道岔扣件关键零部件防腐性能试验研究

王树国 孙林林 张立军 刘光孟

1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；3.铁科（北京）轨道装备技术有限公司，北京 102202

道岔结构复杂、零部件众多，是影响高速铁路安全运营的薄弱设备之一［1］。我国高速铁路道岔总体使用状态良好，但也暴露出一些问题。如部分区段出现关键金属零部件腐蚀甚至失效的情况，在沿海和酸雨地区铁路道岔扣件关键金属零部件腐蚀情况更严重。关键金属零部件的腐蚀及其导致的失效会影响道岔的可靠性和使用寿命，增大养护维修量，甚至危及行车安全。

针对铁路行业中出现的金属零部件腐蚀问题，国内外学者开展了大量研究。张彦文等［2］通过对弹条断口、金相组织、表面硬度等研究发现，表面腐蚀坑引起的应力集中是导致弹条断裂的主要原因。张松琦等［3］通过试验研究弹条渗锌处理后密封罐内部温度与渗锌时间的关系，分析不同渗锌温度和渗锌时间下弹条渗锌层厚度及防腐性能的变化情况，提出了合理的弹条渗锌工艺。陈晓玲等［4］对热渗锌技术在道岔转换设备上的应用进行了探讨。张小兵［5］通过室内外试验对比分析了各种防腐工艺处理后扣件金属零部件的抗腐蚀性能，给出了不同地段扣件金属零部件可采用的防腐工艺。Zhang等［6］对W1弹条断口进行微观结构和形貌分析发现，腐蚀是产生断裂的主要原因，建议严格控制防腐工艺以获得更加均匀的防腐涂层。Niu等［7］通过建立腐蚀层演化速率模型研究了不同合金元素含量下中碳弹簧钢的抗腐蚀性能。结果表明，随着铬含量增加，弹簧钢抗腐蚀性能逐渐增强；加入钒元素后弹簧钢抗腐蚀性能减弱。

本文针对现场出现的高速铁路道岔扣件金属零部件腐蚀问题，对现场抽取的Ⅱ型弹条硬度、金相组织、表面脱碳层、化学成分和表面腐蚀状态进行测试，分析腐蚀原因。通过二氧化硫腐蚀试验对比不同防腐工艺处理后扣件各金属零部件宏观和微观形貌，比选出适宜不同金属零部件的防腐工艺。

1 现场调研

我国高速铁路无砟轨道普遍采用60 kg/m钢轨18号道岔。大部分地区使用情况良好，但由于受列车荷载、环境腐蚀等因素的影响，个别地段出现了道岔扣件金属零部件腐蚀甚至断裂的情况。对大同—西安高速铁路一区段道岔扣件金属零部件使用情况进行现场调研发现，Ⅱ型弹条、T型螺栓等金属零部件均出现不同程度腐蚀，个别Ⅱ型弹条断裂，见图1。

图1 现场道岔扣件

现场积水及降雨pH值均在5～6，为典型的酸雨环境。腐蚀的Ⅱ型弹条表面浮锈中硫元素含量为0.39%，远高于Ⅱ型弹条用60Si2Cr弹簧钢原材料中硫元素含量容许值（≤0.02%）。由此可知，现场弹条腐蚀严重主要由酸雨腐蚀所致。

2 弹条质量检测

为进一步分析现场Ⅱ型弹条断裂和扣件金属零部件腐蚀严重的原因，对现场抽取的弹条进行硬度、表面脱碳层厚度、金相组织和化学成分测试，并对弹条表面腐蚀坑状态进行分析。

2.1 硬度、表面脱碳层厚度和金相组织测试

按TB/T 3065—2020《弹条Ⅱ型扣件》取样和评价测试结果。弹条硬度试验按GB/T 230.1—2018《金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，金相组织试验按TB/T 2478—93《弹条金相组织评级图》进行，总脱碳层试验按GB/T 224—2019《钢的脱碳层深度测定法》进行。Ⅱ型弹条硬度、表面脱碳层厚度和金相组织检测结果见表1和图2。

表1 型弹条硬度、脱碳层厚度和金相组织检测结果

表1 型弹条硬度、脱碳层厚度和金相组织检测结果

样品编号1 2 3硬度/HRC 44 45 45脱碳层厚度/mm 0.07 0.10 0.09金相组织均匀的回火屈氏体和回火索氏体

图2 金相组织照片

从表1和图2可见：现场抽取的Ⅱ型弹条硬度在44～45 HRC，符合42～47 HRC的规范要求；表面脱碳层厚度在0.07～0.10 mm，满足不大于0.20 mm的规范要求；金相组织为均匀的回火屈氏体和回火索氏体，符合规范要求。

