅工藝。

1 通道式粉末滲鋅實(shí)現(xiàn)過(guò)程

1.1 工藝流程

通道式粉末滲鋅工藝流程包括前處理、滲鋅過(guò)程、后處理3個(gè)階段。前處理和后處理與傳統(tǒng)粉末滲鋅工藝流程相同，區(qū)別在于滲鋅過(guò)程。滲鋅過(guò)程中增加了工件預(yù)熱、氣氛保護(hù)、機(jī)械助滲工藝。工件預(yù)熱是為了減少爐內(nèi)溫度擾動(dòng)，同時(shí)縮短滲鋅反應(yīng)有效時(shí)間。氣氛保護(hù)是為了控制爐內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)含量，避免在溫度升高的狀態(tài)下鋅粉迅速被氧化，失去活性，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)滲鋅過(guò)程。機(jī)械助滲采用機(jī)械拋射或者旋轉(zhuǎn)助滲，使運(yùn)動(dòng)的鋅粉粒子沖擊被加熱的彈條工件表面，鋅粉粒子的運(yùn)動(dòng)激活彈條工件表面點(diǎn)陣原子，形成空位，降低擴(kuò)散激活能，從而大幅度降低擴(kuò)散溫度，縮短擴(kuò)散時(shí)間。

1.2 滲鋅設(shè)備

通道式粉末滲鋅設(shè)備包括支撐裝置、爐膽、預(yù)熱保溫系統(tǒng)、惰性氣體填充裝置、加熱裝置、輸送系統(tǒng)、機(jī)械能助滲裝置、氣體濃度監(jiān)測(cè)裝置等。

爐膽整體呈臥式設(shè)置的圓筒狀，具有一個(gè)虛擬的旋轉(zhuǎn)軸，以該旋轉(zhuǎn)軸為中心可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置于支撐裝置。其左右兩端分別設(shè)置有工件入口和工件出口，工件入口和工件出口之間設(shè)置有滲鋅通道(通道上設(shè)置3道交錯(cuò)布置的氮?dú)夥舛颅h(huán)以防止粉塵外逸)，爐膽中部爐腔與工件入口和工件出口有圓錐過(guò)渡弧，其內(nèi)壁面設(shè)置有由工件入口向工件出口方向螺旋狀延伸的斷續(xù)內(nèi)螺旋線。內(nèi)螺旋線具有預(yù)定的螺距和高度，使得工件在滲鋅通道中處于螺旋線之間，當(dāng)爐膽以其旋轉(zhuǎn)軸為中心正向或反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，工件沿螺旋線被推向工件出口方向，借以實(shí)現(xiàn)工件在滲鋅通道中的自動(dòng)輸送。惰性氣體填充裝置的輸送口通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭與爐膽的滲鋅通道相連通，用于在滲鋅通道中形成氣體保護(hù)氛圍。工件輸送系統(tǒng)沿預(yù)定路線輸送彈條工件，其預(yù)定路線的一部分沿工件入口、通道和工件出口布置。

1.3 工藝優(yōu)點(diǎn)

通過(guò)在爐膽兩端設(shè)置工件入口和工件出口的開(kāi)放式的爐膽結(jié)構(gòu)，不僅可以實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)滲鋅的連續(xù)生產(chǎn)，而且惰性氣體保護(hù)環(huán)境還保證了鋅粉不被大量氧化以及工藝過(guò)程的安全性。同時(shí)，由于無(wú)需逐爐處理，可以省去每爐升溫、降溫所耗費(fèi)的大量時(shí)間和人力，顯著提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源和人工，避免浪費(fèi)。此外，連續(xù)式生產(chǎn)還有利于保證產(chǎn)品品質(zhì)的均一性。

