热渗锌技术在轨道交通扣件防腐领域的应用研究

柴武，朱培，何卫平，刘元海，王媛媛，王小龙

（中国特种飞行器研究所结构腐蚀防护与控制航空科技重点实验室，荆门 448035）

引言

截至2022年底，中国铁路营业里程已经达到15.5万公里，随着列车速度、车辆载重以及运输量的增加，对铁路扣件系统的耐久性和可靠性的要求也越来越高[1]。扣件是钢轨与轨枕之间重要的联结零件，其在服役状态下提供的扣压力和减振弹性可以防止钢轨的横纵向移动，减缓列车运行过程中钢轨对其下部基础的冲击[2]。

扣件的使用寿命对列车运营至关重要，而摩擦磨损、接触冲击、疲劳和腐蚀是引起扣件零部件劣化的主要因素，目前对于扣件的研究主要集中在绝缘性能[3]、疲劳性能[4]及新型扣件系统[5]的研究，对于扣件腐蚀问题的研究相对较少。

据报道，我国铁路因腐蚀造成的直接损失达188.8亿元，因腐蚀造成的安全隐患日益凸显。由于安装过程中的损坏和持续的雨雪侵蚀，以及隧道、涵洞等地下潮湿环境，导致扣件极易发生局部点蚀和提前失效[6]。尤其是在多雨潮湿的东南沿海地区，以及环境更为复杂恶劣的华中和西南等酸雨地区，扣件的使用寿命大大缩短[7]。扣件弹条、螺栓等金属零部件的锈蚀会增大养护维修量，造成线路失稳，伤及动车组车体甚至危及行车安全[8]。

1 扣件腐蚀现状

扣件腐蚀主要以缝隙腐蚀、电偶腐蚀及杂散电流腐蚀等形态存在，而相对湿度、温度、SO2等污染物质及Cl-等腐蚀离子是造成扣件腐蚀的主要因素[9]。

沿海地区温湿度大，且雨水中Cl-含量高。以海南为例，扣件长期处于潮湿环境中，容易发生锈蚀现象，由海南东环铁路现场调查情况可知，扣件系统中螺栓、盖板等均出现不同程度的锈蚀，且锈蚀情况相当严重[10]。受列车荷载、环境腐蚀等因素的影响，大同—西安高速铁路个别地段也出现了如图1所示的道岔扣件金属零部件腐蚀甚至断裂的情况[11]。由此可见，轨道交通扣件零部件的腐蚀是一个普遍现象。

图1 现场道岔扣件

2 扣件防腐工艺对比

2015年，国家铁路局发布的行业标准TB/T 3396.6-2015要求扣件系统经过300 h中性盐雾试验后，依然可以通过手工拆卸工具顺利拆卸和安装。因此，必须采取合适的表面处理工艺对扣件金属零部件进行防护，以延长其使用寿命。

目前针对扣件金属零部件的防腐方式主要有涂覆层、镀层和化学转化膜。其中，通过电镀、热浸镀、机械镀等工艺在工件表面形成金属镀层的方式应用最为普遍。从现场安装后防腐效果来看，不同表面防腐工艺的优缺点及应用产品如表1所示[12]。

由表1可知，热渗锌工艺在环境保护、涂层性能等方面具有明显优势。铁道部也已经颁布了针对热渗锌防腐工艺的标准，如在TB/T 3274-2011《铁路混凝土梁配件多元合金共渗防腐技术条件》标准中，对于渗剂成分和渗层性能提出了具体要求（厚度≥50 μm，耐中性盐雾性能500 h无红锈等）。

3 扣件热渗锌工艺研究进展

3.1 SO2腐蚀行为研究

酸雨环境中的SO2在潮湿颗粒或水滴中会被氧化成硫酸，从而严重危害扣件系统的防护性和耐久性，因此为解决酸雨导致的扣件锈蚀问题，王树国等[13]研究了热渗锌处理后扣件金属零部件的耐蚀性，结果表明经过120 h二氧化硫腐蚀后，渗锌处理的弹条未见明显腐蚀现象，满足抗二氧化硫腐蚀要求。张志坚等[14]以扣件弹条常用材料60Si2Mn进行热渗锌，研究了渗层在凝露条件下的SO2腐蚀行为。并且通过对酸雨环境下渗锌产品的腐蚀模拟，揭示了SO2腐蚀机理——硫酸盐穴自催化。具体反应过程如下:

3.2 连续化渗锌工艺

工业渗锌普遍采用的机械能助渗具有处理时间短、渗层均匀性好等优势，但是渗锌完成后的先降温再升温过程，难以满足扣件自动化、连续化、规模化的生产要求。姜海龙等[15]在现有渗锌工艺的基础上发明了一种连续式渗锌工艺，该工艺通过旋转支撑机构实现了连续化渗锌处理，不需反复开炉、冷却，不会造成大量的热量散失，能耗低，工作效率高。

针对传统隧道式扣件弹条渗锌工艺需要人工捆扎、拆卸弹条，渗锌沙冷却和加热时能源消耗大，设备维护成本高等缺陷，陈肖越等[16]发明了一种弹条全自动连续渗锌防腐工艺，实现了抛丸、码放、装炉、渗锌、出炉、封闭及包装的全自动化，降低了人力，通过该工艺制备的弹条渗锌层厚度、疲劳及防腐性能均能满足要求。

为进一步提高扣件的热渗锌生产效率，紧密衔接各道工序，张松琦等[17]提出了如图2所示的两端开口通道式热渗锌工艺。该工艺在渗锌过程中增加了工件预热和气氛保护，其中工件预热可以在提高渗锌效率的同时尽量减少炉内温度波动；气氛保护能够避免高温富氧环境中锌粉的氧化失活，确保渗锌过程的顺利进行。

图2 通道式粉末渗锌设备

3.3 锌镍合金共渗

研究表明在锌粉中添加Al、、Gr、La等元素进行多元合金渗，能够显著提高渗层的耐蚀性，改善渗层的组织结构[18,19]。镍具有优异的耐腐蚀性能，在418.5 ℃下Zn-Ni存在共晶，在较低温度下锌与镍可以形成金属间化合物，可以有效延缓钢基体的腐蚀[20]。在石油工业中，锌镍渗层既能为剪切刀体提供足够的强度和硬度，又能抗硫化氢腐蚀[21]；在铁塔行业，锌镍渗层为螺栓提供了良好的抗高低温性能、耐酸碱腐蚀性及抗磨损冲击性能，解决了紧固件公差配合问题[22]。

徐鹏辉等[23]采用甲酸镍作为前驱体低温渗锌得到了Zn-Ni合金渗层，研究表明甲酸镍能够促使渗层表面平整，减少渗层裂纹，含镍钝化膜能够抑制Cl-的腐蚀。王荣华等[24]通过对Zn-Ni合金渗层微观结构的研究，揭示了粒子扩散的特征，图3所示的晶体结构示意图表明当锌、镍元素超过固溶度极限时会不断形成锌-镍-铁合金新相，新相依附在钢铁表面生长，并且与钢铁基体之间充分固结形成整体金属结构。

图3 锌镍渗层的晶体学示意图

锌镍合金渗层在应用过程中表现出优异的耐蚀性，如通过对海南岛西环线安装的锌镍渗层扣件和达克罗扣件对比，发现服役5年后锌镍渗层扣件未见锈蚀，而达克罗扣件全部锈蚀[25]。另外在在深圳地铁三号线安装的的锌镍渗层扣件（图4），经过1 年多的营运未见锈蚀，而采用其它防腐技术的扣件已发生不同程度的生锈[26]。

图4 深圳地铁三号线防腐对照图片，未锈道钉、弹条垫板为用锌镍渗层技术处理的

4 总结

相比于达克罗等表面处理技术，热渗锌在前处理时无需酸洗无氢脆危害，渗锌过程温度低不影响材料机械性能，封闭过程无有害物排放，是一种绿色环保、节能高效的先进表面处理工艺，并且渗层具有厚度可控，结合力强，且耐磨耐蚀等显著优势。随着新材料新工艺的不断研发，渗锌技术在轨道交通领域将具有更加广阔的应用前景。