2.2 Ⅱ型弹条化学成分分析

采用直读光谱仪对现场抽取的Ⅱ型弹条进行化学成分分析，并与GB/T 1222—2016《弹簧钢》中的60Si2Cr热轧弹簧钢对比，结果见表2。可见，现场抽取的Ⅱ型弹条化学成分符合规范要求。

表2 型弹条化学成分分析结果 %

表2 型弹条化学成分分析结果 %

化学成分C Si Mn P S Cr Ni Cu实测值0.590 1.420 0.560 0.004 0 0.800 0.010 0.020规范值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 腐蚀坑状态分析

采用金相法测试的Ⅱ型弹条表面腐蚀坑深度和宽度见表3。可见，弹条表面锈蚀较严重，存在较明显的腐蚀坑。

表3 型弹条表面腐蚀坑深度和宽度

表3 型弹条表面腐蚀坑深度和宽度

样品编号1 2 3深度/mm 0.155 0.103 0.090宽度/mm 0.948 0.981 0.342

3 二氧化硫腐蚀试验

为解决现场酸雨导致的道岔扣件金属零部件锈蚀严重问题，选取合适防腐工艺，根据GB/T 9789—2008《金属和其他无机覆盖层通常凝露条件下的二氧化硫腐蚀试验》对采用四种防腐工艺（渗锌、镀锌、达克罗和静电喷涂）处理的道岔扣件金属零部件进行试验。渗锌是在高温环境下将气态、固态或熔化状态的锌通过扩散作用在产品表面形成锌层的一种防腐工艺；镀锌是将产品浸入熔化锌液内使产品表面形成锌层的一种防腐工艺；达克罗是将一种由锌粉、铝粉、络酸、乙二醇、去离子水及其他助剂所组成的高分散水溶性涂料涂覆在产品表面经烘烤成膜的一种防腐工艺；静电喷涂是利用高压静电电场使带有负电的涂料微粒吸附在产品表面形成保护膜的一种防腐工艺。采用不同工艺时腐蚀时长均为120 h。

3.1 腐蚀前后宏观状态分析

二氧化硫腐蚀前后道岔扣件金属零部件试样形貌见图3，腐蚀程度见表4。由图3和表4可见：渗锌处理后，螺旋道钉、T型螺栓和螺母均明显腐蚀、弹条轻微腐蚀；镀锌处理后，螺旋道钉、T型螺栓和螺母均明显腐蚀，腐蚀前后颜色变化较渗锌处理明显；达克罗处理后，螺旋道钉和T型螺栓均轻微腐蚀；静电喷涂处理后，螺旋道钉、T型螺栓和螺母均轻微腐蚀，腐蚀前后颜色无明显变化。因此可知，对于不同防腐工艺处理的金属零部件，达克罗和静电喷涂试样抗二氧化硫腐蚀性能优于渗锌和镀锌试样。

图3 二氧化硫腐蚀前后金属零部件试样形貌对比

表4 不同防腐工艺处理后金属零部件腐蚀程度

3.2 腐蚀后微观形貌分析

采用光学显微镜对不同防腐工艺处理前后试样截面微观形貌进行观察。T型螺栓试样截面腐蚀前后微观形貌见图4。其中，红色数据为防腐层厚度。可见：经120 h二氧化硫气体腐蚀，渗锌、镀锌试样表面均残存少量锌层；达克罗试样保护层不同程度膨胀，但表面较致密，未见明显孔隙；静电喷涂试样表面较平整，基本未见腐蚀。这说明渗锌、镀锌处理后试样腐蚀严重，达克罗、静电喷涂处理后试样腐蚀轻微。

图4 T型螺栓试样截面腐蚀前后微观形貌对比

4 结论

1）现场抽取的铁路道岔扣件Ⅱ型弹条硬度、金相组织、表面脱碳层厚度和化学成分均符合相关规范要求。Ⅱ型弹条表面存在较深腐蚀坑，为酸雨环境所致。

2）经120 h二氧化硫腐蚀，渗锌处理的弹条、达克罗处理的螺旋道钉和T型螺栓以及静电喷涂处理的螺旋道钉、T型螺栓和螺母均轻微腐蚀，满足抗二氧化硫腐蚀要求。

3）对于不同防腐工艺处理的金属零部件，达克罗和静电喷涂试样抗二氧化硫腐蚀性能优于渗锌和镀锌试样。