1.4 配方組成

待處理彈條樣品為WJ-7型扣件系統(tǒng)中W1型彈條，樣品數(shù)量約為100根。處理目標(biāo)是滲鋅層厚度達(dá)到100 μm(采用HCC-18型磁阻法測(cè)厚儀測(cè)量)。當(dāng)滲鋅設(shè)備由密閉式改為通道式后，由于氧氣的進(jìn)入以及微粉塵的散逸等多種原因，滲鋅劑的配比會(huì)有所不同。配方設(shè)計(jì)是在傳統(tǒng)密閉式滲鋅工藝經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)上進(jìn)行微調(diào)。具體配方為：純度99.2%供鋅劑200目電解鋅粉，重量3.5 kg，占滲鋅劑中除石英砂外物質(zhì)質(zhì)量的97.57%;氯化銨(NH4Cl)60 g,占滲鋅劑質(zhì)量的0.11%;稀土氧化鈰(CeO2)65 g,占滲鋅劑質(zhì)量的0.12%;石英砂50 kg;月桂醇硫酸鈉及氯化鎂12 g,占滲鋅劑質(zhì)量的0.02%。

2 通道式粉末滲鋅工藝參數(shù)研究

采用優(yōu)化設(shè)計(jì)加工制造的通道式滲鋅試驗(yàn)設(shè)備和配方進(jìn)行了試驗(yàn)，研究不同工藝參數(shù)條件下粉末滲鋅的效果。評(píng)價(jià)指標(biāo)采用滲鋅層的厚度。主要探討滲鋅溫度、保溫時(shí)間、升溫速率、爐內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)、滲鋅通道長(zhǎng)徑比等因素對(duì)滲鋅層厚度的影響。

2.1 滲鋅溫度對(duì)滲鋅層厚度的影響

試驗(yàn)設(shè)備：兩端開(kāi)口、直徑90 mm、長(zhǎng)度3.5 m的RHZ-45-5通道式滲鋅爐。

檢測(cè)儀器：HCC-18型磁阻法測(cè)厚儀、Axio Vert.A1金相顯微鏡。

氣氛控制：氮?dú)夥雷o(hù)，流量 6 000 L/h，供氣壓力0.4 MPa。

工藝參數(shù)：初始溫度為室溫，設(shè)定溫度分別為360，375，380，385，390，405，415 ℃;實(shí)際加熱時(shí)間100～105 min，實(shí)際保溫時(shí)間160～170 min;設(shè)定功率因數(shù)0.85;爐體轉(zhuǎn)速3 r/min。

不同滲鋅溫度下滲鋅層形貌見(jiàn)圖1，處理后彈條滲鋅層厚度與滲鋅溫度關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。

圖1 不同滲鋅溫度下滲鋅層形貌

圖2 處理后彈條滲鋅層厚度與滲鋅溫度關(guān)系曲線

滲鋅層是依靠鋅鐵原子互擴(kuò)散形成的合金層。由擴(kuò)散原理可知：溫度升高可顯著地提高原子擴(kuò)散系數(shù)，使原子的擴(kuò)散速度增大，同時(shí)也提高了點(diǎn)陣原子的熱振動(dòng)，使原子偏離平衡位置的概率增加，空位數(shù)量增加，空位的形成可充當(dāng)原子擴(kuò)散的通道，使擴(kuò)散過(guò)程能夠順利進(jìn)行，進(jìn)而使?jié)B鋅層厚度增加。由圖2中可看出，滲鋅層的厚度隨著溫度的升高而增加，滲鋅溫度達(dá)到390 ℃時(shí)，滲鋅層的厚度就大于100 μm了，該厚度為過(guò)渡層厚度+實(shí)際滲鋅層厚度。

2.2 保溫時(shí)間對(duì)滲鋅層厚度的影響

保溫時(shí)間是影響滲鋅工藝的一個(gè)主要因素。一般保溫時(shí)間越長(zhǎng)滲鋅層厚度越大。但隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)試樣表面活性鋅含量在保溫一段時(shí)間后將達(dá)到飽和狀態(tài)，濃度梯度也會(huì)因擴(kuò)散而逐漸減小，即使保溫時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)滲鋅層厚度也不會(huì)明顯增加。因此，保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成能源浪費(fèi)較大。

