金属构件多元合金共渗技术

李瑞平

摘 要：高铁及其铁轨钢构件的技术创新和快速发展推动了高铁走向世界并改变世界。然而，高铁在使用过程中因长期暴露在自然环境中，其铁轨上的零部件易受到不同程度的腐蚀，进而缩短了高铁的使用寿命，埋下了安全隐患。因此，高铁铁轨所用的零部件必须具备较强的防腐性能。介绍了金属防腐技术的种类及特点，阐述了高铁金属构件防腐工艺的发展现状，并着重介绍了多元合金共渗技术原理、工艺以及技术瓶颈。

关键词：耐腐蚀材料；铁路；多元合金共渗；金属防腐技术

中图分类号：TG711 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.139

随着社会经济的快速发展，人类文明不断进步，但大规模的工业化也给人类赖以生存的环境造成了一定程度的破坏。类似酸雨等自然现象对环境具有破坏性的腐蚀能力。腐蚀不仅消耗了人们生活中不可缺少的自然资源，而且严重破坏了自然环境及工业生产的正常运行，腐蚀造成的巨大经济损失和严重的环境污染已成为影响现代社会可持续发展的重要因素之一。据统计，全世界每年因腐蚀造成的直接经济损失约为7 000亿美元，是地震、水灾、台风等自然灾害总和的6倍；我国每年为腐蚀支付的直接与间接费用总和达5 000亿元，约占GDP的5%以上。

1 金属防腐技术

金属材料的腐蚀和防护是当今世界面临的迫切需要解决的问题。金属防腐的方法有很多，具体分为以下4种。

1.1 添加耐腐蚀材料

在制造金属零件的过程中，添加不易与周围介质发生反应的耐腐蚀材料。比如添加铬、镍钛等在空气中不易氧化，能生成致密的印化溥膜，可以抵抗酸、碱、盐等的腐蚀，将其加入到铁或铜中，可制成防腐蚀性优异的金属制品。利于金属粉末冶金可对各种金属元素进行灵活配比，利用添加不同性能的金属粉末来获得防腐蚀性能优异的金属零件。铁碳合金等金属材料还可通过采用热处理方法来防止腐蚀。

1.2 采用涂层金属防腐法

涂层法包括三大类，即涂覆和喷涂、镀层、化学转化膜。在金属表面上制成保护层可隔开金属与腐蚀介质的接触，从而减少腐蚀。

涂覆是将有机和无机化合物涂覆在金属表面，常用的方法是涂漆和塑料涂层。喷涂是通过喷枪或碟式雾化器，借助压力或离心力将有机和无机化合物分散成均匀、微细的雾滴，施涂于被涂物表面的涂装方法，主要为分电弧喷涂、等离子喷涂、静电喷涂、手工喷涂等。

金属镀层是一种利用金属粉末在工件表面形成镀层的工艺，主要包括电镀、热镀、喷镀、渗镀、化学镀、机械镀、真空镀等。

化学转变膜是采用化学或电化学方法使金属表面形成稳定的化合物膜层，根据成膜时所采用的介质，可将化学转化膜分为氧化物膜、磷酸盐膜、铬酸盐膜等。

根据构成涂层法保护层的物质，可将其分为2类：①非金属保护层。比如油漆、塑料、玻璃钢、橡胶、沥青、搪瓷、混凝土、珐琅、防锈油等。②金属保护层。在金属表面镀上一种金属或合金，作为保护层，以减慢腐蚀速度。用作保护层的金属通常有锌、锡、铝、镍、铬、铜、镉、钛、铅、金、银、钯、铑及各种合金等。

1.3 处理腐蚀介质

处理腐蚀介质就是改变腐蚀介质的性质，降低或消除介质中的有害成分，以防止腐蚀。这种方法只能在腐蚀介质数量有限的条件下进行，对充满空间的大气是无法处理的。处理腐蚀介质一般分以下2类：①去掉介质中的有害成分，改善介质性质。比如在热处理炉中通过保护气体以防止氧化，在酸性土壤中掺入石灰进行中和，防止土壤腐蚀等。②在腐蚀介质中加入缓蚀剂。在腐蚀介质中加入少量的缓蚀剂可使金属腐蚀的速度大大减慢，此种物质称为缓蚀剂或腐蚀抑制剂。比如在自来水系统中加入定的苛性钠或石灰，以去除水中过多的一氧化碳，防止水管腐蚀，在钢铁酸洗溶液中加缓蚀剂，以抑制过酸洗和氢脆性等。

1.4 电化学保护金属防腐法

用直流电改变被保护的金属电位，从而使腐蚀减缓或停止的保护法称为电化学保护。这类保护方法主要有外电源阴极保护法、保护器保护法和阳极保护法三种。

2 高铁铁轨金属构件防腐

自2013年开始，我国高铁凭借高速、高安全和高性价比的技术优势，逐渐走向世界和改变世界，甚至已成为21世纪群雄逐鹿的标志。然而，高铁在使用过程中，由于铁轨上的零部件长期暴露在自然环境中，承受着日晒雨淋，机械振动、冲击、磨损以及野外高温、高寒、高湿等恶劣气候环境等破坏，因此，其防腐工作显得尤其重要。铁轨金属构件的防腐直接影响着列车的运行安全。此外，钢构件在生产和运输过程中易生锈，施工连接时难以配合，且生锈后耐用性差，即使采用表面涂防锈油的方法也难以在恶劣的户外条件下长时间维持钢构件的防锈性能，传统的电镀、单一的锌铬涂层等工艺都难以满足钢铁制件的使用要求。

