王樹國 孫林林 張立軍 劉光孟

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.鐵科（北京）軌道裝備技術(shù)有限公司，北京 102202

道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件眾多，是影響高速鐵路安全運(yùn)營的薄弱設(shè)備之一［1］。我國高速鐵路道岔總體使用狀態(tài)良好，但也暴露出一些問題。如部分區(qū)段出現(xiàn)關(guān)鍵金屬零部件腐蝕甚至失效的情況，在沿海和酸雨地區(qū)鐵路道岔扣件關(guān)鍵金屬零部件腐蝕情況更嚴(yán)重。關(guān)鍵金屬零部件的腐蝕及其導(dǎo)致的失效會影響道岔的可靠性和使用壽命，增大養(yǎng)護(hù)維修量，甚至危及行車安全。

針對鐵路行業(yè)中出現(xiàn)的金屬零部件腐蝕問題，國內(nèi)外學(xué)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(fā)現(xiàn)，表面腐蝕坑引起的應(yīng)力集中是導(dǎo)致彈條斷裂的主要原因。張松琦等［3］通過試驗(yàn)研究彈條滲鋅處理后密封罐內(nèi)部溫度與滲鋅時間的關(guān)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(shù)在道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備上的應(yīng)用進(jìn)行了探討。張小兵［5］通過室內(nèi)外試驗(yàn)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(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)和形貌分析發(fā)現(xiàn)，腐蝕是產(chǎn)生斷裂的主要原因，建議嚴(yán)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(jié)果表明，隨著鉻含量增加，彈簧鋼抗腐蝕性能逐漸增強(qiáng)；加入釩元素后彈簧鋼抗腐蝕性能減弱。

本文針對現(xiàn)場出現(xiàn)的高速鐵路道岔扣件金屬零部件腐蝕問題，對現(xiàn)場抽取的Ⅱ型彈條硬度、金相組織、表面脫碳層、化學(xué)成分和表面腐蝕狀態(tài)進(jìn)行測試，分析腐蝕原因。通過二氧化硫腐蝕試驗(yàn)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(xiàn)場調(diào)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(qū)使用情況良好，但由于受列車荷載、環(huán)境腐蝕等因素的影響，個別地段出現(xiàn)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(qū)段道岔扣件金屬零部件使用情況進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，Ⅱ型彈條、T型螺栓等金屬零部件均出現(xiàn)不同程度腐蝕，個別Ⅱ型彈條斷裂，見圖1。

圖1 現(xiàn)場道岔扣件

現(xiàn)場積水及降雨pH值均在5～6，為典型的酸雨環(huán)境。腐蝕的Ⅱ型彈條表面浮銹中硫元素含量為0.39%，遠(yuǎn)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(xiàn)場彈條腐蝕嚴(yán)重主要由酸雨腐蝕所致。

2 彈條質(zhì)量檢測

為進(jìn)一步分析現(xiàn)場Ⅱ型彈條斷裂和扣件金屬零部件腐蝕嚴(yán)重的原因，對現(xiàn)場抽取的彈條進(jìn)行硬度、表面脫碳層厚度、金相組織和化學(xué)成分測試，并對彈條表面腐蝕坑狀態(tài)進(jìn)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(jié)果。彈條硬度試驗(yàn)按GB/T 230.1—2018《金屬材料洛氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》進(jìn)行，金相組織試驗(yàn)按TB/T 2478—93《彈條金相組織評級圖》進(jìn)行，總脫碳層試驗(yàn)按GB/T 224—2019《鋼的脫碳層深度測定法》進(jìn)行。Ⅱ型彈條硬度、表面脫碳層厚度和金相組織檢測結(jié)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(jié)果

表1 型彈條硬度、脫碳層厚度和金相組織檢測結(jié)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(xiàn)場抽取的Ⅱ型彈條硬度在44～45 HRC，符合42～47 HRC的規(guī)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(guī)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(guī)范要求。

2.2 Ⅱ型彈條化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對現(xiàn)場抽取的Ⅱ型彈條進(jìn)行化學(xué)成分分析，并與GB/T 1222—2016《彈簧鋼》中的60Si2Cr熱軋彈簧鋼對比，結(jié)果見表2?？梢?，現(xiàn)場抽取的Ⅱ型彈條化學(xué)成分符合規(guī)范要求。

表2 型彈條化學(xué)成分分析結(jié)果 %

表2 型彈條化學(xué)成分分析結(jié)果 %

化學(xué)成分C Si Mn P S Cr Ni Cu實(shí)測值0.590 1.420 0.560 0.004 0 0.800 0.010 0.020規(guī)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(tài)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?？梢?，彈條表面銹蝕較嚴(yán)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(yàn)

為解決現(xiàn)場酸雨導(dǎo)致的道岔扣件金屬零部件銹蝕嚴(yán)重問題，選取合適防腐工藝，根據(jù)GB/T 9789—2008《金屬和其他無機(jī)覆蓋層通常凝露條件下的二氧化硫腐蝕試驗(yàn)》對采用四種防腐工藝（滲鋅、鍍鋅、達(dá)克羅和靜電噴涂）處理的道岔扣件金屬零部件進(jìn)行試驗(yàn)。滲鋅是在高溫環(huán)境下將氣態(tài)、固態(tài)或熔化狀態(tài)的鋅通過擴(kuò)散作用在產(chǎn)品表面形成鋅層的一種防腐工藝；鍍鋅是將產(chǎn)品浸入熔化鋅液內(nèi)使產(chǎn)品表面形成鋅層的一種防腐工藝；達(dá)克羅是將一種由鋅粉、鋁粉、絡(luò)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(chǎn)品表面經(jīng)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(fù)電的涂料微粒吸附在產(chǎn)品表面形成保護(hù)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(tài)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(dá)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(dá)克羅和靜電噴涂試樣抗二氧化硫腐蝕性能優(yōu)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(xué)顯微鏡對不同防腐工藝處理前后試樣截面微觀形貌進(jìn)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(shù)據(jù)為防腐層厚度。可見：經(jīng)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(dá)克羅試樣保護(hù)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(yán)重，達(dá)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(jié)論

1）現(xiàn)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(xué)成分均符合相關(guān)規(guī)范要求。Ⅱ型彈條表面存在較深腐蝕坑，為酸雨環(huán)境所致。

2）經(jīng)120 h二氧化硫腐蝕，滲鋅處理的彈條、達(dá)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(dá)克羅和靜電噴涂試樣抗二氧化硫腐蝕性能優(yōu)于滲鋅和鍍鋅試樣。