工藝參數(shù)：初始溫度為室溫，設(shè)定溫度390 ℃，實(shí)際加熱時(shí)間100～105 min，實(shí)際保溫時(shí)間分別為95,120,154,175,200,210,240 min，設(shè)定功率因數(shù)0.85，爐體轉(zhuǎn)速3 r/min。其余試驗(yàn)條件同上節(jié)。

圖3為滲鋅層厚度與保溫時(shí)間的關(guān)系曲線。由圖可知，保溫時(shí)間分別為1.5,2.0,2.5,3.0,3.5 h時(shí)，對(duì)應(yīng)的滲鋅層厚度分別為34.6,53.3,88.2,100.6,103.6 μm?？傮w來(lái)說(shuō)滲鋅層厚度隨保溫時(shí)間的增加呈現(xiàn)先迅速增大后趨于平緩的勢(shì)態(tài)。由擬合結(jié)果可知，滲鋅層厚度與保溫時(shí)間呈拋物線關(guān)系。

圖3 滲鋅層厚度與保溫時(shí)間的關(guān)系曲線

圖4為不同保溫時(shí)間下滲鋅層形貌?？梢钥闯觯貢r(shí)間過(guò)短時(shí)沿彈條直徑方向形成的滲鋅層薄而且呈斷續(xù)狀，保溫時(shí)間達(dá)到約150 min時(shí)形成的滲鋅層厚度均勻一致。

圖4 不同保溫時(shí)間下滲鋅層形貌

2.3 升溫速率對(duì)滲鋅層厚度的影響

通道式滲鋅設(shè)備中功率因數(shù)的大小反映了升溫速率的快慢。試驗(yàn)過(guò)程中滲鋅溫度設(shè)定為400 ℃，功率因數(shù)分別調(diào)整為0.60,0.70,0.75,0.80,0.85。該設(shè)備在常用情況下功率因數(shù)取值不允許超過(guò)0.9，否則在設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間工作過(guò)程中，電氣元件處于長(zhǎng)時(shí)間過(guò)熱狀態(tài)，會(huì)造成短路等安全事故。

圖5是滲鋅層厚度與功率因數(shù)的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著功率因數(shù)的增大滲鋅層厚度增加。原因是總處理時(shí)間未變的情況下，功率因數(shù)加大導(dǎo)致升溫速率加快，升溫時(shí)間縮短，相當(dāng)于延長(zhǎng)了保溫時(shí)間，故滲鋅層厚度會(huì)增加。當(dāng)功率因數(shù)設(shè)置為0.85時(shí)，據(jù)試驗(yàn)觀察與計(jì)時(shí)推算，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)滲鋅溫度的時(shí)間約為95～100 min，在總處理時(shí)間為260 min的前提下，保溫時(shí)間相當(dāng)于160～165 min；當(dāng)功率因數(shù)設(shè)置為0.6時(shí)，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)滲鋅溫度的時(shí)間約為175～190 min，在總處理時(shí)間為260 min的前提下，保溫時(shí)間相當(dāng)于70～85 min。

圖5 滲鋅層厚度與升溫速率關(guān)系

當(dāng)功率因數(shù)為0.6時(shí)，隨機(jī)抽取一根彈條，其在金相顯微鏡下滲鋅層形貌見(jiàn)圖6。基本沒(méi)有形成滲鋅層，沿圓周方向很多位置斷續(xù)。