为了防止腐蚀对金属构件造成的损害，延长钢铁材料和设备的使用寿命，国内外学者对防腐技术进行了长期研究和工业化开发。其中，涂层防腐技术在金属构件防护中被广泛应用，包括热浸镀锌或铝等涂层、锌及铝等扩散涂层、电镀锌及其合金涂层和化学转化涂层、电镀锌（离子镀或离子注入等）、冷镀锌（机械镀、化学镀、涂刷镀等）及热镀锌涂层、达克罗防腐涂层、粉末真空多元合金共渗等防腐技术。

随着防腐技术的不断发展，涂层防腐技术不断推陈出新，不仅要求涂层的防腐性能好，更要注重涂层工艺对环境的二次污染问题。由于热浸镀锌存在锌废料和锌蒸汽等污染，电镀锌法有“三废”排放，进而被淘汰；达克罗（DACROMET）即片状锌基铬盐防护涂层因存在“六价铬”，对环境造成了严重的污染，目前，国外已限制达克罗涂层的工业应用。

我国武汉材料保护研究所于20世纪60年代就开展了对粉末渗锌工艺的研究；北京有色冶金设计研究总院于1984年开始对粉末渗锌工艺进行探索性试验研究，1986—1988年实现了工业化生产，开发出粉末渗锌成套设备和粉末渗锌产品等国家专利，为在国内全面推广这项新工艺提供了技术基础。而多元合金共渗技术是在粉末渗锌和真空渗锌的基础上发展和创新出来的最新的防腐处理技术，是目前金属构件防腐的热门技术。

3 多元合金共渗技术

3.1 多元合金共渗技术的原理

钢铁制件的多元合金共渗过程实际上是多种金属元素与铁元素之间的热力学和动力学的过程，取决于各金属元素与铁元素的相平衡信息和扩散路径。多元合金共渗的技术原理是利用物理、化学吸附沉积和机械碰撞使多元金属粉在工件表面形成镀层。由于其他金属元素的引入，使渗层由类似多种合金组成，从而提高渗层的防锈性能。由于采用了以锌粉、铝粉、稀土金属等材料为主要组分，其中的金属元素达到了3个以上，所以称为多元渗剂。而将采用多元渗剂进行浸渗处理称为多元合金共渗。其共渗过程是将多元微纳米渗锌剂与钢铁制件置于真空渗锌炉中，加热到350～420 ℃，多元活性锌等金属原子则由表及里地向钢铁制件渗透。同时，铁元素由内向外扩散，在钢铁制件的表层形成锌-铁多元金属间化合物，即多元镀锌层。这种镀层与其他锌镀层相比，具有结合强度高、镀层硬度高、无氢脆危害、镀层厚度均匀性好、工艺简单、节省原料等优点。

3.2 多元合金共渗装置及工艺

多元合金共渗的发生装置是共渗炉，主要由炉胆（装料筒）、炉体（加热体）、电机、底座、支撑架、滚筒、控制系统、定位装置和外部降尘部件组成，其外观如图1所示。

多元合金共渗技术主要包括下料、机加工、除油，抛丸、多远合金共渗等多种工艺，其工艺流程如图2所示。

3.2.1 下料

利用火焰切割、等离子切割或冲裁等方式将钢板切割成需要的坯料。

3.2.2 机加工

将钢坯料通过机械加工、拼焊和清理，制成钢铁制件。

3.2.3 除油

对钢铁制件进行表面除油处理，目的是获得良好的多元合金共渗层质量。

3.2.4 抛丸

将直径在0.5～2.0 mm的铸铁丸子在0.2～0.4 MPa压缩空气的作用下抛向钢铁制件表面，目的是除锈并降低钢铁制件表面粗糙度，以获得良好的表面质量。

3.2.5 多元合金共渗

在渗锌炉中，将钢铁金属制件埋在渗锌剂中，控制炉膛装填量为70%～75%，炉膛转速为2～3.8 r/min，渗锌温度400～480 ℃。

3.2.6 检测

对合金共渗层的厚度、硬度、抗腐蚀性能进行检测。

3.2.7 封闭

对检验合格的多元合金共渗钢铁制件通过喷漆或钝化进行表面封闭处理，提高钢铁制件的耐腐蚀性能。

3.2.8 检测

对封闭处理后的钢铁制件按照图纸要求进行全面检验。

3.2.8 包装

对终检合格的钢铁制件（产品）进行包装。

3.3 多元合金共渗的技术瓶颈

虽然多元合金共渗防腐技术有很多优点，但在工业化生产中，仍然存在以下瓶颈和亟待解决的技术问题：①现有多元合金共渗层配方锌粉用量大、成本高。需要对铁路混泥土钢铁制件的使用环境设计多元合金共渗层配方和封闭涂层配方，以延长使用寿命，并降低锌粉用量。②现有多元合金共渗过程加热保温周期长、能耗大。整个渗锌过程中从加热到保温至少需要4.5 h，生产效率低。③渗锌炉渗锌完成后，取出金属构件时的粉尘较大，既污染环境，又影响生产工人的身体健康，靠自然降尘需要等待3 h左右，降低了生产效率。④在现有渗锌炉的渗锌过程中，易导致金属构件滚动、碰撞，造成金属构件如螺栓牙纹损坏，成品合格率低，生产成本进一步加大。

4 结束语

目前，高铁、地铁、桥梁等交通基础建设所需的大量紧固件和连接件等金属构件要求按新标准生产。由于高速铁路、地铁和桥梁有其自身的特点和使用环境，对金属材料的防腐性能要求高。为了满足高铁、地铁和桥梁等基础设施建设的需要，金属防腐技术仍需深入研究。多元合金共渗技术只有解决其在生产实践中存在的问题，才能进一步推广和应用。

〔编辑：张思楠〕