圖6 功率因數(shù)0.6時(shí)滲鋅層形貌

2.4 爐內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)滲鋅層厚度的影響

氧氣體積分?jǐn)?shù)是影響滲鋅層厚度的一個(gè)主要因素。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)采用密閉式容器進(jìn)行工件的滲鋅處理，部分還設(shè)置有抽真空裝置，其滲鋅過(guò)程中爐膽內(nèi)環(huán)境含氧量很低。本文設(shè)計(jì)初衷是形成連續(xù)式自動(dòng)化生產(chǎn)線，這樣就要求滲鋅設(shè)備的兩端必開(kāi)口，留有出入口通道，因此在滲鋅過(guò)程中必須控制滲鋅爐膽內(nèi)反應(yīng)環(huán)境的氧氣體積分?jǐn)?shù)，否則會(huì)因?yàn)殇\元素的活潑性，造成鋅粉在一定加熱溫度下迅速與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氧化鋅，從而失去活性。因此需要向滲鋅新設(shè)備的內(nèi)部填充惰性氣體或其他保護(hù)性氣體用以形成氣體保護(hù)氛圍，維持滲鋅環(huán)境。本研究中爐膽內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)通過(guò)調(diào)節(jié)氮?dú)馄繅毫σ约皾B鋅爐兩側(cè)流量計(jì)進(jìn)行控制。

爐膽內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)、流量計(jì)流量以及滲鋅層厚度見(jiàn)表1。

表1 氧氣體積分?jǐn)?shù)、流量計(jì)流量與滲鋅層厚度測(cè)試數(shù)值

圖7是爐膽內(nèi)滲鋅層厚度與氧氣體積分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線。可以看出：當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)大于等于4.1%時(shí)，不可能形成滲鋅層(圖片顯示的滲鋅層厚度是測(cè)厚儀檢測(cè)的，而采用金相顯微鏡檢測(cè)厚度基本為0)，氧氣體積分?jǐn)?shù)為2.2%時(shí)，測(cè)厚儀檢測(cè)的約80 μm，此時(shí)實(shí)際滲鋅層厚度約50～60 μm；當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)在2.2%～3.0%時(shí)，測(cè)厚儀檢測(cè)的滲鋅層厚度約30～60 μm，此時(shí)在滲鋅形成的邊界范圍，實(shí)際滲鋅層很薄而且沿圓周方向斷續(xù)，如圖8所示。

圖7 爐膽內(nèi)滲鋅層厚度與氧氣體積分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線

圖8 爐膽內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)在2.5%～3.1%時(shí)滲鋅層形貌

2.5 滲鋅通道長(zhǎng)徑比對(duì)滲鋅層厚度的影響

試驗(yàn)過(guò)程中為了防止鋅粉逃逸，在通道式滲鋅爐出入口通道與爐膽交界處設(shè)置里層耐高溫防塵簾，此外，在滲鋅通道入口與出口處設(shè)置外層耐高溫防塵簾(2種門(mén)簾方式不同)，且在2層門(mén)簾之間加裝3道氮?dú)夥雷o(hù)環(huán)(見(jiàn)圖9)。防護(hù)環(huán)形成風(fēng)幕，避免內(nèi)外冷熱空氣形成大的對(duì)流，造成擾動(dòng)。防護(hù)環(huán)還可以有效阻擋加熱后鋅粉以及磨碎后石英砂粉塵的外逸。

圖9 氮?dú)夥雷o(hù)環(huán)

滲鋅爐開(kāi)口直徑90 mm時(shí)W1型彈條豎放勉強(qiáng)能夠放入，故需要將開(kāi)口直徑加大。針對(duì)滲鋅通道出入口直徑與長(zhǎng)度進(jìn)行了2組試驗(yàn)：①將現(xiàn)有通道出入口直徑90 mm、長(zhǎng)度3.5 m一步步截短，分別截短至3.0，2.7，2.3，2.0，1.6 m進(jìn)行試驗(yàn)，流量為4 000 L/h;②更換現(xiàn)有出入口通道，將開(kāi)口直徑變?yōu)?25 mm，長(zhǎng)度為3.5 m，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)后在3.5 m基礎(chǔ)上一步步截短，分別截短至3.3,3.1,2.8,2.4 m進(jìn)行試驗(yàn),流量為6 000 L/h。2種通道直徑下滲鋅層厚度與通道長(zhǎng)度關(guān)系曲線見(jiàn)圖10。

圖10 2種通道直徑下滲鋅層厚度與通道長(zhǎng)度關(guān)系曲線

由圖10可知：當(dāng)滲鋅通道直徑為90 mm時(shí)，爐內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)始終控制在1.5%及以下，此時(shí)通道長(zhǎng)度縮短至2.0 m以下則無(wú)法完成滲鋅過(guò)程。試驗(yàn)過(guò)程中可以看到，當(dāng)通道長(zhǎng)度低于該數(shù)值時(shí)，沿通道兩側(cè)開(kāi)始外逸粉塵，試驗(yàn)結(jié)束后兩側(cè)通道內(nèi)發(fā)現(xiàn)留有部分白灰色粉末。通道長(zhǎng)度小于2.0 m后滲鋅失敗的原因可能是通道太短，鋅粉在中部氮?dú)馀c旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)雙重作用下大部分從兩側(cè)端口飛逸。當(dāng)通道直徑為125 mm時(shí)，爐內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)最高至2.3%，大部分時(shí)候控制在1.8%以下，此時(shí)若通道長(zhǎng)度縮短至2.8 m以下則無(wú)法完成滲鋅過(guò)程。當(dāng)通道長(zhǎng)度低于該數(shù)值時(shí)，沿通道兩側(cè)開(kāi)始大量外逸粉塵，外逸程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直徑為90 mm時(shí)。試驗(yàn)結(jié)束后兩側(cè)通道內(nèi)發(fā)現(xiàn)留有大部分白灰色粉末，開(kāi)口增大后要想保持爐內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)則氮?dú)饬髁宽毭黠@加大，試驗(yàn)中已達(dá)到流量計(jì)最大值。

2組試驗(yàn)表明：通道開(kāi)口直徑為90 mm時(shí)，通道長(zhǎng)度大于2.0 m時(shí)能夠完成滲鋅過(guò)程;通道開(kāi)口直徑為125 mm，通道長(zhǎng)度大于2.8 m時(shí)能夠完成滲鋅過(guò)程。兩者長(zhǎng)度與直徑的最佳比值至少在22左右。

3 結(jié)論

1)粉末滲鋅設(shè)備兩端形成開(kāi)放性出入口通道后，配方與以往密閉式滲鋅爐處理時(shí)相比發(fā)生了變化，組分中鋅含量、NH4Cl和CeO2含量均有不同程度的增加，石英砂含量大幅度減少，添加了微量表面活性劑與分散劑。

2)當(dāng)保溫時(shí)間一定時(shí)，彈條表面滲鋅層厚度與滲鋅溫度呈線性增長(zhǎng)；保溫溫度一定時(shí)，滲鋅層厚度與保溫時(shí)間呈拋物線關(guān)系增長(zhǎng)；在滲鋅總時(shí)間不變的情況下，升溫速率越快(功率因數(shù)越大)滲鋅層厚度越厚。

3)通道式滲鋅設(shè)備爐膽內(nèi)必須進(jìn)行惰性氣體或保護(hù)性氣體的防護(hù)，以防止鋅粉失去活性，爐膽內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)控制在2.2%及以下時(shí)，可以構(gòu)成開(kāi)放式滲鋅的理想環(huán)境，大于該數(shù)值時(shí)，無(wú)法完成滲鋅過(guò)程。

4)通道式滲鋅設(shè)備出入口通道長(zhǎng)度與直徑比大于等于22時(shí)，可以順利完成滲鋅，小于該數(shù)值時(shí)，則會(huì)因?yàn)殇\粉飛逸以及鋅粉氧化等原因造成滲鋅失敗。